壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 壓力容器的概念 壓力容器 盛裝壓力介質(zhì)的密閉容器 尺寸容積形狀，壓力和溫度條件，介質(zhì)，制造材料 涉及壓力容器的基本法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn) 特種設(shè)備安全監(jiān)察條例 ，國(guó)務(wù)院， 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 ，國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局， 壓力容器、壓力管道設(shè)計(jì)單位資格許可與管理規(guī)則 ， 鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法 ， 鋼制壓力容器 鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 4735 鋼制焊接常壓容器 管殼式換熱器 壓力容器的概念 壓力容器的劃定范圍 受壓元件：容器中直接承受壓力載荷（包括內(nèi)壓和外壓）的零部件，如容器殼體元件、開孔補(bǔ)強(qiáng)圈、外壓加強(qiáng)圈等 非受壓元件：為滿足使用要求而與受壓元件直接焊接成為整體，不承受壓力載荷（只承受重力載荷）的零部件，如支座、吊耳、墊板等 容規(guī) 明確規(guī)定了壓力容器的范圍，是指殼體及其連為整體的受壓零部件（受壓元件） 壓力容器的概念 壓力容器的分類 根據(jù)生產(chǎn)過程作用原理：反應(yīng)壓力容器（ R），換熱壓力容器（ E），分離壓力容器（ S），儲(chǔ)存壓力容器（ C，其中球罐 B） 根據(jù)設(shè)計(jì)壓力 壓（ ，按園平板計(jì)算，此時(shí)應(yīng)力以彎曲應(yīng)力為主，與薄膜理論不適應(yīng)的。 大端 30 采用無折邊結(jié)構(gòu)； 30 帶折邊 小端 45 采用無折邊結(jié)構(gòu)； 45 帶折邊 2、受壓元件 封頭 2）應(yīng)力分析 大端 軸向力 2。 向拉伸應(yīng)力 端徑向收縮，產(chǎn)生徑向彎曲應(yīng)力，并使周向應(yīng)力與壓力作用產(chǎn)生周向應(yīng)力，方向相反而相對(duì)減小，所以大端以一次軸向拉伸應(yīng)力+二次軸向彎曲應(yīng)力為強(qiáng)度控制條件 32、受壓元件 封頭 ）應(yīng)力分析 小端 軸向力 1和垂直于軸線方向 向拉伸應(yīng)力 端徑向張大，產(chǎn)生周向應(yīng)力。此周向應(yīng)力與壓力作用產(chǎn)生周向應(yīng)力方向一致，相互疊加，所以小端以一次周向應(yīng)力 +由邊界力引起周向應(yīng)力為強(qiáng)度條件控制值 2、受壓元件 封頭 3）計(jì)算公式 錐殼厚度 c o 是否需要在大 、 小端增設(shè)加強(qiáng)段 ， 由 77 交點(diǎn)在左邊表示二次應(yīng)力影響不大 ， 不起控制作用， 按上式計(jì)算即可；當(dāng)交點(diǎn)在右邊時(shí) ， 需增設(shè)加強(qiáng)段 。 大端厚度： 小端厚度： 2 2現(xiàn)邊界應(yīng)力作用。 通常情況下，錐殼為一個(gè)厚度。則應(yīng)取上述三個(gè)厚度中最大值。 2、受壓元件 封頭 封頭 平蓋厚度是基于園平板在均布載荷作用下一次彎曲應(yīng)力來計(jì)算： 分固支 （ 焊接 ） 和簡(jiǎn)支 （ 螺栓 ） 查表 7 比較兩種邊界條件下得最大撓度與最大應(yīng)力 ， 可知： 撓度反映板的剛度；應(yīng)力則反映強(qiáng)度 。 所以周邊固支平蓋的最大撓度和最大彎曲應(yīng)力比周邊簡(jiǎn)支要小 ， 從強(qiáng)度和剛度要求 ， 周邊固支比周邊簡(jiǎn)支的為好 。 固支簡(jiǎn)支 a a 固支簡(jiǎn)支主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 穩(wěn) 外壓元件承受的壓應(yīng)力 ， 其破壞形式主要是失穩(wěn) ， 失穩(wěn)可分為周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn) 。 周向失穩(wěn) 斷面由園形變成波形 軸向失穩(wěn) 軸線由直線變成波形線 3、外壓元件（園筒和球殼） 周向壓縮應(yīng)力引起 軸向壓縮應(yīng)力引起 3、外壓元件（園筒和球殼） 壓容器的設(shè)計(jì) 外壓容器園筒和球殼的設(shè)計(jì)主要是穩(wěn)定性計(jì)算。 外壓容器園筒壁厚的計(jì)算，主要是為了防止在外壓作用下殼體的失穩(wěn)。為了防止失穩(wěn)，應(yīng)使殼體防止失穩(wěn)的許用壓力 P殼穩(wěn)定安全系數(shù)取 1）周向失穩(wěn)計(jì)算 外壓容器殼體壁厚計(jì)算一般采用圖算法，根據(jù)殼體直徑（或半徑），計(jì)算長(zhǎng)度，假設(shè)壁厚 (e) 和所用材料牌號(hào)，利用圖表查取系數(shù)，然后代入公式得到許用外壓力 P， 使 P；否則重新計(jì)算直至合格為止。 2）軸向失穩(wěn)計(jì)算 由園筒或管子的半徑，壁厚 e 和所用材料牌號(hào)，用圖表查取系數(shù)，代入公式得 計(jì)算壓力 用軸向壓縮應(yīng)力取設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力 和 3、外壓元件（園筒和球殼） 止外壓園筒失穩(wěn)措施 防止外壓園筒失穩(wěn)措施主要有： 1）增加園筒壁厚； 2）縮短園筒的計(jì)算長(zhǎng)度； 3）設(shè)置加強(qiáng)圈。 加強(qiáng)圈設(shè)置應(yīng)整圈圍繞在園筒上 ， 并要求有足夠截面積和組合慣性距 。 加強(qiáng)圈可設(shè)置在容器內(nèi)部或外部 。 加強(qiáng)圈和園筒之間連接可采用連續(xù)焊或間斷焊 。 間斷焊外部不少于園筒周長(zhǎng)的 1/2， 內(nèi)部不少于 1/3。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 用范圍 在筒體 、 封頭上開圓孔 ， 橢圓孔或長(zhǎng)圓孔 。 非園孔的 a/b 2。 筒體 1500或凸形封頭 d 1/2筒體 d 520筒體 500或錐形封頭 d 1/3筒體 d 1000開孔不僅削弱容器強(qiáng)度，也造成局部應(yīng)力集中，是造成容器破壞重要因素，所以開孔補(bǔ)強(qiáng)是壓力容器設(shè)計(jì)重要組成部分。 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 孔補(bǔ)強(qiáng)形式與作用 1）型式 兩種開孔補(bǔ)強(qiáng)型式 整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng) （ 補(bǔ)強(qiáng)圈 ） 整體補(bǔ)強(qiáng) 增加殼體厚度 （ 經(jīng)濟(jì)性差 ） 厚壁管 （ 推薦 ） 整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體焊接 （ 嵌入式接管 ） 222 圖 a） ， b） 局部補(bǔ)強(qiáng) 補(bǔ)強(qiáng)圈 （ 推薦 ） 2） 作用 內(nèi)壓容器 對(duì)開孔截面拉伸強(qiáng)度補(bǔ)償 。 外壓容器 對(duì)開孔截面壓縮穩(wěn)定性補(bǔ)償 ， 防止失穩(wěn) 。 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 孔補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定 1）不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑 應(yīng)滿足 75 2） 采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)要求 b 540 n; n 38） 整體補(bǔ)強(qiáng)要求 下列情況之一 ， 應(yīng)采用整體補(bǔ)強(qiáng) （ 增加殼體厚度或采用補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊 ） 。 制化工容器結(jié)構(gòu)規(guī)定 。 b540 n n38d d350 介質(zhì)為極度，高度危害介質(zhì) 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 孔補(bǔ)強(qiáng)方法 1）等面積補(bǔ)強(qiáng)法（ d1/2 原則：有效補(bǔ)強(qiáng)面積大于或等于開孔失去面積 式中 為開孔處計(jì)算厚度 ， 注意： 對(duì)橢圓封頭和碟形封頭中心部位和邊緣部位 是不同的 。 12 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 孔補(bǔ)強(qiáng)方法 2）壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法（ d 原則：有效承壓面積上作用力 許用應(yīng)力 當(dāng)殼體 、 接管 、 補(bǔ)強(qiáng)圈材料不同時(shí) ， 上述可表達(dá)為： 0、 1、 2分別為殼體 、 接管 、 補(bǔ)強(qiáng)圈材料的許用應(yīng)力 ，、 、 分別為有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)殼體 、 接管和補(bǔ)強(qiáng)圈橫截面積 ， P 設(shè)計(jì)壓力 ， 見 0581 鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定 221100 222 21 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 5、法蘭 蘭分類 1）按墊片 窄面法蘭 墊片在螺栓孔內(nèi)側(cè) （ 一般采用窄面法蘭 ） 寬面法蘭 墊片在螺栓孔兩側(cè) 2） 按整體性程度 松式法蘭 法蘭與筒體未連成整體 ， 如活套法蘭 、 螺紋法蘭 整體法蘭 法蘭環(huán) 、 錐頸與筒體連成整體 ， 如長(zhǎng)頸法蘭 任意式法蘭 如平焊法蘭 （ 甲 、 乙型平焊法蘭 ） 3） 按密封面型式 突面法蘭 由一對(duì)平面組成 凹凸面法蘭 由一對(duì)相配合的凹面和凸面組成 榫槽法蘭 由一對(duì)相配合的榫面和槽面組成 環(huán)面法蘭 由一對(duì)相配合的環(huán)面組成 5、法蘭 按密封面形式 法蘭示意圖 5、法蘭 片 1）墊片種類 非金屬墊片 橡膠板 、 橡膠石棉板 、 聚四氟乙烯 、 膨脹石墨等 金屬墊片 純鋁 、 紫銅 、 軟鋼 、 不銹鋼等 ， 用于壓力 、 溫度較高場(chǎng)合 金屬包墊片 柔性石墨 、 石棉板為芯材 ， 外包銅 、 鋁 、 不銹鋼 、 鍍鋅鐵皮 常用于中 、 低壓和較高溫度場(chǎng)合 。 纏繞墊片 由金屬薄帶 （ 0 008F） 和填充帶 （ 石墨 、 柔性石墨 、 聚四氟乙烯 ） 相間纏繞而成 ， 適用較高壓力和溫度范圍 。 5、法蘭 片 2）墊片壓緊力 預(yù)緊狀態(tài)下最小壓緊力 操作工況下最小壓緊力 式中 ， 墊片操作時(shí) ， 為保持密封需要施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力與內(nèi)壓力比值 ， 即 2是系數(shù) ， 墊片在預(yù)緊時(shí) ， 為了消除法蘭密封面與墊片接觸面間的縫隙 ， 需施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力 。 墊片合理設(shè)計(jì) ， 應(yīng)使墊片在預(yù)緊和操作狀態(tài)下所需壓緊力盡可能小。 F cp b m 5、法蘭 蘭設(shè)計(jì) 1）法蘭密封要求 法蘭是通過緊固螺栓 （ 螺柱 ） 壓緊墊片來實(shí)現(xiàn)密封 ， 所以法蘭設(shè)計(jì)要防止泄漏 ， 既要保證強(qiáng)度 ， 也要有足夠剛性 ， 以保持良好密封性 。 影響法蘭密封因素： a） 操作條件 ， P、 T、 介質(zhì) b） 螺栓的預(yù)緊力 c） 墊片的性能 ， 應(yīng)考慮墊片材料對(duì)溫度及其介質(zhì)相容性 。 d） 法蘭密封面形式 e） 法蘭剛度 5、法蘭 蘭設(shè)計(jì) 2）螺栓 螺栓載荷 預(yù)緊狀態(tài)： 操作狀態(tài)： 螺栓面積 預(yù)緊時(shí) 操作時(shí) 取兩者大值作為確定螺栓截面積依據(jù) 。 在螺栓面積 選用小直徑螺栓 ， 個(gè)數(shù)多；選用大直徑螺栓 ， 個(gè)數(shù)少 ， 為保證扳手在周向和徑向間距要求 ， 應(yīng)選取合適螺栓直徑 ，使螺栓中心圓直徑最小 。 螺栓中心圓直徑增大 ， 使螺栓預(yù)緊力增大 ， 承受彎距增大 ， 不利于密封 。 a b m 242 242 5、法蘭 蘭設(shè)計(jì) 3）法蘭 法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論有多種 ， 我國(guó)法蘭設(shè)計(jì)規(guī)范的依據(jù)是彈性分析理論 ， 即控制法蘭中應(yīng)力在彈性范圍內(nèi) ， 以保證法蘭的密封要求 。 （ ） 工程上法蘭設(shè)計(jì)主要是對(duì)法蘭軸向應(yīng)力 H， 徑向應(yīng)力 和組合應(yīng)力的校核。 即 ， 、 2 2 蘭 蘭設(shè)計(jì) 4）法蘭設(shè)計(jì)的合理性 a） 選擇墊片時(shí) ， 盡可能選擇所需壓緊力小的墊片 ， 即 m、 b） 盡可能縮小螺栓中心圓直徑 ， 減小法蘭力矩的力臂 ， 有利密封； c） 合理設(shè)計(jì)法蘭錐頸 （ 1） 和法蘭環(huán) （ f） ， 既保證強(qiáng)度 ， 又有足夠剛度 ， 即調(diào)整 1、 力 ， 趨滿應(yīng)力狀態(tài) 。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 6、低溫壓力容器（附錄 C） 設(shè)計(jì)溫度低于或等于 的鋼制壓力容器（室外安裝無保溫的容器，最低設(shè)計(jì)溫度應(yīng)考慮地區(qū)環(huán)境溫度影響） 各國(guó)對(duì)低溫壓力容器劃分溫度界限： 受環(huán)境溫度影響，殼體的金屬溫度低于或等于 時(shí)，也應(yīng)遵循低溫壓力容器規(guī)定。 美國(guó) 日本、德國(guó) 法國(guó) 英國(guó) 20對(duì)不同使用溫度 ， 進(jìn)行低溫沖擊 2） 對(duì)焊接和無損探傷要求 全焊透結(jié)構(gòu) 無損探傷比例為 50 和 100 100 其對(duì)接接頭 、 角焊接縫需進(jìn)行100 焊縫表面不得有咬邊 3） 焊后熱處理 鋼板厚度 16 應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理 。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補(bǔ)強(qiáng) 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 壓力容器在運(yùn)行中由于外界因素影響和工藝過程失控，造成超壓或超溫，容器有可能發(fā)生破裂或爆炸等安全事故，超壓泄放裝置就是在容器一旦超壓時(shí)會(huì)自動(dòng)泄放，避免事故發(fā)生。 泄壓裝置要求 1） 動(dòng)作壓力能在設(shè)定壓力及允許誤差范圍內(nèi) 2） 泄放能力大于或等于容器安全泄放量 3） 有可靠密封 ， 能保證容器正常工作 4） 在有效使用期限內(nèi)能可靠工作 超壓泄放裝置有安全閥、爆破片、及安全閥和爆破片組合。 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 用爆破片條件 符合下列條件之一 ， 必須采用爆破片 1） 壓力快速增長(zhǎng) 2） 對(duì)密封要求高 3） 介質(zhì)粘稠 、 有腐蝕性或?qū)﹂y門有磨損的介質(zhì) 4） 其他安全閥不能適用的場(chǎng)合 全閥 、 爆破片動(dòng)作壓力和容器設(shè)計(jì)壓力關(guān)系 安全閥動(dòng)作壓力 爆破片爆破壓力 P )P 上限）( P P 下限）(m i n 壓泄放裝置（附錄 B） 當(dāng)采用安全閥與爆破片組合裝置時(shí)，其中一個(gè)泄放裝置的動(dòng)作壓力應(yīng)不大于設(shè)計(jì)壓力，另一個(gè)泄放裝置的動(dòng)作壓力可提高，但不得超過設(shè)計(jì)壓力的 4% 。