化工容器设计1课件

压力容器设计绪言

榆林学院PressureVesselDesign1压力容器设计方法——问题与技术进展1.概述1.1现代化企业的雄姿1.2压力容器的特点1.3压力容器的应用1.4压力容器规范2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类2.2压力容器的基本要求2.3压力容器的安全2.4压力容器的检验和监控2.5压力容器的设计方法2.6压力容器的失效形式2.7压力容器材料21.概述1.1现代化企业的雄姿31.概述1.1现代化企业的雄姿51.概述1.1现代化企业的雄姿现代化企业的召唤，需要新一代的接班人，企业未来的主人，怎样挑起肩上的责任？把美好的理想，化作人生的辉煌。培养你们的才能，誓作祖国的栋梁。6承受一定压力，与外界形成一个封闭系统的容器，称为压力容器。如所有过程装备的壳体、航天器与潜艇的壳体;水压机的液压缸；压缩机的储罐；发酵罐；锅炉，核电站核容器；液化石油气罐等。1.概述

1.2压力容器的特点

基本概念

BasicConcept7化学工业——反应釜，换热器，储罐石油工业——精馏塔，换热器，储罐航天————飞机，火箭，宇宙飞船机械————水压机，储能器，压缩机，液压缸食品————杀菌锅，发酵罐印染————高压染缸造纸————烘缸动力————锅炉，核电站核容器民用————液化石油气罐1.概述

1.3压力容器的应用9容器应用的广泛性压力容器不仅广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、器、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压力温度下运行，如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。1.概述

1.3压力容器的应用10（1）量大面广1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达122.22万台，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达51.57万台。此外全国持有压力容器制造企业合计2432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。

1.概述

1.3压力容器的应用11（3）极其严格的安全性压力容器承受各种静、动载荷或交变载荷，和附加机械或温度载荷；多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，压力容器大多数系焊接制造，容易产生焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。1.概述

1.3压力容器的应用13

压力容器的特点

压力(pressure)

温度(temperature)

介质——腐蚀性（corrosion）——易燃易爆(burnandexplode)——有毒有害(poisonandharmful)

要求在一定的压力P、温度T和化学介质M的作用下长期安全工作，且保证密封不漏。1.概述

1.3压力容器的应用14压力容器的地位

举足轻重1.概述

1.3压力容器的应用15

全国压力容器标准化技术委员会：GB150《钢制压力容器》在1989年3月第一版，1998年第二版GB12337《钢制球形储罐》1998年GB151《钢制管壳式换热器》1999年GB4710《钢制塔式容器》2000年JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》1995年JB4731《钢制卧式容器》2000年JB4710《钢制塔式容器》2000年JB/T4735《钢制焊接常压容器》1989年JB/T4700-4707《压力容器法兰》2000年JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》2000年JB/T4709《钢制压力容器焊接工艺规程》2000年等1.概述

1.4压力容器规范17ASMEVIII-1《压力容器》1998ASMEVIII-2《压力容器-另一规则》1998ASMEVIII-3《高压容器》1997JISB8270《压力容器（基础标准）》1993JISB8271-8285《压力容器(单项标准)》1993EN13445－2002欧盟压力容器规范1.概述

1.4压力容器规范182.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类基本承压部件1.筒体2.封头3.密封装置（法兰、密封元件、紧固件）4.开孔（人/手孔）与接管5.支座附件6.安全附件（安全阀、爆破片）7.测量与控制仪表19

2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类21

2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类22分类方法：1、按压力大小分类：低压容器：0.1≤p＜1.6MPa中压容器：1.6≤p＜10.0MPa高压容器：10≤p≤100MPa超高压容器：p≥100MPa。2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类233、按安全管理分类《压力容器安全技术监察规程》：1）一类容器，属于下列情况之一者：

非易燃或无毒介质的低压容器；易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。2）二类容器，属于下列情况之一者：

中压容器；剧毒介质的低压容器；易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器；内径小于1米的低压废热锅炉。2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类25

3、按安全管理分类《压力容器安全监察规程》：

3）三类容器

高压、超高压容器；剧毒介质且P·V≥0.2m3·MPa的低压容器或剧毒介质的中压容器；易燃或有毒介质且P·V≥0.5m3·MPa的中压反应容器，或P·V≥5m3·MPa的中压贮运容器;中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类26图1-1按不同ASME规范设计的核容器比较29当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为14～16MPa，工作温度为250～330ºC，容器内直径7800mm，壁厚317mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.5～25MPa，工作温度为450～550ºC，内直径为3000～5000mm，壁厚为200～400mm，重400～2600吨，对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求。

2.压力容器基础2.3压力容器的安全30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。

2.压力容器基础2.3压力容器的安全31

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。2.压力容器基础2.3压力容器的安全32

1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个国家4亿人受害。2.压力容器基础2.3压力容器的安全33

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。2.压力容器基础2.3压力容器的安全34(1)制造与制造过程中的检验a.焊接方法：焊接方法由用户、设计师与制造厂协商确定。实际上设计时，必须考虑焊接方法，否则无法确定焊接接头的细节。焊接方法包括其结构设计、焊接材料及焊条或焊丝焊剂的选用等。焊接方法确定以后，焊接的工艺规程则由制造厂根据经验或试验确定。对于重要的容器必须有焊接工艺试验来确定最合适的焊接工艺规程。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控35b.焊后热处理是否需要焊后热处理根据板厚和焊位的约束程度来确定。焊后热处理的作用有：消除或部分消除焊接残余内应力，消除焊接区的脆化等。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控36c.焊接区的力学性能

力求使焊缝、热影响区和母材的力学性能相等。除做焊接工艺评定时需要试板测试之外还要求在筒体纵焊缝的末端附装试板，与组焊缝同时焊完，取下供以后做检验用。重要的容器需保留一部分试板，以防若干年后再做金相、化学成分、及其力学性能检验。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控37d.制造过程中的检验容器各部分在组焊之前必须通过各种检验，其中最重要的是焊缝质量检验，方法主要是以射线探伤与超声波探伤，辅以磁粉法和着色法以检查是否存在表面裂纹。探伤中发现的裂纹应全部消除，方法为补焊。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控38(2)在役检验与监控实践证明，压力容器的爆破事故绝大多数起源与裂纹或其它缺陷的扩张。裂纹的萌生与扩展有一个过程，在投入运行前通过了检查的容器，在服役一定时间后，往往在定期检修中发现了裂纹。裂纹的萌生与扩张的原因可能是由于疲劳、应力腐蚀高温下应力的长期作用等等。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控39(2)在役检验与监控在役检验的方法以射线检验和超声波检验为主，辅以磁粉和着色检验以检测表面裂纹。一般化工厂在年度大修时进行检查，或根据有关规程分别逐年轮流检查。在核电站中已实行部分的连续监控。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控40(2)在役检验与监控还有一个问题是材料在服役过程中的退化，包括金相组织的变化，晶界空穴或微裂纹的形成，氢侵袭及辐射脆化等等，最好在容器内放置挂片。从以上阐述的压力容器质量保证系统的要点来看，在设计一台化工容器时必须充分考虑到以后的各个质量保证的环节。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控41压力容器的质量保证体系定义：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。2.压力容器基础2.4压力容器的检验和监控42

安全性

经济性足够的强度经济可靠的材料足够的刚度（或稳定性）经济的制造方法可靠的密封性能低的操作和维护费用一定的使用寿命长周期的安全运行

安、稳、长、满、优原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法43

设计是一台压力容器诞生的第一步，也是质量保证的第一个环节。在设计时应当周密的考虑到以后各环节中可能产生的问题和相应的措施。在设计时，首先应当仔细分析用户的要求和提供的相关技术资料。根据对压力容器基本特征解，决定根据何种设计规范进行设计。根据规范的要求，容器的各部分进行应力分析。应力分析和材料选择实际上同时进行的，应力分析的结果应当是材料的性能得到充分发挥，并且尽可能使容器的各部分达到等强度。2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法44材料的选择是重要的设计环节，它既与容器抵抗失效的能力有关，又与制造工艺密切相关。一般说，一台压力容器的设计文件包括设计计算书，施工图，技术要求等三部分。这三部分与材料的选用，制造，检验等质量保证成为统一整体。2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法45

（1）按规则设计：GB150《钢制压力容器》是基于经济方法的设计，其典型过程是：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，根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造。2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法46（1）按规则设计-GB150《钢制压力容器》它是我国的第一部压力容器的国家标准。这一标准的基本思路与ASMEVIII-1的基本相同，即“按规则设计”，该标准的适用范围如下：a.内压：0.1～35MPab.真空：不低于2000（mmH2O）c.温度：根据钢材的许用温度及特性，从-196℃到钢材的蠕变限用温度2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法47（1）按规则设计-GB150《钢制压力容器》GB容器标准中以第一强度理论为设计准则，将最大主应力限制在许用应力以内，这是与ASMEVIII-1相同的一个基本点。不同的是，以极限强度为基准的安全系数nb，我国取nb=3，ASMEVIII-1取nb=4。另一个不同点是，GB容器标准对局部应力参照AMEVIII-2作了适当处理，采用第三强度理论，允许凸形封头转角及开孔处的局部应力超过材料的屈服极限。2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法48（2）按分析设计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。2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法49弹性失效设计准则------限制结构不发生总体屈服稳定性失效设计准则----限制结构不发生总体失稳疲劳失效设计准则------在规定期限不疲劳失效极限载荷设计准则------局部屈服区不发生塑性流动安全性设计准则--------虽局部屈服但保证结构安定防脆性设计准则--------防止因缺陷而低应力脆断防蠕变失效设计准则----防止过度蠕变及蠕变断裂2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法50弹性设计准则容器不出现涉及总体范围的较大变形，即在内压其它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。2.压力容器基础2.7压力容器的设计准则51塑性设计准则即极限载荷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。2.压力容器基础2.5压力容器的设计方法52⑴过度变形失效：鼓胀、弯曲、扭转、失稳（过载、减薄、高温）⑵断裂失效：韧性断裂（过载、减薄）脆性断裂（材料脆性、缺陷引起的低应力脆断）疲劳断裂（未漏先爆、未爆先漏）环境断裂（介质与应力引起的应力腐蚀断裂）蠕变断裂（温度＞0.4T熔/K）⑶表面损伤失效:腐蚀，磨损2.压力容器基础2.6压力容器的失效形式53韧性断裂2.压力容器基础2.6压力容器的失效形式54脆性断裂2.压力容器基础2.6压力容器的失效形式55疲劳断裂2.压力容器基础2.6压力容器的失效形式56应力腐蚀断裂2.压力容器基础2.6压力容器的失效形式57

压力容器制造中大多数采用冷加工卷板和焊接，因此容器钢板必须具有良好的加工性和可焊性。不是所有的钢材都可以用制造压力容器的。压力容器用钢板比一般钢板的求严，体现在：对化学成分的控制较严格，抽样检验率较高，力学性能检验增加了冲击性能的要求等。2.压力容器基础2.7压力容器材料58压力容器材料选用的基本要求容器承受压力或其它载荷，容器的材料应具有足够的强度，强度过低势必使容器过厚，而强度过高又将影响材料的其它力学性能。容器制造时采用冷卷及热冲压成型工艺，材料应具有良好的塑性，使冷卷及热冲压时不裂不断。容器须具有良好的韧性，具有足够的安全使用寿命。大部分容器都要焊接，因此材料要有良好的可焊性。2.压力容器基础2.7压力容器材料59化学成分控制严格是容器用钢的主要特点。化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑性，韧性等较大影响，对热处理效果也有较大影响。碳含量偏高使强度增加，但导致可焊性变差，焊接时容易在热影响区出现裂纹。微量元素的含量必须严加控制，否则会加剧回火脆性。硫含量过多会影响断裂韧性，也易出现裂纹。钼能提高钢的高温强度，但含量超过0.005时会影响可焊性。2.压力容器基础2.7压力容器材料60力学性能的要求材料的力学性能主要是指强度、塑性与韧性。这些性能指标常常被误认为是材料的一种属性。实际上，材料的力学性能固然取决于化学成分，还取决于材料热处理后的组织状态，往往有一定的分散性。对于循环载荷情况，通常将材料性能的特定表现称为材料在一定条件下的“机械行为”。2.压力容器基础2.7压力容器材料61力学性能的要求强度是衡量材料抵抗外载荷能力大小的力学指标。通常用拉伸试样测得抗拉强度和屈服极限，这两个指标可表征材料的强度。也是容器设计计算中用以确定许用应力的主要依据。屈服点于抗拉强度之比称之为屈强比，屈强比可反映材料屈服后强化能力的高低，高强钢的屈强比值较高。2.压力容器基础2.7压力容器材料62屈服点σs屈服强度σ0.2抗拉强度σb断后伸长率δ5断面收缩率ψ屈强比σs／σb材料的拉伸试验2.压力容器基础