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1压力容器设计绪言潘家祯教授华东理工大学机械与动力工程学院PressureVesselDesign2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31.概述1.1现代化企业的雄姿41.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61.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。7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BasicConcept8锅炉、换热器、加热炉=圆筒外壳+传热管束核反应堆=圆筒安全壳+核反应零部件塔器=圆筒外壳+传质元件（浮阀、填料等）反应釜=圆筒夹套+搅拌器压缩机、真空泵=圆筒气缸+活塞透平机、泵=蜗壳+叶轮应用的广泛性1.概述1.2压力容器的特点9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10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11（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12（2）操作条件的复杂性压力容器的操作条件十分复杂，甚至于苛刻。压力从1～2×10－5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.5～21.0MPa；高压聚乙烯为100～200MPa；合成氨为10～100MPa；人造水晶高达140MPa；温度从-196oC低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐（照）、腐（蚀）、磨（损）等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。1.概述1.3压力容器的应用13（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14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15压力容器的地位举足轻重1.概述1.3压力容器的应用16《锅炉压力容器安全监察暂行条例》1982年2月国务院《锅炉压力容器安全监察暂行条例实施细则》1982年7月劳动人事部《压力容器使用登记管理规则》1989年3月劳动人事部《压力容器产品安全质量监督检验规则》1990年8月劳动人事部《压力管道安全管理与监察规定》1996年4月劳动人事部等《压力容器安全技术监察规程》1999年6月国家质量技术监督局1.概述1.4压力容器规范17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18ASMEVIII-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192.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202.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类212.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类222.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类23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242、按作用原理分类:反应容器：以化学反应为主，如氨合成塔、HCL反应器…换热容器：容器的作用主要是为了进行热交换，如列管式换热器、板式换热器…分离容器：用于将物料分离的容器,如气提塔，旋风分离器…贮运容器：容器的作用主要是贮放和搬运物料，如液化气罐、球罐、槽车…2.压力容器基础2.1压力容器的结构与分类253、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263、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27压力容器的基本要求是安全性和经济性。安全是核心问题，在充分保证安全的前提下，尽可能的做到经济。经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。容器的长期安全运行，就是最大的经济。充分保证安全不等于保守。不必要的采用过厚的壁厚，不仅浪费材料，而且厚板的材质与焊接质量效果极差。2.压力容器基础2.2压力容器设计的基本要求28特别重要的压力容器（如核容器），采取“按分析设计”的方法，不仅提高了安全可靠性也节约了材料，降低了制造成本。下图所示的压力容器是分别按照美国机械工程师学会（ASME）锅炉与压力容器规范第VIII篇，第1分篇和第2分篇设计，可以看出“按分析设计”不仅降低了重量，并且使壁厚减薄，有利于提高制造质量。2.压力容器基础2.2压力容器设计的基本要求29图1-1按不同ASME规范设计的核容器比较30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31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321979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331986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341984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35(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36b.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37c.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38d.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39(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40(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41(2)在役检验与监控还有一个问题是材料在服役