压力容器专业知识 李景辰

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1压力容器专业知识一、压力容器设计、制造的主要特点1.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。2.压力容器设计计算一般要解决如下三类问题:2.1强度~在外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;2.2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;2.3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。3.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,然后焊接是主要方法。4.在制造的全过程中要采用多种冷、热加工方法,其中热加工(焊接、热处理、热成形)以其技术的复杂性、质量要求的多样性以及质量检验的难度,成为影响产品安全运行的关键。5.压力容器产品的质量主要是安全要求,而非性能要求,因此采取严格的市场准入(单位、人员)制度,以及全过程(设计、制造、使用)质量控制。二、压力容器的分类分类方法很多,主要有如下几种:1.按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类1.1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。1.2按介质毒性及易燃性分类,主要出自安全考虑,即一旦发生事故(爆炸、泄漏等)的危害程度。2.按制造许可级别分类2.1按制造许可级别分类,一般考虑如下一些因素:2a)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。2.2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3.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。3.此外,尚有如下一些常见的分类方法:4.1按形状分类,如圆筒形、球形、组合型(前者均为回转壳体)以及方形、矩形等;4.2按筒体结构分为整体式、组合式,详见后。4.3按制造方法分为焊接(最为普通)、锻造(主要用于超高压)、铸造(主要优点是方便制造,但因其质量问题需加大安全系数,多用于小型、低压)。4.4按材料分为金属与非金属两大类,其中:a)金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。其中有色金属与合金主要用于腐蚀等特殊工况,在生产条件、生产装备、原材料验收与堆放、吊装、运输包装,尤其是焊接等环节有一系列特殊要求。b)钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢(前两者主要是强度钢)及高合金钢(主要用于腐蚀、低温、高温等特殊工况)。我国以标准抗拉强度下限>540MPa作为高强钢分界的理由。三、压力容器设计基础知识1.薄壁容器应力简化1.1应力合理简化的主要内容a)将三向受力状态简化为两向(切向、轴向)受力状态b)将应力沿壁厚非均布视为均布c)将应力沿轴向非均布视为均布31.2简化的目的~依据外载方便计算应力1.3薄壁容器的范畴(即简化造成误差的允许范围)~D外/D内<1.5(力学);D外/D内<1.2(工程);即高、中、低压容器。2.强度理论的选择2.1强度理论的作用~在外载引起的应力与材料极限应力间建立联系,以便计算壁厚2.2主要强度理论的分类及选择a)第一强度理论(最大主应力理论)~最大主应力达到或超过材料强度极限构件即破坏(脆断)。适用于脆性材料破坏,但ASMEⅧ-1与GB150等仍采用,主要原因在于经验丰富、简便,采用一定的限制条件(压力、结构、元件系数)可保证安全。b)第三强度理论(最大剪应力理论)~最大剪应力达到或超过材料屈服极限构件即破坏(塑性屈服),较适用于压力容器,ASMEⅧ-2与JB4732采用。c)第四强度理论(能量理论)~均方根剪应力(考虑最大剪应力的同时,兼顾其他剪应力对安全的影响)达到或超过材料屈服极限构件即破坏(塑性屈服),最适用压力容器,但需试算使用不便。3.失效判据(准则)的选择3.1失效判据的作用~设定整部标准规范(即产品)的安全底线3.2失效判据(准则)的分类及选择a)弹性失效判据~容器在整个使用过程(含耐压试验)材料应处于弹性,不得屈服。偏安全、经验丰富,ASMEⅧ-1与GB150等采用。b)塑性失效判据~内壁材料进入塑性但外壁材料仍为弹性,可提高材料利用率,ASMEⅧ-2与JB4732等采用。c)爆破失效判据~因材料屈服强化,内、外壁材料同时进入塑性仍不会破坏,应力直至材料强度限前均可使用,我国超高压容器设计采用。4.设计条件的确定4.1设计条件的作用~设计依据4.2设计条件包含的内容~主要为压力、温度、介质、腐蚀裕量、焊缝系数,自然基础条件等。44.3(最高)工作压力~正常工况(安全责任界限)容器顶部(最小、唯一)可能(并非必然)出现的最大压力,由用户工艺人员提供。4.4设计压力~设定的容器顶部的最高压力,与相应设计温度一起成为设计载荷条件(可能出现的最危险工况),由设计人员根据最高工作压力设定(大于或大于等于)。4.5腐蚀裕量~年腐蚀速率×设计寿命,指均匀腐蚀。对应力腐蚀、晶间腐蚀及氢腐蚀等需采用其他(如选材)解决。5.安全系数5.1安全系数的作用~安全性与经济性辩证统一,整部标准规范的核心5.2为何有安全系数a)载荷误差;b)设计误差;c)材料误差;d)制造与检验的误差;e)使用中的问题;f)未可知因素。5.3安全系数发展的历史与趋向a)单一走向多元~nb(强度)、ns(屈服)、nst(设计温度下屈服)、nD(持久)、nn(蠕变)。取五者中最小许用应力。b)从高到低,下降趋势(技术进步,经验积累)。c)针对不同应力对安全的不同影响,取不同的安全系数。5.4螺栓安全系数的特殊性~避免过度上紧a)一般只对屈服点取安全系数b)依材料而异c)依规格而异6.焊缝(焊接接头)系数6.1焊缝系数的作用~设计系数。考虑焊缝对容器强度的削弱,用整个增加壁厚的方式补足6.2焊缝系数的选取~依焊接接头型式及无损检测长度(比例)确定。56.3几个问题的解释a)相当于双面焊的全焊透对接接头,可采用多种方法实现,最终由无损检测判断;b)一般均指纵缝,环缝焊接接头系数仅在特定条件(如高塔风载)下采用;c)容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定,应理解为对无垫板单面焊使用的限制。7.主要受压元件设计计算中应注意的几个问题7.1多数元件(如筒体、封头、球壳)可通过公式直接得出壁厚,部分元件(如法兰、外压)需先假定尺寸然后进行试算校核。7.2设计时因难以搞清开孔与焊缝的相对位置,故均按在焊缝上进行开孔补强的设计,制造时应尽量使开孔远离焊缝。7.3GB150对开孔规格的限制,是等面积补强方法的限制,如需要开大孔可另寻补强设计方法,如极限分析、安定性分析。7.4除十字焊缝外,对封头拼板焊缝无限制,但均需100%探伤,合格级别与容器一致。大型封头制造后,因运输原因切开到现场再组焊,不属拼板焊缝。7.5为减少计算工作量,避免错误,将常用规格的封头、法兰编制成标准封头、标准法兰,供设计者选用,并非限制设计者自行设计计算。7.6GB150中要求筒节长度不小于300mm属惩罚条款,并非合理要求。8.应力分析设计的一般概念8.1应力分析设计(JB4732)与规则设计(GB150)的主要区别:a)GB150将复杂(真实)应力状态简化,只考虑一次膜应力对安全的影响,其他应力的影响用结构限制、元件系数等方法简单处理,可满足多数一般产品安全,设计计算简便,同一台容器采用统一的安全系数;JB4732需进行详细的应力计算与分类,可满足高参数重要产品的安全,设计计算复杂必须采用计算机,根据不同应力的各种组合(应力强度)对安全的不同影响分别加以不同限制。b)GB150采用第一强度理论,塑性失效准则,不适用于疲劳容器,压力适用上限35MPa,安全系数较高;JB4732采用第三强度理论,弹性失效准则,可用于疲劳容器,压力适用上限6100MPa,安全系数较低。c)二者的制造检验要求无本质差别,仅JB4732要求更严格,如不允许采用局部无损检测、每台容器均制备产品焊接试板、对接管开孔倒圆倒角有明确要求、疲劳容器不得保留焊缝余高等。8.2应力分类的基本知识a)按各类应力对容器安全的不同影响,将其分为一次应力、二次应力与峰值应力。b)一次应力即基本应力,它有二大特征:第一,是外载荷(压力、重量、其他外载)引起的,外载消失一次应力亦不复存在;第二,作用范围广,与结构长度或容器半径属同一量级。由内压在圆筒与封头上引起的切向、轴(经)向应力即属一次应力。一次应力按其在壁厚方向分布的均匀程度,又可分为一次膜应力(均布部分)和一次弯曲应力(扣除一次膜应力后的线性分布部分)。一次膜应力对容器安全影响最大,应严格限制;对一次弯曲应力的限制可稍宽。c)二次应力是由相邻部件的约束或结构自身约束而产生的应力,其特点是:第一,分布局域较一次应力小,与Rt属同一量级;第二,二次应力达到材料屈服点时,仅引起局部屈服,大部分材料仍属弹性,且二次应力有自限性。封头与筒体连接处由附加弯矩引起的轴、切向应力属二次应力。温差应力一般亦属二次应力。对二次应力的限制宽于一次应力。d)峰值应力。扣除一次、二次应力后,沿壁厚非线性分布的部分即为峰值应力。峰值应力多在壳体与接管连接处产生,其分布区域极小,与t一个量级,仅对疲劳破坏产生影响。四、结构设计的一般要求1.结构的重要性~设计计算的基础,对安全与经济性影响极大。结构设计的基本要求是安全、方便制造与检验。任何结构都不是万能的,需合理设计与选择。2.筒体结构72.1筒体结构分为整体式与组合式两大类2.2整体式a)整体式结构即满足强度、刚度与稳定性需要的厚度(不含耐蚀层)是由一整块连续钢材构成。b)常见整体式结构有:单层焊接(应用最广)、锻造(主要用于超高压)、锻焊(用于大型重要工况)、无缝管(小容器)。2.3组合式a)满足强度、刚度与稳定性需要的厚度(不含耐蚀层)由板~板、板~带、板~丝组合而成,主要用于高压容器。b)板~板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等c)板~带有型槽绕带、扁平纲带d)板~丝有绕丝(主要用于超高压)。2.4整体式与组合式之比较a)在安全性方面组合式优于整体式,理由如下:以薄攻厚,中厚板、薄板性能优于厚板;缺陷只能在本层内扩展;危险的纵缝(整体包扎含环缝)化整为零,各层均布;安全泄放孔,利于报警;预应力增加安全裕度。b)组合式工艺复杂,生产周期长,且不适于做热容器。3.封头结构3.1封头分凸封头、锥形封头、平盖等三大类3.2凸形封头a)依形状(受力)分为半球、椭圆、碟形、球冠。受力前优于后,制造方便后优于前。b)制造方法主要为冲压(适于批量)、旋压(适于单件)。c)制造方式主要有整板成形(小封头);先拼板后成形(大、中型封头);分辨成形后组焊(特大型封头)。3.3锥形封头8a)主要用于变速或方便卸料;b)依半顶角分为30°(无折边)、45°(大端折边)、60°(大、小端折边);c)主要制造方法卷焊。3.4平盖a)包括平盖和锻造平底封头等,与筒体连接分为可拆与固接。b)制造方法多为锻造。4.开孔补强结构4.1补强圈。加工方便,但补强效果有限,使用范围有一定限制。4.2厚壁管补强4.3另加补强元件(锻件)补强,受力好,将角接改为对接易保证焊接质量,但加工复杂。5.法兰5.1法兰与密封垫、紧固件合为一个结构整体,属可拆结构,其基本功能是连接与密封,法兰结构与设计计算应三位一体综合考虑。5.2法兰按其整体性程度分为三种a)整体法兰~法兰、法兰颈与容器(或接管)合为一整体,强度与刚性好,连接与密封效果好,但加工困难;b)松式法兰~法兰未能与容器(或接管)有效合为一整体,连接与密封效果较差,但加工方便;c)任意式法兰~介于二者之间。5.3以密封压紧面型式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