2010版压力容器设计人员培训

压力容器设计人员培训2010-11-30上海长宁BV工业部设计审核师卢杨2压力容器设计人员培训►四个主题：一．压力容器设计制造的主要特点二．压力容器的分类三.压力容器主要失效方式四．压力容器设计基础知识3一．压力容器设计制造的主要特点压力容器设计人员培训4IBRSeminar一、压力容器设计制造的主要特点►压力容器设计一般包括结构设计（选择）、设计计算与材料选择。其中结构是设计计算的基础，即根据各类承压零部件不同的结构、形状，分别进行设计计算。5►压力容器设计计算一般要解决三类问题：1.强度——在内压作用下不允许产生塑性（永久）变形，是涉及安全的主要问题，如筒体、封头等；2.刚性——在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等；3.稳定性——在外压作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。一、压力容器设计制造的主要特点6►依各类承压零部件不同的结构、形状，采用不同的加工方法分别制造，然后通过多种方法（焊接、法兰螺栓、螺纹）连接在一起，构成一台完整的容器，其中焊接是主要方法。一、压力容器设计制造的主要特点7IBRSeminar压力容器设计人员培训二．压力容器的分类8►按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类按压力分为低、中、高及超高压，前三种在材料、失效判据（准则）、计算方法、制造要求上基本一致，而超高压则截然不同。按介质毒性及易燃性分类，主要基于安全考虑，即一旦发生事故（爆炸、泄漏等）的危害程度。二、压力容器的分类9►按制造许可级别分类：a)安全性及制造难易程度的不同，这里涉及P、P·V、介质特性、材料强度级别等；b)工作（安放）位置分为固定与移动，移动的安全要求高于固定，且应对减轻自重、防冲击、各类仪表的装设做特殊考虑；c)材料,金属与非金属制容器在制造与检验方法上有很大不同；d)考虑制造特点，利于专业化生产，如球罐。►对不同制造许可级别的企业，提出不同的资源条件与安全质量要求二、压力容器的分类10►按生产工艺过程中作用原理分类：分为反应、换热、分离、储存四类，其中反应容器安全性要求最高，因其在进行物理、化学反应时，可能造成压力、温度的变化。二、压力容器的分类11►其他常见的分类方法：按形状分类，如圆筒形、球形、组合型、方形、矩形等；按筒体结构分为整体式、组合式。按制造方法分为焊接、锻造、铸造。按材料分为金属与非金属两大类，其中：金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢及高合金钢二、压力容器的分类12三.压力容器主要失效方式13►压力容器可能存在的八种失效方式：1.过量的弹性变形，包括弹性不稳定；2.过量的塑性变形；3.脆性断裂；4.由应力引起破坏/蠕变变形；5.塑性不稳定—渐增的垮塌；6.高应变、低循环疲劳；7.应力腐蚀；8.腐蚀疲劳。►压力容器的常规设计方法是基于弹性失效准则；三、压力容器主要失效方式14弹性失效准则下的四个强度理论：►第一强度理论（最大主应力理论）认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力σ1达到了极限应力，材料就发生破坏。强度条件：б1≤[б]t►第二强度理论（最大变形理论）认为材料的最大的应变达到了极限状态，材料就发生破坏。强度条件：εmax≤[ε]►第三强度理论（最大剪应力理论）材料的最大剪应力τmax达到了极限应力，材料就发生破坏。强度条件：τmax=（σ1-σ3）≤[σ]t三、压力容器主要失效方式15►第四强度理论（剪切变形能理论）材料变形时，即内部变形能量达到材料的极限值时，材料破坏。强度条件：σe=√[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]≤[σ]t三、压力容器主要失效方式16四.压力容器设计基础知识压力容器设计人员培训171.压力容器设计应遵循的基本法规和规程►《特种设备安全监察条例》►TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》►TSGR0003-2007《简单压力容器安全技术监察规程》►TSGR1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》四、压力容器设计基础知识182.标准和法规（规程）的关系。►《容规》第1.8条规定：本规程规定了压力容器的基本安全要求，有关压力容器的技术标准、管理制度等，不得低于本规程的要求。►因此，当标准与法规或规程有不一致时，应按法规（或规程）的规定执行。四、压力容器设计基础知识193.压力容器的含义（定义）►《特种设备安全监察条例》的第八章“附则”中：压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0．1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2．5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0．2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1．0MPa·L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶；氧舱等。四、压力容器设计基础知识204.压力容器设计标准简述►GB150-1998《钢制压力容器》►JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》►JB4731-2005《钢制卧式容器》►JB4710-2000《钢制塔式容器》►GB151-1999《管壳式换热器》►HG20580～HG20585–1998►其它配套标准，如零部件：封头、法兰、支座、补强圈、吊耳等标准，材料标准、焊接标准等。四、压力容器设计基础知识21四、压力容器设计基础知识5.对设计单位资质的要求►《容规》中第3.2条对压力容器的设计单位资质规定：压力容器设计单位的许可资格、设计类别、品种和级别范围应当符合《压力容器压力管道设计许可规则》的规定；►总体采用规则设计标准，局部参照分析设计标准进行压力容器受压元件分析计算的单位，可以不取得应力分析设计许可项目资格；22四、压力容器设计基础知识6.D1级和D2级压力容器说明►根据TSGR1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》中第三条规定，压力容器设计类别和级别的划分是：（一）A级、（二）C级、（三）D级、（四）SAD级。其中D级又分：D1级和D2级。1．D1级系指第一类压力容器2．D2级系指第二类压力容器23四、压力容器设计基础知识7.定义►设计压力：指设定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，其值不得低于工作压力。►计算压力：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。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。►试验压力：指压力试验时，容器顶部的压力。►最大允许工作压力：设备所能承受的最大的工作压力，不同于最高工作压力。24►设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。►试验温度指压力试验时，壳体金属的温度。四、压力容器设计基础知识25►计算厚度：指按厚度计算公式计算得到的厚度。►设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和。►名义厚度：指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。即标在图样上的厚度。►有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。四、压力容器设计基础知识26四、压力容器设计基础知识27►厚度附加量：由钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分组成。►钢材厚度负偏差：按钢材标准的规定；当钢材厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，厚度负偏差可忽略不计。►腐蚀裕量：为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导至厚度的削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的容器寿命和介质对钢材的腐蚀速率而定。腐蚀裕量=腐蚀速率X设计使用年限（毫米/年X年=毫米）四、压力容器设计基础知识28IBRSeminar►腐蚀分类：①均匀腐蚀金属表面出现各部分的腐蚀速度大致相同的连续腐蚀；②非均匀腐蚀金属表面各部分具有不同速度的连续性破坏；③局部腐蚀局部发生腐蚀，如点蚀（呈一个个的点状）和斑点腐蚀（呈一个个的斑点状）；④应力腐蚀由侵蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀；应力腐蚀破裂是金属在持久拉应力和特定腐蚀介质联合作用下，出现的脆性破裂。四、压力容器设计基础知识29►应力腐蚀过程是金属材料、腐蚀介质和拉应力三个因素共同作用，使金属电化学腐蚀加剧并产生破裂的过程。►典型的应力腐蚀有：（a）液氨容器的应力腐蚀开裂；（b）含湿H2S容器的应力腐蚀开裂；（c）含苛性碱介质的应力腐蚀开裂；（d）NO3-引起的低碳和低合金钢容器的应力腐蚀开裂；（e）氯离子引起的不锈钢容器的应力腐蚀。（奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验时，应严格控制水中的氯离子含量不超过25mg/L。试验合格后，应立即将水渍去除干净。）四、压力容器设计基础知识30⑤晶间腐蚀：在腐蚀介质的作用下起源于金属表面并沿晶界深入内部，使晶粒间结合力损伤，严重时材料强度几乎消失，这种现象称为晶间腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀，通常用“贫铬”理论解释。►目前提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀能力的措施大致有：固溶处理——1010℃-1120℃加热后适当快冷，使（Cr、Fe)23C6(碳化铬)固溶于奥氏体。降低钢中含碳量——采用超低碳（C≤0．03%或更低）。添加稳定碳化物元素——添加Ti或Nb等稳定化元素，并经850℃-900℃稳定化处理，形成固定碳的TiC或NbC。31►标准中的材料的腐蚀速率，是对于均匀腐蚀而言，亦即钢材表面的腐蚀速率（毫米/年）各处基本相同。►此外，由于金属所处的介质情况（如介质的腐蚀性、浓度和温度）不同，腐蚀程度不同，因此，采用不同的腐蚀裕量。►载荷：设计时应考虑的载荷有——内压、外压或最大压力差；液体静压力；根据容器的具况，还可能考虑自重，内件重和附属设备等等的影响。四、压力容器设计基础知识32►最小厚度：容器在较低内压力作用下，按厚度计算方法得到的厚度很小，虽然能满足容器的强度要求，但刚度不够。为解决刚度问题，规定了壳体加工成形后不包括腐蚀裕量和加工减薄量的最小厚度：a)对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm；b)对高合金钢制容器，不小于2mm。因此，碳素钢和低合金钢制的容器的最小名义厚度应不小于4mm。四、压力容器设计基础知识33►许用应力：将钢材的抗拉强度σb和屈服点σs分别除以各自的设计安全系数后，取二值的小者作为材料的许用应力。►容器使用钢材常用指标是力学性能，在D类容器中，主要指标是材料的抗拉强度σb和屈服点σs（或σ0.2）。►容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏，在实际应用中必须控制容器的材料受力处在安全范围内，即除以系数n，n称为材料许用应力系数（即是设计安全系数）。►从钢常温抗拉强度考虑，设计安全系数取3（现为2.7）；►按钢的设计温度下的屈服强度考虑选用的设计安全系数：对碳素钢和低合金钢取1.6（现为1.5）；对高合金钢取1.5。四、压力容器设计基础知识34►说明：考虑安全系数是基于如下因素：①材料的性能稳定性存在偏差；②估算载荷状态及数值偏差；③计算方法的精确程度；④制造工艺及允许偏差；⑤检验手段及严格程度；⑥使用中的操作经验等六个方面。►在确定具体材料的许用应力时，还要结合材料的质量因素。四、压力容器设计基础知识35焊接接头形式及分类►分类目的:确定焊缝结构，探伤程度，焊接接头系数►容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，具体规定是：a）A类焊接接头圆筒部分的纵向接头，半球形封头与圆筒连接的环向接头，各种凸形封头的所有拼焊接头，嵌(qian)入式接管与壳体对接的接头。b）B类焊接接头壳体部分的环向接头，锥形封头小端、长颈法兰等与接管连接的接头。c）C类焊接接头平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒连接的搭接接头。d）D类焊接接头接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。四、压力容器设计基础知识36►下列情况的压力容器的A类及B类焊接接头应进行100%射线或超声检测（材料厚度≤38mm时，应采用射线检测）：容规4.5.3.2.2(1)设计压力大于或者等于1.6MPa的第Ⅲ类压力容器；(