生物工程压力容器

1、. 第二章 生物工程压力容器讲授本章的基本目的：1、了解压力容器的结构与分类2、掌握压力容器设计方法。计划学时数：4学时重点内容：内压薄壁容器的设计难点部分：1、内压薄壁容器的力学分析2、内压薄壁容器的设计作业： 试设计一10m3发酵罐。已知条件为： 发酵罐最高工作压力为0.1Mpa ；筒体直径,Di=1800mm ；发酵最高温度为30。选用16MnR钢材。材料在设计温度下的许用应力 Mpa；钢板厚度负偏差mm，腐蚀裕量取mm；筒体的焊接采用带垫板的单面对接焊缝，局部无损探伤，焊缝系数；试确定该发酵罐壁厚。注：取设计压力等于最高工作压力的1.1倍，不考虑筒体部分的液柱静压。一般生物工业过程需要

2、在一定的温度、压力和pH值等环境条件下才能进行，所以生物工程中使用的许多设备均属于压力容器。特别是在生物工程的传热、传质、生化反应、生物反应物料处理和分离纯化等方面，压力容器使用更为广泛。常见的容器形式有生物反应器、换热器、塔器和储罐等，。本章主要针对生物加工过程的特点，介绍生物工业过程中应用的有关压力容器设计的基本知识，内容包括压力容结构、压力容器的材料、内压薄壁容器的设计、压力容器的零部件及其标准化等。第一节 概述（一）压力容器的基本要求压力容器的基本要求是安全性与经济性的统一。压力容器虽然不象一般机械设备那样容易产生磨损，但如果设计或使用不当，将会产生爆炸等灾难性事故，造成严重的人员伤亡

3、和财产损失。因此保证安全运行，是压力容器的核心问题。经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。压力容器除了应满足上述基本要求外，还应满足强度、刚度、耐久性、密封性及操作和维修方便的要求。（二）压力容器的结构与分类压力容器一般是由壳、板组合而成的焊接结构。作为压力容器筒体和封头的壳体包括圆柱壳、球壳、椭球壳、球冠、锥形壳等；板主要包括圆平板和环形板等。由上述几种基本的壳和板可以组合成各种压力容器的结构形式，再加上法兰、接管、支座和安全附件等就构成了一台完整的压力容器。图14-1为一台卧式容器的结构简图。图14-1 压力容器的结构简图1. 筒体：一般为圆柱形.2. 封头：常用的有椭圆形

4、、半球形、锥形等，密闭作用通常与筒体焊接. 3. 支座：支撑固定作用，主要型式：支撑式、悬挂式。4. 接口管.管道接口：主物料管道、辅助物料管道(空气、水、蒸汽)。.仪表接口：温度计、压力表、安全阀、液位计、溶氧、pH值等。5. 人孔(手孔)：为了便于清洗和维修,一般安装在容器(设备)顶部。 竖式安装的大型容器(设备)还应在筒体底部安装人孔.多为椭圆形（400-450×300）或圆形。6. 视镜 用于观察容器内的情况。一般是对称（两个）安装在容器（设备）顶部或体的中部。（三）压力容器的分类压力容器的分类方法较多，常见的有下列几种：1按容器在生产中的作用分类按容器在生产过程中的作用原理

5、不同，可以分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储存压力容器四种。（1）反应压力容器（代号R） 主要是用于完成介质的物理、化学反应的设备，如生物反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、蒸压釜等。（2）换热压力容器（代号E） 主要是用于完成介质热量交换的设备，如热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等。（3）分离压力容器（代号S） 主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离的设备，如分离器、过滤器、吸收塔、干燥塔等。（4）储存压力容器（代号C） 主要是用于盛装生产和生活用的原料气体、液体等，如各种储罐、储槽、计量槽等。2. 按压力承受方式分2.1 压力基本概念压力P除注明外，压力均指表压力，

6、单位用Mpa表示。工作压力Pw指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力Pd指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。一般在装有安全阀时Pd（1.051.1） Pw ，当无安全阀时，Pd（1.01.05） Pw 计算压力Pc在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱的静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可以忽略液柱静压力。试验压力PT进行压力试验时容器顶部的压力。2.2按压力承受方式可把压力容器分为：外压容器：容器内部的工作压力小于外界压力(主要承受外压)。如具有夹套加热的容器(设备)、在真空条件下操作的容器(设备)

7、。其中，内部压力小于一个绝对大气压（0.1MPa）的外压容器又叫真空容器内压容器：容器内部的工作压力大于外界压力(主要承受内压)。这类容器(设备)在工业上较普遍应用。如发酵罐等。3按承压性质和压力等级分类内压容器按其所承受的工作压力分为五个压力等级，具体划分如表14-1。表14-1 内压容器按压力等级的分类方法容器分类设计压力，MPa常压容器p0.1低压容器（代号L）0.1p1.6中压容器（代号M）1.6p10.0高压容器（代号H）10.0p100超高压容器（代号U）p1004. 按设计方法不同（器壁厚度）来分：薄壁容器：容器外径Do内径Di之比不大于1.2， 即K=Do/Di 1.2 或S/

8、Di 0.1 (S为容器壁厚)。厚壁容器：容器外径Do内径Di之比大于1.2， 即K=Do/Di> 1.2 或S/Di> 0.1(S为容器壁厚)。一般中低压容器属于薄壁容器范围. 5按安全技术管理要求分类上述几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，不能反映压力容器的整体的危害程度。例如储存易燃或毒性程度中度及以上危害介质的压力容器，其危害性要比相同几何尺寸、储存毒性程度轻度或非易燃介质的压力容器大得多。为此我国压力容器安全技术监察规程采用既考虑容器的压力与容积大小，又考虑介质危害程度的综合分类方法，以便于容器的安全技术监督与管理。该方法将压力容器分为三类：（1）第一

9、类压力容器属下列情况之一者为一类容器 1.非易燃或无毒介质的低压容器。 2.易燃或有毒介质的低压分离器外壳及热交换器的外壳。（2）第二类压力容器属于下列情况之一的，为第二类压力容器： 中压容器； 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）； 低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质）； 低压管壳式余热锅炉； 低压搪玻璃压力容器。（3）第三类压力容器属于下列情况之一的，为第三类压力容器： 高压容器； 中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）； 中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPa·m3）； 中压反应容器（仅限易燃或毒性程

10、度为中度危害介质，且pV乘积大于等于0.5MPa·m3）； 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于0.2MPa·m3）； 高压、中压管壳式余热锅炉； 中压搪玻璃压力容器； 使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器； 移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车（液化气体运输车、低温液体运输车、永久气体运输车）和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等； 球形储罐（容积大于等于50m3）； 低温液体储存容器（容积大于5m3）。显而易见，其中第三类压力容器要求最高。按国家监察部门规定

11、，无论是设计单位或是制造单位，必须经过申请与批准，方可取得第一、二、三类压力容器的设计许可证，或制造许可证。（三）压力容器零部件的标准化压力容器零部件包括封头、法兰、人孔、接管、支座和视镜等，为了便于成批生产，增加互换性，提高劳动生产率，这些零部件都已实现了标准化。我国有关部门已制定了一系列容器零部件的标准。进行压力容器设计时，除了特殊的工作参数和结构形式需自行设计外，应尽可能选用标准化的零部件。压力容器零部件标准化的基本参数是公称直径DN和公称压力PN。公称直径是容器和管道标准化后的尺寸系列。对容器而言是指容器的内径（用管子作筒体的容器除外）；对于管子或管件，公称直径是指名义直径，是介于管子

12、内外径之间的某个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径随着壁厚的变化而变化，如公称直径DN100的无缝钢管有108×4、108×4.5、108×5等规格。对于法兰来说，公称直径是指与其相配的筒体或管子的公称直径。在制定零部件标准时，仅有公称直径这一个参数是不够的。因为，即使公称直径相同的筒体、封头或法兰，如果它们的工作压力不相同，那么它们的其他尺寸也就不会一样。所以，还需要将压力容器和管子等零部件所承受的压力，也分成若干规定的压力等级。这种规定的标准压力等级就是公称压力。容器法兰的公称压力是以16Mn在200时的最高工作压力为依据制定的，因

13、此当法兰材料和工作温度不同时，最高允许工作压力将降低或升高。例如，PN2.5的长颈对焊法兰（JB4703），在200时的允许工作压力为2.5 MPa，但若将它用于400时，它的最高允许工作压力为1.93 MPa；若改用20号钢制造，则200时的允许工作压力降低为1.26 MPa。因此，选用法兰材料在工作温度下的允许工作压力应不低于法兰最高工作压力。管法兰也有类似的规定，具体可参阅有关标准。第二节 压力容器的材料材料是压力容器质量保证体系中的一个重要环节，材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。同时，材料的费用占压力容器总成本的比例较大，一般超过30。如果选材不当，不仅会增加成本，而且可能导

14、致压力容器的破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。制造压力容器的材料多种多样，有黑色金属、有色金属、非金属材料以及复合材料等，但使用最多的是钢材。本小节重点讨论压力容器用钢材的基本要求、分类、腐蚀和选用方法。（一）压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求是具有较高的强度，良好的塑性、韧性、可焊性和与介质的相容性。下面对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。1化学成分钢材的化学成分对其力学性能和热处理的效果均有较大的影响。提高碳含量可能使强度增加，但可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹。因此，压力容器用钢碳含量不宜过高，一般不大于0.25。另外，为了提高钢材的强度和韧性，往往在刚

15、材中加入适量的钒、钛、铌等元素。硫和磷是钢材中主要的有害杂质元素，必须严加控制。硫元素能促进低熔点化合物的形成，它在低于钢材热加工温度下将过早熔化，从而导致材料开裂，这种现象称为“热脆性”。磷在钢中能溶于铁素体内，使铁素体在室温下的强度提高，而塑性、韧性下降，即产生所谓“冷脆性”。因此，与普通结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素的含量控制更严。我国对压力容器用钢规定硫和磷含量分别应低于0.020和0.030。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.0020以下。另外，从总体上看，化学成分对热处理有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。2力学性能材料的

16、力学性能主要是指强度、塑性与韧性。这些性能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。下面将对压力容器用钢的常用力学性能指标进行分析。（1）强度 强度是衡量钢材在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的特性。通常采用抗拉强度b和屈服点s来表征材料的强度，这两个指标也是容器设计计算中用于确定许用应力的主要依据。对于没有明显屈服点的钢材，通常规定以发生0.2残余变形时的应力作为“条件屈服点”，以0.2表示。屈服点与抗拉强度之比称为屈强比，它可以反映材料屈服后强化能力的大小。屈强比高的钢材，承载能力可提高，但是塑性储备将降低，缺口敏感性增加。通常情况下，对屈强比大于0.70

17、的钢材，在设计与制造时应慎重，若屈强比大于0.800.85，则应特殊考虑。（2）塑性 由于容器制造过程中采用冷作弯卷成型工艺，要求材料必须具备充分的塑性。常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率，它们可在拉伸试验中同时测得。压力容器要求选用5=1520以上的材料来制造。但更能直接反映钢板冷弯性能的则是冷弯试验，即对钢板在某一直径弯芯下进行常温弯曲试验，规定在冷弯180°之后不裂方可用于制造容器。（3）韧性 韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。韧性对压力容器安全运行具有重要的意义。压力容器在服役过程中，原始缺陷会发生扩展，当裂纹扩展到某一临界值时将会引起断裂事故，此临界尺寸的大小主要取决于

18、钢材的韧性。韧性越好，所允许的临界裂纹尺寸就越大，容器的安全性也越高。因此，为防止发生脆性断裂事故，压力容器应选用韧性较好的钢材。常用的韧性指标有夏比V形缺口冲击吸收功AKV。在一般设计中，上述力学性能指标数值可以从相关标准中查到，但这些数据仅为规定的必须保证值，实际使用的钢材是否满足要求，除了要查质量证明书外，有时还要对材料进行复验。3制造工艺性能压力容器的各零件间主要采用焊接连接，良好的可焊性是压力容器用钢的一项重要指标。可焊性是指在一定的焊接工艺条件下，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分，其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低，愈不容易产生裂纹，可焊性愈好。各种合

19、金元素对可焊性也有不同程度的影响，这种影响通常是用碳当量Ceq来表示。碳当量的计算公式较多，比较常用的是国际焊接学会所推荐的公式：式中元素符号表示该元素在钢中的百分含量。一般认为，当小于0.4时，表示钢材的可焊性良好；当大于0.6时，表示钢材的可焊性差。（二）压力容器用钢品种与类型1压力容器用钢的品种钢材的品种有钢板、钢管、锻件和铸件等。a钢板 钢板是压力容器最常用的材料，如筒体一般由钢板卷焊而成，封头由钢板冲压或旋压制成。板材分冷轧与热轧薄钢板（厚度4mm）和热轧厚钢板（厚度4mm）两种，冷轧薄钢板的尺寸精度（指厚度允许偏差）比热轧钢板高。b钢管 压力容器的接管与换热管等常用无缝钢管制造。它

20、们通过焊接与容器壳体、法兰等连接在一起。无缝钢管也有冷轧和热轧之分，冷轧无缝钢管的外径和壁厚尺寸精度均较热轧管为高。c锻件 容器法兰、接管法兰、高压容器的平盖等零部件常用锻件制造。根据锻件检验项目和数量不同，我国压力容器锻件标准规定，将锻件分为、四个级别。例如，级锻件只需逐件检验硬度，而级锻件需要逐件进行超声检测，并进行拉伸和冲击试验。d铸件 铸件在压力容器中用得较少，主要用于造纸等行业中形状复杂的容器部件。对于采用铸铁制造的容器，我国有关规范对其介质危害性、设计温度和设计压力等均有严格的限制。例如，铸铁不得用于制造盛装毒性程度为极度、高度和中度危害，以及易燃介质压力容器的受压元件。灰铸铁制压

21、力容器的设计压力不得大于0.8MPa，设计温度为0250。2压力容器用钢的类型按化学成分分类，压力容器用钢可分为三大基本类型，即碳素钢、低合金钢和高合金钢。a碳素钢 碳素钢强度较低，而塑性与可焊性良好，价格低廉。一般用于常压或中、低压容器的制造，也用作支座、垫板等零部件的材料。压力容器用碳素钢主要有两类：一类是普通碳素结构钢（如Q235钢）和优质碳素结构钢（如10、15、20钢）。另一类是压力容器专用钢，这类钢在钢号末用符号“R”表示，如20R等。20R是在20钢基础上发展起来的，主要是对硫、磷等有害元素控制更加严格，对钢材表面质量和内部缺陷的要求也更高。b低合金钢 低合金钢是在碳素钢的基础上

22、加入少量的Mn、V、Mo、Nb等合金元素构成的，它具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢。常用的低合金钢有16MnR、15CrMoR、16MnDR、15 MnNiDR、09 MnNiDR、20MnMo、12Cr1MoV等。其中16MnR是中国压力容器行业使用量最大的钢板，它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能，主要用于制造中低压容器和多层高压容器。16MnDR、15 MnNiDR和09 MnNiDR三种钢板是工作在20以下的低温压力容器专用钢板。16MnDR是制造40压力容器经济而成熟的钢种，可用于制造液氨储罐等设备。15MnNiDR由于加入了少

23、量的镍和微量的钒而具有更好的韧性，常用于制造40级的低温球形容器。09MnNiDR是一种70级的低温压力容器用钢，用于制造液丙烯（47.7）、液硫化氢（61）等设备。15CrMoR是低合金珠光体热强钢，属于中温抗氢钢板，常用于制造壁温不超过560的压力容器。c高合金钢 压力容器中采用的高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢。根据所含主要合金元素的不同，可以分为以铬为主的铬不锈钢和以铬、镍为主的铬镍不锈钢。铬不锈钢是常用的铁素体不锈钢，具有较高的强度、塑性、韧性以及良好的机械加工性能。在温度低于30时对弱腐蚀介质（如盐水、稀硝酸、浓度不高的某些有机酸）中具有良好的耐蚀性，但在硫酸、盐酸、热硝酸等介质中耐

24、蚀性低。如0Cr13、1 Cr13等钢种。铬镍不锈钢属于奥氏体不锈钢，典型钢种有0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00 Cr19Ni10等。这种不锈钢具有较高的抗拉强度、较低的屈服点、良好的塑性和韧性，它的焊接性能和冷弯成型等工艺性也很好，是目前用于制造各种反应釜、塔器和储罐等设备的最广泛的一类不锈钢。00 Cr18Ni5Mo3Si2是奥氏体-铁素体双相不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。除了上述几种钢材类型外，有时压力容器还采用复合钢板制造。复合钢板由复层和基层组成。复层与介质直接接触，厚度一般仅为基层厚度的1/31/10，主要起耐腐蚀的作用，它通

25、常由不锈钢、钛等材料制成。基层与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢或低合金钢。采用复合钢板制造耐腐蚀的压力容器，可以节省大量昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。（三）压力容器的腐蚀及防护措施压力容器材料经常要和酸、碱、盐等腐蚀性介质接触而发生腐蚀。材料腐蚀的结果不仅造成金属和合金材料的巨大损失，影响设备的使用寿命，而且由于腐蚀引起容器壁厚减薄或材料性能降低，导致爆炸等灾难性的事故。1金属的腐蚀金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏称为腐蚀。按腐蚀机理不同，金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。a化学腐蚀化学腐蚀是指金属与介质发生化学反应所引起的腐蚀。化学腐蚀的产

26、物在金属表面上，腐蚀过程中没有电流产生。如金属的高温氧化及脱碳即属于化学腐蚀。如果化学腐蚀生成的化合物很稳定，即不易挥发和溶解，且与金属本体结合牢固，那么这种腐蚀产物附着在金属表面上，起钝化腐蚀作用。如果化学腐蚀生成的化合物不稳定，即易挥发和溶解，且与金属结合不牢固，则腐蚀产物就会一层层脱落，这种腐蚀产物不能保护金属不再继续受到腐蚀，这种作用称为活化作用。b电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。在电解质溶液中，由于两种金属材料或同一金属材料的不同部位之间存在电位差，形成了腐蚀电池，作为阳极的金属被逐渐溶解，从而产生腐蚀。如图14-

27、2所示。电化学腐蚀的过程如用反应式表示，由下列三个环节组成。阳极反应，金属溶解：电子移动，阳极过剩电子流向阴极：阴极反应，电子在阴极被吸收：由上述电化学腐蚀过程的原理可以看出，电化学腐蚀的发生必须具备三个条件：同一金属材料上有不同电位的部分存在，或不同金属之间存在电位差；阴极和阳极互相连接；阳极和阴极处在互相连通的电解质溶液中。2金属腐蚀破坏的形式及防护措施按照金属腐蚀的形式，可分为全面腐蚀和局部腐蚀两大类。全面腐蚀是在腐蚀介质作用下，金属整个表面发生比较均匀的大面积腐蚀。这种腐蚀形式将使压力容器的厚度均匀减薄，致使强度不足而引起破坏。选用耐腐蚀材料、采用衬里或适当增加厚度（考虑腐蚀裕量）等方

28、法可以防止全面腐蚀破坏。局部腐蚀是指主要集中在金属表面局部区域的腐蚀，它又可分为点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等。点腐蚀又称孔蚀，是从金属表面产生针状、点状、小孔状的局部腐蚀。大多数点腐蚀与卤素离子有关，影响最大的是氯化物、溴化物和次氯酸盐。点腐蚀常发生在静滞的液体中，提高介质的流速、在不锈钢中增加钼的含量或尽量降低介质中氯离子的含量，均可有效地减轻点腐蚀。晶间腐蚀是沿晶粒边界及其邻近区域产生和发展，它将使晶粒间连续性遭到破坏，材料的强度和塑性降低。材料产生晶间腐蚀后，从外表上没有明显的变化，不易被察觉，破坏会突然发生，因此是一种危害很大的腐蚀。对晶间腐蚀敏感的材料有铁素体和奥氏体不锈钢、铝合金、

29、镁合金、铜合金等。防止不锈钢晶间腐蚀的措施，可以采取在奥氏体不锈钢中加入稳定化元素钛和铌，或采用超低碳不锈钢（如00Cr18Ni9）等。缝隙腐蚀是指由于缝隙中积存静止的介质或沉积物而引起的腐蚀。介质处于缝隙中将引起浓度的增加，从而加速缝隙区域金属的腐蚀。如换热管与管板的连接处，法兰的连接面等部位。防止缝隙腐蚀的措施是在容器结构上，尽量避免或减少缝隙的形成，如避免介质流动的死角或死区，减少管子与管板间的间隙等。除了上述三种金属腐蚀破坏形式外，还有一种危害性很大的腐蚀形式应力腐蚀。应力腐蚀是指金属构件在一定的应力和特定的环境介质协同作用下，造成的低应力脆断。在应力腐蚀系统中，应力与腐蚀介质的作用是

30、相互促进的协同作用，即不存在应力时，单纯的腐蚀介质不会发生应力腐蚀；同样，没有腐蚀介质，单纯的应力作用也不会发生应力腐蚀。应力腐蚀是一种与时间有关的滞后断裂，其破坏过程可分为三个阶段。第一阶段为孕育期，是逐步形成应力腐蚀裂纹的时期，这一过程短则几天，长至几十年；第二阶段为裂纹稳定扩展阶段，在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；第三阶段为裂纹失稳阶段，最终发生破裂。发生应力腐蚀断裂之前往往没有明显的塑性变形，是突发性的，因而很难预防。产生应力腐蚀基本条件是：敏感的合金（材料因素）、特定的介质（环境因素）和一定的应力水平（力学因素）。敏感的合金是指有一定的化学成分和组织结构的钢材，在一些介质中对应

31、力腐蚀敏感。理论上讲，纯净的金属不可能产生应力腐蚀，因为它在腐蚀介质中不能形成引起电化学腐蚀的微电池。但是，金属中只要含有微量的杂质，就足以引起应力腐蚀破裂。指定的介质是指对某一敏感合金而言，必须有一或一些特定介质与之相匹配，才能产生应力腐蚀。如表14-6所示，既没有对任何介质都敏感的钢材，也没有能引起任何钢材均产生应力腐蚀破裂的介质。如果构件的应力没有达到一定的水平，即使有敏感的材料和特定的介质配合，同样不会出现应力腐蚀。表14-6 常见应力腐蚀材料-介质体系材料腐蚀介质低碳钢H2S水溶液、NaOH溶液、硝酸及硝酸盐溶液、CO-CO2-H2O溶液高强度低合金钢H2S水溶液、含Cl-溶液奥氏体

32、不锈钢H2S水溶液、含Cl-溶液、连多硫酸、氢氧化物、高温高压水不锈钢H2S水溶液、含Cl-溶液、连多硫酸、氢氧化物溶液铝合金潮湿空气、含Cl-溶液、海水铜合金含NH4-溶液、汞盐溶液、SO2气体钛合金含Cl-溶液、甲醇、固态氯化物（温度高于290）、发烟硝酸这种应力可以是整体的，也可以是局部的，同时包括由外载引起的应力和内应力。以前人们普遍认为只有拉伸应力会引起应力腐蚀，最近研究结果表明，压缩应力在某些情况下也可以产生应力腐蚀。预防应力腐蚀的措施，可以从选材、设计、改善介质条件和防护等几方面考虑，下面分别进行介绍。a合理选择材料如上所述，只有特定的合金与介质组合才会造成应力腐蚀。故压力容器选

33、材时应针对某一特定的介质，选择耐该介质应力腐蚀的材料。如高浓度氯化物介质，一般选用含镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢。b减少或消除残余应力残余应力是引起应力腐蚀的一个重要原因。例如，对于奥氏体不锈钢设备，约80的应力腐蚀是由弯曲成型及焊接残余应力引起的。采用焊后消除应力的热处理，或者采用喷丸等表面处理方法，可有效地降低残余应力。c改善介质条件一方面是设法减少促进应力腐蚀的有害离子或某种成分，如控制与奥氏体不锈钢接触的介质中的氯离子含量；另一方面，是在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在液氨中加入0.2的水等。d涂层保护在与介质接触的金属表面涂覆耐腐蚀的非金属保护层，或衬一层金属或非金属衬里，避免介质与钢材直

34、接接触。（四）压力容器钢材的选择压力容器钢材的选择时，应综合考虑容器的操作参数、介质情况、材料的经济性和规范标准等各个方面的要求。1满足容器操作参数的要求容器的操作参数包括设计温度、设计压力、介质特性和载荷特点，材料的选择应满足这些参数的要求。例如，容器设计温度低于0时，不得选用Q235系列钢板；对于高温、高压、临氢压力容器，材料必须满足高温下的热强性、抗高温氧化和抗氢腐蚀，如15CrMoR、12Cr1MoV等。2必须符合经济性的原则在满足使用性能的前提下，选用材料还应注意其经济效果。钢材的价格主要取决于冶炼方法、尺寸要求和可获得性。一般情况下，相同规格的碳素钢的价格低于低合金钢，不锈钢的价格

35、高于低合金钢。因此在满足设备的耐腐蚀和力学性能的前提下，应优先选用价格低廉的碳素钢和低合金钢。另外，对于不同的容器零件，选材时应考虑其功能的差异。如筒体和封头属于受压元件，而且与介质直接接触，应选用耐腐蚀的压力容器专用钢板；支座等零件属于非受压元件，且不与介质接触，可选用一般的结构钢，如碳素结构钢。3必须符合规范标准的规定与一般的结构钢不同，压力容器用钢有很多特殊要求，应符合相应国家标准和行业标准的规定。如钢材的使用温度上限和下限、使用条件应满足标准的要求，强度计算时许用应力应按标准选取。第三节 内压薄壁容器设计压力容器按壁厚可以分为薄壁容器和厚壁容器。通常把壁厚与其内半径之比小于0.1的容器

36、称为薄壁容器，反之为厚壁容器。压力容器的设计是根据工艺过程的要求和条件，进行结构设计和强度计算。结构设计需要选择适用、合理、经济的结构形式，同时满足制造、检测、装配、运输和维修等要求；而强度计算内容包括容器的材料，主要结构尺寸的确定，强度、刚度和稳定性计算等，以保证容器安全可靠运行，本节介绍的内容主要是后者。（一）内压薄壁圆筒的应力分析薄壁圆筒在内压p作用下，圆筒壁上任一点将产生两个方向的应力。一个是由内压作用在封头上的轴向拉应力而引起的轴向应力，也称经向应力，以表示；另一个是由于内压作用使圆筒均匀向外膨胀，在圆周切线方向产生的应力，称为周向应力或环向应力，以表示。除了上述两个方向的应力外，筒

37、壁中沿壁厚方向还存在径向应力，但它相对于、要小得多，所以在薄壁圆筒设计中一般不考虑。圆筒中任一点二向应力状态如图14-3所示。图14-3 薄壁圆筒在内压p作用下的应力根据材料力学的截面法，可以推出和的计算公式。作一垂直于圆筒轴线的横截面，将圆筒分成两部分，保留其中的一部分，如图14-4（a）所示。图14-4 薄壁圆筒在内压作用下力的平衡根据平衡条件，内压作用于封头上的轴向外力必须与轴向应力作用于壁厚上的合力相等，即： （14-1）式中 平分壁厚中面的直径，对于薄壁圆筒，可以近视认为等于内径，mm；设计压力，MPa；计算厚度，mm。上式简化后得： （14-2）若以通过圆筒轴线的假想截面将圆筒截成

38、两半，并取圆筒轴线方向长度为单位长度，如图14-4（b）所示。根据平衡条件，内压作用于半圆环上的方向的外力必须与周向应力作用于壁厚上方向的合力相等。即： （14-3）由上式可得： （14-4）比较（14-2）和（14-4）式，可以发现薄壁圆筒承受内压时，其周向应力是轴向应力的两倍。因此在设计圆筒形容器时必须注意：如果需要在圆筒上开设椭圆孔时，应使椭圆孔之短轴平行于筒体的轴线，以尽量减少纵截面的削弱程度。以同样的分析方法可以求得承受内压作用下球形容器的应力。因球形容器是中心对称，故壳体上各处的应力均相等，并且经向应力与周向应力也相等。根据截面法可推出应力计算公式为： （14-5）将球形容器的周向

39、应力与圆筒壳的周向应力相比较，可以发现，在相同内压作用下，球形容器的周向应力要比同直径、同壁厚的圆筒壳小一半，这是球形容器的一大优点。（二）内压薄壁圆筒的设计设计压力容器时，确定容器壁内允许的限度（即判废的标准）有多种不同的理论依据和准则。我国压力容器的常规设计依据是国家标准GB150钢制压力容器，该标准采用的强度判据是弹性失效设计准则，即壳体上任何一处的最大应力不得超过材料的许用应力值。按照材料力学中的强度理论，因压力容器均采用塑性材料制造，故应选用第三、第四强度理论，但是，由于第一强度理论在容器设计历史上使用最早，有成熟的实践经验，而且因强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内，所以，压

40、力容器的常规设计中仍采用第一强度理论，即： （14-6）式中 第一主应力，MPa；材料在设计温度下的许用应力，MPa。薄壁圆筒在内压作用下，壳体中的应力为三向应力状态，即周向应力、轴向应力和径向应力。由上述计算公式（14-2）和（14-4）可见，薄壁圆筒中的第一主应力（最大）为周向应力，因此按照第一强度理论的得： （14-7）因容器的公称直径是指内径，故把上式中径以内径表示为：，将此式代入（14-7）得： （14-8）实际圆筒一般由钢板卷焊而成，考虑到焊缝处可能出现的各种缺陷所造成的强度削弱，所以上式中的应乘以焊缝系数。（14-8）化简后得圆筒计算厚度为： （14-9）式中 计算厚度，mm；焊

41、缝系数，1。此外，考虑容器供货钢板厚度的负偏差和介质的腐蚀等因素，计算厚度应加一厚度附加量C，得到容器的设计厚度为： （14-10）式中 设计厚度，mm；腐蚀裕量，mm。 式（14-10）为薄壁圆筒的厚度设计计算公式。如果已知圆筒的尺寸、（为圆筒的名义厚度），或者需要对现存圆筒器壁中的应力进行强度校核时，式（14-10）可改写为： （14-11）对于球形容器受内压作用时，其设计厚度计算公式可以按上述同样分析方法推得： （14-12）若校核应力，则用下列计算式： （14-13）比较式（14-10）和（14-12）可知，当压力和直径相同时，球壳的壁厚约为圆筒的一半，所以采用球壳做容器，节省材料，占

42、地面积小，但球壳是非可展曲面，拼接工作量大，所以制造工艺比圆筒复杂得多，通常用作液化气储罐、氧气储罐等结构形式。（三）设计参数的确定1设计压力容器的设计压力是指在响应的设计温度下，用以确定壳体厚度的压力，其值不得小于最高工作压力。容器的最高工作压力是指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高表压力。对于盛装液体的容器，当容器内液体静压大于等于设计压力的5时，液柱静压应计入容器的设计压力内。2设计温度设计温度是指容器在正常操作情况，在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件的金属温度大于等于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件的金属温度低

43、于0时，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。设计温度是容器的主要设计条件之一，它虽然不直接反映在计算公式中，但它是材料选择及确定许用应力的一个基本参数。3厚度及厚度附加量在压力容器的设计、制造的不同阶段，有多个厚度概念，分别是计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度和毛坯厚度。计算厚度是按有关设计公式计算得到的厚度，不包括厚度附加量。设计厚度是系指计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度是将设计厚度向上圆整至钢材标准规格的厚度，即是图样上标注的厚度。有效厚度是指名义厚度减去厚度附加量。各种厚度的关系，示意如下：容器壁厚的附加量包括钢板厚度负偏差和介质的腐蚀裕量，即： （14-14）钢板厚度负偏差

44、应按相应的钢材标准选取，一般情况下，可按表14-7选取。表14-7 钢板厚度负偏差，mm钢板厚度2.02.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5负偏差C10.180.190.200.220.250.300.5钢板厚度6.07.08.02526303234364042455260负偏差C10.60.80.91.01.11.21.3注：GB6654中规定，钢板厚度为60100mm时，负偏差取1.5mm。当钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6时，可取。毛坯厚度有效厚度te计算厚度t设计厚度td名义厚度tn腐蚀裕量C2钢板负偏差C1厚度圆整值加工减薄量（制造厂考虑的

45、附加量）C=C1+C2图14-5 厚度关系示意图腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命确定。式中 均匀腐蚀速率，mm/年。查材料的腐蚀手册或由试验确定；容器设计寿命，通常为1015年。在一般情况下，对于低碳钢和低合金钢，不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取。腐蚀裕量只对防止发生均匀腐蚀破坏有意义，对于应力腐蚀、晶间腐蚀等非均匀腐蚀，增加腐蚀裕量的办法防止腐蚀的效果不佳，此时，应着重于选择耐腐蚀材料或进行适当的防腐蚀处理。对于设计压力较低的压力容器，按强度计算公式计算出的壁厚很小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，因此，应对容器规定一最小壁厚。按照我国容器标准规定

46、，最小壁厚按下列方法确定：a 对于碳素钢和低合金钢容器，不小于3mm，腐蚀裕量另加；b 对于不锈钢容器，取mm。4许用应力许用应力是容器壳体等受压元件的材料许用强度，取材料极限强度与相应的安全系数之比。材料的极限强度的选择取决于容器材料的判废标准，对于不同的失效类型可以用各种不同的力学性能指标来表示，如屈服点、抗拉强度、持久强度、蠕变极限等。对于常温容器，为了防止在操作过程中出现过度塑性变形或断裂等破坏形式，在工程设计中通常取屈服点和抗拉强度作为强度极限。此时，许用应力取下列两式中的较小值。随着温度的变化，材料的力学性能也将产生不同的变化。如对铜、铝等有色金属，其抗拉强度随着温度的升高而下降。

47、对于低碳钢材料，温度升高时，抗拉强度开始时也升高，但当温度达到一定值时（250300），抗拉强度会很快下降，而屈服点始终随着温度的升高均匀下降。因此，对于中温容器，应根据设计温度下材料的抗拉强度或屈服点来确定许用应力，取下列两式中的较小值。在高温下，材料除了抗拉强度和屈服点继续下降外，还可能出现蠕变现象。所谓蠕变是指材料在高温时应力不增加情况下，它的应变随时间而增加的现象。因此，当碳钢和低合金钢设计温度超过420，铬钼合金钢设计温度高于450，奥氏体不锈钢设计温度超过550时，有可能产生蠕变，因此必须同时考虑高温持久强度和蠕变极限的许用应力，即取下列诸式中的较小值。上述各式中，、和分别是抗拉强

48、度、屈服点、蠕变极限和持久强度的安全系数。安全系数是一个反映包括设计分析、材料试验、制造运行控制等水平不同的质量保证参数。安全系数的数值不仅需要一定的理论分析、更需要长期的实践经验积累。目前我国推荐的中低压容器的安全系数作如下规定：对于碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：3.0，1.6，1.5（为试验平均值），1.0对于奥氏体高合金钢：1.5，1.5（为试验平均值），1.0为方便设计，我国GB150容器标准直接给出了常用钢板、钢管、锻件和螺栓材料在不同温度下的许用应力值，设计计算时可以从相应表中查取。5焊缝系数容器焊缝中由于可能出现夹渣、气孔、未焊透等缺陷，且在焊缝的热影响区容易形成粗大晶粒区而

49、使强度和塑性降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。因此在强度计算中引入焊缝系数，表示焊缝金属与母材强度的比值，反映了容器强度被削弱的程度。焊缝系数的大小主要根据焊接接头的型式和无损检测的要求而定。具体可按表14-8选取。表14-8 焊缝系数值焊接接头型式无损检测要求值焊接接头型式无损检测要求值双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝100%1.0无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板0.60局部0.85带垫板的单面焊对接焊缝100%0.90局部0.80（四）封头的设计压力容器的封头又称端盖，按其形状可分为三类：凸形封头、锥形封头和平板封头，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头

50、和无折边球形封头。1半球形封头半球形封头是由半个球壳构成，如图14-6，其壁厚计算公式与球壳相同，即： （14-15）所以，球形封头的计算壁厚约为相同直径与压力的圆筒的一半。但在实际工作中，为了焊接方便以及降低边境处的边缘应力，半球形封头常取与圆筒体相同的厚度。图14-6 半球形封头2椭圆形封头椭圆形封头由半椭球面和短圆筒（称为直边）组成，如图14-7。直边的作用是避免封头与圆筒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。有关研究结果表明，椭圆形封头中的最大应力和 圆筒周向薄膜应力的比值，与椭圆形缝头长轴与短轴之比有关，且最大应力的位置也随的改变而变化。考虑这种变化对强度的影响，同

51、时为了使公式的通用化，将相同直径的圆筒计算厚度乘以一个系数K作为椭圆形封壁厚计算公式，即 （14-16）K称为应力增强系数或形状系数，它表示封头上最大总应力与圆筒上周向薄膜应力的比值。工程设计中K值以下列经验关系式计算： （14-17）当=2时，为标准椭圆形封头，此时应力增强系数K=1。图14-7 椭圆形封头3碟形封头碟形封头由半径为的球面、半径为r的过渡环壳和短圆筒三部分组成，如图14-8。碟形封头过渡环壳与球面连接处的经线有突变，在内压作用下，这里将产生很大的边缘应力。考虑这一边缘应力的影响，在设计公式中引入形状系数M，碟形封头的壁厚计算公式为： （14-18）式中M为碟形封头的形状系数，

52、表示过渡环壳的总应力与球面部分应力的比值。形状系数M可由下列关系式计算 （14-19）由上式可见，球面半径越大，环壳过渡半径越小，则封头的深度越浅，这对于封头的加工是有利的，但会产生较高的应力。因此，规定碟形封头球面部分半径为一般不大于内径，环壳过渡段半径r在任何情况下均不得小于筒体内径的10，且不小于3倍的封头名义厚度。图14-8 碟形封头当碟形封头球面部分半径为，环壳过渡段半径时，称为标准碟形封头，此时形状系数M=1.325。4无折边球形封头将碟形封头的过渡环壳去掉，就成为无折边球形封头，它是由球面部分与圆筒直接焊在一起构成的，如图14-8。图14-9 无折边球形封头无折边球形封头常用作容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端盖。由于球面与圆筒连接处没有转角过渡，所以在连接处附近的封头和圆筒上均存在很大的边缘应力。因此，在确定无折边球形封头的壁厚时，重点应考虑这些边缘应力的影响。无折边球形端封头的壁厚计算公式为： （14-20）式中 系数，可由GB150容器标准查取。在任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度，否则，应