Q-ZTG 11-2017 超高压容器设计技术规定

ICSQ/ZTG代替Q/ZTG11—2013中原特钢股份有限公司发布IQ/ZTG11—2017本标准所代替Q/ZTG11-2013《超高压容器设计技术规定》，与原标准相比，主要变化有：—增加了风险评估报告的编制和审查规定；—增加了压力容器设计条件审查规定；—增加了安全附件的设计和选用的规定；—修改了引用文件；本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。本标准由中原特钢股份有限公司压力容器室提出并起草。本标准由中原特钢股份有限公司标准化室归口。本版本修订人：宋小波范志霞1Q/ZTG11—2017本标准规定了超高压容器筒体强度计算、液压试验压力计算、温差应力计算、螺纹载荷分布、螺套类元件、螺塞类元件、螺纹压环类元件、密封塞类元件强度计算以及密封元件设计计算、安全附件的设计计算、装配图技术要求、主要受压元件技术要求的规定。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。TSG21-2016固定式压容器安全技术监察规程Q/CNG15-2006人造石英晶体高压釜3术语和定义3.1设计压力P系指设定的的容器顶部的压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷的条件，并作为超压释放装置调定压力的基础，其值不得小于容器的最高工作压力。3.2设计温度T系指容器在正常工作情况下，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），与相应的设计压力一起作为设计载荷的条件。3.3试验压力PT系指容器耐压试验压力。3.4爆破压力Pb筒体在压力作用下爆破时的压力。3.5爆破安全系数nb系指容器理论爆破压力除以容器的设计压力所得的数值。4超高压容器设计4.1超高压容器设计条件的审查和规定4.1.1设计单位在接到设计委托后应对委托单位提出的压力容器设计条件进行审查，审查内容至少应包含以下内容：4.1.1.1操作参数（包括工作压力、工作温度、液位高度、接管载荷等）；4.1.1.2压力容器使用地及其自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷）；4.1.1.3介质组分与特性；4.1.1.4预期使用年限；4.1.1.5几何参数和管口方位；4.1.1.6设计需要的其他必要条件。4.1.2设计单位应根据容器的类别、安装、使用条件等因素综合考虑影响容器设计的内容，并以此为依据编制设计任务书。2Q/ZTG11—20174.1.3设计条件可由设计委托单位单独提出，也可由设计设计委托单位和设计单位协商后提出。4.1.4设计委托单位应在合同或技术协议中明确设计条件。4.1.5设计条件中某些内容（如地震、风载等）在设计过程中无法预料或参数化但又必须考虑的因素，则必须在风险评估报告或安全使用说明书中做出相应的规定和要求。4.2风险评估报告编制和审查规定4.2.1设计单位应当出具包括主要失效模式和风险控制等内容的风险评估报告，风险评估报告应至少包括以下内容：4.2.1.1压力容器的基本设计参数：压力、温度、材料、介质属性和外载荷等；4.2.1.2操作工况和容器用途的描述；4.2.1.3所有设计工况条件下可能发生的危害，如：爆炸、泄露、破损、腐蚀、变形等；4.2.1.4对于标准中已经有规定的失效模式，说明采用标准的条款；4.2.1.5对于标准中没有规定的失效模式和计算方法，说明设计中关于载荷、安全系数和相应的计算方法；4.2.1.6对介质少量泄露、大量涌出和爆炸状况下如何处置的措施；4.2.1.7根据周围人员的可能伤及情况，规定合适的人员防护设备和措施；4.2.1.8容器的运输、安装要求；4.2.1.9对容器在制造和使用过程中可能出现的出现的风险进行分类，分析风险产生的原因、风险发生的概率、风险级别及控制风险发生的措施；4.2.1.10筒体（壳体）的管口尺寸、螺纹规格、筒体（壳体）上开孔直径及各个孔的名称或用途。4.2.2风险评估报告应具有与设计总装图一致的签署，设计、校核、审核、标准化检查、批准，五级签署，且所有签署人员应有设计单位相关的任命文件。4.3超高压容器筒体设计4.3.1超高压容器筒体静强度设计，采用爆破失效准则。4.3.2当材料具有各向异性时，应以低强度方向的强度作为设计基础。4.3.3本标准采用爆破安全系数，当按材料的拉伸试验数据计算爆破压力时，nb≥2.2；对于超高压水晶釜，nb≥2.4；当按材料扭转试验数据计算爆破压力时nb≥2.2；按式（1）计算：爆破安全系数按式（1）计算3Q/ZTG11—2017 4.3.4筒体爆破压力按福贝尔（Faupel）公式（2）计算： （2）式中:—设计温度下材料屈服强度的数值，MPa；—设计温度下材料抗拉强度极限的数值，MPa；K—直径比，K＝%；D—筒体外径的数值，mm；d—筒体内径的数值，mm。4.3.5筒体壁厚按式（3）计算:式中:δ—筒体壁厚的数值，mm；nb—爆破安全系数；4.3.6必要时，按拉梅（LAME）公式(4)计算筒体各点应力,并绘制筒体应力分布图，以供直观参考。 (5) (6)4Q/ZTG11—2017式中：o;、、、吆—分另表示容器周向、径向、轴向应力、内表面相当应力，MPa；x—容器壁上任意一点处的直径，mm。4.3.7盲孔形筒体底部厚度按式（8）计算其中：F式中：t－筒体底部厚度，mm；D－筒体外径，mm；RP0.2－设计温度下材料的抗拉强度，Mpa；C-腐蚀裕量，mmμ---材料波松比4.3.8其它计算包括:a)筒体截面突变处的强度校核；b)验算试验压力下筒体的强度，公式同上。4.4试验压力试验压力按式（9）计算…………（9）式中：η—耐压试验压力系数，可取η=（1.10～1.25设计压力高时取低值，设计压力低时取高值；一般取1.12，但PT值不应超过1.5P）；—试验温度下材料的屈服强度的下限值，MPa；—设计温度下材料的屈服强度的下限值，MPa。4.5筒体温差应力4.5.1外加热时，内壁温差应力按式（10）计算5Q/ZTG11—2017 4.5.2内加热时，外壁温差应力按式（11）计算 式中:、、—分另表示容器周向、轴向、径向温度应力，MPa；E—材料弹性模量,MPa；—材料泊松比。4.6螺套类元件强度计算确定螺套的结构尺寸（见图1）。4.6.1a-a环向截面的当量应力按式（12）校核：=wa十口 弯曲应力owu按式（13）计算：…………（13）拉应力按式（14）计算：6Q/ZTG11—2017……………………（14）式中：F—轴向载荷，N；D—螺套外径，mm；D1—平盖螺纹大径，mm；S—厚度，mm；Mmax—环向截面单位长度上最大弯矩，计算见公式（18），N·mm/mm。4.6.2螺套下段锯齿形螺纹(见图2)的当量应力按式（15）计算： 弯曲应力按式（16）计算： 切应力按式（17）计算： 式中：di—螺纹内径，mm；t—齿厚，mm；n—螺纹圈数。4.6.3环向截面单位长度上最大弯矩Mmaxa)F引起的弯矩按式（18）计算：M=FH……………………（18）式中：H—力臂，mm；7Q/ZTG11—2017S0—螺套中性面Y-Y离直径D1的距离，mm；b)沿中性面单位长度上的弯矩按式（19）计算：M…………（19）式中：Dn—螺套中性面Y-Y的直径，mm；Dn＝D1+2S0c)沿轴向L1单位长度上弯矩按式（20）计算：m……………（20）d)计算系数β按式（21）计算：……………………（21）e)根据βL1和k、C值，查GB150.3-2011图C.23a)～C.23e)得（Mmax）值；其中：kf)最大弯矩Mmax按式（22）计算:Mmax4.7螺纹压环类元件强度计算螺纹压环类结构见图38Q/ZTG11—2017图3图4锯齿形螺纹a)纵截面弯曲应力按式（23）校核： （23）b)间断锯齿形螺纹的当量应力按式（24）校核：o,-顶丽 （24）c)弯曲应力按式（25）计算： （25） （26）e)挤压应力按式（27）计算： （27）4.8密封塞类元件强度计算9Q/ZTG11—2017密封塞类结构见图5a)a-a断面当量应力按式（28）校核：=顶丽 （28）b）切应力按式（29）计算： （29）c）弯曲应力按式（30）计算： 式中:DG4.9螺纹压环类元件强度计算4.9.1金属密封金属密封元件分为单边倾斜楔环和双边倾斜楔环两种结构，分别见图6和图7。Q/ZTG11—2017图5图6单边倾斜楔环图6图7双边倾斜楔环4.9.1.1单边倾斜楔环受法向力计算a)法向力N1按式（31）计算：（31）式中：—楔形角，℃;p—摩擦角，℃;b)法向力N2按式（32）计算：………（32）式中：—楔形角，℃;Q/ZTG11—2017c)法向力N3按式（33）计算： （33）4.9.1.2单边倾斜楔环受挤压应力计算a)α角度锥面受挤压应力按式（34）计算： （34）b)β角度锥面所受挤压应力按式（35）计算： （35）c)γ角度外锥面受挤压应力按式（36）计算： （36）4.9.1.3双边倾斜楔环受法向力计算a)法向力N1按式（37）计算： （37）b)法向力N2按式（38）计算：………（38）c)法向力N3按式（39）计算：…………（39）4.9.1.4双边倾斜楔环受挤压应力计算Q/ZTG11—2017a)α角度锥面受挤压应力按式（40）计算： （40）b)上端面所受挤压应力按式（41）计算： （41）c)外圆柱面受挤压应力按式（42）计算： （42）4.9.2O型圈密封O型密封圈的材料应考虑容器的工作状态、工作介质、工作压力、工作温度等因素。各种材料的使用范围见表1表1表1O型密封圈材料的使用范围材料适用介质使用温度/℃备注运动用静止用丁腈橡胶矿物油、汽油、苯80-30～120氯丁橡胶空气、水、氧80-40～120运动用应注意丁基橡胶碱、动物油、植物油、弱酸80-30～110永久变形大，不适用矿物油丁苯橡胶80-30～100不适用矿物油天然橡胶水、弱酸、弱碱60-30～90不适用矿物油硅橡胶高、低温油，矿物油，动、植物油，氧，弱酸，弱碱-60～260-60～260不适用蒸汽，运动部位避免使用氯磺化酯已烯高温油，氧，臭氧-10～150运动部位避免使用聚氨酯橡胶水，油60-30～80耐磨，但避免高速使用氟橡胶卤素类溶剂-20～200聚四氟已烯酸，碱，各种溶剂-100～260不适用运动部位5安全附件5.1安全附件的装设和选用规定5.1.1超压泄放装置的装设应符合以下几点要求：5.1.1.1应当根据设计要求装设超压泄放装置，压力源来自压力容器5.1.1.2采用爆破片装置与安全阀组合结构时，应当符合压力容器产5.1.1.3易爆介质或者毒性危害程度为极度、高度或者中度危害介质5.1.1.4压力容器设计压力低于压力源压力时，在通向压力容器进5.1.3.1当容器上仅安装一个泄放装置时，泄放装置的动作压力应不5.1.3.2当容器上安装多个泄放装置时，其中一个泄放装置的动作压5.1.3.3当考虑到容器在遇到火灾或接近不能预料的外来热源而可能5.1.6为最大限度减少贵重介质、有毒介质或其他危害性介质通过安泄放装置管线的腐蚀性气体进入安全阀内部，可以把安5.1.8容器的安全泄放量与泄放装置泄放面积应根据使用条件、介质Q/ZTG11—20175.1.9.1安全阀适用于清洁、不含固体颗粒、黏度低的介质；5.1.9.2安全阀不能单独用于压力快速增长的场合；5.1.9.3安全阀不宜单独于阀座与阀瓣密封面可能被介质粘连或介质可能生成结晶体的场合，但可以将爆破片安全装置串联在安全阀入口侧组合使用；5.1.9.4用于液体的安全阀公称通径至少为15mm；5.1.9.5安全阀整定压力偏差不应超过±2.5%整定压力或±5MPa的较大值；5.1.9.6装有安全阀时，容器的设计压力按以下步骤确定：a）根据容器的工作压力pw确定安全阀的整定压力pz，一般取pz=(1.025~1.05)pw或pw+5MPa的较大值；b）取容器的设计压力p等于或大于整定压力pz，即p≥pz。5.1.10爆破片安全装置5.1.10.1爆破片安全装置主要由爆破片和夹持器组成。常见的爆破片形式有正拱形、反拱形和平板形；5.1.10.2爆破片安全装置适用于压力快速增长的场合，也常用于保护安全阀的性能而与之串联使用；5.1.10.3爆破片安全装置不能单独用于排放介质毒性程度为极度、高度危害、易爆介质等场合，在这些场合可以与安全阀组合使用；5.1.10.4用于排放液体介质时，应选择适合于于全液相的爆破片安全装置；5.1.10.5容器装有爆破片安全装置时，其设计压力p不得低于爆破片的设计爆破压力pb加上爆破片制造范围的上限。5.1.11爆破片安全装置的材料5.1.11.1爆破片的材料应与介质相容，应根据使用条件与供应商或用户协商确定；5.1.11.2用于腐蚀性介质或腐蚀性环境，且有可能导致爆破片提前失效的情况下，可采用在爆破片表面进行电镀、喷涂或衬膜等防腐措施；5.1.11.3夹持器常用材料可采用本标准中的材料，材料的特性应与介质相容；5.1.11.4爆破片安全装置的选用及相关技术要求可参照GB567确定。5.1.12安全阀与爆破片安全装置的组合装置5.1.12.1爆破片安全装置串联在安全阀入口侧时，爆破片爆破时不允许有碎片。爆破片安全装置与安全阀之间的腔体应设置压力表、排气口及报警指示器等；5.1.12.2爆破片安全装置串联在安全阀出口侧时，安全阀应采用特殊结构型式以保证安全阀与爆破片安全装置之间出现累积背压时，安全阀仍能在整定压力下开启。同时，爆破片安全装置与安全阀之间的腔体应设置排气口或排液口；5.1.12.3安全阀与爆破片安全装置并联组合时，泄放装置的动作压力应符合5.1.3.1中的要求。5.1.13泄放装置的设置Q/ZTG11—20175.1.13.1泄放装置应设置在容器本体或其连接管线上容易安装、检查、维护的部位。安全阀的阀体应在容器或管线顶部且垂直向上；5.1.13.2泄放装置应设置在靠近容器压力源的位置。若用于气体介质，应设置在气相空间（包括液体上方的气相空间）或与该空间相连通的管线上；若用于液体介质，应设置在正常液面以下；5.1.13.3容器与泄放装置之间的所有管道、管件的截面积应不小于泄放装置的泄放面积，其接管应尽可能短而直，以免产生过大的压力损失。若一个连接口上装设2个或者2个以上的泄放装置（不包括备用安全阀）时，则该连接口入口的截面积应不小于这些泄放装置进口截面积的总和；5.1.13.4容器与泄放装置之间一般不宜设置中间截断阀；5.1.13.5泄放装置的支撑结构应有足够的强度（或刚度），以保证能承受该泄放装置泄放时所产生的反力。5.1.14泄放管5.1.14.1泄放管应尽可能设计成垂直方向，其口径应不小于泄放装置的出口直径。若多个泄放装置采用泄放总管时，总管的截面积应不小于各个泄放装置泄放口截面积总和；5.1.14.2当泄放管中可能有易爆介质排放时，应根据相应规范要求采取装设阻火器等措施，以防止回火的危险；5.1.14.3在泄放管的适当部位开设排泄孔，用于防止雨、雪及冷凝液等积聚在泄放管内；5.1.14.4在安装爆破片安全装置的泄放管线时，其中心线应与爆破片安全装置的中心线对齐，以避免爆破片受力不均匀。5.1.15安全附件的选用规定应符合以下几点要求：5.1.15.1制造安全阀、爆破片装置的单位应当持有相应的特种设备制造许可证；5.1.15.2安全阀、爆破片、紧急切断阀等需要型式试验的安全附件，应当经过国家质检总局核准的型式试验机构进行型式试验并且取得型式试验证明文件；5.1.15.3安全附件的设计、制造，应当符合相关安全技术规范的规定；5.1.15.4安全附件出厂时应当随带产品质量证明文件，并且在产品上装设牢固的金属铭牌；5.1.15.5安全附件实行定期检验制度，安全附件的定期检验按照GST21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》与相关安全技术规范的规定进行。5.2安全附件的设计爆破片的泄放量应大于容器的安全泄放量a）容器（水晶釜）安全泄放量按式（43）计算：（43）式中容器安全泄放量，kg/h;ρ-泄放压力下气体的密度，Kg/L；v－容器的体积，L；t－泄放时间,S。b）爆破片的额定泄放量按式（44）计算：………………式中：—爆破片的额定泄放量，kg/h；—额定泄放系数；—爆破片的最小泄放面积,mm2；Q/ZTG11—2017（44）cg—介质的特性参数；P—爆破片的设计爆破压力（绝对），Mpa；为安全6超高压容器装配图技术要求的规定6.1本产品按XX产品标准设计、制造、检验、验收并接受TSG21-2016《固定式压力容器安全技术