第9章 压力容器设计1(1).ppt

1、1,现代化企业的雄姿,9.1 压力容器概述,第9章 压力容器设计,2,现代化企业的雄姿,3,现代化企业的雄姿,4,应用的广泛性,5,1996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许可证的企业合计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。 ,量大面广,6,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1

2、04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。 ,事故率高,7,压力容器既影响到国民经济和人民的衣食住行，又涉及到国防建设和高科技的发展。 因此，对压力容器的研究和学习具有重要的意义。,可见:,8,对压力容器设计的基本要求,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.,原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济 ,9,对于容器零部件机械设计，应满足如下要求：,（1）强度 强度就是容器抵抗外力破坏的能力。 （2）刚度 刚度是指构件抵抗外力使其发生变形的能力。 （3）稳

3、定性 稳定性是指容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力。 （4）耐久性 选择适当的材料，使其能耐所处理介质的腐蚀，或采用必要的防腐蚀措施以及正确的施工方法。 （5）密封性 （6）节省材料和便于制造 （7）方便操作和便于运输 （8）技术经济指标合理 包括单位生产能力、消耗系数、设备价格、管理费用和产品总成本等五项。,10,世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，本节着重介绍我国压力容器安全技术监察规程中的分类方法,按压力等级,按容器在生产中的作用,按安装方式,按安全技术管理,分类,压力容器分类,11,1.承压方式,内压容器,外压容器,当容器的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时又称为

4、真空容器,（按照设计 压力p分）,低压(L)容器 0.1 MPap1.6 MPa,中压(M)容器 1.6 MPap10.0 MPa,高压(H)容器 10 MPap100 MPa,超高压(U)容器 p100MPa,12,2.生产过程 中的作用,反应压力容器 (代号R),换热压力容器（代号E）,分离压力容器（代号S）,储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）,13,3.安装方式,固定式压力容器,移动式压力容器,（该安装方式的压力容器在结构、 使用和安全方面均有其特殊的 要求。）,14,4.按安全技术管理分类,分类原则:,根据容器压力与容积乘积大小、介质危害程度以及容器的作用将压力容器分类。,三类容器

5、,第一类压力容器,第二类压力容器,第三类压力容器,15,（1）第三类压力容器：,具有下列情况之一的，为第三类压力容器:,a高压容器；,b中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；,c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10MPam3）；,16,d. 中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介 质，且pV乘积大于等于0.5MPam3）；,e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0.2MPam3）；,f高压、中压管壳式余热锅炉；,17,g中压搪玻璃压力容器；,h使用强度级别较高的材料制造的压力容器；,（指相应标准中抗拉强度规定值下限5

6、40MPa）,18,i移动式压力容器,j球形储罐（容积大于等于50m3）,k低温液体储存容器（容积大于5m3）,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（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车,罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）,包括,19,（2）第二类压力容器：,具有下列情况之一的，为第二类压力容器:,a.中压容器；,b.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；,c.低压反应容器和低压储存容器 （仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；,d.低压管壳式余热锅炉；,e.低压搪玻璃压力容器。,20,（3）第一类压力容器：,除上述规定以外的低压容器为

7、第一类压力容器。,21,由于各国的经济政策、技术政策、工业基础和管理体系的差异，压力容器的分类方法也互不相同。采用国际标准或国外先进标准设计压力容器时，应采用相应的分类方法。,22,压力容器规范标准,国外主要规范标准简介,1、美国ASME规范,2、日本压力容器标准,3、欧盟压力容器标准,23,美国ASME规范,规范增补（Addenda）,American Society of Mechanical Engineers,目前ASME规范共有十二卷,ASME规范每三年出版一个新的版本，每年有两次增补。,在形式上，ASME 规范分为4个层次,规范（Code）,规范案例（Code Case）,条款解释

8、 （Interpretation）,包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测 等内容。,24,简称ASME -1、ASME -2和ASME -3,ASME规范中与压力容器设计有关的主要是第篇压力容器、第篇移动式容器建造和连续使用规则和第篇玻璃纤维增强塑料压力容器。,第篇分 为3个册,第1册压力容器,第2册压力容器另一规则,第3册高压容器另一规则,25,ASME -1,ASME -1为常规设计标准，适用压力小于等于20MPa；,它以弹性失效设计准则为依据，根据经验确定材料的许用应 力，并对零部件尺寸作出一些具体规定。由于它具有较强的 经验性，故许用应力较低。,ASME -1不包括疲劳

9、设计，但包括静载下进入高温蠕变范 围的容器设计。,26,ASME -2包括了疲劳设计，但设计温度限制在蠕变温度 以内。,ASME -2,ASME -2为分析设计标准,它要求对压力容器各区域的应力进行详细地分析，并根 据应力对容器失效的危害程度进行应力分类，再按不同的 安全准则分别予以限制。,跟ASME -1相比，ASME -2对结构的规定更细，对材 料、设计、制造、检验和验收的要求更高，允许采用较高的 许用应力，所设计出的容器壁厚较薄。,27,ASME -3,ASME -3主要适用于设计压力不小于70MPa的高压容器。,它不仅要求对压力容器各区域的应力进行详细地分析和分类 评定，而且要做疲劳分

10、析或断裂力学评定，是目前为止要求 最高的压力容器规范。,28,国内主要规范标准简介,中国对特种设备的安全监察分四个层次,法规,行政规章,安全技术规范,标准,29,法规,锅炉压力容器安全监察暂行条例1982年国务院颁布。,特种设备安全监察条例2003年3月国务院颁布,6月起实施,适用于同时具备下列条件的压力容器:,a.最高工作压力大于等于0.1MPa(表压）,b.压力与容积的乘积大于等于2.5MPaL,c.盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于 标准沸点的液体。,30,行政规章,国家质量监督检验检疫总局局长“令”形式颁布的、行政管理性内容较突出的文件。,31,安全技术规范,压力容器安全

11、技术监察规程1981年国家劳动总局颁布,压力容器安全监察规程，1990年改名为压力容器安全技术监察规程。1999年由国家质量技术监督局进行修订。,超高压容器安全技术监察规程1993年12月劳动部颁布,超高压容器安全监察规程。2004年由国家质量监察检疫总局进行修订，于2005年改名为超高压容器安全技术监察规程。,32,容规对压力容器的材料、设计、制造、使用、 检验、修理、改造等七个环节中的主要问题提出 了基本规定。, 压力容器标准 是设计、制造压力容器产品的依据； 容规是政府对压力容器实施安全技术监督和管理 的依据，属技术法规范畴，二者的适用范围 并不相同,33,标准,我国制订压力容器标准历史

12、,“全国压力容器标准化技术委员会”1984年7月成立,GB150-89钢制压力容器第一版的国家标准，于 1989颁布,GB150-1998钢制压力容器第一次全面修订后的 新版的国家标准，1998颁布。,34,GB151管壳式换热器 GB12337钢制球形储罐 JB4732钢制压力容器分析设计标准 JB4710钢制塔式容器等一系列国家标准和 行业标准。,容标委在GB150的基础上，又先后制订了：,35,(1) GB150钢制压力容器,适用的设计温度范围根据钢材允许的使用温度确定，从 -196到钢材的蠕变限用温度。,这是中国的第一部压力容器国家标准，其基本思路与ASME 1相同，属常规设计标准。,

13、该标准适用于设计压力不大于35MPa的钢制压力容器的设 计、制造、检验及验收。,36,GB150只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器,不适用于以下8种压力容器：,直接用火焰加热的容器,核能装置中的容器,旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件 的受压器室,经常搬运的容器,设计压力低于0.1MPa的容器,真空度低于0.02MPa的容器,内直径小于150mm的容器,要求作疲劳分析的容器等,37,GB150管辖的范围除壳体本体外，还包括：,容器与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、 螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰 密封面，以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。,其它如

14、接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件， 以及非受压元件与受压元件的焊接接头，直接连在容器上 的超压泄放装置均应符合GB150的有关规定。,38,GB150的技术内容,圆柱形筒体和球壳的设计计算,零部件结构和尺寸的具体规定,密封设计,超压泄放装置的设置,容器的制造、检验与验收要求等,在中国具有法律效用，是强制性的压力容器标准。,39,(2) JB4732钢制压力容器分析设计标准,这是中国的第一部压力容器分析设计的行业标准，其基本思路与ASME 2相同。,该标准与GB150同时实施，在满足各自要求的前提下，可选择其中之一使用，但不能混用。,该标准与GB150相比，允许采用较高的设计应力强度，

15、相同设计条件下,容器的厚度可以减薄、重量可以减轻；但由于设计计算工作量大，选材、制造、检验及验收等要求较严，有时综合经济效益不一定高。,所以，此法一般用于重量大、结构复杂、操作参数较大的 压力容器。需做疲劳分析的压力容器，必须用分析设计。,40,小 结,压力容器设计,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,41,测验题,42,一、问答题 1 按照设计压力的高低将内压容器分为哪几种？ 2 按照在生产过程中的作用将压力容器分为哪几种？ 3 容规中考虑哪些因素将压力容器分为三类？中压容器都属于第二类吗？ 4 20R和20有

16、什么区别？说明20R的特点和应用场合。,43,二、判断对错题 1 GB150钢制压力容器是中国的第一部压力容器国家标准，其基本思路与ASME 1相同，属常规设计标准。该标准适用于设计压力不大于35MPa的钢制压力容器的设计、制造、检验及验收。（ ） 2 Q235-A, Q235-B, Q235-C均可以用来制造压力容器。（ ）,44,9.2 内压容器设计理论基础,45,基本概念,壳体：,以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向 尺寸小得多的构件。,壳体中面：,与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。,薄壳：,壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/R）max1/10。,薄壁圆筒：,外直径与内

17、直径的比值Do/Di1.2。,厚壁圆筒：,外直径与内直径的比值Do /Di1.2 。,46,图1 一般旋转壳体,47,回转薄壳：,中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。,母线：,绕轴线（回转轴）回转形成中面的平面曲线,如OA,极点：,中面与回转轴的交点。,经线平面：,通过回转轴的平面。,经线：,经线平面与中面的交线,即OA,平行圆：,垂直于回转轴的平面与中面的交线称为平行圆。,48,中面法线：,过中面上的点且垂直于中面的直线，法线必与回转轴相交。,第一主曲率半径R1：,经线上点的曲率半径(K1B )。,第二主曲率半径R2：,等于考察点B到该点法线与回转轴交点K2之间长度（K2B）

18、,平行圆半径r：,等于R2在垂直于轴平面上的投影,同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。 曲率半径的符号判别：曲率半径指向回转轴时，其值为正，反之为负。,r与R1、R2的关系： r=R2sin,49,基本假设,（1）.小位移假设； （2）.直法线假设； （3）.互不挤压假设。,50,微元平衡方程,基本方程,51,微体法线方向的力平衡,微元平衡方程。又称,拉普拉斯方程。,52,区域平衡方程,53,压力在0-0轴方向产生的合力：,作用在截面m-m上内力的轴向分量：,区域平衡方程式：,无力矩理论的两个基本方程,微元平衡方程 区域平衡方程,54,求解步骤：,a.由 求轴向力,b.由区域平衡方程

19、式求得,c.将 代入微元平衡方程式求得,55,无力矩理论的应用,分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：,56,一、承受气体内压的回转薄壳,回转薄壳仅受气体内压作用时，各处的压力相等，压力产生的轴向力V为：,由区域平衡方程得：,将其代入微元平衡方程得：,（1）,（2）,57,A、球形壳体,球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等， 即R1=R2=R,将曲率半径代入式（1）和式（2）得：,a.,结论:,受力均匀且小。,所以大型储罐制成球形较经济。,b.变形后仍为球形。,58,B、薄壁圆筒,薄壁圆筒中各点的第一曲率半径和第二曲率半径分别为 R1=；R2=R,将R1、R2代入（1）和式（2）得：

20、,薄壁圆筒中，周向应力是轴向应力的2倍。,59,结论:,a.,应用,(a)开椭圆孔时,应使短轴轴线。,(b)纵焊缝受 ,强度 ,薄弱,质量要求 (A类),b.变形后仍为圆筒壳,60,C、锥形壳体,锥形壳体的应力,R1=,式（1）、（2）,61,结论:,62,D、椭球形壳体,椭球壳体的应力,63,推导思路：,椭圆曲线方程,R1和R2,式（1）（2）,又称胡金伯格方程,64,椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律,65,椭球壳上各点的应力是不等的，它与各点的坐标有关。 在壳体顶点处（x0，yb） 在壳体赤道处（xa，y0）,结论:,66,椭球壳承受均匀内压时，在任何ab值下: 恒为正值，即拉伸应

21、力，且由顶点处最大值向赤道逐渐 递减至最小值。 当 时，应力 将变号。从拉应力变为压应力。 随周向压应力增大，大直径薄壁椭圆形封头出现局部屈曲。 (即:内压椭球有可能周向失稳) 措施：整体或局部增加厚度，局部采用环状加强构件。,67,工程上常用标准椭圆形封头，其a/b=2。 的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反， 即顶点处为 ，赤道上为 - ， 恒是拉应力，在顶点处达最大值为 。,变形后为一般椭圆形封头,68,三、无力矩理论应用条件,薄壳无力矩状态的存在必须满足壳体几何形状、材料和载荷的连续性，同时须保证壳体具有自由边界。当这些条件之一不能满足，就不能应用无力矩理论去分析。但是对于远离壳体

22、的连接边缘、载荷的分界面、容器的支座等无局部弯曲的地方，无力矩理论的解答仍有效。,对很多实际问题：无力矩理论求解 有力矩理论修正,69,边缘问题,实际壳体是由球壳、圆柱壳、平板等基本壳体组合而成,在基本壳体连接处不满足无力矩理论的适用条件,基本壳体在连接处保持变形连续,70,由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘 应力”。分析组合壳不连续应力的方法，在工程 上称为“不连续分析”。,不连续效应:,由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区 域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续 效应”或“边缘效应”。,不连续应力:,71,以图（c）和(d)所示左半部分圆筒为对象， 径向位移w以向外为负

23、，转角以逆时针为正。,72,变形协调方程,73,不连续应力的特性,1、局部性：,随着离边缘距离x的增加，各内力呈指数函数迅速衰减 以至消失，这种性质称为不连续应力的局部性。,局部性,自限性,74,例如，当 时，圆柱壳中纵向弯矩的绝对值为 已衰减掉95.7%； 一般钢材： 则,多数情况下： 与壳体半径R相比是一个很小的数 字，这说明边缘应力具有很大的局部性。,75,2、自限性：,不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于 用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑性变 形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不 连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。,76,不连续应力的危

24、害性：,脆性材料制造的壳体、经受疲劳载荷或低温的壳体等 因对过高的不连续应力十分敏感，可能导致壳体的疲劳失 效或脆性破坏，因而在设计中应按有关规定计算并限制不 连续应力。,77,不连续应力在设计中的处理：,a. 受静载的塑性材料壳体，在设计中一般不作具体计算，,而是考虑不连续应力，对局部结构进行改进,限制其应力。,(a) 用挠性结构,(b) 边缘区局部加强,(c),b. 对,脆性材料壳体,受疲劳载荷壳体,受低温壳体,按相关规定核算不连续应力,必须,78,9.3 内压圆筒的设计,圆筒形容器是最常见的一种压力容器结构形式，结构简单、易于制造、便于在内部装设附件，被广泛用作反应器、换热器、分离器和中

25、小容积储存容器。,79,内压圆筒的强度设计,由前面应力分析可知，中径为D，壁厚为的圆筒形壳体，承受均匀介质内压P时，其器壁中产生如下经向和周向薄膜应力：,式中 -计算厚度，mm； D-圆筒中面直径，mm。,80,按第一强度理论和第三强度理论所得筒壁上一点的相当应力均为PD/2， 即1=，按薄膜应力强度条件，则有： 式中 t-钢材在设计温度下的许用应力。,81,容器的筒体一般由钢板卷焊而成，考虑焊缝对筒体强度可能产生的不利影响，应将钢板的许用应力乘以焊接接头系数来表示圆筒的许用应力强度，因此上式成为：,82,此外，一般由工艺条件确定的是圆筒内直径Di，为了方便起见，利用D=Di+的关系，将上式变

26、为： 整理上式，可解出：,83,设计时，应以计算压力PC代替上式中的P， 即： 式中计算厚度，mm； pc计算压力，MPa； Di圆筒内直径，mm; 焊接接头系数; t钢材在设计温度下的许用应力,MPa。,84,当已知圆筒尺寸Di、n、或e，需要对圆筒进行强度校核时，可按下式进行： 式中e有效厚度，mm； n名义厚度，mm； C厚度附加量，mm; t设计温度下圆筒的计算应力, MPa。,85,圆筒的最大允许工作压力pw为： 按照薄壳理论，它仅能在/D0.1即K1.2范围内适用。但作为工程设计，由于采用了最大拉应力准则，且在确定许用应力时引入了材料设计系数，故可将其适用的厚度范围略加扩大，即扩大

27、到在最大承压(液压试验)时圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。,86,设计技术参数的确定,压力容器设计技术参数主要有设计压力、设计温度、焊接接头系数、许用应力、厚度及其附加量等。 (1)容器直径 (2)工作压力与设计压力P 设计压力 指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（工作压力指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。）,87,内压容器确定设计压力时应遵守如下规定： a. 容器上安装有安全泄放装置时，其设计压力不得低于安全阀的开启压力和爆破片装置的爆破压力。 一般根据容器的工作压力Pw确定安全阀的开启压力Pz ，取 Pz（1.11.05）

28、Pw；当Pz 0.18MPa时，可适当提高Pz 相对于Pw 的值； 取容器的设计压力等于或稍大于Pz ，即PPz 。 b. 对于盛装液化气体的容器，在规定的充装系数范围内，设计压力应根据工作条件下可能达到的金属温度确定。,88,(3)计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。 通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5设计压力时，可忽略不计。,89,(4)设计温度,是指容器在正常情况下，设定的元件金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。 当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度； 当元件金

29、属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。,90,(5)许用应力、t 许用应力是容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数(又称安全系数)之比。设计时必须合理地选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部件过分笨重而浪费材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示，如屈服点s(或0.2)、抗拉强度b、持久强度D、蠕变极限n等。应根据失效类型来确定极限值。,91,在蠕变温度以下，通常取材料常温下最低抗拉强度b、常温或设计温度下的屈服点s，三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值，作为压力

30、容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值,92,(6) 焊接接头系数 通过焊接制成的容器，其焊缝中由于可能存在焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值。反映容器强度受削弱的程度。,93,钢制压力容器的焊接接头系数,94,(7) 厚度及厚度附加量 计算厚度()：按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其他载荷对厚度的影响。 设计厚度(d)：计算厚度与腐蚀裕量之和。 名义厚度(n)：设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。 有效厚度(e)：名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。,95,e.厚度附加量 CC1+C2 钢材厚度负偏差C1 钢板或钢管厚度负偏差C1应按相应钢材标准的规定选取。当钢材的厚