申報(bào)精品課程：壓力容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)緒言IntroductionofPressureVesselDesign潘家禎華東理工大學(xué)1申報(bào)精品課程：壓力容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)緒言潘家禎11.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿21.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿21.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿31.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿31.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿41.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿41.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿現(xiàn)代化企業(yè)的召喚，需要新一代的接班人，企業(yè)未來的主人，怎樣挑起肩上的責(zé)任？把美好的理想，凝聚成人生的輝煌。培養(yǎng)你們的才能，誓作祖國的棟梁。

51.概述1.1現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿現(xiàn)代化企業(yè)的召喚，需要新一代1.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)應(yīng)用的廣泛性61.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)應(yīng)用的廣泛性61.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)

鍋爐、換熱器、加熱爐=圓筒外殼+傳熱管束核反應(yīng)堆=圓筒安全殼+核反應(yīng)零部件塔器=圓筒外殼+傳質(zhì)元件（浮閥、填料等）反應(yīng)釜=圓筒夾套+攪拌器壓縮機(jī)、真空泵=圓筒氣缸+活塞透平機(jī)、泵=蝸殼+葉輪

應(yīng)用的廣泛性過程裝備=受壓外殼+功能內(nèi)件71.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)鍋爐、換熱器、加熱爐=1.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)壓力容器不僅被廣泛用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥、冶金、機(jī)械、采礦、電力、航天航空、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)部門，在農(nóng)業(yè)、民用和軍工部門也頗常見，其中尤以石油化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍，石油化工企業(yè)中的塔、釜、槽、罐無一不是貯器或作為設(shè)備的外殼，而且絕大多數(shù)是在壓力溫度下運(yùn)行，如一個(gè)年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置，約有793臺(tái)設(shè)備，其中壓力容器281臺(tái)，占了35.4%。蒸汽鍋爐也屬于壓力容器，但它是用直接火焰加熱的特種受壓容器，至于民用或工廠用的液化石油氣瓶，更是到處可見。

應(yīng)用的廣泛性81.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)壓力容器不僅被廣泛用于化學(xué)、石1.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)壓力容器的操作條件十分復(fù)雜，甚至近于苛刻。壓力從1～2×10－5Pa的真空到高壓、超高壓，如石油加氫為10.5～21.0MPa；高壓聚乙烯為100～200MPa；合成氨為10～100MPa；人造水晶高達(dá)140MPa；溫度從-196oC低溫到超過一千攝氏度的高溫；而處理介質(zhì)則包羅爆、燃、毒、輻(照)、腐(蝕)、磨(損)等數(shù)千個(gè)品種。操作條件的復(fù)雜性使壓力容器從設(shè)計(jì)、制造、安裝到使用、維護(hù)都不同于一般機(jī)械設(shè)備，而成為一類特殊設(shè)備。

操作的復(fù)雜性91.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)壓力容器的操作條件十分復(fù)雜，甚1.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)壓力容器因其承受各種靜、動(dòng)載荷或交變載荷，還有附加的機(jī)械或溫度載荷；其次，大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和液體，若容器破裂，導(dǎo)致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來的破壞能量極大，加上壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容易產(chǎn)生各種焊接缺陷，一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂，器內(nèi)易爆、易燃、有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢(shì)必造成極具災(zāi)難性的后果。因此，對(duì)壓力容器要求很高的安全可靠性。

安全的高要求101.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)壓力容器因其承受各種靜、動(dòng)載荷1.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展，如核電站一個(gè)1500MW壓水堆壓力殼，工作壓力為14～16MPa，工作溫度為250～330oC，容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚317mm，重650噸；又如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為17.5～25MPa，工作溫度為450～550oC，內(nèi)直徑為3000～5000mm，壁厚為200～400mm，重400～2600噸，對(duì)這類容器的工藝要求和運(yùn)行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器又有更高更嚴(yán)格的安全性要求。

安全的高要求111.概述1.2壓力容器的特點(diǎn)當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)1.概述1.3壓力容器的安全特征1996年12月的統(tǒng)計(jì)資料表明，國內(nèi)在用固定式壓力容器多達(dá)122.22萬臺(tái)，移動(dòng)式壓力容器中罐車16910輛，在用氣瓶5498.7571萬只；鍋爐總臺(tái)數(shù)也高達(dá)51.57萬臺(tái)。此外全國持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計(jì)2432個(gè)，設(shè)計(jì)單位1380個(gè)。如此龐大且潛在隱患容器的存在，以及地域廣泛的制造設(shè)計(jì)部門，自然成為國內(nèi)外政府部門特別重視其安全管理和監(jiān)察檢查的原因。

量大面廣121.概述1.3壓力容器的安全特征1996年12月的統(tǒng)計(jì)資料1.概述1.3壓力容器的安全特征國內(nèi)1998年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故132起，嚴(yán)重事故274起，共死亡104人，受傷371人，直接經(jīng)濟(jì)損失2813.58萬元。鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆炸事故率分別為1.07次/萬臺(tái)，0.28次/萬臺(tái)，0.65次/萬臺(tái)。

事故率高131.概述1.3壓力容器的安全特征國內(nèi)1998年共發(fā)生鍋爐、1.概述1.3壓力容器的安全特征1968年英國原子能局（UKAEA）安全衛(wèi)生處和聯(lián)合部技術(shù)委員會(huì)（AOTC）工程檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以內(nèi)，符合英國BS1500和BS1515等壓力容器規(guī)范的一級(jí)壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計(jì)情況如下表所示：

危害性大壓力容器破壞幾率

年份容器運(yùn)行災(zāi)難性事故a損傷事故b總計(jì)臺(tái)·年次數(shù)事故率次數(shù)事故率次數(shù)事故1962-196710030070.7×10－41251.25×10－41321.32×10－41967-1972105400161.5×10－41231.17×10－41391.32×10－4141.概述1.3壓力容器的安全特征1968年英國原子能局（U1.概述1.3壓力容器的安全特征a.災(zāi)難性事故指災(zāi)難性破壞事故或無法修復(fù)的容器；b.損傷事故指有潛在危險(xiǎn)的事故；c.事故發(fā)生率＝發(fā)生事故數(shù)/（設(shè)備臺(tái)數(shù)×運(yùn)行年）表中的數(shù)字表明10000臺(tái)容器中發(fā)生損壞事故每年12.5次，達(dá)到破壞事故0.7次，事故幾率為1.32‰，而且這132起使用中的容器事故，按其原因分類，89.3%，即118起是各種制造裂紋所引起。

危害性大151.概述1.3壓力容器的安全特征a.災(zāi)難性事故指災(zāi)難性破壞1.概述1.3壓力容器的事故實(shí)例1979年9月7日國內(nèi)某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個(gè)，爆炸5個(gè)，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59人死亡，779人嚴(yán)重中毒。1979年12月18日國內(nèi)某液化氣站400M3儲(chǔ)罐爆炸，引發(fā)3個(gè)球罐和一個(gè)臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54人傷。161.概述1.3壓力容器的事故實(shí)例1979年9月7日國內(nèi)1.概述1.3壓力容器的事故實(shí)例

1986年4月28日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站壓力殼發(fā)生核泄漏，31人死亡，20個(gè)國家4億人受害。171.概述1.3壓力容器的事故實(shí)例1986年4月28日前1.概述1.3壓力容器的事故實(shí)例

1984年12月3日印度博帕爾市農(nóng)藥廠異氰甲酸脂儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，2580人死亡，125000人中毒，5萬人失明。181.概述1.3壓力容器的事故實(shí)例1984年12月3日印2.壓力容器設(shè)計(jì)2.1質(zhì)量保證體系定義確保容器從設(shè)計(jì)、選材、制造、投入運(yùn)行到退出服役的整個(gè)過程安全地完成使用要求而采取的有計(jì)劃、系統(tǒng)的措施。內(nèi)容材料—設(shè)計(jì)—制造與制造過程中的檢驗(yàn)—在役檢驗(yàn)與監(jiān)控。

192.壓力容器設(shè)計(jì)2.1質(zhì)量保證體系定義192.壓力容器設(shè)計(jì)2.2基本要求安全性

足夠的強(qiáng)度足夠的剛度(或穩(wěn)定性)可靠的密封性能一定的使用壽命

經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)可靠的材料經(jīng)濟(jì)的制造方法低的操作和維護(hù)費(fèi)用長周期的安全運(yùn)行

安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)原則：充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟(jì)

202.壓力容器設(shè)計(jì)2.2基本要求安全性2.壓力容器設(shè)計(jì)2.2基本要求按規(guī)則設(shè)計(jì)-GB150《鋼制壓力容器》

基于經(jīng)濟(jì)方法的設(shè)計(jì)，其典型過程是確定設(shè)計(jì)載荷，選用設(shè)計(jì)公式、曲線或圖表，并對(duì)材料取一個(gè)安全應(yīng)力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范許可的構(gòu)造細(xì)則及有關(guān)制造檢驗(yàn)要求進(jìn)行制造。

212.壓力容器設(shè)計(jì)2.2基本要求按規(guī)則設(shè)計(jì)-GB150《2.壓力容器設(shè)計(jì)2.2基本要求按分析設(shè)計(jì)-JB4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

基于考慮作用在容器上載荷的性質(zhì)，進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，計(jì)算得到的應(yīng)力按其對(duì)容器破壞的作用分類，與許用應(yīng)力強(qiáng)度比較和評(píng)定，并加上嚴(yán)格的材料、制造和檢驗(yàn)要求。

222.壓力容器設(shè)計(jì)2.2基本要求按分析設(shè)計(jì)-JB4732《鋼2.壓力容器設(shè)計(jì)2.３設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則—在特定的設(shè)計(jì)條件下，有效地利用材料的

強(qiáng)度或剛度，使容器或其部件在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)安全運(yùn)行。

強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則塑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則脆斷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蠕變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

彈性變形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則失穩(wěn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

232.壓力容器設(shè)計(jì)2.３設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則—在特定的設(shè)計(jì)條件下2.壓力容器設(shè)計(jì)2.３設(shè)計(jì)準(zhǔn)則容器不出現(xiàn)涉及總體范圍的較大變形，即在內(nèi)壓或其他拉伸等靜力載荷在器壁中所引起的最大應(yīng)力不超過材料的彈性極限。如考慮設(shè)計(jì)安全裕度，則限制在材料的許用應(yīng)力以下。

σd=σ2=pDc/2t≤[σ]彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則σ1=pD

/4tσ2=pD

/2tσ1σ2pD

t242.壓力容器設(shè)計(jì)2.３設(shè)計(jì)準(zhǔn)則容器不出現(xiàn)涉及總體范圍的較2.壓力容器設(shè)計(jì)2.３設(shè)計(jì)準(zhǔn)則當(dāng)容器總體范圍進(jìn)入整體塑性變形或局部區(qū)域沿整個(gè)壁厚進(jìn)入塑性變形時(shí)，則認(rèn)為容器己耗盡承載能力而失效。極限設(shè)計(jì)安定性準(zhǔn)則

塑性設(shè)計(jì)