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压力容器审核员培训,压力容器基础知识,济南市锅炉压力容器检验研究所 毛文帮 2009年12月,压力容器简介,一、广义压力容器的定义 所谓容器，通常的说法是：由物体构成用于盛装物料的空间构件。通俗地讲，就是化工、炼油，医药，食品等生产所用的各种设备外部的壳体都属于容器。 不言而喻，所有承受压力的密闭容器称为压力容器，或者称为受压容器。,二、压力容器的压力源 容器所盛装的，或在容器内参加反应的物质，称之为工作介质。 常用压力容器的工作介质是各种气体、水蒸汽或液体，我们这里主要讲气体介质的压力来源。压力来源可以分为气体压力的产生或增大，它来自容器内或容器外二类。,容器的气体压力产生于器外时，其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉。气体压缩机主要有容积型和速度型两类。容积型气体压缩机是通过缩小气体的体积，增加气体的密度来提高气体压力的。而速度型气体压缩机则是通过增加气体的流速，使气体的动能转变为势能来提高气体压力的。工作介质为压缩气体的压力容器，其可能达到的最高压力为气体压缩机出口的气体压力. 蒸汽锅炉是利用燃料燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸汽的一种设备。由于在相同压力下水蒸汽的体积是饱和水的1000多倍.,容器的气体压力产生于容器内时，其原因有：容器内介质的聚集状态发生改变；气体介质在容器内受热，温度急剧升高；介质在容器内发生体积增大的化学反应等。由于介质的聚集状态发生改变而产生或增加压力的，一般是由于液态或固态物质在容器内受热(如周围环境温度升高，容器内其他物料发生放热化学反应等)、蒸发或分解为气体，体积剧烈膨胀，但因受到容器容积的限制，气体密度大为增加，因而在器内产生压力或使原有的气体压力增加。例如二氧化硫，当温度低于10.1(标准沸点)时，它在密闭容器内的蒸气压力低于大气压力，而当温度升高至60时，呈液态的二氧化硫便大量蒸发，其蒸气压力即升高到11.25绝对大气压。又如高分子聚合物固态聚甲醛，受热后“解聚变为气态，体积约增大1065倍，在密闭容器内也会产生很高的气体压力。,由于气体介质在容器内受热而产生或显著增加压力。例如有些贮装易于发生聚合反应的气体容器(如某些碳氢化合物贮罐)，在合适条件下单分子气体可以局部发生聚合反应，产生大量的聚合热，使容器内的气体受热，温度大幅度上升，使压力剧烈增高，有时还会因此而发生容器超压爆破事故。 由于介质在容器内发生体积增大的化学反应而压力升高的例子较多，例如用碳化钙加水经化学反应生成乙炔气体，体积大为增加，在密闭的容器内会产生较高的压力。又如电解水制取氢和氧的反应，因为1米3的水可以分解成1240米3的氢气和620米3的氧气，体积约增大2000倍，在密闭的容器内也会产生很高的压力。 注意：常用的压力容器中，气体压力在容器外增大的较多，在容器内增大的较少。但后者危险性较大，对压力控制的要求也更严格。,三、压力容器界限 在此讨论的压力容器，主要是指那些容易发生事故。并按规定的技术管理规范进行制造和使用的压力容器。也就是对压力容器划个界限，哪些按一般设备对待，哪些按特殊设备对待。因而所讲得的系指按特殊设备对待的压力容器。 1划分压力容器的界限应考虑的因素，主要是事故发生的可能性与事故危害性的大小两个方面。目前国际上对压力容器的界限范围尚无完全统一的规定。一般说来，压力容器发生爆炸事故时，其危害性大小与工作介质的状态、工作压力及容器的容积等因素有关。 工作介质是液体的压力容器，由于液体的压缩性极小，容器爆破时其膨胀功，即所释放的能量很小，危害性也小。而介质是气体的容器，因气体具有很大的压缩性，容器爆破时瞬时所释放的能量很大，危害性也就大。所以一般都不把介质为液体的容器列入作为特殊设备的压力容器范围内。值得注意的是，这里所说的液体，是指常温下的液体，不包括最高工作温度高于其标准沸点(即标准大气压下的沸点)。 2、 特种设备安全监察条例 、容规对压力容器有相应的界定,四、压力容器的基本要求 1强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。强度是是涉及安全的主要问题。 2刚度：刚性是在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产 生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等； 3稳定性：在外力作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。 4耐久性 5密封性,五、压力容器的工艺参数 压力容器的工艺参数是由生产的工艺要求确定的，是进行压力容器设计和安全操作的主要依据。压力容器的主要工艺参数为压力和温度。 （一）压力 这里主要讨论压力容器工作介质的压力，即压力容器工作时所承受的主要载荷。压力容器运行时的压力是用压力表来测量的，表上所显示的压力值为表压力。在各种压力容器的规范中，经常出现工作压力、最高工作压力和设计压力等概念，观将其定义分述如下。 1工作压力。工作压力也称操作压力，系指容器顶部在正常工艺操作时的压力(即不包括液体静压力)。 2最高工作压力。系指容器顶部在工艺操作过程中可能产生的最大表压力(即不包括液体静压力)。压力超过此值时，容器上的安全装置就要动作。容器最高工作压力的确定与工作介质有关。,3设计压力 指在相应设计温度下用以确定容器计算壁厚及其元件尺寸的压力。一般不小于最高工作压力，由于考虑问题的角度不一样，不同规范对设计压力的选取原则可能会略有差异。 容规规定容器的设计压力，应略高于容器在使用过程中的最高工作压力。装有安全装置的容器，其设计压力不得小于安全装置的开启压力或爆破压力。,（二）温度 1介质温度，系指容器内工作介质的温度，可以用测温仪表测得 2.设计温度；压力容器的设计温度不同于其内部介质可能达到的温度，系容器在正常工作过程中，在相应设计压力下，表壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。 设计规定，对设计温度的选取有如下规定： (1)当容器的各个部位在工作过程中可能产生不同温度时，可取预计的不同温度作为各相应部位的设计温度。 (2)对有内保温的容器，应作壁温计算或以工作条件相似容器的实测壁温作为设计温度。,六、压力容器的分类 压力容器的型式繁多。根据不同压力容器可有许多分类方法，常用的有以下几种 （一）按压力分类 按所承受压力(P)的高低，压力容器可分为低压，中压，高压，超高压四个等级。具体划分如下： 1低压容器，0.P100MPa。,（二）按壳体承压方式分类 按壳体承压方式不同，压力容器可分为内压(壳体内部承受介质压力)容器和外压(壳体外部承受介质压力)容器两大类。 这两类容器是截然不同的，其差别首先反映在设计原理上，内压容器的壁厚是根据强度计算确定的，而外压容器的设计则主要考虑稳定性问题。其次，反映在安全性上，外压容器相对内压容器安全。 （三）按设计温度分类 按设计温度(t)的高低，压力容器可分为低温容器(t20)，常温容器(20t450)和高温容器(t 450),（四）从安全技术管理角度分类 按安全技术管理分类，压力容器可分为固定式容器和移动式容器两大类。 1固定式容器系指有固定的安装和使用地点，工艺条件和使用操作人员也比较固定，是用管道与其他设备相连接的容器。如合成塔、蒸球，管壳式余热锅炉，热交换器，分离器等。 2.移动式容器，系指一种贮装容器，如气瓶，汽车槽车，铁路槽车等。其主要用途是装运有压力的气体。这类容器无固定使用地点，一般也没有专职的使用操作人员，使用环境经常变迁，管理比较复杂，较易发生事故。,（五）按在生产工艺过程中的作用原理分类 压力容器可分为反应容器、换热容器，分离容器和贮运容器。 1反应容器，系指主要用来完成介质的物理，化学反应的容器。如反应器，反应釜、发生器、分解锅、分解塔、聚合釜，高压釜，合成塔，变换炉，蒸煮锅，蒸球等。 2换热容器，系指主要用来完成介质的热量交换的容器。如管壳式废热锅炉、热交换器、冷却器，冷凝器，蒸发锅、加热器，硫化锅，消毒锅，蒸压釜，蒸煮器，染色器等。 3分离容器，系指主要用来完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的容器。如分离器，过滤器、集油器，缓冲器，贮能器，洗涤器，吸收塔，铜洗塔，干燥塔等。 4贮运容器，系指主要用来盛装生产和生活用的原料气体，液体、液化气体等的容器。如各种型式的贮槽，槽车(铁路槽车、公路槽车)。 在一种容器中，如同时具有两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的主要作用来划分。,（六）容规对压力容器的分类 为有利于安全技术管理和监督检查，根据容器的压力高低，介质的危害程度等，容规将其适用范围的容器划分为三类。,（七）其他分类方法 1按容器的壁厚有薄壁容器和厚壁容器之分。a.薄壁容器： K（DoDi）1.2 ;厚壁容器： K（Do Di ）1.2 2按壳体的几何形状有球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器之分。 3按制造方法有焊接容器、锻造容器，铆接容器、铸造容器及各式组合制造容器之分。 4按结构材料可有钢制容器，铸铁容器，有色金属容器和非金属容器之分。 5按容器的安放形式则有立式容器，卧式容器等之分,压力容器专业知识,一.压力容器设计、制造的主要特点,1. 压力容器设计一般包括结构设计(选择)、设计计 算与材料选择其中结构是设计计算的基础，即 根据各类承压零部件不同的结构、形状,分别进 行设计计算.,一.压力容器设计、制造的主要特点,2.压力容器设计计算一般要解决如下三类问题: 2.1 强度-在外压作用下不允许产生塑性(永久)变形,是涉及安全的主要问题,如筒体、封头等； 2.2 刚性-在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等； 2.3 稳定性-在外力作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。,一. 压力容器设计、制造的主要特点,3. 依各类承压零部件不同的结构、形状,采用不同的 加工方法分别制造,然后通过多种方法(焊接、法 兰螺栓、螺纹)连接在一起,构成一台完整的容器, 焊接是主要方法.,一. 压力容器设计、制造的主要特点,4. 在制造的全过程中要采用多种冷、热加工方法, 其中热加工(焊接、热处理、热成形)以其技术的 复杂性、质量要求的多样性以及质量检验的难度, 成为影响产品安全运行的关键.,一. 压力容器设计、制造的主要特点,5. 压力容器产品的质量主要是安全要求,而非性能 要求,因此采取严格的市场准入(单位、人员)制度, 以及全过程 (设计、制造、使用等)质量控制.,二. 压力容器设计基础知识,薄壁容器应力简化 1.1 应力合理简化的主要内容 将三向受力状态简化为两向(切向、轴向）受力状态 将应力沿壁厚非均布视为均布 将应力沿轴向非均布视为均布 1.2 简化的目的依据外载方便计算应力 1.3 薄壁容器的范畴（即简化造成误差的允许范围）D外/D内1.5（力学）；D外/D内1.2（工程），即高、中、低压容器。,三. 压力容器设计基础知识,2. 强度理论的选择 2.1 强度理论的作用在外载引起的应力与材料极限应力间建立联系，以便计算壁厚。 2.2 主要强度理论的分类及选择 第一强度理论（最大主应力理论）是最大主应力达到或超过材料强度极限构件即破坏（脆断）。适用于脆性材料破坏，但ASME-1与GB150等仍采用，主要原因在于经验丰富、简便，采用一定的限制条件（压力、结构、元件系数）可保证安全。,2. 强度理论的选择,2.2 主要强度理论的分类及选择 第三强度理论（最大剪应力理论） 最大剪应力达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服），较适用于压力容器，ASME-2与JB4732采用。 第四强度理论（能量理论）均方根剪应力（考虑最大剪应力的同时，兼顾其他剪应力对安全的影响）达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服），最适用压力容器，但需试算使用不便。,三. 压力容器设计基础知识,3. 失效判据（准则）的选择 3.1 失效判据的作用设定整部标准规范（即产品）的安全底线 3.2 失效判据（准则）的分类及选择 弹性失效判据容器在整个使用过程（含耐压试验）材料应处于弹性，不得屈服。偏安全、经验丰富，ASME-1及GB150采用。 塑性失效判据内壁材料进入塑性但外壁材料仍为弹性，可提高材料利用率，ASME-2及JB4732等采用。,三.压力容器设计基础知识,3. 失效判据(准则)的选择 3.2 失效判据(准则)的分类及选择 爆破失效判据-因材料屈服强化，内、外壁材料同时进入塑性仍不会破坏，应力直至材料强度限前均可使用，我国超高压容器设计采用。,4. 设计条件的确定,4.1 设计条件的作用-设计依据 4.2 设计条件包含的内容-主要为压力、温度、介质、腐蚀裕量、焊缝系数，自然基础条件等。 4.3 （最高）工作压力-正常工况（安全责任界限）容器顶部（最小、唯一）可能（并非必然）出现的最大压力，由用户工艺人员提供。 4.4 设计压力-设定的容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起成为设计载荷条件（可能出现的最危险工况），由设计人员根据最高工作压力设定（大于或大于等于）。 4.5 腐蚀裕量-年腐蚀速率设计寿命，指均匀腐蚀。对应力腐蚀、晶间腐蚀及氢腐蚀等需采用其他（如选材）解决。,三.压力容器设计基础知识,5. 安全系数 5.1 安全系数的作用-安全性与经济性辩证统一，整部标准规范的核心。 5.2 为何有安全系数 载荷误差; 设计误差; 材料误差; 制造与检验的误差; 使用中的问题; 未可知因素,三.压力容器设计基础知识,5. 安全系数 5.3 安全系数发展的历史与趋向 单一走向多元-nb(强度)、ns(屈服)、nst(设计温度下屈服)、nD(持久)、nn(蠕变)。取五者中最小许用应力。 从高到低，下降趋势（技术进步，经验积累）。 针对不同应力对安全的不同影响，取不同的安全系数。,三.压力容器设计基础知识,5. 安全系数 5.4 螺栓安全系数的特殊性-避免过度上紧 一般只对屈服点取安全系数 依材料而异 依规格而异,三.压力容器设计基础知识,6. 焊缝(焊接接头)系数 6.1 焊缝系数的作用-设计系数。考虑焊缝对容器强度的削弱，用整个增加壁厚的方式补足. 6.2 焊缝系数的选取-依焊接接头型式及无损检测长度（比例）确定。,三.压力容器设计基础知识,6. 焊缝(焊接接头)系数 6.3 几个问题的解释 相当于双面焊的全焊透对接接头，可采用多种方法实现，最终由无损检测判断； 一般均指纵缝，环缝焊接接头系数仅在特定条件（如高塔风载）下采用; 容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定，应理解为对无垫板单面焊使用的限制。,三.压力容器设计基础知识,7.主要受压元件设计计算书中应注意的几个问题 7.1多数元件（如筒体、封头、球壳）可通过公式直接得出 壁厚，部分元件（如法兰、外压）需先假定尺寸然后进 行试算校核。 7.2 设计时因难以搞清开孔与焊缝的相对位置，故均按在焊 缝上进行开孔补强的设计，制造时应尽量使开孔远离焊 缝。 7.3 GB150对开孔规格的限制，是等面积补强方法的限制， 如需要开大孔可另寻补强设计方法，如极限分析、安定 性分析。,三.压力容器设计基础知识,7.主要受压元件设计计算中应注意的几个问题 7.4 除十字焊缝外，对封头拼板焊缝无限制，但均需100% 探伤，合格级别与容器一致。大型封头制造后，因运 输原因切开到现场再组焊，不属拼板焊缝。 7.5 为减少计算工作量，避免错误，将常用规格的封头、 法兰编制成标准封头、标准法兰，供设计者选用，并 非限制设计者自行设计计算。 7.6 GB150中要求筒节长度不小于300mm属惩罚条款，并非 合理要求。,三.压力容器设计基础知识,8.应力分析设计的一般概念 8.1 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别 GB150将复杂（真实）应力状态简化，只考虑一次膜 应力对安全的影响，其他应力的影响用结构限制、元 件系数等方法简单处理，可满足多数一般产品安全， 设计计算简便，同一台容器采用统一的安全系数； JB4732需进行详细的应力计算与分类，可满足高参 数重要产品的安全，设计计算复杂必须采用计算机， 根据不同应力的各种组合（应力强度）对安全的不 同影响分别加以不同限制。,三.压力容器设计基础知识,8.应力分析设计的一般概念 8.1 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别 GB150采用第一强度理论，弹性失效准则，不适用 于疲劳容器，压力适用上限35MPa，安全系数较高； JB4732采用第三强度理论，塑性失效准则，可用于 疲劳容器，压力适用上限100MPa，安全系数较低。 二者的制造检验要求无本质差别，仅JB4732要求更严格，如不允许采用局部无损检测、每台容器均制备产品焊接试板、对接管开孔倒圆倒角有明确要求、疲劳容器不得保留焊缝余高等。,三. 压力容器设计基础知识,8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 按各类应力对容器安全的不同影响,将其分为一次应力、二次应力与峰值应力.,三. 压力容器设计基础知识,8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 一次应力即基本应力，它有二大特征：第一，是外载荷（压力、重量、其他外载）引起的，外载消失一次应力亦不复存在；第二，作用范围广，与结构长度或容器半径属同一量级。由内压在圆筒与封头上引起的切向、轴（经）向应力即属一次应力。 一次应力按其在壁厚方向分布的均匀程度，又可分为一次膜应力（均布部分）和一次弯曲应力（扣除一次膜应力后的线性分布部分）。 一次膜应力对容器安全影响最大，应严格限制；对一次弯曲应力的限制可稍宽。,三. 压力容器设计基础知识,8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 二次应力是由相邻部件的约束或结构自身约束而产生的应力，其特点是：第一，分布局域较一次应力小，与 属同一量级；第二，二次应力达到材料屈服点时，仅引起局部屈服，大部分材料仍属弹性，且二次应力有自限性。 封头与筒体连接处由附加弯矩引起的轴、切向应力属二次应力。温差应力一般亦属二次应力。 对二次应力的限制宽于一次应力。,三. 压力容器设计基础知识,8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 峰值应力.扣除一次、二次应力后，沿壁厚非线性分布的部分即为峰值应力。峰值应力多在壳体与接管连接处产生，其分布区域极小，与t一个量级，仅对疲劳破坏产生影响。,四. 结构设计的一般要求,1. 结构的重要性-设计计算的基础，对安全与经济性影响极大。 结构设计的基本要求是安全、方便制造与检验。任何结构都不是万能的，需合理设计与选择。 2. 筒体结构 2.1 筒体结构分为整体式与组合式两大类,四. 结构设计的一般要求,2. 筒体结构 2.2 整体式 整体式结构即满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）是由一整块连续钢材构成。 常见整体式结构有：单层焊接（应用最广）、锻造（主要用于超高压）、锻焊（用于大型重要工况）、无缝管（小容器）。,四. 结构设计的一般要求,2. 筒体结构 2.3 组合式 满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）由板-板、板-带、板-丝组合而成，主要用于高压容器。 板-板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等 板-带有型槽绕带、扁平纲带 板-丝有绕丝（主要用于超高压）,四. 结构设计的一般要求,2. 筒体结构 2.4 整体式与组合式之比较 在安全性方面组合式优于整体式，理由如下： 以薄攻厚，中厚板、薄板性能优于厚板; 缺陷只能在本层内扩展； 危险的纵缝（整体包扎含环缝）化整为零，各层均布； 安全泄放孔，利于报警； 预应力增加安全裕度。 组合式工艺复杂，生产周期长，且不适于做热容器,四.结构设计的一般要求,3.封头结构 3.1 封头分为凸形封头、锥形封头、平盖等三大类 3.2 凸形封头 依形状（受力）分为半球、椭圆、碟形、球冠。受力前优于后，制造方便后优于前。 制造方法主要为冲压（适于批量）、旋压（适于单件）。 制造方式主要有整板成形（小封头）；先拼板后成形（大、中型封头）；分辨成形后组焊（特大型封头）。,四.结构设计的一般要求,3.封头结构 3.3 锥形封头 主要用于变速或方便卸料； 依半顶角分为30（无折边）、45（大端折边）、60（大、小端折边）； 主要制造方法卷焊 3.4 平盖 包括平盖和锻造平底封头等，与筒体连接分为可拆与固接。 制造方法多为锻造,四. 结构设计的一般要求,4. 开孔补强结构 4.1 补强圈.加工方便,但补强效果有限,使用范围有一定限制 4.2 厚壁管补强 4.3 另加补强元件(锻件)补强,受力好,将角度改为对接易保证焊接质量,但加工复杂.,四. 结构设计的一般要求,5. 法兰 5.1 法兰与密封垫、紧固件合为一个结构整体，属可拆结构，其基本功能是连接与密封，法兰结构与设计计算应三位一体综合考虑。 5.2 法兰按其整体性程度分为三种: 整体法兰-法兰、法兰颈与容器（或接管）合为一整体，强度与刚性好，连接与密封效果好，但加工困难； 松式法兰-法兰未能与容器（或接管）有效合为一整体，连接与密封效果较差，但加工方便； 任意式法兰介于二者之间。,四. 结构设计的一般要求,5. 法兰 5.3 以密封压紧面型式分为: 平面密封密封效果差，但加工方便 凹凸面密封-单面限制垫片流动，密封效果较好，但加工 较难 椎槽密封双面限制垫片流动，密封性好，但加工复杂,四. 结构设计的一般要求,6. 焊接结构 6.1 焊接结构的主要作用为方便施焊，从结构上保证焊透，且尽 量减少焊接工作量。 6.2 焊接结构与工艺因素（工人技能、习惯、方法、装备等）关系密切，设计者可提要求，具体结构与尺寸原则上应由制造 方确定，标准（GB150附录J）为提示性，非强制。 7. 其他结构设计的注意事项 7.1 尽量避免外形突变,关注倒角、倒圆。 7.2 开孔（尤其是大孔）尽量开在强度裕量大的部位，如平盖、筒体端部，它们的厚度是由刚性及螺栓个数、排列与上紧空 间决定的。,四. 结构设计的一般要求,7. 其他结构设计的注意事项 7.3 应尽量避免静不定结构（如卧式容器只允许双鞍座），对 静不定结构（如球罐支承）应做特殊考虑。 7.4 应注意防止过大的温差应力，如膨胀节的设置，支承中的 活动支承。 7.5 支承设计中除考虑承重能力外，还应考虑支座反力对壳体 的影响，决定是否加垫板。 7.6 对法兰螺栓通孔、地脚螺栓通孔跨中均布的考虑。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,1. 产品焊接试板 1.1 产品焊接试板的作用 产品施焊后，用检验试板焊缝力学性能的办法，来考核产 品焊缝的力学性能是否合格。它不能替代无损检测与外观检查。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,2. 焊后(消除应力)热处理 2.1 目的 消除过大焊接应力,细化晶粒 2.2 焊接应力产生的原因、特点及危害 焊接应力因焊接过程中变形协调产生 焊接应力的特点:量值高,可能屈服极限；一直存在； 属二次应力有“自限性”；测量困难（x光衍射、小孔）。 对容器的主要危害为应力腐蚀。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,2. 焊后(消除应力)热处理 2.3 需进行焊后热处理的条件 通用条件-依据材质、厚度、预热温度的不同组合判定； 必需条件-图样注明应力腐蚀、盛装极度、高度危害介质； 免做条件-奥氏体不锈钢； 关注应力腐蚀的复杂性（介质、温度、酸碱度、材质、 残余应力等）,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,2. 焊后(消除应力)热处理 2.4 焊后热处理 整体进炉、分段进炉、局部、现场热处理 2.5 热处理工艺要求 进、出炉炉温；升、降温速度；保温时温差；炉内气氛。 目的在于热透；避免过大温差应力造成的损害.,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,3. 耐压试验与气密性试验 3.1 耐压试验的目的 内压竣工后出厂前全面考核(验证)强度;检漏 3.2 液压试验 试验压力的确定-试验压力计算公式中的系数（1.25） 与安全系数有关，试验前的应力校核是基于弹性失效准则。 液压试验的危险性主要来自能量观点（PV）和金属碎片。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,3. 耐压试验与气密性试验 3.3 气压试验 气压试验的危险性远高于液压，除PV和碎片外，气体 会高速恢复被压缩的体积形成冲击波； 允许气压试验的条件：因承重等原因无法液压；液体无 法吹干排净生产中不允许残留液体。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,3. 耐压试验与气密性试验 3.4 气密试验 目的-检漏 条件-极度高度危害介质;生产工艺过程中不允许泄漏； 试验介质-空气氨、惰性气体等，气压试验后是否再 做气密与介质有关 试验合格指标与检漏方法,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,4. 压力容器的改造与维修 4.1 应充分关注改造与维修的难度和质量 在使用现场对在役容器进行维修、改造,尤其是动火(焊接) 维修、改造在技术上是件十分困难的事,主要难点在于: 缺陷的去除、坡口加工、开孔等由于位置、工具等原因，难度大于制造厂； 焊接修复由于位置、施焊环境、预热条件、拘束度等原因，难度大于制造厂。 在役产品的材料可能早被淘汰，在长期使用过程中因老化、腐蚀等原因可能造成材料性能质量的改变，均会加 大维修、改造的难度。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,5. 管子与管板的胀接 5.1 胀接的分类 贴胀。贴胀在管板孔内表面可不开槽。贴胀一定要与强 度焊联合使用，其目的在于减少管子与管板间的间隙， 防止震动。 强度胀。强度胀管板孔内表面应开矩形槽，并应达到全 厚度胀接。强度胀可单独使用，亦可与密封焊联合使用，对重要场合亦可与强度焊联合使用。,五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识,5. 管子与管板的胀接 5.2 胀接方法 一般分为柔性胀（如液压胀、橡胶胀、液袋式液胀等） 和机械胀。 5.3 胀接质量控制要求 严格检查管端与管板孔内表面的尺寸精度、清洁度、硬度、粗糙度，尤其不应有纵向或螺旋状刻痕。 胀接前应计算胀接压力并进行试胀，测试胀接接头的拉 脱力 . 胀后应进行耐压试验，检查胀口严密性。,八、压力容器主要失效方式,1人们对失效方式的认识过程 1.1 对压力容器失效方式的最初认识只是防止爆炸，并为此而制订相应的建造规范（如ASME）。 1.2 ASME-1所采用的设计准则主要仅计及防止压力容器产生 过大的弹性变形，包括弹性不稳定，并未考虑其他可能发生的 失效方式。为防止多种失效方式，ASME-1在材料、结构、安 全系数以及制造检验等方面进行了限制，组成了一套比较完整 但不够严密科学的设计方法，使其能在未对各受压元件进行详 细应力分析的条件下保证多数压力容器的安全使用。,八、压力容器主要失效方式,1人们对失效方式的认识过程 1.3 随着需要（首先是核容器）与可能（近代计算方法与技术），并通过对压力容器性能、结构特点与载荷特性的深 入研究，以ASME和ASME-2为标志，较全面认识了压力 容器可能存在的多种失效方式。,八、压力容器主要失效方式,2压力容器可能存在的八种失效方式： 2.1 过量的弹性变形，包括弹性不稳定 2.2 过量的塑性变形 2.3 脆性断裂 2.4 由应力引起的破坏/蠕变变形 2.5 塑性不稳定渐增的垮塌 2.6 高应变、低循环疲劳 2.7 应力腐蚀 2.8 腐蚀疲劳,压力容器一般结构,压力容器一般结构,一、压力容器结构概述 1、压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。其典型过程设备有换热器、反应器、塔式容器、储存容器等。,浮头式换热器,浮头式换热器,反应器结构示意,板式塔的结构示意图,球形容器结构示意图,储存容器结构示意图,固定管板式换热器,U形管式换热器,2.填料函双壳程换热器,釜式重沸器,压力容器零部件,1、压力容器常用的零部件有筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、开孔补强等。为了便于设计、互换及批量生产，这些零部件都已经标准化、系列化，并在各种过程设备上通用。 压力容器零部件是容器不可缺少的组成部分。压力容器特定的操作条件不仅要求其主体必须满足要求，而且零部件也应符合结构、材料、性能、强度等方面的要求。作为受压元件的零部件，如同壳体一样，也纳入质量管理与保证的监控范围。这对压力容器的整体质量和确保安全使用有着十分重要的意义。,2、为了便于组织生产，降低成本，利于互换，我国各有关部门对压力容器零部件进行了标准化和系列化工作，并制定了国家标准和满足行业特点的行业标准。随着经济的发展和生产技术的不断提高曾多次修定，目前已日臻完善。 3、 压力容器的设计应包括结构设计(选择)并不仅包括设计计算与材料选择其中结构是设计计算的基础，即根据各类承压零部件不同的结构、形状,分别进行设计计算.,筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可以分为立式容器和卧式容器。由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直径，其系列尺寸有300、400、500、600等，如果筒体是用无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。,封头 压力容器封头，常见的形式有凸形封头（包括半球形封头、椭圆形封头，碟形封头、球冠形封头）、锥形封头、变径段、平盖等 。 1.半球形封头:半球形封头由球壳的一半作成。与其他形状的封头相比，封头壳壁在压力作用下产生的应力最小， 因此它所需要的壁厚最薄，用材比较节省。但半球形封头深度大、制造比较困难，尤其对加工设备条件较差的中小型设备制造厂困难更大。而对于大直径（Di3m）的半球形封头可用数块钢板在大型水压机成型后拼焊而成。半球形封头还用于高压容器上代替平封头，以节省钢材。,2.椭圆形封头:椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形，直边段高度为h，因此椭圆形封头是由半个椭球和一个高度为h的圆筒形筒节构成，椭圆形的曲率是连续的，其应力也是连续的，封头各部分的薄膜应力随着坐标轴的变化而变化，而且与长短轴的比值DN/2（H-h）有关。DN/2（H-h）=2为标准椭圆形封头。直边段是为了使焊缝避开边缘应力区。封头的标准为JB/T4746-2002钢制压力容器用封头。 3.碟形封头是由三部分组成。第一部分是以半径为Ri的球面部分，第二部分是以半径为Di/2的圆筒形部分，第三部分是连接这两部分的过渡区，其曲率半径为r,Ri与r均以内表面为基准。 由于第一部分与第三部分是两个不同的曲面，故在交点处曲率半径有一个突然的变化，在b点处不仅由内压引起的拉应力，还有边缘力矩引起的边缘弯曲应力，在过渡区和圆筒部分交界点a处也有缘应力存在，其边缘应力的大小与Di/r有关。当r/Di之比值愈小，即曲率变化愈厉害，则边缘应力愈大。,3.碟形封头:碟形封头同样在碟形壳体边缘为周向压应力，为了使这部分壳体不致于失稳，具有足够稳定性，GB150-1998中规定对于Ri=0.9Di、r=0.17Di的碟形封头（原标准碟形封头），其有效厚度应不小于封头内直径的0.15%。其他碟形封头的有效厚度应不小于0.30%Di。 JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中分DHA和DHB两种类型，DHA型封头Ri=1.0Di、r=0.15Di,DHA型封头Ri=1.0Di、r=0.15Di。,4.球冠形封头:球冠形封头可用作端封头，也可以用作容器中两独立受压室的中间封头，由于封头为一球面且无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体联接处的T形接头采用全焊透结构。在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则，应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接。圆筒加强段的厚度应与封头等厚. 5.锥形封头:锥形封头有无折边锥形封头和折边锥形封头。带折边的锥形封头由三部分组成，即锥形部分、半径为r的圆弧过渡部分和圆筒部分。过渡部分是为了降低边缘应力，而直边部分是为了避免边缘应力叠加在封头和筒体的连接焊缝上。,6.锥形封头:对于轴对称的锥形封头大端，当锥壳半顶角30时，可以采用无折边结构；30时，应采用带过渡段的折边结构。对于锥形封头小端，当锥壳半顶角45时，可以采用无折边结构；45时，应采用带过渡段的折边结构。JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中规定了封头型式。 7.平盖作为封头承受介质的压力时所产生的弯曲应力较大，在等厚度、同直径条件下，平板内产生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的2030倍。所以平盖封头的壁厚比同直径的筒体壁厚大的多。而且平盖封头还会对筒体造成较大的边缘应力，因此，它的结构简单，制造方便但承压容器的封头一般都不采用平盖。只是压力容器上的人孔、手孔采用平盖，或直径较小的高压容器及小直径的常压容器，一般也采用平盖。,常见封头型式及参数,碟形封头,折边锥形封头,折边锥形封头,球冠形封头,6.支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。 耳式支座，一般由两块筋板及一块底板焊接而成。耳座的优点是简单、轻便；缺点是对器壁易产生较大的局部应力。 耳座适用于公称直径不大于4000mm的立式圆筒形容器。支座数量一般应采用四个均布，容器直径小于等于700mm时,支座数量允许采用2个。,耳式支座（JB/T4725-92）,图2.2-2 耳式支座,耳式支座,支座与筒体连接处是否加垫板，应根据容器材料与支座连接处的强度或刚度决定。对低温容器的支座，一般要加垫板。对于不锈钢制设备，当用碳钢制作支座时，也需在支座与筒连接处加垫板。若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热处理前焊接在器壁上。 为改善容器的受力情况，将支座垫板四角倒圆；并在垫板中心开一通气孔，以利于焊接或热处理时气体的排放。,支承式支座（JB/T4724-92）,支承式支座是由数块钢板焊接成（A型，图2.2-3）也可以用钢管制作（B型）。 支承式支座适用于下列条件的钢制立式圆筒形容器： 公称直径DN8004000mm； 圆筒长度L与公称直径DN之比L/DN5； 容器总高度HO10m。 支承式支座型式分为A、B型两类。,A型支承式支座,图2.2-3 A型承式支座,腿式支座（JB/T4713-92）,腿式支座是将角钢或钢管直接焊在筒体上或筒体的加强板上。图2.2-4是焊在加强板上的支腿（A型）。 腿式支座适用于安装在刚性基础，且符合下列条件的容器： 公称直径DN4001600mm； 圆筒长度L与公称直径DN之比L/DN5; 容器总高度H15000m。,腿式支座（JB/T4713-92）,腿式支座不适用于通过管线直接与产生脉动载荷的机器设备刚性连接的容器，对此类容器应选用裙座等支承型式，以避免振动，如经计算，确认无问题时，可不受此限制。 支座数量一般应采用三个或四个均布。 A、AN型支座具有易与容器圆筒相吻合、焊接安装较为容易的优点； B、BN型支座具有在所有方向上都具有相同截面系数，具有较高抗压失稳能力的优点。标准考虑了支腿与圆筒连接处局部应力问题,故分为带垫板和不带垫板。 符合下列情况之一，应设置垫板： 用合金制的容器壳体； 容器壳体有热处理要求； 与支腿连接处的圆筒有效厚度小于JB/T4712-92表4给出的最小厚度； 垫板材料一般与容器壳体材料相同。,腿式支座（JB/T4713-92）,图2.2-4 A型腿式支座,裙式支座:适用于高大型或重型立式容器的支承。裙式支座型式有圆筒形和圆锥形两种形式，通常采用圆筒型裙座。圆锥形裙座一般用于以下情况： 塔径D1000m，且H/D30或D1000m，且H/D25； 基本风压q0.5KN/m2或地震烈度8度时。圆锥形裙座的半锥角15。 裙座上须开孔： 排气孔 裙座顶部须开设80100的排气孔，以排放可能聚结在裙座与封头死区的有害气体。对于有人孔的矮裙座或者顶部在封头拼接焊缝处开有缺口的可以不开设排气孔。 排液孔 裙座底部须开设80100的排液孔，一般孔径50，中心高50mm的长圆孔。 人孔裙 座上须开设人孔，以方便检修；人孔一般为圆形，当截面削弱受到限制或为方便拆卸塔底附件（如接管等），可开长圆孔。 引出管通道孔,裙式支座,考虑到管子热膨胀，在支承筋与引出管之间应保留一定间隙。 裙座与塔体封头连接 裙座直接焊接在塔底封头上，可采用对接焊缝或搭接焊缝。在没有风载荷或地震载荷时，对接焊缝承受容器重量产生的压缩载荷，搭接焊缝则承受剪切载荷。相比而言，搭接焊缝受力情况较差，在一些小塔或受力较小的情况下采用。 裙座与塔壳体过渡段 塔壳设计温度低于-20或高于250时，裙座壳顶部分的材料应与塔下封头材料相同，裙座壳体过渡段长度取4倍保温层厚度，但不小于500mm；对奥氏不锈钢塔，其裙座壳体过渡段高度不小于300mm，材料同底封头。 裙座保护层 当塔内或周围容器内有易燃、易爆介质时，一旦发生火灾，裙式支座型式会因温度升高而丧失强度，故裙座应设防火层。当裙座D1500mm时，仅外面敷设防火层；当裙座D1500mm时，两侧均敷设50 mm石棉水泥层。当塔内操作温度很高，塔体与裙座的温度差引起不均匀热膨胀，会使裙座与塔底封头连接焊缝受力情况恶化，此时须对裙座加以保温。,鞍式支座 鞍式支座是由底板、腹板、筋板和垫板组焊而成。它适用于双支点支承的钢制卧式容器的支座。 鞍式支座型式： 按鞍座实际承载的大小分为轻型（A） 、重型（B）两种。 鞍座分固定式（F）和滑动式（S）两种安装形式。,鞍式支座,图2.2-5 鞍式支座,鞍式支座,鞍式支座型式选择： 重型鞍座可满足卧式换热器，介质比重较大或L/D较大卧式容器的要求；轻型鞍座则满足一般卧式容器的使用要求。 容器因温度变化，固定侧应采用固定鞍座；滑动侧采用滑动鞍座。固定鞍座一般设在接管较多的一侧。采用三个鞍座时，中间鞍座宜选固定鞍座，两侧鞍座可选滑动鞍座。 为改善容器的受力情况，将垫板四角倒圆；并在垫板中心开一通气孔，以利于焊接或热处理时气体的排放；为使垫板按实际需要设置或与容器等厚，标准中垫板厚度允许改变。 对于DN900mm容器，鞍座分为带垫板和不带垫板两种 考虑到封头的加强作用，鞍座应尽可能靠近封头，即A应小于或等于D0/4，从受力情况考虑，A不宜大于0.2L。当需要时，A最大不得大于0.25L。 当容器基础是钢筋混凝土时，滑动鞍座底板下面必须安装基础垫板。基础垫板必须保持平整光滑。,法兰 法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。法兰分类主要有以下方法： （1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。 （2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。 宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰连接，一般用于压力很低场合。 窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周内的法兰连接。 (3)按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。 整体法兰：指法兰环、颈部及圆筒三者有效地连接成一整体的法兰，共同承受法兰力矩的作用。 松式法兰：指法兰与圆筒未能有效地连接成一整体的法兰，计算中认为法兰力矩完全由法兰环本身来承担。典型松式法兰有活套法兰。 任意式法兰：指整体性程度介于上述二者间的法兰。其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构，但可作为一个接构元件，共同承受法兰力矩。,法兰密封面:法兰密封面分为平面密封面、凹凸面密封面、榫槽面密封面。 平面法兰密封面具有结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里等的优点，由于这种密封面和垫片的接触面积较大，如预紧不当，垫片易被挤出密封面。也不宜压紧，密封性能较差，适用于压力不高的场合，一般使用在PN2.5MPa的压力下。 凹凸面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个凹面和一个凸面。安装时易于对中，能有效地防止垫片被挤出密封面，密封效果优于平面密封。 榫槽面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个榫面和一个槽面。密封面更窄。由于受槽面的阻挡，垫片不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷和腐蚀。安装时易于对中，垫片受力均匀，密封可靠，适用于易燃、易爆和有毒介质的运用。只是由于垫片很窄，更换时较为困难。,压力容器法兰 压力容器法兰标准为JB4701 4707-2000压力容器法兰。它包括法兰、垫片及等长双头螺柱等8个标准。其中法兰分三种：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰及长颈法兰。其中长颈法兰受力情况最好，甲型平焊法兰受力最差，故长颈法兰使用范围最宽。 甲型平焊法兰一般采用钢板制作，由于其最大厚度有限，所以只能适用于低压情况，为此只宜配用软垫片，如石棉橡胶板，匹配螺柱、螺母材料可选用Q235-A。对于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰，对PN1MPa的情况下，采用软垫片所需螺栓载荷较小，因此配置螺柱材料为35钢等；对PN1MPa的情况下，由于螺栓载荷逐步变成受操作压力控制。压紧垫片所需螺栓载荷相对为平衡内压轴向力所需的螺栓载荷为小（尤其在大规格直径螺栓规格时），因此采用不同垫片时，它们螺栓载荷相差不很大，标准中允许采用相同的螺柱配置并以要求较大螺栓载荷的垫片进行考虑，螺柱材料为40MnB或40Cr等，可供匹配垫片包括非金属垫圈、缠绕垫和金属包垫。,压力容器法兰 对于高应力和较大直径规格的法兰，由于所需螺栓载荷很大，因此采用了高强度的螺柱材料，如40MnVB 和35CrMoA等，以保证法兰有较紧凑的结构尺寸，受力合理。 法兰的拼接焊缝须经百分之百射线或超声检测。 对长颈法兰，当工作压力大于或等于0.8倍本标准中规定的最大允许工作压力时，法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100%射线或超声检测，检测方法按JB4730。射线检测II级合格，超声波检测I级合格。当法兰所在容器图样对容器壳体的检测要求未能满足上述要求时，则该要求应在图样中标明。 对