新GB150压力容器设计基础、总论VIP

1,压力容器设计基础、总论,杨国义（）全国锅炉压力容器标准化技术委员会,2,压力容器的定义,什么是压力容器 GB/T 26929-2011 压力容器术语的定义 特种设备安全监察条例对压力容器的定义； ASME对压力容器的定义； GB/T 26929-2011在标准范围内首次给出了压力容器的定义 2003年6月1日条例的实施解决了我国条例管辖范围内压力容器的定义问题。,3,相关法规标准适用范围的比较,4,相关法规标准适用范围的比较,5,设计管理与标准、法规的选用,单位和个人设计资格管理依据:TSG R1001-2008,2008年4月30日起实施的压力容器压力管道设计许可规则。 按压力容器压力管道设计许可规则规定从事A类（A1、A2、A3、A4）、C类（C1、C2、C3）、D类（D1、D2）、SAD类的设计单位必须取得国家质检总局颁发的相应特种设备设计许可证，取得相应的特种设备设计许可证的设计单位可在全国(境内)范围内从事许可范围内压力容器的设计工作。,6,设计管理与标准、法规的选用,个人资格 从事相应类别、级别压力容器的设计批准人员、审核人员（统称审批人员）应取得相应类别、级别的设计审批员资格证书后方可从事相应工作。 单位资格和个人资格中：A类或C类可覆盖D类；D2可覆盖D1。 从事SAD类的审核人员和设计人员应分别取得SAD类的审核人员和设计人员资格后方可从事相应工作。,7,设计管理与标准、法规的选用,GB150标准范围内的压力容器： 应依据GB150进行设计，并符合以GB150为基础标准的相关标准的规定。当设计温度小于以钢材蠕变控制其许用应力的相应温度时，还可选用JB4732标准进行设计（单位和个人应具备相应资格）。当设计的压力容器在固容规范围内时还必须符合容规的规定。 关于简单压力容器,压力容器设计依据,8,设计管理与标准、法规的选用,在JB4732标准范围内但不在GB150标准范围内的压力容器： 应依据 JB4732标准进行设计（单位和个人应具备相应资格）。当设计的压力容器在固容规范围内时还必须符合容规的规定。 关于超高压容器,9,压力容器相关法规及标准体系构成,压力容器相关法规体系构成 法律行政法规部门规章安全技术规范引用标准”五个层次。 第一层次：法律 根据宪法和立法法的规定，全国人民代表大会及其常委会制定法律。 如安全生产法、劳动法和已颁布的特种设备安全法。,10,压力容器相关法规及标准体系构成,中华人民共和国特种设备安全法由中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委员会第3次会议于2013年6月29日通过，2013年6月29日中华人民共和国主席令第4号公布。中华人民共和国特种设备安全法分总则，生产、经营、使用，检验、检测，监督管理，事故应急救援与调查处理，法律责任，附则7章101条，自2014年1月1日起施行。,11,压力容器相关法规及标准体系构成,压力容器相关法规体系构成 第二层次：行政法规 由国家最高行政机关国务院制定的行政法规和省、自治区、直辖市以及省会市和较大市人大及其常委会制定的地方性法规。 特种设备安全监察条例 特种设备地方性法规,12,压力容器相关法规及标准体系构成,压力容器相关法规体系构成 第三层次：行政规章 国务院各部门制定的部门规章和省、自治区、直辖市以及省会市和较大市的人民政府制定政府规章。 总局令，如事故处理规定、锅炉压力容器制造监督管理办法(总局令第22号) 特种设备地方政府规章,13,压力容器相关法规及标准体系构成,压力容器相关法规体系构成 第四层次：安全技术规范(规范性文件) 是政府对特种设备的安全性能和相应的设计、制造、安装、改造、维修、使用和检验检测等所作出的一系列规定，是必须强制执行的文件，安全技术规范是特种设备法规标准体系的主体，是在世界经济一体化中各国贸易性保护措施在安全方面的体现形式，其作用是把法律、法规和行政规章的原则规定具体化。如固容规等。,14,压力容器相关法规及标准体系构成,压力容器相关法规体系构成 第五层次：压力容器相关标准 压力容器设计制造标准， 如：GB/T 150、GB/T 151、GB/T 12337、JB4732 等 。 标准一旦被法规引用,将具有强制意义。,15,压力容器相关法规及标准体系构成,压力容器相关标准体系构成 从JB741钢制压力容器设计规定1984年7月全国压力容器标准化技术委员会成立,现以形成了以GB150 、JB4732等为核心的标准体系。 压力容器相关标准体系构成框架图：可人为分为4个层次：1.核心通用标准;2.专用设备标准;3.部件标准、材料标准等;4.方法标准。,16,压力容器相关法规及标准体系构成,17,失效准则及设计理论基础,压力容器常见的几种失效准则 1.强度失效准则 弹性失效准则 塑性失效准则 爆破失效准则 2.刚性失效准则 3稳定性实效准则，屈曲，垮塌 4.疲劳断裂失效准则,18,失效准则及设计理论基础,压力容器的常见失效形式 强度失效：爆破、过度变形 稳定性失效：失稳 刚性失效：泄漏 疲劳失效：疲劳开裂 腐蚀失效：均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等,19,失效准则及设计理论基础,强度理论 什么是强度理论?为什么要引入强度理论？ 1.最大主应力理论第一强度理论 根据早期使用的脆性材料(如铸铁等)易于拉断而提出的,这一理论认为材料的失效取决于最大拉应力,既当最大拉应力达到某一极限值时,材料即判为失效。 这一理论与脆性材料的试验结果有很好的符合性。理论上适用于脆性材料。 2.最大拉应变理论第二强度理论 这一理论认为材料的失效取决于最大拉伸应变。既当最大拉伸应变达到某一极限值时,材料即判为失效。 试验结果证明其不适用于金属材料。金属材料不采用此强度理论。,20,失效准则及设计理论基础,强度理论 3.最大剪应力理论第三强度理论 认为材料的塑性流动取决于材料承受的最大剪应力。即处于复杂应力状态下的材料，当其承受的最大剪应力达到某一极限值时，材料就发生塑性流动而进入塑性状态。极限值为s/2。即 塑性流动条件为：,21,失效准则及设计理论基础,强度理论 称为：TRASCA屈服条件或流动条件 引入许用应力后，得到按第三强度理论的强度条件： 塑性材料的试验结果与该强度理论的判定结果有很好的符合性。该理论的缺点是没有考虑中间主应力的影响。实践证明中间主应力对材料的塑性流动是有影响的，略去这种影响造成的误差最大可达15%。由于该屈服条件的工程实用性，获得了广泛的应用。 歪形能理论（畸变能理论）第四强度理论 其考虑了三个主应力对材料强度的共同影响。其观点认为只有歪形能才影响材料的强度。如承受很大三向等值压应力的材料（只有体积能的改变）并不会造成材料的破坏。,22,失效准则及设计理论基础,强度理论 当单元体储存的歪形能密度 达到某一极限值时，材料就会进入塑性流动。极限值即为单向拉伸发生流动时的歪形能密度。,即塑性流动条件为：称为MISSES 流动条件 按第四强度理论的强度条件为 试验结果表明第四强度理论比第三强度理论与试验结果符合得更好。,23,失效准则及设计理论基础,压力容器设计理论基础 压力容器的设计准则 GB150 常规设计： 弹性失效、第一强度理论； JB4732 分析设计： 塑性或弹塑性失效、第三强度理论； 超高压容器设计准则： 全壁厚屈服失效和爆破失效准则,24,失效准则及设计理论基础,压力容器设计理论基础 压力容器的结构部件应力状态的计算 GB150标准的计算方法 整体部件：薄膜无力矩理论；边缘区域总体上不考虑（不排除个别区域的计及）。 JB4732标准的计算方法 整体部件：弹性力学的分析结果 ；局部区域采用应力分析，或应力指数法。,25,总论,压力容器分类原则和方法 为什么要进行分类？ 根据介质的组别（第一组或第二组）、设计压力和 内盛容积将压力容器划分为三类管理和制造检验验收为出发点。 第一组介质 第二组介质 容器的设计压力 容器的几何容积,26,总论,压力容器分类原则和方法 压力等级： 低压 0.1 MPa p 1.6 MPa 中压 1.6 MPa p 10.0 MPa 高压 10.0 MPa p 100.0 MPa 超高压 p 100.0 MPa,27,总论,压力容器分类原则和方法 介质的毒性或燃爆性等级 参照HG20660压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类GB 5044基本原则 极度危害（I级）最高容许浓度0.1mg/m3 高度危害（II级）最高容许浓度0.1mg/m3 1. 0mg/m3 中度危害（III级）最高容许浓度1. 0mg /m3 10. 0mg/m3 轻度危害（IV级）最高容许浓度 10. 0mg/m3,28,总论,压力容器分类原则和方法 压力容器的几何容积 单腔压力容器：图样标注的尺寸 多腔压力容器：分别计算各腔几何容积 内件问题：永久连接内件体积可扣除原则,29,总论,压力容器分类原则和方法 多腔容器按类别高的腔划类管理，技术要求分别提出 多用途或者用途不明确者按严格的划类,30,总论,压力容器设计、制造应覆盖的几何范围 GB150标准管辖容器的几何范围： 指壳体及与其连为整体的受压零部件。 1.对与外部管道连接的情况： 如采用焊接：范围至第一道环向接头坡口表面； 如采用螺纹连接：范围至第一个螺纹接头端面； 如采用法兰连接：范围至第一个法兰密封面； 如采用专用连接件或管件连接：范围至第一个密封面； 2.对自身封闭结构形式：如人孔、手孔、接管盲板等形式： 范围应包括其承压封头、平盖及其紧固件 3.非受压元件与容器的受压元件采用焊接连接的情况：包括连接焊缝。 4.直接连接在容器上的非受压元件如支座、裙座等； 5. 超压泄放装置。,31,总论,确定材料许用应力或设计应力强度的系数 GB150 钢制压力容器 对奥氏体钢制受压元件，在设计温度低于蠕变范围，且允许有微量的永久变形的前提下，可适当提高许用应力值至0.9Rtp0.2，但不得超过Rp0.2/1.5。该许用应力不得应用于要求刚性密封的情况。 如果引用标准规定了Rp1.0或Rtp1.0，则可以选用该值计算其许用应力 根据设计使用年限选用1.0105h、1.5105h、2.0105h等持久强度极限值 螺栓的安全系数 设计温度低于20度时，许用应力的取法：取材料20度时的许用应力。,32,总论,确定材料许用应力或设计应力强度的系数 JB 4732 钢制压力容器-分析设计标准 对奥氏体钢制受压元件，在允许有微量的永久变形的前提下，可适当提高许用应力值至0.9Rtp0.2，但不得超过Rp0.2/1.5。该许用应力不得应用于要求刚性密封的情况。,33,总论,设计中应考虑的载荷： a） 内压、外压或最大压差； b） 液柱静压力，当液柱静压力小于设计压力的5%时，可忽略不计； 需要时，还应考虑下列载荷： c） 容器的自重（包括内件和填料等），以及正常工作条件下或耐压试验状态下内装介质的重力载荷； d） 附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷； e） 风载荷、地震载荷、雪载荷； f） 支座、底座圈、支耳及其他型式支承件的反作用力； g） 连接管道和其他部件的作用力； h） 温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力； i） 冲击载荷，包括压力急剧波动引起的冲击载荷、流体冲击引起的反力等； j） 运输或吊装时的作用力。 风载荷、地震载荷与其他载荷组合考虑时，对应许用应力的取法（1.2倍）. 一般不考虑风载荷、地震载荷全载荷同时作用的工况.,34,总论,基本概念压力： 工作压力、设计压力、计算压力、试验压力、最大允许工作压力。 最大允许工作压力：在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器元件的有效厚度计算所得，且取其中的最小值。,35,总论,基本概念温度： 工作温度：一般指容器中介质的温度； 设计温度：容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度；沿元件金属截面的温度平均值. 试验温度：压力试验时，压力容器壳体的金属温度； 最低设计金属温度 minimum design metal temperature 设计时，容器在运行过程中预期的各种可能条件下各元件金属温度的最低值。,36,总论,基本概念厚度： 计算厚度：保证容器强度、刚度或者稳定的厚度； 设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和； 名义厚度：设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至规格厚度； 有效厚度：名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差； 钢材厚度：决定容器制造技术条件的厚度。 最小成形厚度：受压元件成形后保证设计要求的最小厚度。 。 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度。 低温容器 low-temperature pressure vessel 设计温度低于20的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于196的奥氏体不锈钢制容器。,37,总论,基本概念压力容器的设计使用寿命问题： 法规有关设计寿命的要求： 固定式压力容器安全技术监察规程3.1.3 设计条件：压力容器的设计委托方应当以正式书面形式向设计单位提出压力容器设计条件。设计条件至少包含以下内容： (4)预期使用年限；.1 总图主要内容：(6)压力容器设计使用年限（疲劳容器标明循环次数）。 标准对设计寿命的要求： GB150.1 中关于容器设计条件（UDSUsers Design Specification）明确规定：应给出预期使用年限。 GB150.1 给出了设计者应考虑容器设计寿命的条款： “对有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨蚀速率）确定腐蚀裕量；”,38,总论,基本概念压力容器的设计使用寿命问题： 应该指出，压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计，实际使用条件与预期使用条件的偏离和设计者对材料和生产工艺的了解会造成二者之间的差别。 在设计图样上标注设计寿命，其作用是提醒容器的最终使用者，当超过压力容器的设计寿命时应采取必要的措施如：经常测量厚度和缩短检验周期等。 压力容器的设计寿命是一个复杂的问题，涉及到材料选用、腐蚀基础数据、结构设计等一系列设计因素，能否准确地预计，反映了设计者的经验和水平。无论是按国际压力容器设计的惯例，还是为了提高设计的水平和权威性，都应在图纸上标注压力容器的设计使用寿命。,39,总论,压力容器的压力试验问题 压力试验的目的 压力容器的压力试验是一个复杂的问题，涉及到试验方法、试验位置、试验顺序等一系列设计因素，能否合理地确定压力试验的技术要求，反映了设计者的经验和水平。 试验种类：液压试验、气压试验、气液组合压力试验 外压容器和真空容器以内压进行压力试验 试验压力：最低值按下述公式规定，试验压力上限应满足GB150.1 4.6.3 应力校核限制。,40,总论,压力容器的压力试验问题,其中P:一般取设计压力;当容器铭牌上规定有最大允许工作压力时,P取最大允许工作压力。,41,总论,压力容器的压力试验问题 气压试验或气液组合压力试验压力： 气密性试验：试验压力取设计压力。,其中P:一般取设计压力;当容器铭牌上规定有最大允许工作压力时,P取最大允许工作压力。,42,总论,压力容器的压力试验要求： （1）容器制成后应经压力试验。压力试验的种类要求和试验压力值应在图样上注明。 （2）压力试验一般采用液压试验。 （3）试验液体及要求按固容规4.7.6的规定,对于不适合作液压试验的容器,例如由于结构或者支承原因，不能向压力容器内充灌液体，以及运行条件不允许残留试验液体的压力容器，可按照设计图样规定采用气压试验,对因承重等原因无法注满液体的压力容器，可根据承重能力先注入部分液体，然后注入气体，进行气液组合压力试验 。气压试验或气液组合压力试验应满足固容规4.7.7和4.7.8的规定。,43,总论,压力容器的压力试验要求： 泄漏试验 需要进行泄漏试验的条件 (1)耐压试验合格后，对于介质毒性程度为极度、高度危害或者设计上不允许有微量泄漏的压力容器，应当进行泄漏试验； (2)设计图样要求做气压试验的压力容器，是否需要再做泄漏试验，应当在设计图样上规定。 泄漏试验种类 泄漏试验根据试验介质的不同，分为气密性试验以及氨检漏试验、卤素检漏试验和氦检漏试验等。试验方法的选择，按照设计图样和引用标准要求执行。 1气密性试验：应当符合4.8.3规定 2氨检漏试验应当符合4.8.4规定 3卤素检漏试验应当符合4.8.5规定 4氦检漏试验应当符合4.8.6规定,44,总论,关于耐压试验的代替问题 耐压试验的种类和技术要求应该是设计的要素，是设计时确定的技术要求； 更改耐压试验的种类是设计方案的重大变更，必须慎重决定。 压力试验免除问题 GB150.1第4.6.4 条规定：“不能按上述规定进行耐压试验的容器，设计单位应提出在确保容器安全运行的前提下免除耐压试验所应采取的安全措施，经设计单位技术负责人批准后在图样上注明。”对此条的理解问题集中在两点：什么情况下压力试验可以免除？需要采取哪些措施？,45,总论,压力试验免除问题 这里所指的是新造容器的耐压试验，包括液压试验和气压试验或气液组合压力试验。压力试验免除事实上仅仅针对那些不可能进行压力试验的现场组焊的大型压力容器，如：催化裂化装置中的有隔热层的大型反应器和再生器；基础不能承受液压试验时水的重量的压力容器等，不能作为一般在制造厂内生产的压力容器不进行压力试验的依据。 压力试验免除相当于减少了压力容器制造过程中的一个检验环节，当然应当采取相应的措施以保证压力容器的安全质量。所采取的措施取决于使用者和设计者对容器的要求，一般采取的措施如下：,46,总论,压力试验免除问题 （1）提高对压力容器材料的要求：化学成分、力学性能和检验要求； （2）提高结构设计要求：尽量采用全焊透接头、避免严重的几何不连续； （3）提高无损检测的比例和级别； （4）提高容器的超压泄放的能力。 压力试验是设计中需要重点考虑的问题，是否可以免除以及如何免除也应作为设计工作中的重点问题予以考虑。不应该在设计阶段忽略了应该采取的措施，而在制造完成后免除压力试验。 固定式压力容器安全技术监察规程规定：“不能进行耐压试验的压力容器，注明计算厚度、和制造与使用的特殊要求 ”。因此，在GB150的标准提案中已经明确规定：是否应免除压力试验，“应由设计单位技术负责人批准”,47,总论,压力试验的合格条件 液压试验：无渗漏；无可见的变形；试验时无异常响声； 气压试验或气液组合压力试验：无可见的变形；试验时无异常响声；经检漏无漏气； 气密试验：保压足够时间，经检查无泄漏。,48,焊接接头分类 :为便于统筹提出相关技术要求，将原于制造检验验收要求的相关内容放入总论提出。具体如下： 容器受压元件之间的焊接接头分为A、B、C、D四类，如图所示。 a） 圆筒部分（包括接管）和锥壳部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头和平封头中的所有拼焊接头以及嵌入式的接管或凸缘与壳体对接连接的接头，均属A类焊接接头； b） 壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与壳体或接管连接的接头、平盖或管板与圆筒对接连接的接头以及接管间的对接环向接头，均属B类焊接接头，但已规定为A类的焊接接头除外； c） 球冠形封头、平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体或接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外； d） 接管（包括人孔圆筒)、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B、C类的焊接接头除外。,总论,49,焊接接头分类 增加E类焊缝 非受压元件与受压元件的连接接头为E类焊接接头，如图所示。,总论,50,总论,关于焊接接头系数选用问题 焊接接头系数的选取与接头的型式、无损检测比例和对容器的要求有关。主要问题如下： 纵向接头与环向接头的型式、无损检测比例不一致的情况 如：纵向接头采用双面焊、100RT或UT，而环向接头为加垫板的单面焊且无法进行RT或UT检测，在容器的设计计算中应采用纵向接头的焊接接头系数还是环向接头的焊接接头系数。,51,总论,关于焊接接头系数选用问题 内压圆筒厚度计算公式是根据圆筒中周向总体（一次）薄膜应力的强度导出，所以与之相对应的焊接接头系数应为圆筒的纵向接头焊接接头系数。圆筒环缝中虽也存在环向（周向）薄膜应力，但它不属于总体薄膜应力，而是属于局部薄膜应力，它的许用应力与圆筒厚度计算中取的许用应力（一倍不同。所以不应将环向接头焊接接头系数与之混淆。 但为确保整个圆筒的强度与安全，一般尽量将环向接头的焊接接头系数取与纵向接头一致，若实际制造上存在困难，允许与纵缝不同，即可按GB150-1998中执行。此时环向接头的焊接接头系数虽可能与纵向接头的焊接接头系数不同，但计算圆筒厚度时，仍取纵向接头的焊接接头系数。但此时设计者应规定对该焊接接头的技术要求，以提醒制造厂用焊接工艺来保证焊接质量。,52,总论,关于焊接接头系数选用问题 什么是相当于双面焊的全焊透对接接头？ 容规的解释：指单面焊双面成型的焊接接头，按双面焊评定（含焊接试板）。如氩弧焊打底的焊缝或带陶瓷、铜衬垫的焊缝等；,53,总论,标准的符合性声明及修订 首次写入标准 1.符合本标准相关技术要求，即可满足固容规的安全基本要求 2.标准修订方法及要求采用提案审查制度。任何单位和个人均有权利对本标准的修订提出建议 。 风险评估报告的相关要求 设计者应向容器用户提供制定容器事故应急预案所需要的信息 重点包含两方面内容：1.危害识别；2.风险控制 包含内容：,54,总论,a） 压力容器的基本设计参数：压力、温度、材料、介质性质和外载荷等； b） 操作工况条件的描述； c） 所有操作、设计条件下可能发生的危害，如：爆炸、泄漏、破损、变形等； d） 对于标准已经有规定的失效模式，说明采用标准的条款； e） 对于标准没有规定的失效模式，说明设计中载荷、安全系数和相应计算方法的选取依据； f） 对介质少量泄漏、大量涌出和爆炸状况下如何处置的措施； g） 根据周围人员的可能伤及情况，规定合适的人员防护设备和措施；,55,总论,对不能按GB 150.3确定结构尺寸的容器或受压元件的设计处理： 可以采用以下方法进行设计： a） 验证性实验分析，如实验应力分析、验证性液压试验，具体要求按附录C的规定； b） 利用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计，具体要求按附录D的规定； c） 采用包括有限元法在内的应力分析计算和评定，具体要求按附录E的规定。,56,总论,对不能按GB 150.3确定结构尺寸的容器或受压元件的设计处理： 可以采用以下方法进行设计： a） 验证性实验分析，如实验应力分析、验证性液压试验，具体要求按附录C的规定； b） 利用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计，具体要求按附录D的规定； c） 采用包括有限元法在内的应力分析计算和评定，具体要求按附录E的规定。,57,总论,对不能按GB 150.3确定结构尺寸的容器或受压元件的设计处理： 1.以验证性爆破试验确定容器设计压力 应用前提：1）无法按照GB 150.3进行结构设计计算的压力容器或受压元件。凡能够按GB 150.3要求准确确定其计算厚度的受压元件，其结构强度设计应满足GB 150