1、压力容器设计基础,压力容器的概念,压力容器盛装压力介质的密闭容器尺寸容积形状，压力和温度条件，介质，制造材料涉及压力容器的基本法规和标准特种设备安全监察条例，国务院，2003.6.1压力容器安全技术监察规程，国家质监总局，2000.1.1压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则，2003.1.1锅炉压力容器制造监督管理办法，2003.1.1GB150钢制压力容器JB4732钢制压力容器分析设计标准JB/T4735钢制焊接常压容器GB151管壳式换热器,压力容器的概念,压力容器的划定范围受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部件，如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等非受压
2、元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如支座、吊耳、垫板等GB150和容规明确规定了压力容器的范围，是指壳体及其连为整体的受压零部件（受压元件）,压力容器的概念,压力容器的分类根据生产过程作用原理：反应压力容器（R），换热压力容器（E），分离压力容器（S），储存压力容器（C，其中球罐B）根据设计压力p等级：低压（0.1MPap1.6MPa），中压（ 1.6MPap10MPa ），高压（ 10MPap60，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜理论不适应的。 大端30采用无折边结构； 30带折边 小端45采用无折边结构； 45带折边,2
3、、受压元件封头,2）应力分析大端 轴向力T2分解成沿母线方向N2和垂直与轴线方向P2。 N2 轴向拉伸应力 P2 大端径向收缩，产生径向弯曲应力，并使周向应力与压力作用产生周向应力，方向相反而相对减小，所以大端以一次轴向拉伸应力+二次轴向弯曲应力为强度控制条件,2、受压元件封头,2）应力分析小端 轴向力T1分解成母线方向N1和垂直于轴线方向P1. N1 轴向拉伸应力 P1 小端径向张大，产生周向应力。此周向应力与压力作用产生周向应力方向一致，相互叠加，所以小端以一次周向应力+由边界力引起周向应力为强度条件控制值,2、受压元件封头,3）计算公式 锥壳厚度,由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增
4、设加强段，由GB150 图7-11、7-13判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。大端厚度： 小端厚度：,Q应力增值系数，体现边界应力作用。,通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。,2、受压元件封头,2.2 封头 2.2.4平盖 平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算： K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-7。 比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知： 挠度反映板的刚度；应力则反映强度。 所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从强度和刚度要求，周边固支比周边简
5、支的为好。,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件（园筒和球壳） 4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器（附录C） 7、超压泄放装置（附录B）,3.1 失稳外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失稳和轴向失稳。周向失稳 断面由园形变成波形 轴向失稳 轴线由直线变成波形线,3、外压元件（园筒和球壳）,周向压缩应力引起,轴向压缩应力引起,3、外压元件（园筒和球壳）,3.2 外压容器的设计外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力P大于或等于计算压力Pc.园筒稳定安全系数
6、取3.0，球壳稳定安全系数取14.52。1）周向失稳计算外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法，根据壳体直径（或半径），计算长度，假设壁厚(e)和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入公式得到许用外压力P，使PPc ；否则重新计算直至合格为止。2）轴向失稳计算由园筒或管子的半径，壁厚e和所用材料牌号，用图表查取系数，代入公式得B值，使计算压力Pc小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩应力取设计温度下材料许用应力和B值的较小值。,3、外压元件（园筒和球壳）,3.3 防止外压园筒失稳措施防止外压园筒失稳措施主要有：1）增加园筒壁厚；2）缩短园筒的计算长度；3）设置加强圈。 加强圈设置应整圈围绕在园
7、筒上，并要求有足够截面积和组合惯性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的1/2，内部不少于1/3。,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件（园筒和球壳） 4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器（附录C） 7、超压泄放装置（附录B）,4、开孔补强,4.1 适用范围 在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的a/b2。筒体 Di1500或凸形封头 d1/2Di(且筒体d520mm)筒体 Di1500或锥形封头 d1/3Di(且筒体d1000mm),开孔不仅削弱容器强度，也造成局部应力集中，是造成容器破坏重要因素，所以开孔补
8、强是压力容器设计重要组成部分。,4、开孔补强,4.2 开孔补强形式与作用 1）型式 两种开孔补强型式整体补强和局部补强（补强圈） 整体补强 增加壳体厚度（经济性差） 厚壁管（推荐） 整体补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管） GB150 P222 图J5 a），b）局部补强 补强圈（推荐） 2）作用内压容器对开孔截面拉伸强度补偿。外压容器对开孔截面压缩稳定性补偿，防止失稳。,4、开孔补强,4.3 开孔补强的规定 1）不另行补强的最大开孔直径 应满足GB150 P75 8.3规定 2）采用补强圈补强要求 b540MPa ; 1.5n; n38mm3）整体补强要求 下列情况之一，应采用整体补强（增加壳体
9、厚度或采用补强锻件与壳体相焊）。HG20583 钢制化工容器结构规定。 b540MPa 1.5n n38mm Pd4.0MPa Td350 介质为极度，高度危害介质,4、开孔补强,4.4 开孔补强方法 1）等面积补强法（d1/2Di） 原则：有效补强面积大于或等于开孔失去面积 式中为开孔处计算厚度， 注意：对椭圆封头和碟形封头中心部位和边缘部位是不同的。,4、开孔补强,4.4 开孔补强方法 2）压力面积补强法（0.8Did0.5Di） 原则：有效承压面积上作用力许用应力 当壳体、接管、补强圈材料不同时，上述可表达为： 0、1、2分别为壳体、接管、补强圈材料的许用应力，Mpa A0、A1、A2分
10、别为有效补强范围内壳体、接管和补强圈横截面积，mm2 P 设计压力，Mpa； AP为补强有效范围内压力作用面积，mm2 详见 HG 20581 钢制化工容器强度计算规定,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件（园筒和球壳） 4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器（附录C） 7、超压泄放装置（附录B）,5、法兰,5.1 法兰分类 1）按垫片 窄面法兰 垫片在螺栓孔内侧（一般采用窄面法兰）宽面法兰 垫片在螺栓孔两侧 2）按整体性程度 松式法兰 法兰与筒体未连成整体，如活套法兰、螺纹法兰整体法兰 法兰环、锥颈与筒体连成整体，如长颈法兰任意式法兰 如平焊法兰（JB4700中，甲、乙型平焊法兰）
11、 3）按密封面型式 突面法兰 由一对平面组成凹凸面法兰 由一对相配合的凹面和凸面组成榫槽法兰 由一对相配合的榫面和槽面组成环面法兰 由一对相配合的环面组成,5、法兰,按密封面形式 法兰示意图,5、法兰,5.2 垫片 1）垫片种类 非金属垫片 橡胶板、橡胶石棉板、聚四氟乙烯、膨胀石墨等金属垫片 纯铝、紫铜、软钢、不锈钢等，用于压力、温度较高场合金属包垫片 柔性石墨、石棉板为芯材，外包铜、铝、不锈钢、镀锌铁皮 常用于中、低压和较高温度场合。缠绕垫片 由金属薄带（0Cr13、0Cr18Ni9、08F）和填充带 （石墨、柔性石墨、聚四氟乙烯）相间缠绕而成， 适用较高压力和温度范围。,5、法兰,5.2
12、垫片 2）垫片压紧力 预紧状态下最小压紧力 操作工况下最小压紧力 式中，m垫片系数，垫片操作时，为保持密封需要施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力与内压力比值，即 2是系数，m是垫片材料的一个特性， y垫片比压力，垫片在预紧时，为了消除法兰密封面与垫片接触面间的缝隙，需施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力。 垫片合理设计，应使垫片在预紧和操作状态下所需压紧力尽可能小。,5、法兰,5.3 法兰设计 1）法兰密封要求 法兰是通过紧固螺栓（螺柱）压紧垫片来实现密封，所以法兰设计要防止泄漏，既要保证强度，也要有足够刚性，以保持良好密封性。 影响法兰密封因素：a）操作条件，P、T、介质b）螺栓的
13、预紧力c）垫片的性能，应考虑垫片材料对温度及其介质相容性。d）法兰密封面形式e）法兰刚度,5、法兰,5.3 法兰设计 2）螺栓 螺栓载荷 预紧状态： 操作状态：螺栓面积 预紧时 操作时 取两者大值作为确定螺栓截面积依据。 在螺栓面积A已定情况下，选用小直径螺栓，个数多；选用大直径螺栓，个数少，为保证扳手在周向和径向间距要求，应选取合适螺栓直径，使螺栓中心圆直径最小。螺栓中心圆直径增大，使螺栓预紧力增大，承受弯距增大，不利于密封。,5、法兰,5.3 法兰设计 3）法兰 法兰强度设计的理论有多种，我国法兰设计规范的依据是弹性分析理论，即控制法兰中应力在弹性范围内，以保证法兰的密封要求。（Water
14、s 法） 工程上法兰设计主要是对法兰轴向应力H，径向应力r和周向应力和组合应力的校核。 即 ，,5、法兰,5.3 法兰设计 4）法兰设计的合理性 a）选择垫片时，尽可能选择所需压紧力小的垫片，即m、y小的垫片。 b）尽可能缩小螺栓中心圆直径，减小法兰力矩的力臂，有利密封； c）合理设计法兰锥颈（1）和法兰环（f），既保证强度，又有足够刚度，即调整1、 f使法兰的各计算应力尽可能接近相应许用应 力，趋满应力状态。,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件（园筒和球壳） 4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器（附录C） 7、超压泄放装置（附录B）,6、低温压力容器（附录C）,设计温度低于或等
15、于-20的钢制压力容器（室外安装无保温的容器，最低设计温度应考虑地区环境温度影响） 各国对低温压力容器划分温度界限： 受环境温度影响，壳体的金属温度低于或等于-20时，也应遵循低温压力容器规定。,6、低温压力容器（附录C）,6.1 低温低应力工况 设计温度虽低于或等于-20,但其周向应力小于1/6s屈服限，且不大于50MPa时，称低温应力工况。 在低温应力工况下，设计温度加50后，高于-20则不必遵循低温压力容器规定，可大大降低生产成本，提高经济性。,6、低温压力容器（附录C）,6.2 低温压力容器对结构设计要求 低温压力容器使用温度低，材料由延性状态向脆性状态转变，降低抗冲击性能，易发生脆断
16、，所以对材料有较高冲击试验要求外，对结构也有要求。1）结构简单，减少约束；2）避免产生大的温度；3）减少局部应力集中和形状突变，接管端部要磨圆；4）支座不得直接焊在壳体上；5）开孔补强尽量采用整体补强和厚壁管补强；6）垫片应采用在低温下有良好弹性的材料。,6、低温压力容器（附录C）,6.3 低温压力容器对材料、焊接、无损探伤、焊后热处理的要求1）对材料要求 受压元件用钢采用镇静态 20mm钢板逐张超探 对不同使用温度，进行低温冲击2）对焊接和无损探伤要求 全焊透结构 无损探伤比例为50和100 100RT或UT检测的容器，其对接接头、T形接头、角焊接缝需进行100MT或PT检测。 焊缝表面不得
17、有咬边3）焊后热处理 钢板厚度16mm的碳素钢和低合金钢制容器或受压元件，应进行焊后热处理。,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件（园筒和球壳） 4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器（附录C） 7、超压泄放装置（附录B）,7、超压泄放装置（附录B）,压力容器在运行中由于外界因素影响和工艺过程失控，造成超压或超温，容器有可能发生破裂或爆炸等安全事故，超压泄放装置就是在容器一旦超压时会自动泄放，避免事故发生。7.1 对泄压装置要求 1）动作压力能在设定压力及允许误差范围内2）泄放能力大于或等于容器安全泄放量3）有可靠密封，能保证容器正常工作 4）在有效使用期限内能可靠工作,超压泄放装置
18、有安全阀、爆破片、及安全阀和爆破片组合。,7、超压泄放装置（附录B）,7.2 采用爆破片条件符合下列条件之一，必须采用爆破片 1）压力快速增长 2）对密封要求高 3）介质粘稠、有腐蚀性或对阀门有磨损的介质 4）其他安全阀不能适用的场合 7.3 安全阀、爆破片动作压力和容器设计压力关系 安全阀动作压力 爆破片爆破压力,7、超压泄放装置（附录B）,当采用安全阀与爆破片组合装置时，其中一个泄放装置的动作压力应不大于设计压力，另一个泄放装置的动作压力可提高，但不得超过设计压力的4% 。 （安全阀动作压力不大于设计压力；爆破片的动作压力不超过设计压力的4）。,安全阀最高开启压力,7、超压泄放装置（附录B）,7.4 泄放装置的设计 泄放装置设计主要是泄放能力（安全泄放量）计算和排放面积确定。7.5 泄放装置的使用1）气体泄放装置应在容器顶部或气体管道上; 液体泄放装置应在正常液位下方。安全阀应处在垂直位置； 2）容器与泄放装置之间一般不能设置截止阀；3）泄放装置应有足够泄放能力和强度；4）安全阀应定期检验（一般每年检验一次）； 爆破片应定期更换（一般23年更换一次）。,谢 谢！,
