压力容器的开发与应用设计方案.docx

压力容器的开发与应用设计方案 第一章一压力容器的基本组成：1. 筒体2.封头3.密封装置4.开孔与接管5.支座6.安全附件二开孔与接管(1)开孔目的：a.满足工艺要求 b.满足结构要求 (2)开孔结果：a.开孔部位的强度被削弱b.结构连续性破坏c.与接管焊接时易产生焊接残余应力和缺陷焊接故应少开孔并作开孔补强设计。(3)破坏形式：疲劳破坏 三开孔位置：满足工艺要求考虑操作方便，避开应力集中区域，边缘应力区，焊缝处a.检查孔(人孔、手孔等)的装设位置应便于检查、清理,对人孔 还应考虑进出方便。 b.立式小型容器的人孔、手孔应设于顶盖上,较大 立式容器人 孔可设于筒体上。c.设置两个人孔的容器，其位置一般分别设在顶盖和筒体上。d.设在侧面位置的人孔，容器内部应根据需要设置梯子或踏步。e.用于装卸填料、触媒的手孔允许斜置。不必开设检查孔的条件：容器若符合下列条件之一,则可不必开设检查孔: a.筒体Di300mm 的压力容器b.容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子， 其尺寸不小于所规定检查孔的尺寸。c.无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器。d.制冷装置用压力容器。e.换热器检查压力容器在使用单元中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生四压力容器零部件间的焊接焊接结构设计，接头的形式（如对接、搭接、角接）坡口形式和尺寸，焊接方法（如手工焊、自动焊等）检验要求（表面探伤、透射探伤等）五介质危害性指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。对于压力容器用钢钢板应逐张超声检测， 100%射线或超声检测 ，气密性试验易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求，易燃介质容器均采用全焊透结构压力容器的分类：承压方式（内压容器，外压容器）当容器的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时又称为真空容器（按照设计 压力p分）低压(L)容器 0.1 MPap1.6 Mpa，中压(M)容器 1.6 MPap10.0 MPa高压(H)容器 10 MPap100 Mpa，超高压(U)容器 p100Mpa六规章制度：法律，行政法规，部门规章，安全技术规范，引用标准特种装备：锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆8种容规对压力容器的材料、设计、制造、使用，检验、修理、改造等七个环节中的主要问题提出了基本安全要求。 容规适用于同时具备下列条件的压力容器:. 工作压力大于或等于0.1MPa(不含液体静压力）；. 工作压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa;. 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标 准沸点的液体。容规是政府对压力容器实施安全技术监督和管理 的依据，属技术法规范畴.GB150只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器GB150管辖的范围除壳体本体外，还包括：容器与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、 螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰密封面，以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。其它如接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件， 以及非受压元件与受压元件的焊接接头，直接连在容器上 的超压泄放装置均应符合GB150的有关规定。七思考题1压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？2介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？3容规在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？4. 容规与GB150的适用范围是否相同？为什么？测验题一2014.3.41、压力容器按承压分类，分为外压容器和内压容器，内压容器按设计压力分为几类，如何划分？2、压力容器按安全技术管理分类，分为几类？分类的依据是什么？3、容规在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？4、我国压力容器设计、制造、检验的标准是什么？压力容器安全技术法规是什么？ 第二章一压力容器中的压力来源1.流体经泵或压缩机，通过与容器相连接的管道，输入容器内而产生压力，如氨合成塔、尿素储罐等。2.加热盛装液体的密闭容器，液体膨胀或汽化后使容器内压力升高，如人造水晶釜。3.盛装液化气体的容器，如液氨储罐、液化天然气储罐等，其压力为液体的饱和蒸气压。4.液体静压力装有液体的容器，液体重量将产生压力。二非压力载荷整体载荷，局部载荷作用于整台容器上的载荷，如重力、风、地震、运输等引起的载荷。作用于容器局部区域上的载荷，如管系载荷、支座反力和吊装力等。交变载荷：大小和/或方向随时间变化静载荷：大小和方向基本上不随时间变化2.1.2 载荷工况定义在工程上，容器受到不同载荷的情况。制造安装，正常操作，开停工，压力试验，检修等等（正常操作工况，意外载荷工况，特殊载荷工况）三. 无力矩理论应用条件 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳 体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用。 壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。四. 失稳现象: 承受外压壳体失效形式强度不足而发生压缩屈服失效刚度不足而发生失稳破坏即承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，（1）壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹；（2）载荷卸去后，壳体不能恢复原状弹性失稳:t与D比很小的薄壁回转壳，失稳时，器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限，称为弹性失稳。 弹塑性失稳:当回转壳体厚度增大时，壳体中的应力超过材料屈服点才发生失稳，这种失稳称为弹塑性失稳或非弹性失稳。临界压力:壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用Pcr表示。对应的壳体中的应力，称为临界应力.影响Pcr的因素：非弹性失稳的Pcr还与材料的屈服点有关。对于给定外直径Do和厚度t(1)Pcr与L有关；L指圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离；(2)Pcr与材料有关；Pcr随着壳体材料的弹性模量E、泊松比的增大而增加；长圆筒:L/Do 和Do/t 较大时细而长的薄壁圆筒体，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体自身刚性较差，失稳时n=2。 短圆筒:L/Do 和Do/t 较小时短而粗的薄壁圆筒体，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n3。刚性圆筒:L/Do 和Do/t 很小时短而粗的厚壁圆筒体，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。长圆筒临界压力：长圆筒临界应力：受均布周向外压的短圆筒的临界压力:形状缺陷对圆筒稳定性的影响圆筒形状缺陷:(1)不圆度,(2)局部区域中的折皱、鼓胀、凹陷影响:(1)内压下，有消除不圆度的趋势(2)外压下，在缺陷处产生附加的弯曲应力导致圆筒中的压缩应力增加临界压力降低故实际失稳压力与理论计算结果不很好吻合的主要原因之一对圆筒的初始不圆度严格限制四.典型的局部应力降低局部应力的措施方法:合理的结构设计,减少附件传递的局部载荷,尽量减少结构中的缺陷1.合理的结构设计:（1）减少两连接件的刚度差 （2）尽量采用圆弧过渡（3）局部区域补强 （4）选择合适的开孔方位2.减少附件传递的局部载荷 如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。例：对管道、阀门等设备附件设置支承或支架，可降低这些附件的重量对壳体的影响；对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产生的热载荷。3.尽量减少结构中的缺陷在压力容器制造过程中，由于制造工艺和具体操作等原因，可能在容器中留下气孔、夹渣、未焊透等缺陷，这些缺陷会造成较高的局部应力，应尽量避免。 第三章3.1.1 压力容器常用钢材一、钢材形状钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件等。压力容器用钢主要是板、管材和锻件（1）钢板主要用途：壳体、封头、板状构件等 加工要求：下料、卷板、焊接、热处理性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能（2）钢管主要用途：接管、换热管等 主要来源：无缝钢管、卷制加工要求：下料、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、塑性和良好的焊接性能（3）锻件主要用途：高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等分级：、四个级别。级别越高， 要求检验项目越多，越严格，价格越高。3.1.1 压力容器常用钢材碳素钢（工业纯铁，低碳钢，中碳钢，高碳钢）低合金钢：含合金总量3%高合金钢（高 碳，低 碳，超低碳，超 纯）1、碳素钢含碳量0.02%2.11%（一般小于1.35）的铁碳合金。以及少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。 压力容器专用钢板，Q245R的特点和应用场合强度低，塑性和可焊性较好，价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。2.低合金钢特点及优点：是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超 过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐 腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运 输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。Q345R屈服点 为340MPa 级的压力容器专用钢板我国压力容器行业使用量最大的钢板具有良好的综合力学性能、制造工艺性能主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器3.复合板基层：与介质不接触，主要起承载作用， 通常为碳素钢和低合金钢。复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/101/3。复合板应用特点：用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。焊接材料：压力容器零部件间焊接还需要焊条、焊丝、焊剂、电极和衬垫等焊接材料。 一般应根据待连接件的化学成分、力学性能、焊接性能，结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过试验确定。 压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准4.有色金属使用状态在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用，选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号。压力容器常用有色金属：铜及其合金 铝及其合金 镍和镍合金 钛和钛合金（1）铜及其合金特性：在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性。应用：是制造深冷设备的良好材料。（2）铝及其合金特性：铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；在低温下具有良好的塑性和韧性 有良好的成型和焊接性能。应用：可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备。（3）镍和镍合金特性：在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可达900。应用：由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。（4）钛及钛合金特性：对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀， 如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；具有密度小（=4510kg/m3）、强度高（相当于20R）、低温性能好、粘附力小等优点；但单位质量价格高，比一般钢材高20倍左右； 使用温度仅限于350以内应用：在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。5.非金属材料用途：它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层,还可以用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。压力容器用非金属材料要求：除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，好的热稳定性，良好的加工制造性能。缺点：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低(除玻璃钢外)。1、是否可以使用国外压力容器材料？ 可以，但国外应有使用实例，其使用范围应符合材料生产国相应规范和标准的规定，并有材料质量证明书，技术要求不得低于国内相应材料的技术指标。3、材料代用有什么规定？ 压力容器制造单位对主要受压元件的材料代用，原则上应事先取得原设计单位出具的设计更改批准文件，对改动部位在竣工图上做详细记载。 代用材料的性能应由于被代用材料，如Q345R、Q245R、Q235系列钢板；16Mn、10、20锻件或钢管的代用等4、什么是压力容器主要受压元件？ 压力容器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰；球罐的球壳板；换热器的管板和换热管；M36以上的设备主螺栓；公称直径大于等于250mm的接管和管法兰。（5）、材料质量证明书的内容是什么？ 材料制造标准、材料牌号及规格、炉（批）号、国家安全监察机构认可标志、材料生产单位名称及检验印鉴标志、化学成分、力学性能等。6.应变硬化在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象叫做加工硬化或应变硬化，冷做硬化经退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低。热加工或热变形:凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形特点：热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。冷加工或冷变形: 在再结晶温度以下进行的塑性变形特点：冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。 从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。应变时效：经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。应变时效危害：发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。降低应变时效的措施：一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。7.焊接：1、焊缝：由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。2、熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。组织：熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性性能：塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一3.影响区焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。组织及性能：在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。以低碳钢为例说明热影响区各个金相组织区：过热区：对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火钢， 常在此区产生裂纹正火区：焊接接头中组织和性能最好的区域部分正火区：由于晶粒大小不均匀，所以力学性能很 不均匀焊接残余应力的危害：局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹，甚至导致结构失效焊接变形的危害：焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废。减少焊接应力和变形的措施：尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需 设法消除焊接残余应力a.裂纹形成：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭破坏而形成的缝隙。特点：它具有尖锐的裂端和大的长宽比。位置：裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。危害：裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。b.夹渣：残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣危害：因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。c.未焊透：焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。危害：它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。d、未熔合：对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。危害：它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。e、焊瘤：是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。危害：易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未熔透等缺陷。f、气孔：气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。危害：它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。g、咬边：沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边危害：它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。外观检验（直观检验，量具检验）密封性检验（用液体、气体等）无损检测：测内部缺陷（射线透照检测，超声检测）测表面和近表面缺陷（磁粉检测，渗透检测，涡流检测）注意:1. 超声检测: 对裂纹型(面型)缺陷敏感; 射线检测: 对气孔型(体型)缺陷敏感。2. 磁粉检测: 适用于铁磁性材料,不适用于非铁磁性材料 (如不锈钢); 涡流检测: 适用于导电材料,不适用于非导电材料;渗透检测: 适用于金属材料和致密性非金属材料, 不适用于疏松的多孔性材料。焊后消除应力热处理目的：尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。应用：当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危 害，或有应力腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后 热处理。由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压 力容器一般不进行热处理。改善综合性能热处理1、固溶处理： 将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充分溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这些被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为固溶处理。目的：提高合金的韧性和抗腐蚀性。2、稳定化处理：目的：稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。 3.3一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响1、高温下温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。2、低温下 韧脆性转变温度（或脆性转变温度）当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。二高温、长期静载下钢材性能蠕变现象：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。蠕变的危害：蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。ab为蠕变的第一阶段：即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段.bc为蠕变的第二阶段：在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段.cd为蠕变的第三阶段：在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。oa线段试样加载后的瞬时应变。a点以后的线段从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。2、蠕变极限与持久强度a、蠕变极限高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力蠕变极限表示法。B持久强度在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂 时构件所能承受的最大应力。温度和应力对蠕变断裂形式有显著的影响高应力、较低的温度时，断裂前有大量的塑性变形，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆 性，断裂后伸长率较低，缩颈很小， 在晶体内部常发现大量的细小裂纹。松弛：在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种现象称为松驰。在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：蠕变脆化（前面已经讲了），珠光体球化，石墨化，高温回火脆化，氢腐蚀和氢脆a、珠光体球化危害：使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降补救：已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。如将上述管道加热至920oC，停留lh，然后打开炉门冷却，力学性能则有所提高。b、石墨化：钢在高温长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象，称为石墨化危害：使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。产生环境：石墨化现象只出现在高温下。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体预防：要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。应力腐蚀：断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。孕育阶段是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；裂纹稳定扩展阶段在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；裂纹失稳阶段最终发生的突然断裂。2、常见的应力腐蚀a. 碱溶液 b.湿硫化氢 c.液氨 d. 硝酸盐溶液3、应力腐蚀的预防措施 一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。 a. 合理选择材料b.减少或消除残余拉应力c. 改善介质条件 d.涂层保护e.合理设计加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这种脆性断裂的发生。加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平的提高，韧性的降低减弱。也就是说，在一定的加载速率范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明显。 3.4压力容器用钢的基本要求：较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化性能、抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。材料的力学行为由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下它所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。常用的强度判据（1.抗拉强度2.屈服点3.持久极限4.蠕变极限5.疲劳极限）b、压力容器设计中，常用的塑性判据（延伸率,断面收缩率）c、压力容器设计中，常用的韧性判据(冲击吸收功Akv，韧脆转变温度，断裂韧性）韧性：临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。焊接的要求可焊性：指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。碳其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低，愈不易产生裂 纹，可焊性愈好。测验题二2014.3.181、工程上应从哪些方面来确保焊接质量？2、材料牌号的识别，分类：Q235A, Q235B, Q245R， Q345R、15CrMoR、15MnNiDR、09MnNiDR、 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10 3、为什么要控制压力容器中的碳、硫、磷含量？ 第四章4.1压力容器设计：根据给定的工艺设计条件 ，遵循 现行的规范标准 规定，在确保 安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度 和密封设计。结构设计确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。强（刚）度设计确定结构尺寸，满足强度或刚度及 稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行。密封设计选择合适的密封结构和材料，保证密封性 能良好。4.1.2 设计文件设计文件：设计图样、技术条件、强度计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。4.1.3 设计条件（1）操作参数；（2）压力容器使用地及其自然条件；（3）介质组分和特性；（4）预期使用年限；（5）几何参数和管口方位（6）设计需要的其他必要条件4.1.4 设计的基本步骤一、设备工艺设计1. 物料衡算：2. 热量衡算：3. 设备的类型选择：4. 设备工艺尺寸确定：二、设备机械设计：1. 设备结构设计：2. 设备材料的选择：3. 设备强度计算：4. 设备附件的选择：5. 安全附件的配用：6. 制造、验收与装配的技术条件编制7. 设备施工图设计： 4.2.1 压力容器失效失效压力容器在规定的 使用环境和时间内，因尺寸、 形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象。压力容器基本失效形式：强度，刚度，失稳，泄露失效。强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，包括： （a）韧性断裂、 （b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。b.脆性断裂脆性断裂是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，又称为低应力脆断。特征：断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多。脆性断裂原因（材料脆性和缺陷）a. 材料选用不当、焊接与热处理不当使材料 脆化；低温、长期在高温下运行、应变 时效等也会使材料脆化；b. 压力容器用钢一般韧性较好，但若存在 严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、 分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的 缺陷，也会导致脆性断裂发生。 c.疲劳断裂在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生 裂纹或突然发生断裂失效的过程。疲劳破坏包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。特征:疲劳断裂时容器的总体应力值较低，断裂往往在容器正常工作条件下发生，没有明显征兆，是突发性破坏，接近脆断，危险性很大。d.蠕变断裂压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成壁厚明显减薄 与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。（2）刚度失效 由于构件过度的弹性变形引起的失效。 （3）失稳失效 在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。 （4）泄漏失效泄漏而引起的失效。 危害: 可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，造成环境污染等。一、弹性失效设计准则 （韧性材料）1、单向拉伸最大拉应力准则失效判据的数学表达试：相应的设计准则：最大拉应力准则：第三强度理论：1、弹性失效准则与塑性失效准则的对比弹塑性失效设计准则又称为安定性准则，认为载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。脆性断裂属于断裂力学的研究范围，认为材料中存在缺陷，研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏规律。防止容器发生脆性破坏措施： （1）材料根据受压元件的厚度、应力水平、最低金属 温度、载荷性质、介质对材料韧性的影响等 因素，提出材料夏比V缺口冲击功或断裂韧性验收指标。 （2）缺陷尽量减少焊接接头；提高无损检测技术。 （3）设计由无损检测水平假设高应力区存在裂纹利用断裂方法裂纹安全性评估确保容器不发生低应力脆性破坏刚度失效设计准则：4.2.4 稳定失效设计准则防止失稳发生 周向失稳， 轴向失稳，局部失稳 4.34.3.1 概述 常规设计设计思想 承受载荷 只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷 处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。 应力求解 依据材料力学、弹性力学及板壳理论， 按最大拉应力则来推导压力容器强度尺寸的计算公式。筒体结构单层式缺点： 深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力； 大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大； 加工设备要求高。组合式：多层包扎，热套，绕板，整体多层包扎，绕带，扁平钢带倾角错绕。多层包扎筒节应用： 目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。 优点：制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力; 减少了脆性破坏的可能 性；包扎预应力改善筒体的应力分布；对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左 右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。单层薄壁圆筒应力强度判别式：最小厚度：3mm 碳钢、低合金钢，2mm 高合金钢设计技术参数：设计压力，设计温度，厚度及厚度附加量，焊接接头系数，许用应力等设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。内压： 装安全阀不低于安全阀开启压力，1.051.10倍最高工作压力。 装爆破片爆破片最低标定爆破压力加上所选爆 破片制造范围的上限。计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。设计温度为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常情况下，设定元件的金属温度。注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。计算厚度（）由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度（d）计算厚度与腐蚀裕量之和。dC2 名义厚度（n）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的厚度，即标注在图样上的厚度。ndC1= C1 C2 有效厚度（e）名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕 量。enC1C2厚度附加量（C）由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量 C2 组成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定最小厚度满足刚度条件的最小厚度，3mm 碳钢、低合金钢，2mm 高合金钢焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。许用应力容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。材料设计系数保证受压元件强度有足够的安全储备量。目 的: 保证受压元件强度有足够的安全储备量。 例4-1 p117作业：1,4（P200） （2014.3.25） 思考题：4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 外压圆筒设计二、图算法原理：（标准规范采用）假设：圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外压，与圆环一样处于单向（周向）应力状态。 长圆筒临界压力：短圆筒临界压力:薄壁圆筒（Doe20）厚壁圆筒（Doe20）设计参数：设计压力，稳定性安全系数，外压计算长度。（1）设计压力定义与内压容器相同，取值方法不同。外压容器设计压力：考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差；真空容器设计压力：按承受外压考虑，当装有安全控制装置时（如真空泄放阀），设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1 MPa两者中的较小值；当无安全控制装置时，取0.1MPa。带夹套容器:考虑可能出现最大压差的危险工况，如内容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。（2）稳定性安全系数：GB150规定： 圆筒体，m取3.0； 球壳， m取14.52。（3）外压计算长度 计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离，通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。六、加强圈的设计计算将长圆筒转化为短圆筒，可以有效地减小筒体厚度、提高筒体稳定性，即加强圈设计：加强圈的间距，截面尺寸，结构设计加强圈数量增多，Lmax值减小, 筒体厚度减薄；反之，筒体厚度须增加。容器内部：焊接总长筒体内圆周长的1/3，容器外部：焊接的总长筒体外圆周长的1/2材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈，节省贵重金属。失效形式：a. 加强圈 与筒体同时失稳b. 加强圈两侧的筒体失稳c. 加强圈本身失稳制造要求：#加强圈应整圈围绕在筒体的圆周上，不许任意削弱或割断。#设置在内部的加强圈，若开设排液孔、排气孔，削 弱或割断的弧长不得大于图4-14所给定的值。#加强圈自身的焊接采用对焊 封头设计常见容器封头的形式a.半球形封头b.椭圆形封头c.碟形封头d.球冠形封头内压封头强度计算计算：内压薄膜应力应力增强系数封头设计：优先选用封头标准中推荐的型式与参数，根据受压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。1.受内压的半球形封头 薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，是最理想的结构形式。缺点:深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。应用：高压容器。二、椭圆形封头 由半个椭球面和短圆筒组成直边段作用：避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。应用：中、低压容器。(1)受内压（凹面受压）的椭圆形封头 优点：曲率变化平缓，应力分布较均匀。三、碟形封头 结构:带折边球面封头，由半径为Ri的球面体、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部分组成，优点:过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。缺点:不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。(2)受外压(凸面受压)碟形封头 碟形封头的过渡区承受拉应力，球面部分是压应力，有发生失稳的潜在危险，此为防失稳，厚度计算仍可用半球形封头外压计算公式和图算法步骤，只是Ro用球面部分外半径代替。四、球冠形封头碟形封头当 r=0 时，球面与筒体直接连接，如图4-15（d）所示优点：结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压 室中间封头，端盖。缺点：无转角过渡，存在大的不连续应力，其应力分布不甚合理。 锥壳特点：结构不连续，应力分布不理想应用：排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体; 不同直径圆筒体的中间过渡段，中、低压容器。 平盖理论分析：以圆平板应力分析为基础，分为周边固支或简支；实际上：介于固支和简支之间；4.3.4 密封装置设计可拆密封装置：螺纹连接，承插式连接，螺栓法兰连接: 螺栓垫片法兰密封系统螺栓法兰连接的设计包括: a. 确定垫片材料、形式与尺寸 b. 确定螺栓材料、规格和数量 c. 确定法兰材料、密封面形式及结构尺寸d. 进行应力校核关键解决: a. 保证连接处“紧密不漏”密封性。 b. 法兰应具有足够的强度，不致 因受力而破坏结构完整性。原理：依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道法兰环连在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。性能：较好的强度和密封性，结构简单，成本低廉，可多次重复拆卸，应用较广 。密封装置的失效形式主要表现为泄露泄漏途径:渗透泄漏,界面泄漏渗透泄漏：通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“渗透泄漏”；界面泄漏：沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途径。螺栓法兰连接的整个工作过程:尚未预紧工况、预紧工况、操作工况防止流体泄漏的基本方法？在密封口增加流体流动的阻力当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的 比压力 来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。泄漏时介质通过密封口的动力： 密封口内外介质压力差泄漏时介质通过密封口的阻力：压紧面上的比压力 预紧比压y由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法兰设计。为此，对两个不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即“最小压紧应力”或“比压力”y以及“垫片系数”m。密封分类1、按获得密封比压力方法的不同(强制密封,自紧密封半自紧式密封)2、按被密封介质的压力大小（中低压密封,高压密封)a、强制密封定义:完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件达到密封。特点:预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的1.11.6倍。b、自紧式密封：定义:主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封。特点:预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，约为工作压力 产生的轴向力的20%以下。高压密封：多用自紧式密封、半自紧式密封。中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。三、对密封要求a、紧密不漏 b、强度、刚度足够 c、结构尽量简单，便于安装、维修d、结构紧凑，减少占地空间 e、加工制造容易，成本低影响密封性能的主要因素：一、螺栓预紧力 二、垫片性能三、压紧面的质量 四、法兰刚度 五、操作条件一、螺栓预紧力 1.预紧力使垫片压紧实现初始密封。2.适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况下保留较大的接触面比压力。3.预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。4.预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、增加螺栓个数等措施来提高密封性能。二、垫片性能（1）垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形 能力大的密封垫易填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太大；回弹能力大的垫片，能适应操作压力和温度的波动。（2）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等性能。（3）垫片比压力y和垫片系数m：与垫片材料、结构与厚度有关， 还与介质性质、 压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关， 而且m和y之间也存在内在联系。三、压紧面的质量压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应与垫片相匹配，使用金属垫片时其压紧面的质