过程设备机械设计基础：8.1压力容器

1、3131人死亡，人死亡，2020个国家个国家4 4亿人受害。亿人受害。 切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站压力壳压力壳发生核泄漏发生核泄漏 1986.4.26 8 压力容器压力容器 Pressure Vessel 8 8 压力容器压力容器 8.1 概述：压力容器的结构与分类概述：压力容器的结构与分类 8.2 压力容器常用零部件压力容器常用零部件 8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计 8.4 外压薄壁容器的设计计算外压薄壁容器的设计计算 8.5 压力容器的安全使用与管理压力容器的安全使用与管理 8.1 8.1 压力容器概述压力容器概述 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ 二、压力容器

2、的应用特点二、压力容器的应用特点 三、压力容器的分类三、压力容器的分类 四、压力容器的基本要求四、压力容器的基本要求 1000吨加氢反应器/齐鲁石化 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ 圆筒形 外壳 反应（传质等反应（传质等） 内件内件 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ 圆筒形和球圆筒形和球 形罐体形罐体 反应釜反应釜 = = 圆筒及圆筒及 夹套夹套 + + 搅拌器搅拌器 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ 换热器换热器 = = 圆筒外壳圆筒外壳 + + 传热管传热管 束束 l 核反应堆核反应堆 = = 圆筒安全壳圆筒安全壳 + + 核反应零部件核反应零部件 一、什么是压力

3、容器？一、什么是压力容器？ l泵、透平机泵、透平机 = = 蜗壳蜗壳 + + 叶轮叶轮 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ l水下机器人水下机器人= = 圆筒外壳圆筒外壳 + + 探测、控制系统等探测、控制系统等 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ l压缩机压缩机= = 圆筒气缸圆筒气缸 + + 活塞活塞 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ l 换热器、加热炉换热器、加热炉 = = 圆筒外壳圆筒外壳 + + 传热管束传热管束 l 核反应堆核反应堆 = = 圆筒安全壳圆筒安全壳 + + 核反应零部件核反应零部件 l 塔器塔器 = = 圆筒外壳圆筒外壳 + + 传质元件（浮阀、填

4、料等）传质元件（浮阀、填料等） l 反应釜反应釜 = = 圆筒及夹套圆筒及夹套 + + 搅拌器搅拌器 l透平机、泵透平机、泵 = = 蜗壳蜗壳 + + 叶轮叶轮 l水下机器人水下机器人= = 圆筒外壳圆筒外壳 + + 探测、控制系统等探测、控制系统等 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ 国际上在压力容器、锅炉和压力管道方面提出了国际上在压力容器、锅炉和压力管道方面提出了承压承压 设备设备这新概念，压力容器将逐渐被这新概念，压力容器将逐渐被承压设备承压设备所包容。所包容。 压力容器压力容器 一、什么是压力容器？一、什么是压力容器？ 封头 人孔 支座筒体 管口 液位计 压力容器压力容器是带有

5、通用零部件的承压壳体。是带有通用零部件的承压壳体。 二、压力容器的应用特点二、压力容器的应用特点 应用广泛应用广泛 20052005的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多 达达146146万台万台 ，移动式压力容器中罐车，移动式压力容器中罐车1.61.6万辆，万辆，在在 用气瓶用气瓶1.21.2亿只亿只；压力管道；压力管道7575万公里。万公里。 年产年产3030万吨的乙烯装置，约有万吨的乙烯装置，约有793793台设备，其中压力台设备，其中压力 容器容器281281台，占了台，占了35.4%35.4%。 广泛应用于各行各业，尤其是在化学、石油化工生产

6、广泛应用于各行各业，尤其是在化学、石油化工生产 中，在农业和日常生活中也颇常见。中，在农业和日常生活中也颇常见。 二、压力容器的应用特点二、压力容器的应用特点 工况复杂工况复杂 工作条件的复杂苛刻性使工作条件的复杂苛刻性使压力容器压力容器从设计、制造、安裝从设计、制造、安裝 到使用、维护都不同于一般设备，而成为一类到使用、维护都不同于一般设备，而成为一类特殊设备特殊设备。 n压力压力：高真空：高真空高压、超高压；高压、超高压； 石油加氢为石油加氢为10.510.521.0 21.0 MPaMPa； 高压聚乙烯为高压聚乙烯为100100200 200 MPaMPa。 n温度温度：-253-253

7、 C C 的低温的低温 1000 1000 C C以上的高温。以上的高温。 n介质介质：爆、燃、毒、辐：爆、燃、毒、辐( (照照) )、腐、腐( (蚀蚀) )等数危险品种。等数危险品种。 安全要求高安全要求高二、压力容器的应用特点二、压力容器的应用特点 n压力容器极大多数系压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种缺陷焊接制造，容易产生各种缺陷， 一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂；一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂； n容器内多为压缩气体或饱和液体，且容器内多为压缩气体或饱和液体，且易爆、易燃、有易爆、易燃、有 毒毒，将向外泄漏，若容器破裂，导致，将向外泄漏，若容器破裂，导致介质介质突然卸压膨

8、突然卸压膨 胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，势必造成极具灾胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，势必造成极具灾 难性的后果。难性的后果。 n压力容器承受压力容器承受复杂载荷；复杂载荷； 压力容器的安全特征压力容器的安全特征 国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132 起，严重事故274起，共死亡104人，受伤371人，直接经济 损失2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分 别为1.07次/万台，0.28次/万台，0.65次/万台。 l 事故率高事故率高 压力容器的安全特征压力容器的安全特征 1968年英国原子能局（UKAEA）安全卫生处和联合部 技术委员会（AOTC）工程检

9、验机构调查使用年限在30年以 内，符合英国BS1500和BS1515等压力容器规范的一级压力 容器发生破坏事故的统计情况如下表所示： l 危害性大危害性大 压力容器破坏几率 年份 容器运行 灾难性事故a 损伤事故b 总计 台年 次数 事故率 次数 事故率 次数 事故 1962-1967 100300 7 0.7104 125 1.25104 132 1.32104 1967-1972 105400 16 1.5104 123 1.17104 139 1.32104 压力容器的安全特征压力容器的安全特征 a.灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器； b.损伤事故指有潜在危险的事故； c.事故

10、发生率发生事故数/（设备台数运行年） 表中的数字表明10000台容器中发生损坏事故每年 12.5次，达到破坏事故0.7次，事故几率为1.32 ，而且 这132起使用中的容器事故，按其原因分类，89.3%，即 118起是各种制造裂纹所引起。 l 危害性大危害性大 爆炸了！爆炸了！ 2005.11.13 故障处理不当引发的故障处理不当引发的压力容器爆炸压力容器爆炸 压力容器的事故实例压力容器的事故实例 1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆 炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液氯外泄，波 及7公里范围，59人死亡，779人严重中毒。 1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐

11、爆 炸，引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆 炸，600吨液化气燃烧，32人死亡，54 人伤。 压力容器的事故实例压力容器的事故实例 19861986年年4 4月月2626日前苏联切尔诺贝利核日前苏联切尔诺贝利核 电站压力壳发生核泄漏，电站压力壳发生核泄漏，3131人死亡，人死亡，2020个个 国家国家4 4亿人受害。亿人受害。 压力容器的事故实例 1984年12月3日印度博帕尔市 农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏 ，2580人死亡，125000人中毒， 5万人失明。 面向现代化工企业，我们应该：面向现代化工企业，我们应该： l 掌握必要的压力容器基础知识。掌握必要的压力容器基础知识。 l

12、 熟悉相关标准、规范和法规，以及保证其实熟悉相关标准、规范和法规，以及保证其实 施的系统、完善、科学的管理监督体系。施的系统、完善、科学的管理监督体系。 l 具有高度的责任心、强烈的事业心从事相关工具有高度的责任心、强烈的事业心从事相关工 作。作。 (1)极度危害极度危害：最高容许浓度最高容许浓度0.1mg/m3，氢氟酸、光气等氢氟酸、光气等 (2)高度危害：最高容许浓度高度危害：最高容许浓度0.1 1.0mg/m3， 氟、氟化氢等氟、氟化氢等 (3)中度危害：最高容许浓度中度危害：最高容许浓度1.0 100 MPa 外压容器外压容器 内压容器内压容器 4 4 由压力高低、蓄能多少分类由压力高

13、低、蓄能多少分类 P158P158 第第 一一 类类 压压 力力 容容 器器 第第 二二 类类 压压 力力 容容 器器 第第 三三 类类 压压 力力 容容 器器 3 3 按容器安装方法分类按容器安装方法分类 固定式容器固定式容器移动式容器移动式容器 1. 高压容器；高压容器； 2. 中压容器（仅限毒性为极度或高度危害介质）；中压容器（仅限毒性为极度或高度危害介质）； 3. 中压储存容器（仅限中压储存容器（仅限易燃或易燃或毒性程度为中度危害介质毒性程度为中度危害介质 且且PV大于等于大于等于10MPa.m3 ）的；的； 4. 中压反应容器（仅限中压反应容器（仅限易燃或易燃或毒性程度为中度危害介质

14、毒性程度为中度危害介质 且且PV大于等于大于等于0.5MPa.m3 ）的中和的低压容器；的中和的低压容器； 5. 低压容器（低压容器（仅限毒性为极度或高度危害介质，且仅限毒性为极度或高度危害介质，且PV大大 于等于于等于0.2MPa.m3 ）；）； 6. 高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉； 第三类容器第三类容器 按劳动部门的安全技术监察规程规定按劳动部门的安全技术监察规程规定 1. 中压容器；中压容器； 2. 低压容器（仅限毒性程度为极度和高低压容器（仅限毒性程度为极度和高 度危害介质）；度危害介质）； 3. 低压反应容器和储存容器（仅限易燃低压反应容器和储存容器（仅限易燃

15、介介 质或毒性程度为中度危害介质）；质或毒性程度为中度危害介质）； 4 .低压管壳式余热锅炉；低压管壳式余热锅炉； 5 .低压搪玻璃压力容器。低压搪玻璃压力容器。 第二类容器第二类容器 一类容器：一类容器： 低压容器（前述规定的除外）低压容器（前述规定的除外） 四四 压力容器的基本要求压力容器的基本要求 安全性安全性 n 足够的强度足够的强度 n 足够的刚度足够的刚度( (或稳定性或稳定性) ) n 可靠的密封性能可靠的密封性能 n 一定的使用寿命一定的使用寿命 经济性经济性 l经济可靠的材料经济可靠的材料 l经济的制造方法经济的制造方法 l低的操作和维护费用低的操作和维护费用 l长周期的安全

16、运行长周期的安全运行 安、稳、长、满、优安、稳、长、满、优 五五 压力容器设计要求压力容器设计要求 压力容器压力容器 设计设计 正确选材 正确设计 正确制造 严格检验 按照规范要求 减少内 应力 减少不 连续应 力 无损 探伤 保证焊 缝质量 材料的韧性 质量保证体系质量保证体系 定 义 确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退 出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有 计划、系统的措施。 内 容 材料设计制造与制造过程中的检验在役 检验与监控。 五五 压力容器设计要求压力容器设计要求 按规则设计按规则设计 - - GB150GB150钢制压力容器钢制压力容器 基于经济方法的设计，其典型过

17、程是确定 设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对 材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚 度，然后根据规范许可的构造细则及有关制造 检验要求进行制造。 五五 压力容器设计要求压力容器设计要求 按分析设计分析设计-JB4732钢制压力容器分析设 计标准 基于考虑作用在容器上载荷的性质，进行 详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器 破坏的作用分类，与许用应力强度比较和评定， 并加上严格的材料、制造和检验要求。 五五 压力容器设计要求压力容器设计要求 六六 压力容器用材压力容器用材 n选材原则：需考虑机械性能、耐腐蚀性、加工选材原则：需考虑机械性能、耐腐蚀性、加工 工艺性、物理性能等工艺性、物

18、理性能等 n常用压力容器用钢常用压力容器用钢 碳钢：普通碳素结构钢碳钢：普通碳素结构钢:Q235-A，优质碳素结优质碳素结 构钢构钢20，20R，20g 低合金钢：低合金钢：16Mn，16MnR，15MnVR 奥氏体不锈耐酸钢：奥氏体不锈耐酸钢：18-8，0Cr19Ni9， 0Cr18Ni11Ti 七七 压力容器设计准则压力容器设计准则 设计准则在特定的设计条件下，有效地利用材料的 强度或刚度，使容器或其部件在设计寿命内安全运行。 强度设计准则 弹性设计准则 塑性设计准则 脆断设计准则 疲劳设计准则 蠕变设计准则 刚度设计准则 l 弹性变形设计准则 l 失稳设计准则 容器不出现涉及总体 范围的较大变形，即在 内压或其他拉伸等静力 载荷在器壁中所引起的 最大应力不超过材料的 弹性极限。如考虑设计 安全裕度，则限制在材 料的许用应力以下。 d = 2= p Dc / 2 t 弹性设计准则 1= p D / 4 t 2 = p D / 2t 1 2 p D t 七七 压力容器设计准则压力容器设计准则 当容器总体范围进入 整体塑性变形或局部区 域沿整个壁厚进入塑性 变形时，则认为容器己 耗尽承载能力而失效。 极限设计 安定性准则 塑性设计准则 Mp=（bh/4）y Me=（bh2/6） y Mp y y 七七 压力容器设计准则压力容器设计准则 八八 压力容器常见结构型式压力容器