1、8 、压力容器设计,8.1 压力容器概述,8.4 典型薄壁壳的应力分析,8.5 内压圆筒型薄壁壳的设计,8.6 外压圆筒型薄壁壳的设计,8.7 压力容器的使用与管理,8.2 压力容器典型零部件,8.3 压力容器结构与分类,8.1 压力容器概述,压力容器特点之一应用广泛,压力容器不仅被广泛用于化学、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、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度下运行。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28
2、1台，占了35.4%。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。,压力容器特点之二工况条件复杂,压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从1210-5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.521.0 MPa；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196低温到超过1000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。,压力容器 特点之
3、三数量巨大,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许可证的企业合计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。,压力容器特点之四安全性要求高,压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大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，加上压力容器极大多数
4、系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，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。,压力容器的结构,零部件的二个基本参数,对于用钢板卷制的容器筒体而言，其公称直径的数值等于筒体内径。 当容器筒体直径较小时，可直接采用无缝钢管制作时，这时容器的公称直径等于钢管的外径。 管子的公称直径（通径）既不是管子的内径也不是管子的外径，而是一个略小于外径的数值。,公称直径（DN）,零部件的二个基本参数,国家标准GB1048将管路元件的公称压力分为以下十个等级：0.25MPa、0.6MPa、1.0Ma、1.6MPa、2.
5、5MPa、4.0MPa、6.30MPa、10.0MPa、16.0MPa、25.0MPa 。,公称压力（PN）,8.2 典型零部件,8.2.1 筒体和封头,筒体和封头是构成压力容器的两个最基本元件，工程上绝大多数压力容器的筒体均为圆筒形。 筒体通常由钢板卷焊而成或直接采用无缝钢管。,钢板卷焊而成的压力容器公称直径指的是内径； 直接采用无缝钢管制作的容器公称直径指的是外径。,椭圆形封头,椭球形封头,碟形封头,锥形封头,平板封头,8.2.2 法兰联接,法兰联接的特点：,1、密封可靠：能保证紧密不漏；,2、强度高：附加法兰不削弱整体强度；,3、适用面广：设备和管道均可适用；,4、可拆联接：可多次重复装
6、拆；,5、经济合理：可批量生产。,法兰联接的工作原理：,平焊法兰,对焊法兰,按联接型式分：,法兰联接的分类：,活套法兰,螺纹法兰,光滑面,凹凸面,榫槽面,环密封面,按密封面型式分：,压力容器法兰标准 JB470192,甲型平焊法兰,乙型平焊法兰,对焊法兰,管法兰标准HG20592,HG法兰按下列规定标记： 法兰（法兰盖） b c d e f g h a 标准号：按HG标准统一号HG20592 b 法兰类型代号：按表812 c 法兰公称通径DN(mm)与适用钢管外径系列 d 法兰公称压力PN，MPa e 密封面型式代号，突面法兰如车制密纹线，则标记为RF(A) f 应由用户提供的钢管壁厚 g 材
7、料牌号 h 其它（如表面粗糙度）,HG 20592 法兰PL12000.6 RF Q235-A,8.2.3设备的支座,1)、悬挂式支座,悬挂式支座通常由两块筋板和一块底板焊接而成,如A型、不带垫板，3号耳式支座，支座材料为Q235A.F 标记为：JB/T4725-92，耳座AN3，Q235A.F,JB/T4724标准规定了耳式支座的标记：,2)、支腿式支座,（1）公称直径DN4001600； （2）圆筒长度L与公称直径DN之比L/DN5； （3）容器的总高H5000mm。,支腿式支座的标记为：,如容器公称直径DN800，角钢支柱支腿，不带垫板，材料为Q235-A.F，支承高度H=800mm。标
8、记为： JB/T 471392，支腿AN3800,3)、支承式支座,（1）公称直径DN8004000； （2）圆筒长度L与公称直径DN之比L/DN5； （3）容器的总高H10m。,支承式支座的标记为：,裙座的结构,4）裙式支座,5）鞍式支座,鞍式支座常用于卧式设备。鞍座由一块底板、一块竖板和若干块肋板焊接而成。,卧式设备一般采用双支座，一个型，一个型。其中型的螺栓孔为园孔，型的螺栓孔为长园孔。,鞍式支座的位置布置应符合ARi/2和A L/2。,A,L,8.3.3 设备的开孔,1)、设备开孔的装置,设备的管口与凸缘,人孔,手孔及检查孔,8.2.4 设备安全附件,1)、安全阀,作用：当压力超过正常
9、工作压力，能自动打开，介迅速排放，使设备内的压力保持在最高许用压力范围内，保证其处于安全状态。,2)、爆破片,使用场合 容器内的介质易于结晶或聚合，或带有较多的粘性物质，容易堵塞安全阀，或使安全阀的阀芯和阀座粘在一起； 容器的内压由化学反应或其他原因会迅速上升，安全阀难以及时排出所产生的大量气体，且无法及时降压。但不适用于压力剧增，反应速度达到爆轰时的压力容器； 容器内的介质为剧毒或极为昂贵的气体，使用安全阀难以达到防漏要求。,3)、压力表、液面计和测温仪表,压力表选用要求 所选压力表必须与压力容器内的介质相适应； 低压容器使用的压力精度不低于2.5级；中、高压容器使用的压力表精度不应低于1.
10、5级； 压力表盘刻度极限值为最高工作压力的1.53.0倍，最好选用2倍，表盘直径不应小于100mm。,压力表安装要求 装设位置应便于操作人员观察和清洗，且应避免受到辐射热、冻结或震动的不利影响； 压力表与压力容器之间，应装设三通旋塞或针形阀，三通旋塞或针形阀上应有开启标记和锁紧装置，压力表和压力容器之间不得连接其他用途的任何配件或接管； 用于水蒸汽介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装有存水弯管； 用于具有腐蚀性或高粘度介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装设能隔离介质的缓冲装置。,液位计选用要求 应根据压力容器的介质、最高工作压力和温度选用； 在安装使用前，低、中压容器用的液面计，应进行
11、1.5倍液面计公称压力的水压试验，高压容器用的液面计，应进行1.25倍液面计公称压力的水压试验； 盛装0以下介质的压力容器，应选用防霜液面计； 寒冷地区室外使用的液面计，应选用夹套型或保温型结构的液面计； 易燃、毒性程度为极度、高度危害介质的液化气体压力容器，应采用板式或自动液面指示计，并应有防止泄漏的保护装置； 要求液面指示平稳时不应采用浮子式液面计。,8.3 压力容器分类,1)、 按承压性质分,特种设备安全监察条例-2009 固定式压力容器安全技术监察规程 压力管道使用登记管理规则 起重机械使用管理规则 特种设备安全技术规范制定程序导则,2)、 按监察规程分,1、 最高工作压力Pw0.1M
12、Pa,2、 内直径Di0.15m，且V0.025m3,3、 盛装介质为气体、液化气体或最高工作高于等于标准沸点的液体。,监察规程的管辖范围,GB5044职业性接触毒物危害程度分级 (1)极度危害10mg/m3,氢氧化钠、丙酮等,一类容器,1.非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器;,2 .有毒和有危害的低压容器,1、一般中压容器；,二类容器,2、 介质为易燃或毒性程度为中度危害的低压反应容器和储存容器；,3、 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；,4 、低压管壳式余热锅炉；,5、搪玻璃压力容器。,三类容器,1、 高压容器；,2 、低压容器(毒性为极度或高度危害介质的中压和PV大于0.2MPa
13、m3)；,3、 中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危害介质且PV0.5MPam3)；,4、 中压储存容器(易燃或毒性程度为中度危害介质且PV10MPam3)；,5、 高压、中压管壳式余热锅炉；,6、 中压搪玻璃压力容器；,7 、球形（V50m3)和低温储存容器(V5m3)；,8、移动式压力容器。,8.4 典型薄壁容器应力分析,按容器的外径Do和内径Di的比值K不同，可将容器分为： 1、 厚壁容器：K1.2 2 、薄壁容器：K1.2,1)、 受气压圆筒壳体,静力平衡方程：,环向应力为:,环向应力,静力平衡方程：,经向应力为,经向应力,薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍,2)、承受内压的球
14、形壳体,3)、承受内压的椭球形壳体,在顶点：,在赤道：,椭圆形封头的应力分布,4)、承受内压的锥形壳体,8.5 内压圆筒形薄壁壳体设计,8.5.1. 强度设计公式,强度条件：,设计公式：,设计参数确定,1)、 设计压力(P),通常：P(1.01.1)PW,有安全阀：P= (1.051.1)PW 且不低于安 全阀开启压力。 有爆破片：爆破压力制造偏差 介质为液化气：液化气的饱和蒸汽压。 介质为液体：当液柱静压大于0.05P时， 应计入液体静压力。,指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于-20),2) 设计温度,3) 、许用应力,影响许用应力的因素： 1
15、 使用温度 2 钢板厚度,许用应力由材料的力学性能除以相应的安全系数而得。,4 )焊接接头系数,焊缝系数决定于二个因素：1）焊缝的结构形式 2） 无损探伤水平,5) .厚度(t),a. 壁厚附加量 CC1C2C1：钢板负偏差C2：腐蚀裕量,b. 最小壁厚 保证设备在运输和安装过程中的安全。,压力试验,1 、水压试验,试验压力：,强度条件：,2 、气压试验,试验压力：,强度条件：,3、 气密性试验,试验压力：,8.6 外压薄壁圆筒的设计,外压容器的定义：内压大于外压的容器。,失效的主要形式为失稳。其后果是造成容器几何形状偏离原形状。,8.6.1 外压容器失稳的概念,长园筒,短园筒,容器失稳与压杆
16、失稳类似，取决于： 1) 圆筒外径与有效壁厚之比 Do/te； 2) 圆筒长度与外径的比值 L/Do 3) 材料的力学性能 （E，),压杆失稳的主要因素： 1、外载大小 2、压杆柔度(细长比) 3、材料的力学性能。,8.6.2 外压薄壁圆筒厚度设计,外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许用外压P,而P=Pcr/m,m 决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定 m=3,一、解析法,2) 求Pcr，确定P,3) 如PP且较为接近，则所假定的 tn符合要求，否则重算，直到符合要求。,1) 假设设计名义厚度tn，则有te=tn-C,二、 图解法,器壁上的应变：,器壁上的应力：,
17、K为特征系数,临界压力：,图解法来源,外压圆筒几何参数计算图,圆筒的许用外压力：,令,则,而,此即为BA图的由来,外压圆筒计算图 (BA图),设计方法和计算步骤,1 假设,2 确定比值：L/Do和D/te,3 查图8-21，确定A值,4 根据不同材料查图8-22,8-23,8-24确定B值，求得许用外压P,A在温度线的右方,5 比较P与P ,以P小于且接近于P为原则,A在温度线的左方，属弹性失稳,8.6.3. 轴向受压圆筒的设计,在弹性阶段：,在弹塑性阶段用BA图确定cr,8.7 压力容器的安全使用与管理,8.7.1 压力容器的安全技术监察,1) 、安全技术监察的依据,2) 、压力容器的设计监察,3) 、压力容器的制造监察,8.7.2 压力容器的安全使用与管理,1 、管理体系与职责,2 、建立压力容器使用档案,3、压力容器的使用登记,4 、制订容器的安全操作规程,5 、正确操作容器,8.7.3 压力容器的定期检验,1 、定期检验的目的,2 、定期检验的内容与期限,结束语,对流程工业而言，保证压力容器的安全、经济运行，对企业的生产安全和经济效益具有非常重要的意义，通过本章的学习，你对保证压力容器的安全有何感想？保证压力容器的安全应做那几个方面？,
