2第二章压力容器基础

化工设备使用与维护第二章压力容器基础化工设备使用与维护一、压力容器的类型所谓“压力容器”是指压力和容积达到一定的数值，容器所处的工作温度使其内部介质呈气态的密闭容器。按TSG0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定，同时具备下列条件的容器称为压力容器。(1)工作压力大于等于0.1MPa（不含液柱静压力）；(2)设计压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L；(3)介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。第一节压力容器类型及规范化工设备使用与维护内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下：低压容器0.1MPa≤p＜1.6MPa;中压容器1.6MPa≤p＜10.0MPa;高压容器10.0MPa≤p＜100MPa;超高压容器p≥100MPa。1、按承压方式分类，压力容器可分为内压容器与外压容器。化工设备使用与维护三类容器第一类压力容器第三类压力容器（1）压力等级（P）（2）容积的大小（3）介质危害程度第二类压力容器分类依据2、按《固定式压力容器安全技术监察规程》分：化工设备使用与维护介质的分组：第一组介质毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质除第一组以外的介质。化工设备使用与维护指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等介质的危害性：影响压力容器分类（1）毒性是指某种化学毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒物计量与毒性反应之间的关系。介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。化工设备使用与维护爆炸下限＜10%，或爆炸下限和上限之差≥20%的介质。易燃介质：易燃介质容器全焊透结构（2）易燃性采用甲烷、乙烷、乙烯、氢气、丙烷、丁烷等对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求化工设备使用与维护二、压力容器的失效1、失效是广义的概念，符合以下三条件之一：（1）完全失去原定功能；（2）虽还能运行，但已失去部分功能或不能良好达到原定功能；（3）虽还能运行，但已严重损伤而危及安全，使可靠性降低；化工设备使用与维护2、常见失效现象：（1）过度变形失效：容器壁厚过薄，引起应力过高或化学反应压力骤增而压力过高导致容器整体或局部变形，是不可恢复的；（2）断裂失效:压力容器、管道断裂意味着爆炸、泄漏，由于超载、交变载荷、高温蠕变等；（3）表面损伤失效：表面磨损和表面腐蚀；化工设备使用与维护三、压力容器规范介绍目的：确保压力容器在设计寿命内安全运行内容：材料、设计、制造、检验、合格评估等注意：新版本标准实施后，老版本标准自动作废。化工设备使用与维护1、国外主要规范标准简介1）、ASME规范目前,ASME锅炉压力容器规范共有12卷，包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等内容。19世纪未20世纪初，锅炉和压力容器事故频繁发生，造成了严重的人员伤亡和财产损失，1911年ASME着手编写世界上第一部有关压力容器规范《锅炉建造规范.1914版》，1915年春出版发行。每三年出版一个新版本，每年有两次增补。ASME规范分四个层次:规范（Code),规范案例（CodeCase),条款解释(Interpretation),规范增补（Addenda)化工设备使用与维护ASME规范中与压力容器有关的主要是第Ⅷ篇《压力容器》、第Ⅹ篇《玻璃纤维增强塑料压力容器》和第Ⅻ篇《移动式容器建造和连续使用规则》常规设计标准，适用压力小于等于20MPa；以弹性失效设计准则为依据；包括静载下进入高温蠕变范围内的容器设计；不包括疲劳设计，经验性较强，许用应力较低。第Ⅷ篇第1册（RulesforConstructionofPressureVessels)，1927年第一版化工设备使用与维护•分析设计标准•适用压力小于等于70MPa•不包括蠕变范围内工作的高温容器设计•包括疲劳设计•允许采用较高的许用应力第Ⅷ篇第2册(AlternativeRulesforConstructionofPressureVessels)1968第Ⅷ篇第3册(AlternativeRulesforConstructionofHighPressureVessels)1997设计压力大于70MPa的压力容器为解决高温压力容器的分析设计，在1974年后又补充了一份《规范案例N-47》化工设备使用与维护2、国内主要规范标准简介（1）GB150.1~GB150.4-2011《压力容器》第1部压力容器国家标准基本思路与ASMEⅧ-1相同常规设计标准特点设计压力：0.1MPa≤P≤35MPa设计温度：按金属材料允许使用的温度适用于：钢制压力容器设计、制造、检验及验收化工设备使用与维护适用于：固定的承受恒定载荷的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气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的容器要求做疲劳分析的容器等不适用8种情况化工设备使用与维护◆GB150管辖的范围除壳体本体外，还包括：◆其它如接管、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。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专用连接件或管件连接的第一个密封面4个第一化工设备使用与维护技术内容、检验与验收要求等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在中国具有法律效用强制性标准化工设备使用与维护特点中国第1部压力容器分析设计行业标准基本思路与ASMEⅧ－2相同该标准与GB150同时使用在满足各自要求的前提下，设计者可选择其中之一使用，但不得混用（2）JB4732《钢制压力容器－分析设计标准》化工设备使用与维护采用较高的设计应力强度在相同设计条件下，厚度减薄，重量减轻设计计算工作量大选材、制造、检验及验收等方面的要求严格有时综合经济效益不一定高特点重量大、结构复杂、操作参数较高疲劳分析的压力容器应用场合化工设备使用与维护我国压力容器方面的标准主要有：GB150-2011压力容器GB151-1999管壳式换热器JB/T4710-2005钢制塔式容器TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程GB12337-2010钢制球形储罐JB/T4746-2002钢制压力容器用封头JB/T4731-2005钢制卧式容器化工设备使用与维护第二节压力容器容器的设计计算1、压力容器设计：根据给定的，遵循规定，在确保的前提下，经济、正确地，并进行结构、强（刚）度和密封设计。工艺设计条件现行的规范标准安全选择材料一、强度计算化工设备使用与维护结构设计——确定合理、经济的结构型式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。强（刚）度设计——确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行。密封设计——选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。化工设备使用与维护cticpDp][21、圆筒厚度计算式：（2-1）0.4[σ]tφ式中δ—计算厚度，mm；Pc—计算压力，MPa；φ—焊接接头系数。条件：PceitewcDpp][2][2、筒体最大允许工作压力[pw]：MPa（2-3）2、圆筒和球壳的强度计算：化工设备使用与维护cticpDp][43、球形容器厚度计算式：（2-2）0.6[σ]tφ式中δ—计算厚度，mm；Pc—计算压力，MPa；φ—焊接接头系数。条件：PceitewcDpp][4][4、球形容器最大允许工作压力[pw]：MPa（2-4）化工设备使用与维护封头种类半球形封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头凸形封头锥型封头平封头3、封头的结构及强度计算化工设备使用与维护化工设备使用与维护半球形封头半球形封头为半个球壳封头厚度计算公式：cticpDp][4式中Di—球壳的内直径，mm。化工设备使用与维护薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，在同样的容积时，其表面积最小，可节省钢材最理想的结构型式。优点缺点深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。应用高压容器。化工设备使用与维护椭圆形封头化工设备使用与维护1.结构组成避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。由半个椭球面和直边段组成直边段作用：中、低压容器。应用：封头材料碳素钢、普通低合金钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢封头厚度4～810～18≥203～910～18≥20直边高度h254050254050n化工设备使用与维护用半径为Di的半球形封头厚度乘以K，即椭圆形封头厚度计算式：cticp5.0][2DKp即，2ii)h2D(261K封头上最大总应力球壳上薄膜应力=2K封头上最大总应力圆筒上周向薄膜应力=K式中：化工设备使用与维护碟形封头结构带折边球面封头，由半径为Ri的球面体、半径为r的过渡环壳和直边段三部分组成优点过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。缺点化工设备使用与维护据此，由半球壳厚度计算式乘以M可得碟形封头的厚度计算式引入碟形封头应力增强系数M，是以球面部分最大总应力为基础的近似修正系数，见下式1(3)4iRMr2[]0.5citcMpRp化工设备使用与维护GB150规定：碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考虑容器的刚度——制造、运输、吊装；——不包括腐蚀裕量；※4、容器的最小厚度化工设备使用与维护厚度计算厚度δ设计厚度δd名义厚度δn有效厚度δe成型厚度5、厚度及厚度附加量化工设备使用与维护计算厚度（δ）——由公式计算所得厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。是满足强度要求的最小值设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。δd＝δ＋C2名义厚度（δn）——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。δn＝δd＋C1＋Δ有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成，不包括加工减薄量。C=C1+C2化工设备使用与维护34568101214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120钢板厚度的常用规格化工设备使用与维护计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度δdC1+C2加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值厚度负偏差C1腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值化工设备使用与维护设计技术参数设计压力设计温度厚度附加量焊接接头系数许用应力等二、设计参数的确定化工设备使用与维护1、设计压力——为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。设计压力化工设备使用与维护设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。外压：（略）内压：装安全阀——不低于安全阀开启压力，1.05～1.10倍最高工作压力。装爆破片——爆破片最低标定爆破压力加上所选爆破片制造范围的上限。盛装液化气体容器——根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。综合考虑——介质压力—饱和蒸气压—装量系数—温度变化—环境温度—保冷设施。化工设备使用与维护常见盛装液化气体的压力容器的设计压力化工设备使用与维护2、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。设计压力的确定化