压力容器安全管理工程-第二章

1、第二章 压力容器应力分析与安全设计 王江云中国石油大学压力容器安全管理工程 8/25/20221第二章 压力容器应力分析与安全设计主 要 内 容第一节、压力容器应力分析和变形特点第二节、压力容器安全设计8/25/20222上节课内容回顾：压力容器全寿命过程图压力容器的分类：压力等级：低、中、高、超高用途作用：反应、传热、分离、储存安全管理：一、二、三类压力容器压力容器事故产生原因：工作条件恶劣局部应力比较复杂容易超压管理方面压力容器安全工程的任务：针对压力容器的全寿命过程采取科学而有效地安全措施工艺计算和结构设计8/25/20223第一节 压力容器应力分析和变形特点一、压力容器应力和变形特点1

2、、压力容器结构特点壳体形式圆筒形球形锥形方箱形8/25/20224一、压力容器应力和变形特点1、压力容器结构特点特点 回转壳体相对壁厚（器壁的厚度与半径之比）较小的壳体K=外径/内径1.11.2薄壁压力容器8/25/20225一、压力容器应力和变形特点2、薄壁压力容器应力和变形内压作用轴向和周向的拉应力壳体直径增大，曲率发生变化弯曲应力内压薄壁容器无力矩理论薄膜理论假设：1、经向（轴向）和环向（周向）应力，无径向（厚度）应力； 2、应力沿壁厚均匀分布，内外壁的应力相等。8/25/202261. 回转薄壳:由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转360而形成的薄壳 经线平面经线回转壳体的几何特性

3、2. 母线：形成中面的平面曲线或直线 3. 经线平面：通过回转轴的平面 4. 经线：经线平面与中面的交线。8/25/202275.平行圆：垂直轴线的平面与中面的交线回转壳体的几何特性8/25/20228第一曲率半径R1：中间面上任一点M处经线的曲率半径曲率中心必在过M点的法线上 回转壳体的曲率半径8/25/20229第二曲率半径R2 ：通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面，其与中间面相交得平面曲线CM，CM曲线在M点的曲率半径。第二曲率半径的中心在MN上，且在回转轴上回转壳体的曲率半径8/25/202210同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。r与R1、R2的关系： 回转薄壳几何要

4、素8/25/202211薄膜理论微体平衡方程微体平衡方程（拉普拉斯方程）8/25/202212薄膜理论区域平衡方程作用在锥截面上的经向应力在轴线方向的合力8/25/202213Q力的大小只取决于截面处的横截面面积与气体压强p，而与截取壳体承压的内表面形状与尺寸无关作用在分离体上的外力（内压）在轴线方向的合力薄膜理论区域平衡方程8/25/202214区域平衡方程式注意：适用于承受气体介质压力的壳体薄膜理论区域平衡方程8/25/202215知任一点的R1、R2以及壳体壁厚及内压P，经向应力和环向应力就可求出两个应力方程式的导出,只有在壳壁较薄以及离两个不同形状的壳体联接区稍远处才是正确的薄膜应力理

5、论基本方程式薄膜理论基本方程式8/25/202216 圆柱形：R1=，R2=D/2薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力8/25/202217 圆柱形：R1=，R2=D/2薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力 注意：焊接容器纵向焊缝强度应高于环向焊缝的强度。壳体上开椭圆形人孔时，椭圆孔的短轴应放在筒体的轴线方向，以尽量减少纵截面的削弱程度。8/25/202218 球形壳体：R1=R2=D/2薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力与相同直径相同壁厚的圆筒体比较，球壳中的应力仅为圆筒体的二分之一。承载能力大于圆柱体8/25/202219 圆锥形壳体：R1=，R2=r/cos薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力

6、环形应力是经向应力的2倍随半顶角的增大，应力增加，一般458/25/202220椭圆形壳体：薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力8/25/202221椭圆形壳体：在壳体顶点处（x=0）：在壳体赤道处（x=a）：薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力8/25/202222不同a/b值椭圆形壳体中的应力：在壳体顶点处（x=0）：在壳体赤道处（x=a）：薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力8/25/202223不同a/b值椭圆形壳体中的应力：在壳体顶点处（x=0）：在壳体赤道处（x=a）：薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力制造方面考虑，封头的深度浅一些，a/b增大会导致应力提高；a/b=2为标准封头，顶点最

7、大拉应力，赤道最大压应力，与同壁厚的圆筒的环形应力相同；a/b2时，应力将继续增大，受力不合理，一般不采用。8/25/202224薄膜理论不同形状容器比较容器形式经向应力环向应力特点圆柱形pD/4pD/(2)2=球形pD/4pD/(4)=圆锥形pr/(2cos)pr/(cos)2=椭圆形x=0(Pa/2)(a/b)(Pa/2)(a/b)=x=aPa/2(Pa/2)(2-a2/b2)a/b=1， =a/b=1.414，=0a/b=2， = a/b2， 压应力继续增大8/25/202225二、压力容器的边缘问题及特性1、边缘问题封头半径方向变形量很小，不能自由膨胀；圆筒和平板间相互约束，由于要达到

8、变形的协调而产生边缘力和边缘力矩；边缘应力数值的大小与连接的几何形状和离开连接处的距离有关。薄膜理论不考虑壳体的弯曲变形；容器是由不同几何体组合而成，整体受压后，不同壳体的应力是不同的。圆平板与圆壳体的连接8/25/202226二、压力容器的边缘问题及特性2、边缘应力的特性介质内力薄膜应力强度条件：连接边缘的自由变形相互约束边缘应力强度条件：局限性；自限性。边缘应力的特性8/25/202227本节课内容回顾压力容器薄壁回转壳体；应力分析无力距理论薄膜理论边缘应力连接边缘的自由变形相互约束8/25/202228The End8/25/202229知任一点的R1、R2以及壳体壁厚及内压P，经向应力

9、和环向应力就可求出两个应力方程式的导出,只有在壳壁较薄以及离两个不同形状的壳体联接区稍远处才是正确的薄膜应力理论基本方程式上节课内容回顾薄膜理论基本方程式8/25/202230薄膜理论不同形状容器比较容器形式经向应力环向应力特点圆柱形pD/4pD/2)2=球形pD/4pD/(4)=圆锥形pr/(2cos)pr/(cos)2=椭圆形x=0(Pa/2)(a/b)(Pa/2)(a/b)=x=aPa/2(Pa/2)(2-a2/b2)a/b=1， =a/b=1.414，=0a/b=2， = a/b2， 压应力继续增大8/25/202231第二节 压力容器的安全设计一、压力容器设计参数的确定1、工作压力与

10、设计压力工作压力正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。计算压力相应设计温度下，用以确定原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。计算压力=设计压力+液柱静压力有安全泄放装置时，设计压力安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力上限。最大许用压力（最大允许工作压力）设计温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。（取最小值）8/25/202232第二节 压力容器的安全设计一、压力容器设计参数的确定1、工作压力与设计压力工作压力正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起

11、作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。计算压力相应设计温度下，用以确定原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。计算压力=设计压力+液柱静压力有安全泄放装置时，设计压力安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力上限。8/25/202233一、压力容器设计参数的确定2、设计温度定义容器正常工作过程中，在相应的设计压力下，壳体或原件金属可能达到的最高或最低（-20）温度。确定许用应力时的基本参数。温度确定（1）介质温度；（2）加热介质的最高温度或冷冻介质的最低温度；（3）被加热介质+T8/25/202234一、压力容器设计参数的确定2、设计温度确定设计温度时，应注意（1）常温或高温操作的容器，设计温度不得低于壳

12、体金属可能达到的最高金属温度。（2）对0一下操作的容器，设计温度不得高于壳体金属可能达到的最低金属温度。（3）壳体或其他受压元件表面温度不得超过材料的允许使用温度。（4）室外器无保温的容器，壁温受环境问的的影响而可能小于或等于-20时，设计温度一般按容器使用地区历年各月、日最低温度月平均值得最小值确定其最低设计温度。8/25/202235一、压力容器设计参数的确定3、许用应力与安全系数许用应力防止出现过度塑性变形或破裂，对常温及中温钢制容器采用： 取较小值高温下，金属材料除了强度极限和屈服极限下降外，还要考虑蠕变现象发生。 取较小值8/25/202236一、压力容器设计参数的确定3、许用应力与

13、安全系数安全系数考虑到材料的力学性能、载荷及受力分析、设计方法、制造及检验操作等方面的不确定因素，以及容器可能的失效形式来确定的。对碳素钢、低合金钢：nb=3.0、ns=1.6、 nD=1.5、 nn=1.0对高合金钢：nb=3.0、ns=1.5、 nD=1.5、 nn=1.0应力复杂，选用较高的安全系数，对不同的极限应力选区相应的安全系数就可以得到材料的各种许用应力。8/25/202237一、压力容器设计参数的确定4、焊接接头系数焊接容器的焊缝区域是容器强度最薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因：焊接时焊缝可能出现裂缝缺陷；焊接高温热影响区往往形成粗大晶粒区使强度和塑性降低；由于刚性约束造成内应

14、力过大。8/25/202238一、压力容器设计参数的确定5、壁厚附加量容器壁厚附加量： 钢板或钢管厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2 C=C1+C2为了防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致容器厚度削弱减薄，与腐蚀介质接触的筒体、封头和接管等容器元件均应考虑腐蚀裕量。腐蚀裕量应根据预期的容器寿命和介质对材料的腐蚀速度来确定。8/25/202239二、压力容器安全结构设计安全设计的要求：要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷；结构便于无损检验，使制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来；结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。 方法：（1）结构不连续处应平滑过度；（2）引起

15、应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加；（3）避免采用刚性过大的焊接结构；（4）受热系统及部件的账缩不要受限制。8/25/202240二、压力容器安全结构设计（1）结构不连续处应平滑过度8/25/202241二、压力容器安全结构设计（2）引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加；8/25/202242二、压力容器安全结构设计（3）避免采用刚性过大的焊接结构；8/25/202243二、压力容器安全结构设计（4）受热系统及部件的账缩不要受限制。8/25/202244三、压力容器用材料的选择容器用材料的性能主要关注两类：使用性能反应材料在使用过程中所表现出来的性能，力学、物

16、理和化学性能；工艺性能反映材料在加工制造过程中所表现出来的性能，铸造、焊接、压力加工、切削加工和热处理性能。 选材不当，增加成本，有可能导致容器破坏事故。8/25/202245三、压力容器用材料的选择1、金属材料的基本性能机械性能：屈服极限、强度极限、伸长率、断面收缩率、刚度与弹性模量、冲击韧性与硬度物理和化学性能2、金属材料的焊接性能金属材料在采用一定焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的难易程度。碳含量，淬硬性倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。小于0.25%钢材适用于制作锅炉和压力容器 8/25/202246四、压力容器的压力试验耐压试验

17、强度试验，主要检验新制造的容器、大检修后或长期未用重新使用容器的承压部件在高于正常情况下的宏观强度以及有无明显变形、渗漏或破裂气密性试验对于介质为毒性程度极高、高度危害或设计上不允许有微量泄露的压力容器，主要针对焊接结构的致密性及密封结构的安全可靠性。8/25/202247四、压力容器的压力试验1、压力试验所用介质及要求一般用水或其它在试验时不会导致发生危险的液体：不适宜用液体时才用气体；液压试验时，液体温度应低于其闪点或沸点；气压试验时，应有安全措施，使用干燥的空气，氮气或惰性气体；2、试验压力的确定压力试验时，容器顶部压力表的读数。试验压力：立式容器卧置进行水压试验，试验压力应考虑操作时的液体静压力。 8/25/202248四、压力容器的压力试验3、压力试验前的应力校核压力试验前，应按照下式校核圆筒应力。4、压力试验的说明以铭牌上规定的最大允许工作压力代替设计压力。容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件）所用材料不同时，应取各元件 之比最小者 。8/25/202249压力容器设计不合理，造成蒸煮锅爆炸1、情景1996年2月20日，北京市某厂，结构不合理；直接损失3.4万元，间接损失8万元，死亡1人；蒸煮锅直径为1.95m，壁厚14mm，封头是半锥角接近80的无折边锥形封头，下部是一个长锥体，半锥角较小。材质Q235-A，容积6.7m3。介