1、第二章 壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 壓力容器應(yīng)力分析和變形特點(diǎn)壓力容器應(yīng)力分析和變形特點(diǎn)一、壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)一、壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1. 壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)/0.1/1.2iiDDo或 D薄壁容器：薄壁容器：2. 薄壁壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)薄壁壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1）基本概念）基本概念 回轉(zhuǎn)殼體回轉(zhuǎn)殼體 軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題：軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題： 指殼體的幾何指殼體的幾何形狀形狀 約束條件和所受約束條件和所受外力外力都對(duì)稱(chēng)于都對(duì)稱(chēng)于回轉(zhuǎn)軸的問(wèn)題?；剞D(zhuǎn)軸的問(wèn)題。 中間面中間面 指與殼體內(nèi)外表面等距離的曲面。指與殼體內(nèi)外表面等距離的曲面。 母線(xiàn)：母線(xiàn)：AB 經(jīng)線(xiàn)：經(jīng)線(xiàn)：AB、AB 法線(xiàn)：法線(xiàn)：(

2、n) 緯線(xiàn)：緯線(xiàn)：CND圓圓第一曲率半徑：第一曲率半徑： 指中間面上的一點(diǎn)指中間面上的一點(diǎn)M處經(jīng)線(xiàn)處經(jīng)線(xiàn)的曲率半徑：的曲率半徑：R1=MK1第二曲率半徑：第二曲率半徑： 通過(guò)經(jīng)線(xiàn)上一點(diǎn)通過(guò)經(jīng)線(xiàn)上一點(diǎn)M的法線(xiàn)作的法線(xiàn)作垂直于經(jīng)線(xiàn)的平面，其與中間垂直于經(jīng)線(xiàn)的平面，其與中間面相交形成曲線(xiàn)面相交形成曲線(xiàn)ME，此曲線(xiàn)在，此曲線(xiàn)在M點(diǎn)處的曲率半徑稱(chēng)為該點(diǎn)的點(diǎn)處的曲率半徑稱(chēng)為該點(diǎn)的第二曲率半徑：第二曲率半徑：R2=MK22）薄壁容器變形特點(diǎn)）薄壁容器變形特點(diǎn) 當(dāng)容器內(nèi)部壓力當(dāng)容器內(nèi)部壓力P P大于外部壓力大于外部壓力P P外外時(shí)，容器產(chǎn)生兩種變形：時(shí)，容器產(chǎn)生兩種變形：拉伸變形和彎曲變形，其中拉伸應(yīng)力拉伸變

3、形和彎曲變形，其中拉伸應(yīng)力拉拉遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力彎彎。承受內(nèi)壓圓筒中的薄膜應(yīng)力承受內(nèi)壓圓筒中的薄膜應(yīng)力 無(wú)力矩理論的基本假設(shè)無(wú)力矩理論的基本假設(shè) 直法線(xiàn)假設(shè)直法線(xiàn)假設(shè) 互不擠壓假設(shè)互不擠壓假設(shè) 變形前后殼體厚度不變。變形前后殼體厚度不變。忽略殼壁的法向應(yīng)力。忽略殼壁的法向應(yīng)力。3）薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力計(jì)算公式）薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力計(jì)算公式 m：經(jīng)向應(yīng)力：經(jīng)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力 環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式外力的合力在微元體法線(xiàn)方向的投影：外力的合力在微元體法線(xiàn)方向的投影：經(jīng)向應(yīng)力的合力在法線(xiàn)經(jīng)向應(yīng)力的合力在法線(xiàn)n上的投影：上的投影：環(huán)向應(yīng)力的合力在法線(xiàn)環(huán)向應(yīng)力的合力在法線(xiàn)n上的

4、投影：上的投影：根據(jù)法線(xiàn)方向力的平衡條件，得：根據(jù)法線(xiàn)方向力的平衡條件，得：即即因?yàn)椋阂驗(yàn)椋赫淼茫赫淼茫鹤饔迷谠摬糠值耐饬υ谧饔迷谠摬糠值耐饬υ趜軸方向上合力為軸方向上合力為Pz作用在該截面上的應(yīng)力在作用在該截面上的應(yīng)力在z軸上投影為軸上投影為Nz 經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式由由z軸方向的平衡條件：軸方向的平衡條件：即即(2-1)(2-2) 軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)殼體薄膜理論的應(yīng)用范圍軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)殼體薄膜理論的應(yīng)用范圍 薄壁無(wú)力矩應(yīng)力狀態(tài)的存在，必須滿(mǎn)足殼體薄壁無(wú)力矩應(yīng)力狀態(tài)的存在，必須滿(mǎn)足殼體是軸對(duì)稱(chēng)的，即幾何形狀、材料、載荷的對(duì)稱(chēng)性是軸對(duì)稱(chēng)的，即幾何形狀、材料、載荷的對(duì)稱(chēng)性和連續(xù)性，同時(shí)需保證

5、殼體應(yīng)具有自由邊緣。當(dāng)和連續(xù)性，同時(shí)需保證殼體應(yīng)具有自由邊緣。當(dāng)這些條件不能全部滿(mǎn)足時(shí)，就不能應(yīng)用無(wú)力矩理這些條件不能全部滿(mǎn)足時(shí)，就不能應(yīng)用無(wú)力矩理論去分析發(fā)生彎曲時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。但遠(yuǎn)離局部區(qū)論去分析發(fā)生彎曲時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。但遠(yuǎn)離局部區(qū)域的情況，無(wú)力矩理論仍然有效。域的情況，無(wú)力矩理論仍然有效。4）受氣體內(nèi)壓的殼體的受力分析）受氣體內(nèi)壓的殼體的受力分析 圓筒形殼體圓筒形殼體 圓筒殼的第一曲率半徑圓筒殼的第一曲率半徑R1=，第二曲率半徑，第二曲率半徑R2=D/2代入薄代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（）和（2-2）得：）得：224mpRpD分析：分析：薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是

6、經(jīng)向應(yīng)力兩倍。薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍。問(wèn)題問(wèn)題a a：筒體上開(kāi)橢圓孔，如何開(kāi)：筒體上開(kāi)橢圓孔，如何開(kāi)? ?應(yīng)使其短軸與筒體的軸線(xiàn)應(yīng)使其短軸與筒體的軸線(xiàn)平行，以盡量減少開(kāi)孔對(duì)平行，以盡量減少開(kāi)孔對(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。向應(yīng)力不致增加很多。/ 4/ 2mpDpD分析：分析：?jiǎn)栴}問(wèn)題b b：鋼板卷制圓筒形：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？哪個(gè)易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意施焊時(shí)應(yīng)予以注意。/ 4/ 2mpDpD例：例：球形殼體球形殼體

7、 球殼的球殼的R1R2=D/2，代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（，代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（）和（2-2）得：得：橢圓形殼體橢圓形殼體 橢圓殼的經(jīng)線(xiàn)為一橢圓，設(shè)其經(jīng)線(xiàn)方程為橢圓殼的經(jīng)線(xiàn)為一橢圓，設(shè)其經(jīng)線(xiàn)方程為 由此方程可得第一曲率半徑為：由此方程可得第一曲率半徑為：根據(jù)上圖，第二曲率半徑為：根據(jù)上圖，第二曲率半徑為：將所得將所得R1與與R2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（）和（2-2）得：）得： 在頂點(diǎn)（在頂點(diǎn)（x=0）處）處 橢圓殼體上的應(yīng)力分布為：橢圓殼體上的應(yīng)力分布為： 在邊緣（在邊緣（x=a）處）處 橢圓封頭的經(jīng)向應(yīng)力分布橢圓封頭的經(jīng)向應(yīng)力分布對(duì)于

8、化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，對(duì)于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故，故頂點(diǎn)處：頂點(diǎn)處： 邊緣處：邊緣處： 圓錐形殼體圓錐形殼體右圖所示為一圓錐形殼，半錐右圖所示為一圓錐形殼，半錐角為角為a a，A點(diǎn)處半徑為點(diǎn)處半徑為r，厚度，厚度為為 ，則在，則在A(yíng)點(diǎn)處：點(diǎn)處：代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（和（2-2）得）得A點(diǎn)處的應(yīng)力：點(diǎn)處的應(yīng)力：acos 21rRR可見(jiàn)，在錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而可見(jiàn)，在錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而在錐底在錐底 r = D/2二、壓力容器的邊緣問(wèn)題及特性二、壓力容器的邊緣問(wèn)題及特性1. 邊緣問(wèn)題邊緣問(wèn)題 曲率變化導(dǎo)致的

9、彎曲應(yīng)力。曲率變化導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力。 聯(lián)接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力聯(lián)接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力2. 邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)局部性局部性 不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開(kāi)邊緣的但它們大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開(kāi)邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。自限性自限性 由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，相互制約而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變相互制約而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變形的約束就會(huì)緩解，邊緣應(yīng)力自動(dòng)受到限制，這就是邊形的約束就

10、會(huì)緩解，邊緣應(yīng)力自動(dòng)受到限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。緣應(yīng)力的自限性。3. 對(duì)邊緣應(yīng)力的處理對(duì)邊緣應(yīng)力的處理若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)生破壞的危險(xiǎn)若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性。性。 正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不按局部應(yīng)力來(lái)確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對(duì)按局部應(yīng)力來(lái)確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對(duì)于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。第二節(jié)第二節(jié) 壓力容器的安全設(shè)計(jì)壓力容器的安全設(shè)計(jì) 壓力容器設(shè)計(jì)是保障壓力容器安全的首要環(huán)壓力容器設(shè)計(jì)是保障壓力容器安

11、全的首要環(huán)節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)從安全角度包括強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)和節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)從安全角度包括強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，兩者都離不開(kāi)正確選材，不同材料結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，兩者都離不開(kāi)正確選材，不同材料的容器的承載能力與結(jié)構(gòu)可靠程度是不同的。的容器的承載能力與結(jié)構(gòu)可靠程度是不同的。 壓力容器的安全設(shè)計(jì)，指在確定的容器結(jié)構(gòu)壓力容器的安全設(shè)計(jì)，指在確定的容器結(jié)構(gòu)尺寸下，所選材料在容器壽命期內(nèi)有足夠抵抗各種尺寸下，所選材料在容器壽命期內(nèi)有足夠抵抗各種外來(lái)載荷和經(jīng)受周?chē)h(huán)境條件破壞的能力；而結(jié)構(gòu)外來(lái)載荷和經(jīng)受周?chē)h(huán)境條件破壞的能力；而結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)容器的總體或局部結(jié)構(gòu)時(shí)，盡的安全設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)容器的總體或局部結(jié)

12、構(gòu)時(shí)，盡量避免制造和使用中附加的削弱容器強(qiáng)度的因素。量避免制造和使用中附加的削弱容器強(qiáng)度的因素。 1.1.設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)壓力容器 根據(jù)化工生產(chǎn)工藝提出的條根據(jù)化工生產(chǎn)工藝提出的條件，確定設(shè)計(jì)所需參數(shù)（件，確定設(shè)計(jì)所需參數(shù)（p p，t t，D D），選定材料和，選定材料和結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算確定容器筒體及封頭壁結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算確定容器筒體及封頭壁厚。已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)的受壓元件，可直接選取。厚。已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)的受壓元件，可直接選取。 2.2.校核在用容器校核在用容器 判定在一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)，或在剩余壽命期內(nèi)，判定在一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)，或在剩余壽命期內(nèi)，容器是否還能在原設(shè)計(jì)條件下安全使用。容器是否還能

13、在原設(shè)計(jì)條件下安全使用。 對(duì)于已不能在原設(shè)計(jì)條件下使用的容器，應(yīng)通對(duì)于已不能在原設(shè)計(jì)條件下使用的容器，應(yīng)通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算，為容器提出最高允許工作壓力。過(guò)強(qiáng)度計(jì)算，為容器提出最高允許工作壓力。 如果容器針對(duì)某一使用條件需要判廢，應(yīng)為判如果容器針對(duì)某一使用條件需要判廢，應(yīng)為判廢提供依據(jù)。廢提供依據(jù)。一、壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容一、壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容二二薄壁薄壁圓筒圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式強(qiáng)度計(jì)算公式1. 理論計(jì)算厚度理論計(jì)算厚度 t設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度t下，筒體材料的許用應(yīng)力，下，筒體材料的許用應(yīng)力，MPa。考慮焊接接頭系數(shù)考慮焊接接頭系數(shù) 容器筒體一般由鋼板卷焊而成。由于在焊接加熱過(guò)程容器筒體一般由鋼板卷焊而

14、成。由于在焊接加熱過(guò)程中，對(duì)焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在焊縫處往往形中，對(duì)焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。因此，鋼板的許用應(yīng)力度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。因此，鋼板的許用應(yīng)力 t應(yīng)該用強(qiáng)度較低的焊縫許用應(yīng)力代替。辦法是把鋼板的許應(yīng)該用強(qiáng)度較低的焊縫許用應(yīng)力代替。辦法是把鋼板的許用應(yīng)力乘以焊接接頭系數(shù)用應(yīng)力乘以焊接接頭系數(shù)f f，f f1。使用圓筒內(nèi)直徑使用圓筒內(nèi)直徑工藝設(shè)計(jì)中確定的是容器內(nèi)徑工藝設(shè)計(jì)中確定的是容器內(nèi)徑Di，在制造過(guò)程中測(cè)量的也，在制造過(guò)程中

15、測(cè)量的也是圓筒的內(nèi)徑，而受力分析中的是圓筒的內(nèi)徑，而受力分析中的D指的卻是筒體中面直徑。指的卻是筒體中面直徑。2. 設(shè)計(jì)厚度與名義厚度設(shè)計(jì)厚度與名義厚度（1）鋼板的負(fù)偏差）鋼板的負(fù)偏差C1。（2）腐蝕裕量）腐蝕裕量C2 考慮到介質(zhì)對(duì)筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度考慮到介質(zhì)對(duì)筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度時(shí)，在計(jì)算厚度時(shí)，在計(jì)算厚度 的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。由此得到筒。由此得到筒體的體的設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)厚度為為 ：而筒體的而筒體的名義厚度名義厚度為為 ：3. 有效厚度有效厚度碳素鋼、低合金鋼容器：碳素鋼、低合金鋼容器：min不小于不小于3mm； 高合金制容器：高合金

16、制容器：min不小于不小于2mm；最小厚度（最小厚度（min）考慮容器的剛性考慮容器的剛性 制造、運(yùn)輸、吊裝；制造、運(yùn)輸、吊裝； 3. 壓力容器的最小厚度壓力容器的最小厚度三、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式三、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度厚度附加量厚度附加量等等焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)許用應(yīng)力許用應(yīng)力1、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)壓力 為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值 不低于不低于最高工作壓力最高工作壓力。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過(guò)程中容器頂部在正常工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高表壓。可能產(chǎn)生的最

17、高表壓。外壓：外壓：取取1.251.25倍的最倍的最大內(nèi)外大內(nèi)外壓差或壓差或0.1 MPa0.1 MPa裝裝安全閥安全閥不低于安全閥開(kāi)啟壓力，不低于安全閥開(kāi)啟壓力，1.051.10倍倍 最高工作壓力。最高工作壓力。裝裝爆破片爆破片爆破片最低標(biāo)定爆破壓力（取所選爆爆破片最低標(biāo)定爆破壓力（取所選爆 破片制造范圍的上限），破片制造范圍的上限），1.151.3倍倍 的最高工作壓力。的最高工作壓力。盛裝液化氣體容器盛裝液化氣體容器根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的 最高金屬溫度確定。最高金屬溫度確定。 重錘杠桿式安全閥彈簧式安全閥爆破片爆破片2、正拱開(kāi)縫型1、正拱普通拉伸型3、反拱型計(jì)算壓

18、力計(jì)算壓力是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截 面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計(jì)算壓力通常情況下，計(jì)算壓力=設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力+液柱靜壓力液柱靜壓力當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力420，鉻鉬合金鋼，鉻鉬合金鋼450， 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼550時(shí)，時(shí)， 鋼制壓力容器鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)用材料許用應(yīng)力的取值方法力的取值方法表表9-2 鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法材材 料料 許用應(yīng)力許用應(yīng)力取下列各值中的最小值取下列各值中的最小值/M

19、Pa 碳素鋼、低合金碳素鋼、低合金鋼、鐵素體高合鋼、鐵素體高合金鋼金鋼 奧氏體高合金鋼奧氏體高合金鋼 0 . 3b 6 . 1s 6 . 1ts 5 . 1tD 0 . 1tn 0 . 3b 5 . 1)(2 . 0s )1t2 . 0ts5 . 1)( 5 . 1tD 0 . 1tn 接頭形式接頭形式無(wú)損檢測(cè)要求及長(zhǎng)度比例無(wú)損檢測(cè)要求及長(zhǎng)度比例焊縫缺陷焊縫缺陷夾渣、未熔透、夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等裂紋、氣孔等焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大母材強(qiáng)度或塑性降低母材強(qiáng)度或塑性降低薄弱環(huán)節(jié)薄弱環(huán)節(jié)4、焊接接頭系數(shù)、焊接接頭系數(shù)焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值，反映容器焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值，反

20、映容器 強(qiáng)度受削弱的程度。強(qiáng)度受削弱的程度。影響因素影響因素 焊縫系數(shù)的大小與材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接焊縫系數(shù)的大小與材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接結(jié)構(gòu)、坡結(jié)構(gòu)、坡 口型式、焊接方法、焊縫無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度比例以及焊前口型式、焊接方法、焊縫無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度比例以及焊前預(yù)熱處理及焊后熱處理等因素有關(guān)。目前我國(guó)預(yù)熱處理及焊后熱處理等因素有關(guān)。目前我國(guó)鋼制壓力容器鋼制壓力容器中的焊縫系數(shù)主要依據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)、坡口型式、無(wú)損檢測(cè)的要求等中的焊縫系數(shù)主要依據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)、坡口型式、無(wú)損檢測(cè)的要求等確定。焊縫系數(shù)的選擇見(jiàn)下表。確定。焊縫系數(shù)的選擇見(jiàn)下表。 焊接接頭焊接接頭形式形式無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)比例比例值

21、值焊接接頭焊接接頭形式形式無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)比例比例值值雙面焊對(duì)雙面焊對(duì)接接頭和接接頭和相當(dāng)于雙相當(dāng)于雙面焊的全面焊的全熔透對(duì)接熔透對(duì)接接頭接頭100%1.00單面焊對(duì)單面焊對(duì)接接頭（接接頭（沿焊縫根沿焊縫根部全長(zhǎng)有部全長(zhǎng)有緊貼基本緊貼基本金屬的墊金屬的墊板）板）100%0.90局部局部0.85局部局部0.80表表 鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)值值5、厚度附加量、厚度附加量厚度厚度計(jì)算厚度計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)厚度d名義厚度名義厚度n有效厚度有效厚度e成型厚度成型厚度成形后厚度成形后厚度制造廠(chǎng)考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二制造廠(chǎng)考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二 次向上

22、圓整得到的坯板厚度，再減去實(shí)際加工次向上圓整得到的坯板厚度，再減去實(shí)際加工 減薄量后的厚度，也為減薄量后的厚度，也為出廠(chǎng)時(shí)容器的實(shí)際厚度出廠(chǎng)時(shí)容器的實(shí)際厚度。 一般，成形后厚度大于設(shè)計(jì)厚度就可滿(mǎn)足強(qiáng)度一般，成形后厚度大于設(shè)計(jì)厚度就可滿(mǎn)足強(qiáng)度 要求。要求。加工減薄量加工減薄量根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造 廠(chǎng)而并非由設(shè)計(jì)人員確定。廠(chǎng)而并非由設(shè)計(jì)人員確定。計(jì)算厚度計(jì)算厚度有效厚度有效厚度e成型后厚度成型后厚度毛坯厚度毛坯厚度名義厚度名義厚度n設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)厚度dC1+C2加工減薄量加工減薄量加工減薄量加工減薄量第一次厚度圓整值第一次厚度圓整值厚度負(fù)偏差厚度負(fù)

23、偏差C1腐蝕裕量腐蝕裕量C2第二次厚度圓整值第二次厚度圓整值厚度關(guān)系示意圖厚度關(guān)系示意圖腐蝕裕量均勻腐蝕速率腐蝕裕量均勻腐蝕速率容器設(shè)計(jì)壽命容器設(shè)計(jì)壽命腐蝕裕量只對(duì)防止均勻腐蝕破壞有意義；腐蝕裕量只對(duì)防止均勻腐蝕破壞有意義；對(duì)于應(yīng)力腐蝕、對(duì)于應(yīng)力腐蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應(yīng)著重選擇耐氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應(yīng)著重選擇耐腐蝕材料或進(jìn)行適當(dāng)防腐蝕處理。腐蝕材料或進(jìn)行適當(dāng)防腐蝕處理。碳素鋼、低合金鋼：碳素鋼、低合金鋼： C2不小于不小于1mm；不銹鋼：介質(zhì)腐蝕性極微時(shí)，可取不銹鋼：介質(zhì)腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。腐蝕裕量腐蝕裕量防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而

24、防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而 導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒 體、封頭、接管等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的體、封頭、接管等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的 腐蝕裕量。腐蝕裕量。五、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)五、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì) 1、要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制造質(zhì)量和避免、減少制造缺陷； 2、要求結(jié)構(gòu)便于無(wú)損檢驗(yàn)，使制造和使用中產(chǎn)生的缺陷能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢查出來(lái)； 3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮盡量降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中。降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中：降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中： （1）結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)平滑過(guò)渡。）結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)平滑過(guò)渡。圖2-14 （

25、2）引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)）引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，避免高應(yīng)力疊加。，避免高應(yīng)力疊加。圖2-15 （3）避免采用剛性過(guò)大的焊接結(jié)構(gòu)。）避免采用剛性過(guò)大的焊接結(jié)構(gòu)。圖2-16 （4）受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。）受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。圖2-17六、材料選擇六、材料選擇 材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ)材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ), 正確地選用壓力正確地選用壓力容器材料是保證壓力容器長(zhǎng)期安全使用的一個(gè)基本容器材料是保證壓力容器長(zhǎng)期安全使用的一個(gè)基本條件。壓力容器是在承壓狀態(tài)下進(jìn)行工作條件。壓力容器是在承壓狀態(tài)下進(jìn)行工作, 有些還有些還要同時(shí)承受高溫、低溫或腐蝕介質(zhì)

26、的聯(lián)合作用要同時(shí)承受高溫、低溫或腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用, 由由此對(duì)構(gòu)成壓力容器的材料提出了更高的要求。此對(duì)構(gòu)成壓力容器的材料提出了更高的要求。 目前絕大部分壓力容器都是鋼制的目前絕大部分壓力容器都是鋼制的,壓力容器壓力容器材料的選擇材料的選擇,應(yīng)著重考慮材料的應(yīng)著重考慮材料的機(jī)械性能機(jī)械性能、工藝性工藝性能能和和耐腐蝕性能耐腐蝕性能。 1.材料的機(jī)械性能材料的機(jī)械性能 (1)強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo) 強(qiáng)度是材料抵抗外力作用而避免產(chǎn)生強(qiáng)度是材料抵抗外力作用而避免產(chǎn)生屈服屈服和和斷裂破壞斷裂破壞的能的能力力, 它是決定鋼材許用應(yīng)力值的依據(jù)。其常用強(qiáng)度指標(biāo)有抗拉強(qiáng)它是決定鋼材許用應(yīng)力值的依據(jù)。其常用強(qiáng)度指標(biāo)有抗

27、拉強(qiáng)度度b和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度s,高溫工作時(shí)高溫工作時(shí),還應(yīng)考慮還應(yīng)考慮蠕變極限蠕變極限bt和和持久極持久極限限D(zhuǎn)t。 材料的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)系到容器的厚度和總重材料的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)系到容器的厚度和總重,選用強(qiáng)度較高的選用強(qiáng)度較高的鋼材在高壓容器設(shè)計(jì)和目前壓力容器日趨高參數(shù)鋼材在高壓容器設(shè)計(jì)和目前壓力容器日趨高參數(shù)(高溫、高壓高溫、高壓)及及大型化的條件下更有其重要意義。一般而言大型化的條件下更有其重要意義。一般而言,鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高總伴隨著延塑性和沖擊韌性的下降高總伴隨著延塑性和沖擊韌性的下降,從而帶來(lái)了制造工藝性的從而帶來(lái)了制造工藝性的困難和防止脆性破壞性能的下降。高強(qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集

28、中比較敏困難和防止脆性破壞性能的下降。高強(qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感感,抗低循環(huán)疲勞的能力也較差?？沟脱h(huán)疲勞的能力也較差。 (2)塑性指標(biāo)塑性指標(biāo) 塑性指標(biāo)反映材料塑性變形的能力塑性指標(biāo)反映材料塑性變形的能力,一般以鋼材在斷裂前塑一般以鋼材在斷裂前塑性變形量的大小來(lái)衡量。表示鋼材塑性的指標(biāo)主要是性變形量的大小來(lái)衡量。表示鋼材塑性的指標(biāo)主要是延伸率延伸率以以及及斷面收縮率斷面收縮率。 壓力容器在制造過(guò)程中的次序、熱加工成型都要求材料具壓力容器在制造過(guò)程中的次序、熱加工成型都要求材料具有良好的塑性有良好的塑性, 塑性好的鋼材在斷裂時(shí)一般都表現(xiàn)出塑性破壞的塑性好的鋼材在斷裂時(shí)一般都表現(xiàn)出塑性破壞的特征

29、特征,即在破壞前產(chǎn)生明顯的塑性變形即在破壞前產(chǎn)生明顯的塑性變形,破壞時(shí)呈剪切撕裂斷口破壞時(shí)呈剪切撕裂斷口不不產(chǎn)生碎片產(chǎn)生碎片,所以相對(duì)脆性破壞而言易于檢查發(fā)現(xiàn)并避免所以相對(duì)脆性破壞而言易于檢查發(fā)現(xiàn)并避免,即使破壞即使破壞所構(gòu)成的危害性較小。塑性好的材料可使容器某些應(yīng)力集中處所構(gòu)成的危害性較小。塑性好的材料可使容器某些應(yīng)力集中處產(chǎn)生的高應(yīng)力因屈服而重新分布產(chǎn)生的高應(yīng)力因屈服而重新分布, 使應(yīng)力分布趨于均勻化使應(yīng)力分布趨于均勻化, 避免避免脆斷的發(fā)生。脆斷的發(fā)生。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦壓力容器用鋼其延伸率對(duì)于碳鋼推薦壓力容器用鋼其延伸率對(duì)于碳鋼及錳鋼不小于及錳鋼不小于16%,

30、對(duì)于合金鋼不小于對(duì)于合金鋼不小于14%。材料的冷彎性能。材料的冷彎性能也是材料塑性及其抵抗彎曲斷裂能力的一個(gè)標(biāo)志。也是材料塑性及其抵抗彎曲斷裂能力的一個(gè)標(biāo)志。 表示材料塑性的另一個(gè)標(biāo)志是表示材料塑性的另一個(gè)標(biāo)志是屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比,s/b屈強(qiáng)比越高屈強(qiáng)比越高,s和和b的差距越小的差距越小,材料的塑性?xún)?chǔ)備也越小。材料的塑性?xún)?chǔ)備也越小。高強(qiáng)度鋼的屈高強(qiáng)度鋼的屈強(qiáng)比較大強(qiáng)比較大,故塑性較差故塑性較差,相應(yīng)其韌性也較低相應(yīng)其韌性也較低。 (3)韌性指標(biāo)韌性指標(biāo) 韌性是反映鋼材塑性和強(qiáng)度的綜合指標(biāo)韌性是反映鋼材塑性和強(qiáng)度的綜合指標(biāo),反映鋼材在斷裂破壞反映鋼材在斷裂破壞前吸收能量的能力。前吸收能量的能力。 材料

31、的韌性是影響壓力容器低應(yīng)力脆斷的重要因素。長(zhǎng)期以材料的韌性是影響壓力容器低應(yīng)力脆斷的重要因素。長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)壓力容器發(fā)生脆斷的原因及對(duì)材料的韌性要求作了大量來(lái)人們對(duì)壓力容器發(fā)生脆斷的原因及對(duì)材料的韌性要求作了大量的研究的研究,防止發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要指標(biāo)是材料的防止發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要指標(biāo)是材料的沖擊韌性沖擊韌性和材和材料的料的斷裂韌性斷裂韌性KIc或臨界裂紋張開(kāi)位移或臨界裂紋張開(kāi)位移c。以上指標(biāo)對(duì)材料的脆性。以上指標(biāo)對(duì)材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度十分敏感。轉(zhuǎn)變溫度十分敏感。 容器在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)容器在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí),須對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)的最低溫度加以控制須對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)的最低溫度加以控制,這是為了防止材料在低溫下

32、沖擊韌性下降而突然發(fā)生脆斷的措施這是為了防止材料在低溫下沖擊韌性下降而突然發(fā)生脆斷的措施之一。之一。 2. 制造工藝性能制造工藝性能 低合金強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用低合金強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用,對(duì)鋼材焊接性的評(píng)定提出了新的對(duì)鋼材焊接性的評(píng)定提出了新的要求。試驗(yàn)表明要求。試驗(yàn)表明,鋼材強(qiáng)度越高鋼材強(qiáng)度越高,焊接熱影響區(qū)的硬度也越高焊接熱影響區(qū)的硬度也越高,出出現(xiàn)焊接裂紋的可能性也越大現(xiàn)焊接裂紋的可能性也越大。為了保證鋼材的焊接性。為了保證鋼材的焊接性,必須對(duì)鋼必須對(duì)鋼材的材的含碳量含碳量或碳當(dāng)量加以限制。我國(guó)或碳當(dāng)量加以限制。我國(guó)“安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”規(guī)規(guī)定定,含碳量大于含碳量大于0.25的鋼材

33、不能用于焊接容器。日本焊接學(xué)會(huì)制的鋼材不能用于焊接容器。日本焊接學(xué)會(huì)制訂的訂的“焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼板標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼板標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定了中規(guī)定了碳當(dāng)量碳當(dāng)量的計(jì)算式的計(jì)算式為為 Ceq=(C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)% 控制碳當(dāng)量的目的在于保證鋼材的焊接工藝性?？刂铺籍?dāng)量的目的在于保證鋼材的焊接工藝性。 GB150還要求與受壓元件相焊接的非受壓元件用鋼還要求與受壓元件相焊接的非受壓元件用鋼,也必須也必須為可焊性好的材料。為可焊性好的材料。 3. 材料耐腐蝕性能材料耐腐蝕性能 耐腐蝕性能是材料在使用工藝條件下抵抗介質(zhì)腐蝕的能耐腐蝕性能是材料在使用工藝條件

34、下抵抗介質(zhì)腐蝕的能力。材料遭到腐蝕后力。材料遭到腐蝕后,其重量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)及其重量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)及電極過(guò)程等都可能發(fā)生變化電極過(guò)程等都可能發(fā)生變化,所以所以,它直接關(guān)系到容器的強(qiáng)度它直接關(guān)系到容器的強(qiáng)度。在容器斷裂破壞的事例中。在容器斷裂破壞的事例中,腐蝕破壞也占很大比重。防止腐腐蝕破壞也占很大比重。防止腐蝕破壞的重要措施之一是蝕破壞的重要措施之一是正確選材正確選材,而而正確的結(jié)構(gòu)型式正確的結(jié)構(gòu)型式對(duì)防止對(duì)防止腐蝕破壞也有一定的作用腐蝕破壞也有一定的作用,例如例如,當(dāng)容器停止操作時(shí)當(dāng)容器停止操作時(shí),務(wù)使容器務(wù)使容器的各處不積存任何殘液。的各處不積存任何殘液。 腐蝕破壞

35、的形式有均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕破壞的形式有均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕等五種。其中最危險(xiǎn)的是腐蝕和疲勞腐蝕等五種。其中最危險(xiǎn)的是晶間腐蝕晶間腐蝕和和應(yīng)力腐應(yīng)力腐蝕蝕,它除了與受壓元件的應(yīng)力有關(guān)外它除了與受壓元件的應(yīng)力有關(guān)外,還與材料的化學(xué)組成、還與材料的化學(xué)組成、金相組織有關(guān)金相組織有關(guān),為了防止晶間腐蝕和應(yīng)力為了防止晶間腐蝕和應(yīng)力,還應(yīng)保證鋼材化學(xué)還應(yīng)保證鋼材化學(xué)成分的控制值和熱處理狀態(tài)。成分的控制值和熱處理狀態(tài)。 七、壓力試驗(yàn)七、壓力試驗(yàn) 容器制成后必須進(jìn)行壓力試驗(yàn)容器制成后必須進(jìn)行壓力試驗(yàn),以檢驗(yàn)壓力以檢驗(yàn)壓力容器的宏觀(guān)強(qiáng)度和致密性。所謂壓力試驗(yàn)就是用容器

36、的宏觀(guān)強(qiáng)度和致密性。所謂壓力試驗(yàn)就是用液體或氣體作為加壓介質(zhì)液體或氣體作為加壓介質(zhì),在容器內(nèi)施加比它的在容器內(nèi)施加比它的最高使用壓力還要高的試驗(yàn)壓力最高使用壓力還要高的試驗(yàn)壓力,并檢查容器在并檢查容器在試驗(yàn)壓力下是否有滲漏、明顯的塑性變形以及其試驗(yàn)壓力下是否有滲漏、明顯的塑性變形以及其他的缺陷。壓力試驗(yàn)分為他的缺陷。壓力試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn)和和氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)兩兩種。種。 壓力試驗(yàn)壓力與設(shè)計(jì)壓力的比值壓力試驗(yàn)壓力與設(shè)計(jì)壓力的比值,與采用的容器設(shè)計(jì)安全系與采用的容器設(shè)計(jì)安全系數(shù)有關(guān)。按照我國(guó)情況數(shù)有關(guān)。按照我國(guó)情況,必須符合下述規(guī)定必須符合下述規(guī)定: PT=1.25p/t 且不小于且不小于(

37、p+0.1) MPa (液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn)) PT=1.15p/t 且不小于且不小于(p+0.1) MPa (氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)) 式中式中 PT試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力,MPa; p設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力,MPa; 試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa; t設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa。 其中其中/t之比值最高不應(yīng)超過(guò)之比值最高不應(yīng)超過(guò)1.8。 為了確保壓力試驗(yàn)時(shí)容器材料處于為了確保壓力試驗(yàn)時(shí)容器材料處于彈性狀態(tài)彈性狀態(tài),圓筒圓筒形容器中的薄膜應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足下述要求形容器中的薄膜應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足下述要求 T=PT(Di+e)/2e0.9sMPa(液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn)) T=P

38、T(Di+e)/2e 0.8sMPa(氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)) 式中式中e圓筒的有效厚度，圓筒的有效厚度，mm。 焊縫系數(shù)焊縫系數(shù) 如不能滿(mǎn)足上述要求如不能滿(mǎn)足上述要求,應(yīng)增加容器壁厚。應(yīng)增加容器壁厚。 在壓力試驗(yàn)時(shí)在壓力試驗(yàn)時(shí),為了避免材料的低溫脆性破裂為了避免材料的低溫脆性破裂,試驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境和水溫必須高于材料的和水溫必須高于材料的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度。 根據(jù)我國(guó)目前壓力容器用材的情況根據(jù)我國(guó)目前壓力容器用材的情況,壓力試驗(yàn)時(shí)壓力試驗(yàn)時(shí),如用碳如用碳素鋼、素鋼、16MnR制造容器制造容器,液體溫度不低于液體溫度不低于5; 對(duì)于其他低合對(duì)于其他低合金鋼金鋼(不包含低溫容器不包含低溫容器), 則液體溫度不得低于則液體溫度不得低于15。 如果由于板厚等因素造成材料脆性轉(zhuǎn)變溫度升高如果由于板厚等因素造成材料脆性轉(zhuǎn)變溫度升高,還要還要相應(yīng)地提高液體的試驗(yàn)溫度。氣壓試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)地提高液體的試驗(yàn)溫度。氣壓試驗(yàn)時(shí),氣體溫度不應(yīng)低氣體溫度不應(yīng)低于于15。 液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn)時(shí)時(shí),容器的頂部應(yīng)設(shè)排氣口容器的頂部應(yīng)設(shè)排氣口,以排盡容器內(nèi)的空氣以排盡容器內(nèi)的空氣,使液體充滿(mǎn)