压力容器学习讲义.pdf
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1、 1 压力容器专业知识压力容器专业知识 一、压力容器设计、制造的主要特点一、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
2、、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
3、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: 2 a) 安全性及制造难易程度的不同,这里涉及 P、PV、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
4、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
5、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 3 1.2 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
6、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 ASME-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,ASME-2
7、 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,ASME-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, ASME-2 与 JB4732 等采用。 c) 爆破失效
8、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。 4 4.3 (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
9、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
10、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。 5 6.3 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
11、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。 7.3 GB150 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。 7.6 GB150 中要求
12、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,
13、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 6 100MPa,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
14、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
15、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 7 2.1 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)
16、 、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
17、 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 8 a) 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
18、 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 以密封压紧面型式分为: a) 平面
19、密封密封效果差,但加工方便 b) 凹凸面密封单面限制垫片流动,密封效果较好,但加工较难。 c) 榫槽密封双面限制垫片流动,密封性好但加工复杂。 6. 焊接结构 6.1 焊接结构的主要作用为方便施焊,从结构上保证焊透,且尽量减少焊接工作 量。 6.2 焊接结构与工艺因素(工人技能、习惯、方法、装备等)关系密切,设计者 可提要求,具体结构与尺寸原则上应由制造方确定,标准(GB150 附录 J)为提 9 示性,非强制。 7. 其他结构设计的注意事项 7.1 尽量避免外形突变,关注倒角、倒圆。 7.2 开孔(尤其是大孔)尽量开在强度裕量大的部位,如平盖、筒体端部,它们 的厚度是由刚性及螺栓个数、排列与
20、上紧空间决定的。 7.3 应尽量避免静不定结构(如卧式容器只允许双鞍座) ,对静不定结构(如球 罐支承)应做特殊考虑。 7.4 应注意防止过大的温差应力,如膨胀节的设置,支承中的活动支承。 7.5 支承设计中除考虑承重能力外,还应考虑支座反力对壳体的影响,决定是否 加垫板。 7.6 对法兰螺栓通孔、地脚螺栓通孔跨中均布的考虑。 五、压力容器制造、安装、维修、改造基本知识五、压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 1.产品焊接试板 1.1 产品焊接试板的作用 产品施焊后,用检验试板焊缝力学性能的办法,来考核产品焊缝的力学性能是 否合格。它不能替代无损检测与外观检查。 1.2 制备产品焊接试板的条
21、件 a) 需按台制备的条件 与材质有关:Cr-Mo 低合金钢;b540MPa;经热处理改善材料力学性能 与介质有关:极度、高度危害 与设计温度有关:低温;-10t-20以及 0t-10厚度超过某一界限 的 20R、16MnR 与厚度有关:s20mm 的 15MnNbR b) 其他以批代台制备 1.3 制备试板的要求 从材料(钢号、规格、热处理) 、焊工、施焊条件、工艺、热处理、位置等 方面提出要求,使试板焊缝尽量代表产品焊缝 1.4 试样与试验 需做拉伸、弯曲以及必要时的冲击 10 1.5 不合格处理 a) 允许重新取样复验 b) 允许重新热处理 c) 如仍不合格且无试板,则代表的产品焊缝为不
22、合格。 1.6 应注意的问题 a) 试板焊缝应探伤,但无合格级别且不需返修,目的在于避开缺陷处取样,防 止缺陷造成试验结果不合格。 b) 环缝不做,需要时做鉴证环。 2焊后(消除应力)热处理 2.1 目的 消除过大焊接应力,细化晶粒。 2.2 焊接应力产生的原因、特点及危害 a) 焊接应力因焊接过程中变形协调产生。 b) 焊接应力的特点:量值高,可能屈服极限;一直存在;属二次应力有“自 限性” ;测量困难(x 光衍射、小孔) 。 c) 对容器的主要危害为应力腐蚀。 2.3 需进行焊后热处理的条件 a) 通用条件依据材质、厚度、预热温度的不同组合判定; b) 必需条件图样注明应力腐蚀、盛装极度、
23、高度危害介质; c) 免做条件奥氏体不锈钢; d) 关注应力腐蚀的复杂性(介质、温度、酸碱度、材质、残余应力等) 2.4 焊后热处理方法 整体进炉、分段进炉、局部、现场热处理 2.5 热处理工艺要求 进、出炉炉温;升、降温速度;保温时温差;炉内气氛。目的在于热透;避 免过大温差应力造成的损害。 3耐压试验与气密性试验 3.1 耐压试验目的 a) 内压竣工后出厂前全面考核(验证)强度;检漏 11 b) 外压(真空)检漏 3.2 液压试验 a) 试验压力的确定试验压力计算公式中的系数(1.25)与安全系数有关,试验 前的应力校核是基于弹性失效准则。 b) 液压试验的危险性主要来自能量观点(PV)和
24、金属碎片。 3.3 气压试验 a) 气压试验的危险性远高于液压,除 PV 和碎片外,气体会高速恢复被压缩的 体积形成冲击波; b) 允许气压试验的条件:因承重等原因无法液压;液体无法吹干排净生产中不 允许残留液体。 3.4 气密试验 a) 目的检漏 b) 条件极度高度危害介质;生产工艺过程不允许泄漏。 c) 试验介质空气、氨、惰性气体等,气压试验后是否再做气密与介质有关。 d) 试验合格指标与检漏方法。 4压力容器的改造与维修 4.1 应充分关注改造与维修的难度和质量 在使用现场对在役容器进行维修、改造,尤其是动火(焊接)维修、改造在 技术上是件十分困难的事,主要难点在于: a) 缺陷的去除、
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