压力容器设计指导手册读后总结.doc

压力容器设计指导手册第一章 压力容器的定义和分类压力容器：承受介质静压力作用的密闭容器分类：1、按受压方式：内压、外压、真空。一般无真正意义上的外压容器2、按设计压力p的大小，可以分为：常压容器（-0.02-0.1MPa）,低压容器（0.1-1.6MPa），中压容器（1.6-10MPa），高压容器（10-100MPa），超高压（大于100MPa）3、设计温度的高低分，设计温度低于或等于-20的钢制容器称之为低温容器。4、按容器在生产工艺过程中的作用原理分反应压力容器：主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，如反应器、反应釜、分解锅、硫化罐、分解塔、聚合釜、高压釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉等。换热压力容器。主要用于完成介质的热量交换的压力容器，如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器、消毒锅、染色缸、烘缸、蒸炒锅、预热锅、溶剂预热器、蒸锅、蒸脱机、电热蒸汽发生器、煤气发生炉水夹套等。分离压力容器。用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器，如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、铜洗器、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等。储存压力容器。主要用于储存及盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，如各种形式的储罐。5、按容器受压室的多少分为：单腔、多腔。6、 的安装位置，卧式、立式。7、 所用材料，钢制、非铁金属、非金属。8、 使用场所，固定式、移动式9、 形状，回转壳体压力容器（应用最广）、非圆形截面容器、球形容器。10 结构类型，单层、多层、覆层、衬里、复合钢板、搪玻璃。11 受热方式，非直接火、直接火。12、国家质量技术监督局为加强对压力容器的质量安全监察工作，从容器潜在危害程度大小的角度分类：三类（危害性最强），二类，一类，不适用超高压容器、各类气瓶、非金属材料制造的压力容器以及真空容器、常压容器等。第二章 压力容器的失效准则和破坏方式目的在于有针对性地避免失效、破坏或影响设备正常运行提供指导，并对各有关元件设计公式的内涵加深理解。2.1 失效准则失效准则是指在容器元件中按照哪种观点判定容器已不能承受正常操作载荷的原则。分为强度失效准则和刚度失效准则两类强度失效一般指容器元件受拉伸（包括弯曲、剪切）应力作用下引起的失效。包括：1、弹性失效 按照弹性失效准则设计时，把远离筒体和封头连接区、接管区、支座区或其他局部载荷作用区，即容器元件在远离结构不连续地区可能出现的最大应力（或最大相当应力）限制在材料的弹性范围，即限制在材料的屈服强度以下，如果计及安全系数即限制在材料的许用应力以下。国内外有关的压力容器规范总体上都根据或包括这一准则设计。2、塑性失效 认为器壁表面的应力达到材料屈服强度时，对于应力沿截面均匀分布的元件，一点的屈服及即指该元件整个受载截面的同时屈服，但对于受弯曲应力作用的元件，器壁表面的屈服则远未发挥材料整个截面的承载潜力，尚可继续承载，随着外加弯矩的加大，元件的屈服层由表面向中性面方向延伸，只有屈服层延伸至中性面，即整个截面都达屈服时才算失效。据此观点，由平板在承受弯矩时按弹性公式计算得的最大应力为1.5s时，整个截面才予屈服，引入ns=1.5的安全系数后，可得强度校核条件达1.5。3、弹塑性失效 适用于反复载荷。安定性，判定结构是否安定的最大虚拟应力界限值是3，只有失去安定才认为该容器已失效。该准则允许有局部的塑性变形存在，因为应力分布的不均匀性，局部塑性区为广大的弹性区所包围，故称为弹塑性失效准则。这一失效准则首先应用于应力分析设计标准。4、塑性不稳定递增的垮塌失效该失效模式实际上石油弹塑性失效引起。如在成型封头和圆筒连接的边缘区，因总体结构不连续而在封头和圆筒的一定范围内都存在附加的边缘应力，当该处的总应力超过2s后在加载、卸载过程中会使该处出现塑性不稳定递增的垮塌，即在连接边缘处进入塑性而使封头和圆筒的经线明显地扭曲起来。 5、爆破失效 由于材料总存在或大或小的应变硬化现象，所以实际上即使容器器壁达到全部屈服，尚不至发生爆破。该准则是以器壁达到爆破作为极限条件进行设计。实际上仅用于高压和超高压等器壁容器的设计，因为对于壁厚容器，应力沿壁厚不均匀分布程度越加明显，不能按薄壁容器那样由应力沿壁厚均匀分布考虑。器壁越厚，应力沿壁厚不均匀分布程度越甚，所以当壁厚屈服时，外壁远离屈服而处于弹性状态。当压力很高时，再增加壁厚也不能避免内壁产生屈服，一旦器壁出现屈服，就不能再按弹性公式计算器壁应力，所以只能按照塑性失效或爆破失效准则设计，即由壁厚应力公式和屈服条件求出圆筒（或球壳）的全屈服压力或爆破压力，再引入相匹配的安全系数后作为圆筒（或球壳）的设计压力。容器正常工作时，绝不允许器壁出现屈服。故所引入的安全系数即是保证内壁最大应力仍处在弹性状态而作出。6、疲劳失效 在应力集中处的局部应力大为提高7、断裂失效 由前面六种失效准则都是以传统力学的计算为基础的，认为材料中并不存在任何缺陷，由材料力学、板壳理论或弹性力学方法进行计算，当构件的最大应力达到材料的屈服强度时产生屈服，达到材料的强度极限时产生断裂。对于中低强度钢制成的容器，即使存在微小漏检缺陷，按传统的强度计算方法所得结果也是基本上符合实际的。但是随着中高强度钢的采用以及容器壁厚的增大，由于韧性降低加上可能的漏检缺陷，在操作或耐压试验时有可能在工作应力低于材料屈服强度甚至低于材料许用应力是2就发生断裂低应力破坏。因此提出了用断裂力学的计算方法作为评定失效与否的准则。8、蠕变和应力松弛失效 压力容器在高温和内压的长期作用下，缓慢的积累性地发生塑性变形，导致壁厚不断减薄，最后导致破碎。这种在一定温度和应力的长期作用下随时间的推移，塑性变形不断积累，承载能力不断下降，最后导致失效的现象称为蠕变失效。构件在受应力状态下其总应变量保持不变，在长期高温作用下弹性应变不断地转化为塑性应变，因而使紧固件中弹性应力下降而导致密封失效的现象称之为应力松弛失效。蠕变和应力松弛是同一问题的不同表现形式，隐含设计9、腐蚀失效 包括和容器介质相接触的器壁受腐蚀性介质的侵蚀而发生破坏，以及由于材料的组织特性所引起的晶间腐蚀或应力腐蚀等。可以是均匀腐蚀或局部腐蚀。对局部失效的预防一般是通过选用合宜的材料，或对材料进行各种类型的热处理，或采取包括阳极保护或各种防腐衬里等保护措施，一般不进行强度计算进行限制。10、刚度失效 是指受压元件因变形过大而丧失其正常的运行功能，因变形过大而引起密封连接件的泄露也可以说是刚度失效。通常指受压缩应力作用下元件的失稳。2.2 破坏方式压力容器的失效意指该容器已不能承担其在正常条件下所应该承受的载荷。失效的容器第九章 压力容器应力分析9.1 强度理论压力容器的大多数元件在载荷作用下都呈三向应力状态而材料的力学性能（指屈服强度、强度极限和许用应力等）通常都由单位拉伸试验得来。因此，就存在一个如何用由单向拉伸试验得到的力学性能来评定复杂应力状态（如三向或双向应力状态）下元件是否失效的问题。对此主要提出四个强度理论。1、 第一强度理论，或称最大主应力理论最大主应力理论认为，当最大主应力达到材料在简单拉伸的屈服强度时元件屈服。在三向应力状态，如123，则1=s，（s为钢材标准常温下的屈服强度，其数值由常温拉伸试验确定）。这一理论并未计及第二、第三主应力对材料屈服的影响。但对脆性材料而言是比较接近的，脆性材料在最大主应力达到材料的强度极限值时发生断裂（因屈服点不明显）。对于延性材料，在简单拉伸中可见，首先出现沿45斜面的滑移，在此斜面上拉伸应力并非最大值，破坏是由此斜面上的剪切应力而并非由拉伸应力所致，所以不适合于延性材料。2、 第二强度理论，或称最大应变理论最大应变理论认为，最大应变（伸长）达到材料在简单拉伸屈服的应变时，材料屈服。如123，根据虎克定律，则这一理论虽然计及了第二、第三主应力对材料屈服的影响，但对双向相等拉伸等某些情况，和实验结果并不相符；由于采用了胡克定律，所以实际上支队单向拉伸时沿截面发生脆断破坏前都处在弹性范围的材料才予使用，即和最大主应力理论相似，只适用于脆性材料，对用于压力容器的延性材料，并不适用。3、 第三强度理论，或称最大剪应力理论最大剪应力理论认为，最大剪应力是引起材料屈服破坏的因素，也就是认为，不论在什么样的复杂应力状态下，只要构件内任一点处的最大剪应力达到材料在简单拉伸屈服的最大剪应力时材料开始屈服。而材料在简单拉伸达屈服的最大剪应力为因此，对复杂应力状态，如123，则最大剪应力理论可表示为这一理论对于在简单拉伸时发生剪切破坏的材料，即延性材料比较适合。4、 第四强度理论，或称最大能量理论最大能量理论认为，材料在受载而发生变形时，单位体积内所贮藏的应变能是引起材料屈服破坏的因素。在复杂应力状态，材料内任一点的应变能达到某一极限值，则该点材料就发生屈服破坏。与第三强度理论比较接近，也适用于延性材料。它与八面体剪应力达到某一极限值时开始屈服等价，故也称八面体剪应力理论。9.2 薄壁壳体的无力矩理论当壁厚对壳体曲率半径之比/R0.2时，可认为是薄壁壳体；对于圆筒，则常以外径Do对内径Di之比值区分，一般认为径比K=Do/Di1.2时为薄壁圆筒。壳体在内压作用下必产生应力而向外变形，使其曲率半径增大，故必存在拉伸和弯曲应力。在某些特定条件下，弯曲应力相对于拉伸应力甚小而可以略去，采用这一近似方法分析薄壁壳体的理论即为无力矩理论。 第10章 压力容器设计参数的选取 压力容器的设计除了要了解物料及其特性外，主要设计技术参数有设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力。10.1 设计压力在压力容器的设计外，除注明外均指表压力。其值不低于正常工况下容器顶部最高工作压力。有两室或两个以上的压力室组成的容器，如夹套压力容器，确定设计压力时应考虑各室的压力。计算压力指在相应设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力。通常情况下计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。10.2 设计温度 设计温度指容器在正常工作情况下设定的元件的金属温度。设计温度与设计压力一起作为设计载荷。元件的金属温度可用传热计算求得，或在已使用的同类容器上测定，或按内部介质温度确定。 设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度，设计温度不得低于元件金属可能达到的最低温度。在任何情况下金属温度不得超过钢材允许使用温度。如果设计的储存压力容器安装在室外，当壳体的金属温度受大气环境气温条件下所影响时，其最低设计温度可按该地区气象资料，取历年来月平均最低气温的最低值。安装在室外无保温的容器，按以下规定选取：1） 盛装压缩气体的贮罐，最低设计温度取环境温度减3。2） 盛装液体体积占容器容积1/4以上的贮罐，最低设计温度取环境温度。10.3 厚度附加量（包括钢材厚度负偏差和腐蚀裕量）根据规范所规定的的公式计算得到的厚度称为计算厚度（）。设计时须考虑腐蚀裕量（C2），计算厚度与腐蚀裕量之和为设计厚度（d）。因钢材生产有厚度负偏差（C1）和按一定规格厚度生产，所以设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格厚度，该厚度称为名义厚度（n）。筒体或封头等元件在成型过程中，会有一定的加工减薄量，为确保封头和筒体成形后的厚度，须考虑加工裕量。加工裕量（C3）根据具体制造工艺和板材的实际厚度有制造厂确定。当加工裕量（C3）值小于或等于圆整值（1）时，则封头毛坯厚度即为名义厚度。当加工裕量（C3）值大于圆整值（1）时，这时会出现钢板第二次向上圆整得到坯材的厚度。腐蚀裕量具体规定如下：1） 介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制容器，腐蚀裕量不小于1mm。2） 容器各元件受到腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。3）对两侧同时与介质接触的元件，应根据两侧不同的操作介质选取不同的腐蚀裕度，两者叠加作为总的腐蚀裕量。钢板或钢管的厚度负偏差C1按相应钢材标准的规定选取。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可忽略不计。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：1） 碳钢和低合金钢制容器不小于3mm。2） 高合金钢制容器不小于2mm。3） 有防腐蚀衬里的碳钢或低合金钢制容器，其壳体的最小厚度为5mm。10.4 设计中应考虑的载荷不同的工艺条件和工况时，设计中还应考虑以下载荷：1） 内压、外压或最大压差；2） 液体静压力；3） 容器的自重（包括内件和填料等），以及正常工作下或压力试验状态下内装填料的重力载荷；4） 附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；5） 风载荷、地震载荷、雪载荷；6） 支座、底座圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；7） 连接管道和其他部件的作用力；8） 温度梯度或膨胀量不同引起的作用力；9） 包括压力急剧波动的冲击载荷；10） 冲击反力，如有流体冲击引起的反力等；11） 运输或吊装时的作用力。从道理上来讲，压力容器的设计应全面考虑所承受的各种载荷，但有些载荷产生的应力相对容器介质压力所引起的应力小的很多，甚至可忽略不计。如卧式容器除考虑压力载荷外容器一般不考虑液体静压力，但要考虑自重液体重。直立设备除考虑压力载荷还需考虑容器自重以及内件和填料重、附属设备平台等的重力载荷、风载荷及地震载荷。总之，设计者应根据容器的具体情况，必要时计及可能存在的各种载荷。10.5 安全系数及许用应力所谓“许用应力”就是材料机械性能除以相应的安全系数。材料的机械性能一般为以下几种：Rm（b）钢材标准抗拉强度下限值，其数值由常温拉伸试验确定。ReL（s），Rp0.2（0.2）钢材标准常温下的屈服强度或规定非比例延伸为0.2%时的应力，其数值亦由常温拉伸试验确定。当容器操作温度高于常温时，而未达到材料的蠕变温度，此时采用材料在设计温度下的屈服强度和抗拉强度，或规定非比例延伸为0.2%时的应力，以（）、（）表示。当容器操作温度等于或高于材料的蠕变温度，其失效形式将发生变化，此时材料在一定的温度和应力的长期作用下发生缓慢的塑性变形，这种现象称之为“蠕变”。由于蠕变使塑性变形随时间的延长而不断增加，也会导致容器失去正常工作能力。这就必须考虑“蠕变”时的强度指标、。设计温度下经105h蠕变为1%蠕变极限；设计温度下经105h断裂的持久强度平均值；各种材料开始发生蠕变的温度各不相同，一般碳素钢、低合金钢约为420；低合金铬钼钢约为450；奥氏体不锈钢为550。安全系数是考虑多种因素而确定的。这与规定的设计选择、计算方法、制造、检验等方面相适应。通常与以下因素有关：1） 材料性能及其规定的检验项目和检验批量；2） 考虑的载荷及载荷附加的裕度；3） 设计计算方法的精确程度；4） 制造工艺装备和产品检验手段的水平；5） 质量管理的水平；6） 使用操作经验；7） 其他未知因素等。 综合考虑上述诸因素，确定了目前适合我国国情的适宜的安全系数：以钢材的抗拉强度Rm连同其安全系数作为防止断裂的设计思想。这对高强度钢尤为重要，以材料屈服点确定设计应力以控制弹性或塑性失效。当然上述的许用应力值不能用于法兰或其他有微量永久变形就产生泄露或故障的场合。设计温度低于20时，取20时的许用应力。螺栓的许用应力值主要是为了控制材料的弹性行为。GB150中考虑满足静密封的要求，结合螺栓承载的特点，即为控制螺栓初始或操作工况不产生过分的变形而导致密封泄露，需给予较大的安全系数，具体考虑的因素是：1） 为保证密封在旋紧螺栓中所获得的螺栓初始应力必须大于设计值的需要；2） 压力试验的增载可能使螺栓伸长，引起垫片松弛，而有再拧紧螺栓的需要；3） 法兰（或平盖）与螺栓间的温差和两者材料的线膨胀系数的不同所引起的热应力；4） 由于扳手过力造成螺栓超载，这对小直径的螺栓将可能引起进一步屈服或损伤；5） 经调质热处理而使强度提高的螺栓，由于屈服强度比较高，抵抗塑性变形的能力下降。应充分考虑防止脆断的安全系数。具体取值见下表：10.6 焊接接头分类及焊接接头系数在压力容器的制造过程中，焊接是很重要的一环。但在焊接过程中往往会产生一些缺陷，如未焊透、裂纹、夹渣、咬边等，这会引起应力集中。焊接中形成焊缝热影响区晶粒粗大，使母材强度或塑性下降。制造中焊缝错边量、余高等的超标引起了附加应力。焊缝设计不合理使焊接工艺和焊缝检验困难，影响焊缝质量。因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中引入焊接接头系数。焊接接头系数根据受压元件的焊接接头的形式及无损检测的长度比例确定。第11章 压力容器零部件的结构和计算11.1 圆筒和球壳1、概述圆筒和球壳是压力容器的最基本的组成部分，也是压力容器的主要受压元件。圆筒的结构形式有单层卷板、多层包扎或绕板、多层热套、整体锻造、无缝钢管、错边绕带等。最常用的是单层卷板、多层包扎和多层热套。GB 150钢制压力容器中的圆筒厚度计算公式适用于单层圆筒、多层包扎或绕板、热套的圆筒。圆筒是最基本的壳体，它可与各种受压元件相连接，包括与球壳、椭圆形或蝶形封头、锥形壳体、法兰、管板、接管等相连接。2、 内压计算（1） 圆筒厚度的计算1） 圆筒中径公式。适用范围：中径公式普遍为各国及我国的工程设计标准所采用。中径公式基于薄壁容器，忽略了径向应力，并认为在圆筒壁内应力分布是均匀的。11.2 封头1、封头形式及选用（1）球形封头球形封头是指半个球壳或接近于半个球壳的封头，习惯上人们对接近于半个球壳的封头也称为球缺。这类封头通常用于压力较