壓力容器設(shè)計培訓(xùn)-王魯課件

1、1,壓力容器設(shè)計培訓(xùn),2,一．范圍、引用標(biāo)準(zhǔn)、總論１．標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍（1.1～1.2節(jié)） 適用的壓力范圍 設(shè)計壓力P：0.1～35 MPa 真空度：≥0.02 MPa ---.------------.-------------.------------------------.-------- - 0.1 -0.02 0.1

2、 35MPa 真空容器 常壓容器 壓力容器 GB150 JB/T4735 GB150,GB150-1998《鋼制壓力容器》　　　　　　　上?；ぱ芯吭骸　⊥酢◆?3,《容規(guī)》與GB150的適用情況介紹,4,適用的溫度范圍：鋼材允許的使用溫度。碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃溫度下長期使用時應(yīng)考慮鋼中碳化物相的石墨化傾向.奧氏體鋼的使用溫度高于525

3、℃時,鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%2.不適用范圍 （1.3節(jié)）3.對超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的容器的處理辦法（1.4節(jié)） --包括有限元法在內(nèi)的應(yīng)力分析； --驗證性實驗分析（如實驗應(yīng)力分析、驗證性液壓 試驗）； --用可比的已投入使用的結(jié)構(gòu)進行對比經(jīng)驗設(shè)計。,5,4. 引用標(biāo)準(zhǔn)； 5.總論：（1）GB150管轄范圍：（3.3.1節(jié)～3.3.4節(jié)容器殼體及與其連為整體的受壓零

4、部件 1）容器與外部管道連接 焊縫連接第一道環(huán)向焊縫端面 法蘭連接第一個法蘭密封面 螺紋連接第一個螺紋接頭端面 專用連接件第一個密封面,6,2）接管、人孔、手孔等的封頭、平蓋及緊固件3）非受壓元件與受壓元件焊接接頭（如支座、墊板、吊耳等）4）連接在容器上的超壓泄放裝置 （2）定義：（3.4節(jié)） 1)壓 力 除注明者外，壓力均為表壓力。 壓力（6個壓力）: Pw—工作壓力；

5、 Pd--設(shè)計壓力； Pc—計算壓力； Pt—試驗壓力； Pwmax—最大允許工作壓力； Pz 安全泄放裝置動作壓力 Pw＜Pz ≤(1.05-1.1)Pw Pd ≥Pz,7,設(shè)計壓力同計算壓力的區(qū)別 （1）定義不同。 （2）性質(zhì)不同。 （3）取值依據(jù)不同。 （4）用途不同。 （5）

6、對于矩形等非圓形截面的壓力容器，計算壓力應(yīng)取其水壓試驗時的壓力，即檢驗和使用過程中的最大承載壓力。（與設(shè)計壓力沒有直接關(guān)系。） （6）設(shè)計壓力出現(xiàn)在壓力容器總圖或裝配圖的技術(shù)特性表和壓力容器產(chǎn)品銘牌；而計算壓力只出現(xiàn)在壓力容器的計算書。 關(guān)于最大允許工作壓力 最大允許工作壓力定義為：在設(shè)計溫度下，容器頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據(jù)容器各部分殼體的有效厚度計算所得，且取最小值。,8,2)溫 度

7、Tw 在正常工況下元件的金屬溫度，實際工程中，往往以介質(zhì)的溫度表示工作溫度。Tt 壓力試驗時元件的金屬溫度，工程中也往往以試驗介質(zhì)溫度來表示試驗溫度。Td 在正常工況下，元件的金屬截面的平均溫度，由于金屬壁面溫度計算很麻煩，一般取介質(zhì)溫度加或減10-20℃得到。關(guān)于設(shè)計溫度: ⑴ 設(shè)計溫度指容器在正常工作的情況下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。它與設(shè)計壓力一起作為設(shè)計載荷條件。不過，有別于

8、設(shè)計壓力是整臺容器的載荷條件；設(shè)計溫度是具體受壓元件的載荷條件。,9,⑵ 總圖或裝配圖的技術(shù)特性表及產(chǎn)品銘牌上標(biāo)示的設(shè)計溫 度是殼體設(shè)計溫度的最高值或最低值，可以視為與設(shè)計 壓力對應(yīng)的整臺容器的設(shè)計載荷條件。 工作溫度、設(shè)計溫度的表達 工作溫度、設(shè)計溫度分別為介質(zhì)溫度和設(shè)定的元件金屬溫度。應(yīng)當(dāng)以具體數(shù)值標(biāo)示。（3）載荷：經(jīng)常性載荷；選擇性載荷；（3.5.4節(jié)）（4）厚度：厚度的定義：計算厚度；

9、設(shè)計厚度；名義厚度；有效厚度等； （3.4.8節(jié)）,10,壁厚（6個厚度） δc 計算厚度，由計算公式得到保證容器強度，剛度和穩(wěn)定的厚度δd 設(shè)計厚度，δd =δc +C2（腐蝕裕量）δn 名義厚度，δn =δd +C1（鋼材負(fù)偏差）+△（圓整量）δe 有效厚度，δe=δn-C1-C2=δc+△δmin 設(shè)計要求的成形后最小厚度，δmin≥δn-C1 δ坯 坯料厚度δ坯=δd +C1+△+C3（其中：C3 制造減

10、簿量，主要考慮材料（黑色，有色）、工藝（模壓，旋壓；冷壓，熱壓），所以C3值一般由制造廠定。）,11,12,1.“在設(shè)計圖樣上注明計算厚度”的討論: 1)對臥式容器不開檢查孔時，應(yīng)取臥式容器計算所采用的有效厚度和按“中徑公式”計算得到的厚度兩者中的較大值。 2)對于有開孔補強計算的容器應(yīng)當(dāng)考慮補強這一因素。即根據(jù)圓筒、封頭是否參與補強，若參與補強的話，則“計算厚度”尚應(yīng)加上參與補強金屬（A1）所要求的厚度. 此時，如采用等面積補

11、強法，“計算厚度”應(yīng)采用如下形式： δ2=[ A1/（B-d）-2（δnt-C）(1-fr)]+ δ1 式中：A1--殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積mm2 δ1-按GB150-1998各章計算的厚度；mm δ2--《容規(guī)》笫47條要求的計算厚度；mm 此時，笫一項為殼體參與補強所需厚度，笫二項為GB150-1998中各章公式所要求的厚度。顯然，如果少了笫一項就會迼成局部不安全。

12、,13,3)受外壓的容器殼體和封頭的計算厚度。 在GB150-1998笫六章“外壓圓筒和外壓球殼”中，只有名義厚度δn和有效厚度δe,并沒有直接出現(xiàn)外壓殼體的計算厚度δ。此時，計算厚度δ應(yīng)按照相應(yīng)外壓殼體的計算方法得出的[P]=PC ([P]:許用外壓力；PC ：計算外壓力 )時的有效厚度。如果是外壓容器的開孔補強問題，則更增加了判斷的難度。 2.對“標(biāo)注封頭成型后的最小厚度”的討論。 JB/T4746-2

13、002《鋼制壓力容器用封頭》6.3.10規(guī)定: “對于按規(guī)則設(shè)計的封頭,成型封頭實測的最小厚度不得小于封頭名義厚度減去鋼板厚度負(fù)偏差C1,但是，當(dāng)設(shè)計圖樣標(biāo)注了封頭成型后的最小厚度，可按實測的最小厚度不小于圖樣標(biāo)注的最小厚度驗收。對于按分析設(shè)計的封頭，實測的最小厚度不得小于封頭設(shè)計厚度,14,厚度負(fù)偏差C1 腐蝕裕量C2 C2=NfхdC2 Nf—設(shè)計壽命。單位：年; dC2

14、—腐蝕速率;單位：毫米/年 腐蝕裕量考慮的原則 腐蝕裕量的選取,15,（5）殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度； （3.5.6節(jié)） 1）.對碳鋼和低合金鋼制容器,不小于3mm； 2）.對高合金鋼容器,不小于2mm； 3）.碳素鋼和低合金鋼制塔式容器的最小厚度為2/1000的塔器內(nèi)直徑,且不小于4mm;對不銹鋼制塔式容器的最小厚度不小于3mm； 4）.管殼式換熱器殼體的最小厚度應(yīng)符合GB151《管殼

15、式換熱器》的相應(yīng)規(guī)定。 5)復(fù)合鋼板復(fù)層的最小厚度 a.為保證工作介質(zhì)干凈（不被鐵離子污染）而采用的復(fù)合鋼板，其復(fù)層厚度不應(yīng)小于2mm； b.為了防止工作介質(zhì)的腐蝕而采用的復(fù)合鋼板，其復(fù)層厚度不應(yīng)小于3mm； 不銹鋼堆焊層在加工后的最小厚度為3mm。 6)對有防腐蝕襯里的碳鋼或低合金鋼制容器，其鋼殼的最小厚度為5mm。,16,6）焊接接頭系數(shù)：（3.7節(jié)） 焊接接頭系數(shù)φ=焊縫區(qū)材料強度/本體

16、材料強度≤1 焊接接頭系數(shù)大小與以下主要因素有關(guān)： a. 焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式 b. 焊接接頭無損檢測的長度比例（7）壓力試驗：液壓試驗、氣壓試驗（3.8節(jié)）； a.液壓試驗 試驗溫度 試驗壓力 b.氣壓試驗 試驗溫度 試驗壓力,17,設(shè)計中應(yīng)注意： 1） 對于帶夾套的容器 2）直立設(shè)備臥置進行液壓試驗 3）奧氏體不銹鋼

17、制壓力容器用水進行液壓試驗 4）碳素鋼、Q345R、和正火15MVR鋼制容器液壓試驗 5) 若容器各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等） 所用的材料不同時 6）重疊管殼式熱交換器 7）容器在液壓試驗后，如進行修補，則應(yīng)按該焊縫的原檢 測內(nèi)容檢測合格后，再次進行液壓試驗。 8）對設(shè)計圖樣要求做氣壓試驗，并經(jīng)檢查合格的壓力容器 是否需再做氣密性試驗，應(yīng)在設(shè)計圖樣上規(guī)定。,1

18、8,液壓試驗時，圓筒的薄膜應(yīng)力校核式,σT=,≤ 0.9σsφ(σ0.2),氣壓試驗時, 圓筒的薄膜應(yīng)力校核式,σT=,≤0.8σsφ(σ0.2),（8）致密性試驗 致密性試驗有氣密性試驗或煤油滲漏試驗。 致密性試驗壓力一般取 PT=1.0P (空氣或氮氣),19,（9）現(xiàn)場組裝大型容器的耐壓試驗：（3.9節(jié)） 對不能按3.8的規(guī)定作出壓力試驗的容器,設(shè)計單位應(yīng)提出確保容器安全運行的措施,經(jīng)設(shè)計單位技術(shù)負(fù)責(zé)人

19、批準(zhǔn),并在圖樣上注明.關(guān)于壓力試驗的免除 壓力試驗一旦免除，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施來保證壓力容器的安全質(zhì)量。 一般性的措施除了在圖樣中注明計算厚度和設(shè)計使用壽命外，還有： （1）提高對壓力容器材料的要求，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能和檢驗要求。 （2）提高結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：盡量采用全焊透接頭，盡量避免幾何不連續(xù)。 （3）提高無損檢測的比例和級別。 （4）提高容器超壓泄放的能力。,20,二．內(nèi)壓

20、園筒和內(nèi)壓球殼：☆失效準(zhǔn)則 容器從承載到載荷的不斷加大最后破壞經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、爆破；因此容器強度失效準(zhǔn)則的三種觀點：彈性失效 彈性失效準(zhǔn)則認(rèn)為殼體內(nèi)壁產(chǎn)生屈服即達到材料屈服限時該殼體即失效，將應(yīng)力限制在彈性范圍，按照強度理論把筒體限制在彈性變形階段。認(rèn)為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服時即為承載的最大極限。 塑性失效 它將容器的應(yīng)力限制在塑性范圍，認(rèn)為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服而外層金屬仍處于彈性狀態(tài)時，并不會導(dǎo)致容器發(fā)生破

21、壞，只有當(dāng)容器內(nèi)外壁面全屈服時才為承載的最大極限。爆破失效 它認(rèn)為容器由韌性鋼材制成，有明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力，只有達到爆破時才是容器承載的最大極限,21,☆四個強度理論: 第一強度理論（最大主應(yīng)力理論） 認(rèn)為材料的三個主應(yīng)力中只要最大的拉應(yīng)力σ1達到了極 限應(yīng)力，材料就發(fā)生破壞。 強度條件： б1 ≤[б]t 第二強度理論（最大變形理論） 認(rèn)

22、為材料的最大的應(yīng)變達到了極限狀態(tài)，材料就發(fā)生破 壞。 強度條件： εmax≤[ε] 第三強度理論（最大剪應(yīng)力理論）,材料的最大剪應(yīng)力τmax達到了極限應(yīng)力，材料就發(fā)生破壞。 強度條件：τmax =1/2（σ1-σ3） ≤ [σ] t,22,第四強度理論（剪切變形能理論） 材料變形時，即內(nèi)部變形能量達到材料的極限值時，材料就發(fā)生破壞。 強度條件： σe=√1/2 [(σ1-σ2

23、)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2] ≤[σ] t,,薄壁圓筒容器在工程中采用無力矩理論來進行應(yīng)力計算，在內(nèi)壓P作用下，筒壁承受軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力（薄膜應(yīng)力）作用。由于殼體壁厚較薄，且不考慮殼體與其它連接處的局部應(yīng)力，忽略了彎曲應(yīng)力， 這種應(yīng)力稱為薄膜應(yīng)力。,23,軸向應(yīng)力 σz=,切向應(yīng)力 σt=,按第一強度理論條件得,σ1=σt=,≤[σ] t φ,24,≤[σ]tφ,由上式 計算厚度:δ=,上式適用于

24、設(shè)計壓力P≤0.4[σ]tφ的范圍。 相當(dāng)于K≤1.5,這是以K≤1.2 薄壁容器內(nèi)徑公式導(dǎo)出，認(rèn)為應(yīng)力是均勻分布。隨壁厚增加K值增大，應(yīng)力分布不均勻程度加大，當(dāng)K=1.5時，由薄壁公式計算應(yīng)力比拉美公式計算應(yīng)力要低23%，誤差較大；當(dāng)采用（Di+δ）替代Di內(nèi)徑后，則其應(yīng)力僅相差3.8%，這樣擴大了公式應(yīng)用范圍（K≤1.5），誤差在工程允許范圍內(nèi)。,25,(2)內(nèi)壓球殼,球形容器在均勻內(nèi)壓作用下，球形殼體軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力相等。即

25、 σ1 =σz =σt=,上述公式中，如將D=Di+δ代入并考慮了焊接接頭系數(shù)φ，如采用第一強度理論時，即得出,≤[σ]tφ,δ=,mm;,P≤0.6[σ]tφ,26,（3）設(shè)計參數(shù)的確定,1）設(shè)計壓力,容器設(shè)計時，必須考慮在工作情況下可能達到的工作壓力和對應(yīng)的工作溫度兩者組合中的各種工況，并以最苛刻工況下的工作壓力來確定設(shè)計壓力。對內(nèi)壓容器: 無安全泄放裝置 時:Pd=(1.0~1.1)PW；

26、 裝有安全閥 時:不低于(等于或稍大于)安全閥開啟壓力(安全閥開啟壓力取1.05~1.10倍工作壓力) 裝有爆破片 時:取爆破片設(shè)計爆破壓力加制造范圍上限；,27,對真空容器: 無夾套真空容器 :有安全泄放裝置設(shè)計外壓力取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的小值；無安全泄放裝置設(shè)計外壓力取0.1Mpa； 夾套內(nèi)為內(nèi)壓:容器(真空)設(shè)計外壓力按無夾套真空容器規(guī)定選取;夾套(內(nèi)壓)設(shè)計內(nèi)壓力按內(nèi)壓容器規(guī)

27、定選取； 外 壓 容 器 : 設(shè)計外壓力取不小于在正常工作情況下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓力差,28,盛裝液化石油氣或混合液化石油氣的容器 : 介質(zhì)50℃飽和蒸汽壓力低于異丁烷50℃的飽和蒸汽壓力時(如丁烷、丁烯、丁二烯) : 設(shè)計壓力取0.79MPa . 介質(zhì)50℃飽和蒸汽壓力高于異丁烷50℃的飽和蒸汽壓力時(如液態(tài)丙烷)1.77Mpa. 介質(zhì)50℃飽和蒸汽壓力高于丙烷50℃的飽和蒸汽壓力時

28、(如液態(tài)丙烯)2.16MPa 2）設(shè)計溫度 設(shè)計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫 度。 在任何情況下元件金屬的表面溫度不得超過鋼材的允許使 用溫度。,29,當(dāng)金屬溫度不可能通過傳熱計算或?qū)崪y結(jié)果確定時，設(shè)計溫度的選?。?容器器壁與介質(zhì)直接接觸且有外保溫（或保冷）時 a.設(shè)計溫度選取,注：當(dāng)最高（低）工作溫度不明確時，按表中的Ⅱ確定。,30,b.容器內(nèi)介質(zhì)用蒸汽直接加熱或被內(nèi)

29、置加熱元件（如加熱盤管、電熱元件等）間接加熱時，設(shè)計溫度取最高工作溫度。 c.容器器壁兩側(cè)與不同溫度介質(zhì)直接接觸而可能出現(xiàn)單一介質(zhì)接觸時，應(yīng)以較高一側(cè)的工作溫度為基準(zhǔn)確定設(shè)計溫度，當(dāng)任一介質(zhì)溫度低于-20℃時，則應(yīng)以該側(cè)的工作溫度為基準(zhǔn)確定最低設(shè)計溫度。 d.安裝在室外無保溫的容器，當(dāng)最低設(shè)計溫度受地區(qū)環(huán)境溫度控制時，可按以下規(guī)定選?。海?）盛裝壓縮氣體的儲罐，最低設(shè)計溫度取環(huán)境溫度減3℃；（2）盛裝液體體積占容積1

30、/4以上的儲罐，最低設(shè)計溫度取環(huán)境溫度。 注：環(huán)境溫度取容器安裝地區(qū)歷年來“月平均最低氣溫”的最低值， e.對裙座等室外鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)以環(huán)境溫度作為設(shè)計溫度。,31,（4）邊緣應(yīng)力：1）邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生,當(dāng)圓筒形殼與圓球形殼或橢圓形殼相連的零部件受壓后，各自產(chǎn)生的變形是不一致的，相互產(chǎn)生約束. 稱為變形不連續(xù) , 這時，除內(nèi)壓產(chǎn)生的膨脹外，還會產(chǎn)生附加的彎曲變形。與彎曲相對應(yīng)，殼壁內(nèi)將產(chǎn)生彎矩和剪力，對薄壁殼體來說，由此產(chǎn)

31、生的彎曲應(yīng)力有時比薄膜應(yīng)力大得多，兩連接件剛度相差越大，產(chǎn)生的應(yīng)力也將越大 .,在實際結(jié)構(gòu)中，以圓筒與平蓋連接時的邊緣應(yīng)力為最大。該應(yīng)力由于只發(fā)生在兩連接件的邊界處，所以稱為邊緣應(yīng)力或稱為不連續(xù)應(yīng)力。,2) 邊緣應(yīng)力的特點： 由邊緣力和邊緣力矩引起的邊緣力具有以下兩個特點：---局限性---自限性,32,3）設(shè)計中對邊緣應(yīng)力的考慮： 由于邊緣應(yīng)力具有局限性，設(shè)計中可以在結(jié)構(gòu)上只作局部處理，例如改變連接處的結(jié)構(gòu)，保

32、證邊緣焊接的質(zhì)量，降低邊緣區(qū)的殘余應(yīng)力，避免邊緣區(qū)附加的局部應(yīng)力集中（如應(yīng)避免在邊緣區(qū)開孔。） 只要是塑性材料，即使邊緣區(qū)應(yīng)力超過材料的屈服極限，鄰近尚未屈服的彈性區(qū)能夠限制塑性變形的發(fā)展，使容器仍處于安定狀態(tài)（安定性理論）。故大多數(shù)塑性材料所制成的容器，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼。當(dāng)受靜載荷時，除在結(jié)構(gòu)上需作某些處理外，一般并不對邊緣應(yīng)力作特殊考慮。 在下列情況下應(yīng)考慮邊緣應(yīng)力 a)塑性較差的高

33、強度鋼制壓力容器 b)低溫下操作的鐵素體制的重要壓力容器 c)受疲勞載荷作用的壓力容器 d)受核幅射作用的壓力容器,33,這些壓力容器，若不注意控制邊緣應(yīng)力，在邊緣高應(yīng)力區(qū)有可能導(dǎo)致脆性破壞或疲勞。因此必須正確計算邊緣應(yīng)力并按JB4732-95《鋼制壓力容器--分析設(shè)計》進行設(shè)計 .（5）壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計： 1．常規(guī)設(shè)計 ：壓力容器設(shè)計基本上是采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法—“常規(guī)設(shè)計

34、”。常規(guī)設(shè)計是基于彈性失效準(zhǔn)則，認(rèn)為容器內(nèi)某一最大應(yīng)力點一旦達到屈服限，進入塑性，喪失了純彈性狀態(tài)即為失效.,2. 分析設(shè)計：“分析設(shè)計”從設(shè)計思想上來說，就是放棄了傳統(tǒng)的彈性失效準(zhǔn)則，采用彈塑性或彈性失效準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，采用這個準(zhǔn)則，可以合理地放松對計算應(yīng)力的過嚴(yán)限制，適當(dāng)?shù)靥岣吡嗽S用應(yīng)力值，但又嚴(yán)格地保證了結(jié)構(gòu)的安全性。,34,3．應(yīng)力分類 1）一次應(yīng)力P 一次應(yīng)力分為

35、 一次總體薄膜應(yīng)力Pm 一次彎曲應(yīng)力Pb 一次局部薄膜應(yīng)力PL 2）二次應(yīng)力Q 3）峰值應(yīng)力F 4．應(yīng)力的限制條件 Pm≤[б]t PL≤1.5[б]t (極限載荷設(shè)計法) Pb+ PL≤1.5[б]t ； Pm+ PL≤1.5[б]t Pb+ PL+ Q≤3[б]t ；,35,Pm+ PL+ Q≤3[б]t

36、（安定性準(zhǔn)則） P+Q+F≤Sa （許用應(yīng)力幅） 極限載荷設(shè)計法是指：只有結(jié)構(gòu)整體屈服了，才是最終達到失效的狀態(tài)，即塑性失效觀點。,安定性準(zhǔn)則：安定性準(zhǔn)則是指：結(jié)構(gòu)在載荷、溫度等反復(fù)變化中，不會導(dǎo)致塑性的連續(xù)循環(huán)，即只有在笫一次加載過程中出現(xiàn)一定量的塑性變形，以后循環(huán)中（反復(fù)加載）不再出現(xiàn)塑性，仍處于彈性循環(huán)中，即稱“安定”。如果，仍出現(xiàn)塑性，并有塑性循環(huán)出現(xiàn)，稱為“不安定”。（假定材料為理想的彈-塑性

37、體）,36,三.外壓園筒及外壓球殼： 1．概述： 承受外壓的圓筒，其失效方式有二種：一是因強度不足而導(dǎo)致破壞，另一是因為剛度不足而引起失穩(wěn)。 所謂失穩(wěn)，是指容器所受的外壓達到某種極限時（即：達到臨界壓力PCr時）容器突然失去原來的形狀，而出現(xiàn)有規(guī)則的波形，在卸去外壓后，仍不能恢復(fù)原來的形狀。 外壓圓筒失穩(wěn)可分為：周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)二種形式。,對軸向失穩(wěn)，主要表現(xiàn)在臥式容器與直立設(shè)備，失穩(wěn)時 的臨界

38、壓力與園筒長度無關(guān)。 對周向失穩(wěn)，失穩(wěn)時，如出現(xiàn)三個以上的波形（n≥3） 謂之“短園筒”，如出現(xiàn)二個波形（n=2）謂之“長園筒”。,37,38,既然外壓圓筒有周向失穩(wěn)和強度破壞二種可能，究竟哪個在先？與圓筒的“厚”“薄”有關(guān)： a．當(dāng)為薄壁圓筒時，（δe/DO≤0.05即DO/δe≥20）總是失穩(wěn)在先，所以，從設(shè)計角度:只需進行穩(wěn)定性設(shè)計，而不必進行強度設(shè)計. b．當(dāng)為厚壁圓筒時，（δe/DO≥0.05即DO/δe

39、≤20）則周向失穩(wěn)和強度失效，哪個在先并無定論，所以，從設(shè)計角度，則同時考慮穩(wěn)定性和強度二個方面。 c．外壓球殼也是如此，但通常球殼δe/DO≤0.05，所以，從設(shè)計角度，只需考慮其穩(wěn)定性。 穩(wěn)定安全系數(shù)m(園筒穩(wěn)定安全系數(shù)取3.0，球殼穩(wěn)定安全系數(shù)取14.52)。 為保證安全，必須使許用外壓力[P]低于外壓力，即: [P]=Pcr/m≥ P(設(shè)計外壓),39,2．圓筒的臨界壓力及

40、其計算 容器失穩(wěn)時的壓力稱臨界壓力，以Pcr表示。 圓筒體臨界壓力的計算： 長圓筒臨界壓力 Pcr=2.2E(,短圓筒臨界壓力,Pcr=2.59E,40,圓筒的臨界長度:,2.2E(,=2.59E,得 ： Lcr=1.17D √D/δe,,臨界長度是長、短圓筒的分界線，也是計算臨界壓力選擇公式的的依據(jù)。當(dāng)實際圓筒計算長度L＞Lcr屬長圓筒，若L＜Lcr則屬短圓筒。然后，分別計

41、算其臨界壓力，再除以穩(wěn)定安全系數(shù)確定許用壓力。,L：計算長度（GB150-1998 P.28 圖6-1）,41,薄壁外壓球殼的臨界壓力式： 從薄壁殼體的穩(wěn)定性理論可以導(dǎo)得： Pcr=1.21E（δ/R）2 從設(shè)計角度，Ri→R δe→δ 并取球殼的穩(wěn)定系數(shù)m=14.52 所以,許用外壓力 : [P]= Pcr/m=1.21(

42、δe/ Ri)2/14.52=0.0833E(δe/ Ri)2 1)外壓園筒外壓管子：（6.2.1節(jié)）,3.GB150-1998的設(shè)計方法：,a）D0/δe≥20的園筒和管子；是薄壁圓筒，周向失穩(wěn)在先，所以只校核周向失穩(wěn)。 b）D0/δe≤20的園筒和管子；是厚壁圓筒，周向失穩(wěn)與強度失效都要算，在GB150-1998 P.29 （6-4）式前一項是考慮周向失穩(wěn)時，其許用外壓力；后一項是考慮到壓縮強度失效其許用外壓

43、力；二者取其小值。,42,2）外壓球殼的計算：半球形封頭；橢圓封頭（6.2.2節(jié)）,4. 防止外壓園筒失穩(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）縮短園筒的計算長度； 3）設(shè)置加強圈。 加強圈設(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。加強圈可設(shè)置在容器內(nèi)部或外部。加強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

44、園筒周長的1/2，內(nèi)部不少于1/3。,43,四.封頭： 1.橢圓封頭的設(shè)計：（7.1.2節(jié)） 從承受內(nèi)壓橢圓殼體的應(yīng)力分析可知,橢圓封頭上各點的應(yīng)力是不等的(因為各點的曲率半徑不一樣),它與各點的座標(biāo)(X,Y)有關(guān),并與封頭長短軸之比a/b有關(guān). 對標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭a/b=2 , 在封頭頂點: σt =σZ =Pa/δ 在封頭底邊:

45、 σt = - Pa/δ; σZ= Pa/2δ,44,標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭應(yīng)力分布:,45,δ=,為了使這部分殼體不致于失穩(wěn)，對于K≤1的橢圓形封頭，其有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%。K >1的橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%Di。,2.碟形封頭的設(shè)計：（7.1.3節(jié)） 碟形封頭是由三部分組成。第一部分是以半徑為Ri的球面部分，第二部分是以半徑為Di/2的圓形部分，第三部分是連接這兩部分的

46、過渡區(qū)，其曲率半徑為r。Ri與r均以內(nèi)表面為基準(zhǔn)。,46,由于第一部分與第三部分是兩個不同的曲面，故在交點ｂ處曲率半徑有一個突然的變化，在b點處不僅由內(nèi)壓引起的拉應(yīng)力，還有邊緣力矩引起的邊緣彎曲應(yīng)力；在過渡區(qū)和圓筒部分交界點a處也有緣應(yīng)力存在，其邊緣應(yīng)力的大小與r/Di有關(guān)。當(dāng)r/Di之比值愈小，即曲率變化愈厲害，則邊緣應(yīng)力愈大 。碟形封頭的強度計算公式: σ=MPR/2δ 考慮焊接接頭系

47、數(shù)φ，并用R=Ri+δ代入上式，簡化后得:,δ=,δ=,47,3.球冠形封頭的設(shè)計：（7.1 .4節(jié)）,由于無過渡區(qū)，在連接邊緣有較大邊緣應(yīng)力，要求封頭與筒體聯(lián)接處采用全焊透結(jié)構(gòu)，計算公式以圓筒公式為基礎(chǔ)，計入球殼與筒體聯(lián)接處的局部應(yīng)力。,δ=,系數(shù)Q 根據(jù)Ri/Di Pc/[σ]tφ來查取,48,4.錐殼：（7.2節(jié)） 錐形封頭有軸對稱的無折邊錐封頭和折邊錐形封頭以及非軸對稱的無折邊錐形封頭。,帶折邊的錐形封頭由

48、三部分組成，即錐形部分、半徑為r或rs的圓弧過渡部分和圓筒部分過渡部分是為了降低邊緣應(yīng)力,49,對于軸對稱的錐形封頭大端 當(dāng)錐殼半頂角α≤30 °時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)； 當(dāng)α＞30 °時，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu); 當(dāng)α＞60 °時，按平蓋計算. 也可用應(yīng)力分析法確定.,對于軸對稱的錐形封頭小端,小端α≤45°采用無折邊結(jié)構(gòu)； α>45°帶折邊結(jié)構(gòu),1.

49、軸對稱內(nèi)壓無折邊錐形封頭:,根據(jù)第一強度理論得 σ1=σt=,≤[σ]t,將D=Di+δ代入上式，并考慮焊縫系數(shù)φ,得出錐形封頭的厚度計算公式,50,δ=,上式無折邊封頭適用于α≤30 °,當(dāng)無折邊封頭α＞30 °時，邊緣彎曲應(yīng)力較大，錐體與筒體連接處應(yīng)考慮另行加強或采用有折邊錐形封頭。,2.軸對稱內(nèi)壓折邊錐形封頭,大端折邊錐形封頭厚度計算應(yīng)包括兩部分(1)過渡段壁厚,δ =,mm,51,(2)與過渡段相接處

50、的錐殼厚度,δ =,mm,與過渡相接的錐殼和圓筒的加強段厚度應(yīng)與過渡段厚度δr相同。,錐殼加強段的長度應(yīng)不小于,圓筒加強段的長度應(yīng)不小于,受壓斜錐殼的強度計算見化工部頒發(fā)的HG20582-1998《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》。,52,5．平蓋：（7.4.2節(jié)）,σmax,=0.309P(D/δ)2 最大應(yīng)力在中心(簡支),σmax,=0.188P(D/δ)2 最大應(yīng)力在周邊(固支)；,σmax =KPD2/δ2≤ [σ]tφ,δp=,

51、53,五．開孔補強： 1．開孔補強的理論基礎(chǔ),1).在容器上或封頭上開孔會引起如下三方面問題: a)由于開孔, 而引起殼體承載面積的削弱； b)由于開孔,而在孔邊引起應(yīng)力集中； c)由于開孔,殼體和接管分別引起不連續(xù)應(yīng)力。,2）等面積補強的基本出發(fā)點：

52、 a）對于內(nèi)壓殼體，因開孔而引起殼體所削弱的承載面積，要求在“補強有效區(qū)”內(nèi)，補充以同樣數(shù)量的截面積； b）對于外壓殼體或平封頭，因開孔而引起殼體或平封頭所削弱的承載抗彎斷面模量EJ，要求在“補強有效區(qū)”內(nèi)，補充以同樣數(shù)量的抗彎斷面模量，但為了計算方便與統(tǒng)一，均換算成截面積的形式進行。,54,2. 開孔補強的規(guī)定 1）不另行補強的最大開孔直徑 應(yīng)滿足GB150 P75 8.3規(guī)定

53、 2）采用補強圈補強要求 σb≤540MPa ; δ≤1.5δn; δn≤38mm 3）整體補強要求 下列情況之一，應(yīng)采用整體補強（增加殼體厚度或采用補強鍛件與殼體相焊）。HG20583 鋼制化工容器結(jié)構(gòu)規(guī)定。(HG20583-1998 6.2節(jié)) σb>540MPa δ>1.5δn (δ為補強圈厚度) δn>38mm Pd≥4.0

54、MPa Td>350℃ 介質(zhì)為極度，高度危害介質(zhì) 疲勞壓力容器,55,3. 開孔補強方法 1）等面積補強法（d≤1/2Di） 原則：有效補強面積大于或等于開孔失去面積 式中δ為開孔處計算厚度， 注意：對橢圓封頭和碟形封頭中心部位和邊緣部位δ是不同的。,2）壓力面積補強法（0.8Di≥d＞0.5Di） 原則：有效承壓面積上作用力≤許用應(yīng)力

55、 詳見 HG 20582 鋼制化工容器強度計算規(guī)定 注意：必須遵守的技術(shù)要求,56,六．法蘭,（1）標(biāo)準(zhǔn)： JB4700-2000～JB4707-2000,a.JB4701-2000 僅適用于公稱壓力0.25～1.6Mpa；工作溫 度-20℃～300℃的鋼制壓力容器甲型平焊法蘭.,b.JB4702-2000 僅適用于公稱壓力0.25～4.0Mpa；工作溫度-20℃～350℃的鋼制壓力容器乙型平焊法蘭。（標(biāo)準(zhǔn)

56、適用腐蝕裕量≤2mm，當(dāng)腐蝕裕量=3mm時應(yīng)加厚短節(jié)厚度2mm）。,c.JB4703-2000 僅適用于公稱壓力0.6～6.4Mpa； 工作溫度-70℃～450℃的鋼制壓力容器長頸對焊法蘭。（標(biāo)準(zhǔn)適用腐蝕裕量≤3mm；）,標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及選用標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)注意的問題；法蘭材料和使用溫度。,57,(2) 法蘭分類 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

57、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，如長頸法蘭任意式法蘭如平焊法蘭（JB4700中，甲、乙型平焊法蘭） 3）按密封面型式 突面法蘭 由一對平面組成凹凸面法蘭 由一對相配合的凹面和凸面組成榫槽法蘭 由一對相配合的榫面和槽面組成環(huán)面法蘭 由一對相配合的環(huán)面組成,58,按密封面形式 法蘭示意圖,59,（3）法蘭設(shè)計 法蘭連接是一個組合件，所以各零件（法蘭、墊片、緊固件

58、）必須達到合理的匹配才能保證密封效果，JB4700-2000表2列出了它們的匹配關(guān)系。,法蘭設(shè)計包括下列內(nèi)容：,1)墊片壓緊力：,在預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力：,FG=Fa=3.14DGby N,b.在操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力：,FG= Fp=6.28DGbmPC N,其中:y—墊片的比壓力,60,比壓力y是保證初始密封所必須施加在墊片單位有效接觸面積上的最小壓緊力。

59、 它只與墊片的結(jié)構(gòu)、形狀和材料有關(guān)。因此，比壓力y是墊片的一種力學(xué)性能。,m—墊片系數(shù)，為無因次量；,在操作狀態(tài)下，為保證密封，而不發(fā)生泄漏，必須施加在墊片單位有效接觸面積上的最小壓緊力稱為：最小殘余壓緊力бg，墊片系數(shù)m就是最小殘余壓緊力與內(nèi)壓的比值； m=бg/P；,對于不同的材料、不同形狀的墊片是不同的，但對同一材料、同一形狀的墊片卻是一個常數(shù)，因此它是墊片的另一個力學(xué)性能。,61,2）螺栓 a）螺栓的布置

60、 b）螺栓載荷:,在預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 Wa=Fa=3.14 DGby N,在操作狀態(tài)下需要的最小螺栓荷： Wp=F+Fp=0.785DG2PC+6.28DGbmPC N,c)螺栓面積:,在預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：Aa=Wa/[б]b mm,在操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：Ap=Wp/[б]bt mm,需要的螺栓面積: A

61、m = Aa與 Ap之大值.,實際螺栓面積: Ab≥Am,62,d)螺栓設(shè)計載荷:,預(yù)緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷為: W=(Am+ Ab)/2 х[б]b N,操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷為: W=WP,N,3)法蘭 a)法蘭力矩的計算,法蘭預(yù)緊時,法蘭力矩: Ma=FG .LG = (Am+ Ab)/2 х[б]b . LG N.mm,法蘭操作力矩: MP=FDLD+ FTLT+ FGLG

62、 N.mm,b)法蘭設(shè)計力矩計算: MO= Ma[б]ft/[б]f與MP的大值 N.mm,c)法蘭應(yīng)力及法蘭應(yīng)力的校核:,63,法蘭強度設(shè)計的理論有多種，我國法蘭設(shè)計規(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。（Waters 法） 工程上法蘭設(shè)計主要是對法蘭軸向應(yīng)力σH，徑向應(yīng)力σR和環(huán)向應(yīng)力σT和組合應(yīng)力的校核。(GB150-1998 9.5.3.4節(jié)）,64,d）法蘭設(shè)計的合

63、理性 1）選擇墊片時，盡可能選擇所需壓緊力小的墊片，即m、y小的墊片。 2）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； 3）合理設(shè)計法蘭錐頸（δ1）和法蘭環(huán)（δf），既保證強度，又有足夠剛度，即調(diào)整δ1、 δf使法蘭的各計算應(yīng)力盡可能接近相應(yīng)許用應(yīng)力，趨滿應(yīng)力狀態(tài)。,65,七.材料：1）GB713-2008“GB713-2008《鍋爐壓力容器用鋼》” 一.標(biāo)準(zhǔn)的過渡期：

64、GB713-2008《鍋爐壓力容器用鋼》于2008年9月1日實施，考慮到各單位對新版標(biāo)準(zhǔn)的采購與理解，以及設(shè)計與制造的問題，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局特此發(fā)涵，《關(guān)于GB713-2008 和GB/T9222-2008實施過渡期安排的通知》（質(zhì)檢特函[2008]64號）。 （1）壓力容器設(shè)計單位在2008年9月1日至2008年12月31日期間可以同時采用GB6654-1996（含修改單）和GB713-2008的材料進行壓

65、力容器設(shè)計。2009年1月1日起不得采用GB6654-1996（含修改單）規(guī)定的材料。,66,（2）鍋爐壓力容器制造單位在2008年9月1日至2009年8月31日期間可以同時采用GB713-1997、 GB6654-1996（含修改單）和GB713-2008的材料進行鍋爐壓力容器制造。 2009年9月1日起不得采用GB713-1997、 GB6654-1996（含修改單）規(guī)定的材料。 （3）選用GB713-2008中的14Cr1

66、MoR和12Cr2Mo1R材料制造鍋爐壓力容器時，GB713-2008實施前所進行的焊工考試和焊接工藝評定在其所能覆蓋的范圍內(nèi)仍然有效；選用GB713-2008其他材料制造鍋爐壓力容器時，按GB713-1997和GB6654-1996（含修改單）中所列牌號進行的焊工考試和焊接工藝評定，在其所能覆蓋的范圍內(nèi)仍適用于GB713-2008附錄A中所對應(yīng)的新牌號，各有關(guān)單位應(yīng)在2009年8月31日前完成焊接工藝評定等有關(guān)文件采用新材料牌號表示方

67、法的轉(zhuǎn)換工作。,67,（4）選用GB713-2008中的材料設(shè)計制造鍋爐壓力容器時，在相同的規(guī)格和使用狀態(tài)下，其相關(guān)設(shè)計參數(shù)和制造檢驗要求應(yīng)依據(jù)GB713-2008附錄A中所對應(yīng)的舊牌號的相關(guān)規(guī)定，否則應(yīng)向全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會申請專項技術(shù)審查 （5）對于已取得許可證的鍋爐壓力容器用鋼板制造企業(yè)，可按許可證允許范圍內(nèi)生產(chǎn)新牌號鋼材。企業(yè)應(yīng)盡快申請換發(fā)許可證，鍋爐壓力容器用鋼板制造鑒定評審機構(gòu)應(yīng)于2008年12月31日前完

68、成必要的審查和確認(rèn)工作。 二.鋼號牌號表示方法: 碳素鋼和碳錳鋼系低合金高強度鋼：屈服強度（Q）、屈服強度下限值、壓力容器（R）組合表示。例如:Q245R. 鉬鋼、鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼：平均含碳量、合金元素字母、壓力容器（R）組合表示。例如:15CrMoR.,68,三.新舊牌號對照:,69,四.新舊牌號的變化: 1.材料: (1)取消：15MnVR、15MnVNR. (2)

69、增加：14Cr1MoR、 12Cr2Mo1R、 12Cr1MoVR. （3）20R和20g合并為Q245R； (4)16MnR和16Mng、19Mng合并為Q345R； （5）13MnNiMoNbR和13MnNiCrMoNbg合并為13MnNiMoR； 2.厚度變化： （1）Q245R（原20R等）厚度為6～100mm,現(xiàn)厚度為 3～150mm。 （2） Q345R