钢制压力容器培训教材

GB150钢制压力容器Steelpressurevessels,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,1.1GB150适用范围压力：适用于设计压力不大于35MPa，不低于0.1MPa及真空度高于0.02MPa温度：钢材允许使用温度,1、总论,适用范围,适用范围,1、总论,1.2GB150管辖范围容器壳体及与其连为整体的受压零部件1）容器与外部管道连接焊缝连接第一道环向焊缝端面法兰连接第一个法兰密封面螺纹连接第一个螺纹接头端面专用连接件第一个密封面2）接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件3）非受压元件与受压元件焊接接头（如支座、垫板、吊耳等）4）连接在容器上的超压泄放装置,1、总论,1.3容器的失效形式压力容器在载荷作用下丧失正常工作能力称之为失效。压力容器设计说到底是壁厚的计算，壁厚确定主要是对材料失效模式的判别:弹性失效壳体应力限制在弹性范围内，按弹性强度理论，壳体承载在弹性状态。塑性失效壳体应力限制在塑性范围内，按塑性强度理论，壳体承载在塑性状态。爆破失效壳体爆破是承载能力最大极限，表示材料承载能力的极限。压力容器失效表现为强度（断裂、泄漏）、刚度（泄漏、变形）和稳定性（失稳）。,1、总论,1.4设计参数1.4.1压力（6个压力）Pw正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力Pd与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力PdPWPc在相应设计温度下，确定元件厚度压力（包括静液柱）Pt压力试验时容器顶部压力Pwmax设计温度下，容器顶部所能承受最高压力，由受压元件有效厚度计算得到。Pz安全泄放装置动作压力PwPz(1.05-1.1)PwPdPz,1、总论,1.4设计参数1.4.2温度Tw在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往以介质的温度表示工作温度。Tt压力试验时元件的金属温度，工程中也往往以试验介质温度来表示试验温度。Td在正常工况下，元件的金属截面的平均温度，由于金属壁面温度计算很麻烦，一般取介质温度加或减10-20得到。,1、总论,1.4设计参数1.4.3壁厚（6个厚度）c计算厚度，由计算公式得到保证容器强度，刚度和稳定的厚度d设计厚度，d=c+C2（腐蚀裕量）n名义厚度，n=d+C1（钢材负偏差）+（圆整量）e有效厚度，e=n-C1-C2=c+min设计要求的成形后最小厚度，minn-C1（GB1503.5.6壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度而定；而min是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。）坯坯料厚度坯=d+C1+C3（其中：C3制造减簿量，主要考虑材料（黑色，有色）、工艺（模压，旋压；冷压，热压），所以C3值一般由制造厂定。）,1、总论,各厚度之间的相互关系,1、总论,1.4设计参数1.4.4许用应力许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值：b/nbs/nsD/nDn/nn当设计温度低于20取20的许用应力。,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,2、受压元件园筒和球壳,2.1园筒和球壳园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出：,中径（Di+）替代Di,2、受压元件园筒和球壳,是以薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。随壁厚增加K值增大，应力分布不均匀程度加大，当K=1.5时，由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低23%，误差较大；当采用（Di+）替代Di内径后，则其应力仅相差3.8%，这样扩大了公式应用范围（K1.5），误差在工程允许范围内。,园筒受力图,2、受压元件园筒和球壳,园筒环向应力是轴向应力2倍，最大主应力为环向应力，所以公式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。,而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出，球壳壁厚,适用范围Pc0.6t，相当于K1.353公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。,2、受压元件封头,2.2封头2.2.1椭圆封头1）应力分布标准椭圆封头（a/b=2）应力分布：,2、受压元件封头,径向应力r为拉伸应力，封头中心最大，沿径线向封头底边逐渐减小。周向应力封头中心拉伸应力，并沿径线向封头底边逐渐减小，由拉伸应力变为压缩应力，至底边压应力最大。且a/b越大，底部压应力愈大。出于上述考虑，GB150规定a/b2.6。所以在内压作用下，封头短轴要伸长，长轴要缩短称之为趋园现象，在曲面与直边相连部分，封头底边径向收缩，园筒径向胀大，在边界力作用下产生附加弯距（弯曲应力），封头上最大应力为薄膜应力和弯曲应力之和。,2、受压元件封头,2、受压元件封头,2.2.1计算公式,a/b越大，越扁平，长轴收缩多，变形越大，应力也大。K与Di/2hi关系查表7.1,2、受压元件封头,3）稳定性在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控制最小厚度来保证。（GB150表7-1下部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用图表法进行校核计算。,2、受压元件封头,2.2封头2.2.2碟形封头1）应力分布碟形封头由球面、环壳和园筒组成，应力分布与椭圆封头相似。径向应力r为拉伸应力，在球面部分均匀分布，至环壳应力逐渐减小，到底边应力降至一半。周向应力在球面部分为均匀分布拉伸应力，环壳上为压缩应力，在连接点到底边逐渐减小，而在球面与环壳连接处最大。,碟形壳的应力与变形,2、受压元件封头,碟形封头与椭圆封头形状相似，不同点是应力与变形都是不连续的，而且有两个拐点（球面与环壳、环壳与园筒）在两个边界上产生附加力矩（弯曲应力）在内压作用下，球面外凸，环壳内缩，园筒外胀。当r/R越小，球面与环壳处产生应力最大；r/R1趋于球壳，弯距0；所以蝶形封头最大应力在球面与环壳过度区。,2、受压元件封头,2）碟形封头的计算公式,Ri/r越大，变形越大，应力也大，所以M随R/r增大而增大，M与Ri/r查表7-3,3）稳定性,在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控制最小厚度来保证。（GB150表7-1下部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用图表法进行校核计算。,同椭圆形封头,2、受压元件封头,2.2封头2.2.3锥形封头1）定义锥形封头半顶角60，以大端直径为当量园筒直径(Di/cos)方法计算（即按当量园筒一次薄膜应力计算）。同一直径处周向应力等于轴向应力2倍；不同直径处，应力是不同的。半顶角60，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜理论不适应的。大端30采用无折边结构；30带折边小端45采用无折边结构；45带折边,2、受压元件封头,2）应力分析大端轴向力T2分解成沿母线方向N2和垂直与轴线方向P2。N2轴向拉伸应力P2大端径向收缩，产生径向弯曲应力，并使周向应力与压力作用产生周向应力，方向相反而相对减小，所以大端以一次轴向拉伸应力+二次轴向弯曲应力为强度控制条件,2、受压元件封头,2）应力分析小端轴向力T1分解成母线方向N1和垂直于轴线方向P1.N1轴向拉伸应力P1小端径向张大，产生周向应力。此周向应力与压力作用产生周向应力方向一致，相互叠加，所以小端以一次周向应力+由边界力引起周向应力为强度条件控制值,2、受压元件封头,3）计算公式锥壳厚度,由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增设加强段，由GB150图7-11、7-13判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。大端厚度：小端厚度：,Q应力增值系数，体现边界应力作用。,通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。,2、受压元件封头,2.2封头2.2.4平盖平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算：K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-7。比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知：挠度反映板的刚度；应力则反映强度。所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从强度和刚度要求，周边固支比周边简支的为好。,休息时间,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,3.1失稳外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失稳和轴向失稳。周向失稳断面由园形变成波形轴向失稳轴线由直线变成波形线,3、外压元件（园筒和球壳）,周向压缩应力引起,轴向压缩应力引起,3、外压元件（园筒和球壳）,3.2外压容器的设计外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力P大于或等于计算压力Pc.园筒稳定安全系数取3.0，球壳稳定安全系数取14.52。1）周向失稳计算外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法，根据壳体直径（或半径），计算长度，假设壁厚(e)和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入公式得到许用外压力P，使PPc；否则重新计算直至合格为止。2）轴向失稳计算由园筒或管子的半径，壁厚e和所用材料牌号，用图表查取系数，代入公式得B值，使计算压力Pc小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩应力取设计温度下材料许用应力和B值的较小值。,3、外压元件（园筒和球壳）,3.3防止外压园筒失稳措施防止外压园筒失稳措施主要有：1）增加园筒壁厚；2）缩短园筒的计算长度；3）设置加强圈。加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合惯性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的1/2，内部不少于1/3。,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,4、开孔补强,4.1适用范围在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的a/b2。筒体Di1500或凸形封头d1/2Di(且筒体d520mm)筒体Di1500或锥形封头d1/3Di(且筒体d1000mm),开孔不仅削弱容器强度，也造成局部应力集中，是造成容器破坏重要因素，所以开孔补强是压力容器设计重要组成部分。,4、开孔补强,4.2开孔补强形式与作用1）型式两种开孔补强型式整体补强和局部补强（补强圈）整体补强增加壳体厚度（经济性差）厚壁管（推荐）整体补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管）GB150P222图J5a），b）局部补强补强圈（推荐）2）作用内压容器对开孔截面拉伸强度补偿。外压容器对开孔截面压缩稳定性补偿，防止失稳。,4、开孔补强,4.3开孔补强的规定1）不另行补强的最大开孔直径应满足GB150P758.3规定2）采用补强圈补强要求b540MPa;1.5n;n38mm3）整体补强要求下列情况之一，应采用整体补强（增加壳体厚度或采用补强锻件与壳体相焊）。HG20583钢制化工容器结构规定。b540MPa1.5nn38mmPd4.0MPaTd350介质为极度，高度危害介质,4、开孔补强,4.4开孔补强方法1）等面积补强法（d1/2Di）原则：有效补强面积大于或等于开孔失去面积式中为开孔处计算厚度，注意：对椭圆封头和碟形封头中心部位和边缘部位是不同的。,4、开孔补强,4.4开孔补强方法2）压力面积补强法（0.8Did0.5Di）原则：有效承压面积上作用力许用应力当壳体、接管、补强圈材料不同时，上述可表达为：0、1、2分别为壳体、接管、补强圈材料的许用应力，MpaA0、A1、A2分别为有效补强范围内壳体、接管和补强圈横截面积，mm2P设计压力，Mpa；AP为补强有效范围内压力作用面积，mm2详见HG20581钢制化工容器强度计算规定,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,5、法兰,5.1法兰分类1）按垫片窄面法兰垫片在螺栓孔内侧（一般采用窄面法兰）宽面法兰垫片在螺栓孔两侧2）按整体性程度松式法兰法兰与筒体未连成整体，如活套法兰、螺纹法兰整体法兰法兰环、锥颈与筒体连成整体，如长颈法兰任意式法兰如平焊法兰（JB4700中，甲、乙型平焊法兰）3）按密封面型式突面法兰由一对平面组成凹凸面法兰由一对相配合的凹面和凸面组成榫槽法兰由一对相配合的榫面和槽面组成环面法兰由一对相配合的环面组成,5、法兰,按密封面形式法兰示意图,5、法兰,5.2垫片1）垫片种类非金属垫片橡胶板、橡胶石棉板、聚四氟乙烯、膨胀石墨等金属垫片纯铝、紫铜、软钢、不锈钢等，用于压力、温度较高场合金属包垫片柔性石墨、石棉板为芯材，外包铜、铝、不锈钢、镀锌铁皮常用于中、低压和较高温度场合。缠绕垫片由金属薄带（0Cr13、0Cr18Ni9、08F）和填充带（石墨、柔性石墨、聚四氟乙烯）相间缠绕而成，适用较高压力和温度范围。,5、法兰,5.2垫片2）垫片压紧力预紧状态下最小压紧力操作工况下最小压紧力式中，m垫片系数，垫片操作时，为保持密封需要施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力与内压力比值，即2是系数，m是垫片材料的一个特性，y垫片比压力，垫片在预紧时，为了消除法兰密封面与垫片接触面间的缝隙，需施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力。垫片合理设计，应使垫片在预紧和操作状态下所需压紧力尽可能小。,5、法兰,5.3法兰设计1）法兰密封要求法兰是通过紧固螺栓（螺柱）压紧垫片来实现密封，所以法兰设计要防止泄漏，既要保证强度，也要有足够刚性，以保持良好密封性。影响法兰密封因素：a）操作条件，P、T、介质b）螺栓的预紧力c）垫片的性能，应考虑垫片材料对温度及其介质相容性。d）法兰密封面形式e）法兰刚度,5、法兰,5.3法兰设计2）螺栓螺栓载荷预紧状态：操作状态：螺栓面积预紧时操作时取两者大值作为确定螺栓截面积依据。在螺栓面积A已定情况下，选用小直径螺栓，个数多；选用大直径螺栓，个数少，为保证扳手在周向和径向间距要求，应选取合适螺栓直径，使螺栓中心圆直径最小。螺栓中心圆直径增大，使螺栓预紧力增大，承受弯距增大，不利于密封。,5、法兰,5.3法兰设计3）法兰法兰强度设计的理论有多种，我国法兰设计规范的依据是弹性分析理论，即控制法兰中应力在弹性范围内，以保证法兰的密封要求。（Waters法）工程上法兰设计主要是对法兰轴向应力H，径向应力r和周向应力和组合应力的校核。即，,5、法兰,5.3法兰设计4）法兰设计的合理性a）选择垫片时，尽可能选择所需压紧力小的垫片，即m、y小的垫片。b）尽可能缩小螺栓中心圆直径，减小法兰力矩的力臂，有利密封；c）合理设计法兰锥颈（1）和法兰环（f），既保证强度，又有足够刚度，即调整1、f使法兰的各计算应力尽可能接近相应许用应力，趋满应力状态。,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,6、低温压力容器（附录C）,设计温度低于或等于-20的钢制压力容器（室外安装无保温的容器，最低设计温度应考虑地区环境温度影响）各国对低温压力容器划分温度界限：受环境温度影响，壳体的金属温度低于或等于-20时，也应遵循低温压力容器规定。,6、低温压力容器（附录C）,6.1低温低应力工况设计温度虽低于或等于-20,但其周向应力小于1/6s屈服限，且不大于50MPa时，称低温应力工况。在低温应力工况下，设计温度加50后，高于-20则不必遵循低温压力容器规定，可大大降低生产成本，提高经济性。,6、低温压力容器（附录C）,6.2低温压力容器对结构设计要求低温压力容器使用温度低，材料由延性状态向脆性状态转变，降低抗冲击性能，易发生脆断，所以对材料有较高冲击试验要求外，对结构也有要求。1）结构简单，减少约束；2）避免产生大的温度；3）减少局部应力集中和形状突变，接管端部要磨圆；4）支座不得直接焊在壳体上；5）开孔补强尽量采用整体补强和厚壁管补强；6）垫片应采用在低温下有良好弹性的材料。,6、低温压力容器（附录C）,6.3低温压力容器对材料、焊接、无损探伤、焊后热处理的要求1）对材料要求受压元件用钢采用镇静态20mm钢板逐张超探对不同使用温度，进行低温冲击2）对焊接和无损探伤要求全焊透结构无损探伤比例为50和100100RT或UT检测的容器，其对接接头、T形接头、角焊接缝需进行100MT或PT检测。焊缝表面不得有咬边3）焊后热处理钢板厚度16mm的碳素钢和低合金钢制容器或受压元件，应进行焊后热处理。,主要内容,1、总论2、受压元件3、外压元件（园筒和球壳）4、开孔补强5、法兰6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）,7、超压泄放装置（附录B）,压力容器在运行中由于外界因素影响和工艺过程失控，造成超压或超温，容器有可能发生破裂或爆炸等安全事故，超压泄放装置就是在容器一旦超压时会自动泄放，避免事故发生。7.1对泄压装置要求1）动作压力能在设定压力及允许误差范围内2）泄放能力大于或等于容器安全泄放量3）有可靠密封，能保证容器正常工作4）在有效使用期限内能可靠工作,超压泄放装置有安全阀、爆破片、及安全阀和爆破片组合。,7、超压泄放装置（附录B）,7.2采用爆破片条件符合下列条件之一，必须采用爆片1）压力快速增长2）对密封要求高3）介质粘稠、有腐蚀性或对阀门有磨损的介质4）其他安全阀不能适用的场合7.3安全阀、爆破片动作压力和容器设计压力关系安全阀动作压力爆破片爆破压力,7、超压泄放装置（附录B）,当采用安全阀与爆破片组合装置时，其中一个泄放装置的动作压力应不大于设计压力，另一个泄放装置的动作压力可提高，但不得超过设计压力的4%。（安全阀动作压力不大于设计压力；爆破片的动作压力不超过设计压力的4）。,安全阀最高开启压力,7、超压泄放装置（附录B）,7.4泄放装置的设计泄放装置设计主要是泄放能力（安全泄放量）计算和排放面积确定。7.5泄放装置的使用1）气体泄放装置应在容器顶部或气体管道上;液体泄放装置应在正常液位下方。安全阀应处在垂直位置；2）容器与泄放装置之间一般不能设置截止阀；3）泄放装置应有足够泄放能力和强度；4）安全阀应定期检验（一般每年检验一次）；爆破片应定期更换（一般23年更换一次）。,GB151管壳式换热器Tubularheatexchangers,主要内容,1、适用范围2、换热器特点3、设计参数4、材料5、设计6、管板与换热器的连接,1、适用范围,适用于固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式换热器的设计、制造、检验和验收。换热器主要由前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部件组成。,1.1适用参数DN2600mmPN36MPaDNPN1.751041.2设计温度同GB150,1、适用范围,1.3不适用场合直接受火焰加热换热器核辐射换热器疲劳分析换热器其他行业标准管辖的换热器,主要内容,1、适用范围2、换热器特点3、设计参数4、材料5、设计6、管板与换热器的连接,2、换热器特点,2.1固定管板式两块管板分别焊于壳体两端，是一种不可拆结构1）结构简单，设计成熟；2）管束（管间）无法清洗；3）壳程温度t50，需设置膨胀节当管、壳程有温差时，按温差计算出壳体轴向应力H，换热管轴向应力t，换热管与管板之间拉脱力q，当有一项不能满足强度条件时，就需要设置膨胀节。,2、换热器特点,2.2浮头式一块管板固定，一块管板同换热管在壳体内壳可自由伸缩，当管、壳程有温差时，可自由伸缩，不会产生温差应力。1）可进行管间管内清洗；2）一端管板是浮动的，无温差应力，可用于大温差场合；3）一般情况Pmax6.4Mpa，Tmax65时，不宜用含镁量大于3%的铝镁合金。d)钛和钛合金设计温度Td300e)铜、铝、钛制换热器还应符合其相关标准,4、材料,4.2管板、法兰、平盖管板、法兰、平盖优先用钢锻件，带凸肩的管板应采用锻件应符合级规定。用钢板时应符合GB150规定。拼接管板的对接焊缝应100RT或UT检测，拼接管板应焊后热处理。设计温度高于或等于300时，应采用对焊法兰。,4、材料,4.3换热管1）碳钢管、低合金钢管可选用、级两种精度。不锈钢管，有色金属管级精度。2）换热器允许拼接，但必须作以下检查。a)、拼接要求要符合GB151规定。b)、作通球检查c)、焊缝做RT抽检d)、做2Pd液压试验3）不锈钢焊接钢管作换热器管时，应注意不得用于极度危害介质Pd6.4Mpa4)当换热管不允许拼接时，必须在图样上注明。,主要内容,1、适用范围2、换热器特点3、设计参数4、材料5、设计6、管板与换热器的连接,5、设计,5.1圆筒、管箱一般要求见GB150；园筒其最小厚度比容器要厚，以满足管板、管束安装要求；园度要求比容器要高，以满足穿管和园筒与折流板间隙要求。管箱要保证分程隔板密封要求，满足强度，刚度要求；焊制管箱应进行焊后热处理，热处理后加工密封面。,5.2法兰见GB150,5、设计,5.3管板1）换热管布置正三角形、转角三角形。正方形、转角正方形。换热管间距L1.25d0，换热管排尽量对称。换热管中心距要保证管子与管板连接时，管间小桥应有足够强度和刚度，在需要清洗时还要考虑清洗间距，要求96孔桥宽度不小于规定值。管孔和换热器的精度是影响管板和管子连接接头的质量。胀接宜选用较高精度等级换热管。,5、设计,2）分程a)、管程管程为提高介质流速，达到强化传热目的可分程，程数有单程或偶数程，尽量少用奇数程。因奇数程两端管板均要设分程隔板槽，结构复杂，泄漏可能性大。分程隔板槽要求形状简单，密封面要短。分程应使用每程管数大致相等，以保持流速不变，相邻程间温差t20。b)、壳程壳程分程密封结构较为复杂，一般为单程，用折流板来达到提高流速、强化传热目的