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1、1压力容器结构、失效、设计计算2一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (1)过度变形 容器的总体或局部发生过度变形，包括过量的弹性变形，过量的塑性变形，塑性失稳(增量垮坍)，例如总体上大范围鼓胀，或局部鼓胀，应认为容器已失效，不能保障使用安全。过度变形说明容器在总体上或局部区域发生了塑性失效，处于十分危险的状态。例如法兰的设计稍薄，强度上尚可满足要求，但由于刚度不足产生永久变形，导致介质泄漏，这是由于塑性失效的过度变形而导致的失效。第一节 压力容器的失效模式 3一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (2)韧性爆破 容器发生了塑性大变形的破裂失效，相当于图中曲线BCD阶段情况下的破裂，这
2、属于超载下的爆破，一种可能是超压，另一种可能是本身大面积的壁厚较薄。这是一种经过塑性大变形的塑性失效之后再发展为爆破的失效，亦称为“塑性失稳”(Plastic collapse)，爆破后易引起灾难性的后果。4一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (3)脆性爆破 这是一种没有经过充分塑性大变形的容器破裂失效。材料的脆性和严重的超标缺陷均会导致这种破裂，或者两种原因兼有。脆性爆破时容器可能裂成碎片飞出，也可能仅沿纵向裂开一条缝；材料愈脆，特别是总体上愈脆则愈易形成碎片。如果仅是焊缝或热影响区较脆，则易裂开一条缝。形成碎片的脆性爆破特别容易引起灾难性后果。5一、容器的失效模式 1容器常见的失效模
3、式 (4)疲劳失效 交变载荷容易使容器的应力集中部位材料发生疲劳损伤，萌生疲劳裂纹并扩展导致疲劳失效。疲劳失效包括材料的疲劳损伤(形成宏观裂纹)并疲劳扩展和结构的疲劳断裂等情况。容器疲劳断裂的最终失效方式一种是发生泄漏，称为“未爆先漏”(LBB,Leak Before Break)，另一种是爆破，可称为“未漏先爆”。爆裂的方式取决于结构的厚度、材料的韧性，并与缺陷的大小有关。疲劳裂纹的断口上一般会留下肉眼可见的贝壳状的疲劳条纹。疲劳辉纹(3000)6一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (5)蠕变失效 容器长期在高温下运行和受载，金属材料会随时间不断发生蠕变损伤，逐步出现明显的鼓胀与减薄，
4、破裂而成事故。即使载荷恒定和应力低于屈服点也会发生蠕变失效，不同材料在高温下的蠕变行为有所不同。l 材料高温下的蠕变损伤是晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移，晶界上形成蠕变空洞。时间愈长空洞则愈多愈大，宏观上出现蠕变变形。l 当空洞连成片并扩展时即形成蠕变裂纹，最终发生蠕变断裂的事故。l 材料经受蠕变损伤后在性能上表现出强度下降和韧性降低，即蠕变脆化。l 蠕变失效的宏观表现是过度变形(蠕胀)，最终是由蠕变裂纹扩展而断裂(爆破或泄漏)。7一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (6)腐蚀失效 这是与环境介质有关的失效形式。化工容器接触的腐蚀性介质十分复杂，腐蚀机理属于两大类：化学腐蚀与电化
5、学腐蚀。区别在于形成腐蚀化合物过程中是否在原子间有电荷的转移。就腐蚀失效的形态可分为如下几种典型情况：全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；局部腐蚀；集中腐蚀(即点腐蚀)；晶间腐蚀；应力腐蚀；缝隙腐蚀；氢腐蚀；选择性腐蚀。腐蚀发展到总体强度不足(由全面腐蚀、晶间腐蚀或氢腐蚀引起)或局部强度不足时，可认为已腐蚀失效。腐蚀发展轻者造成泄漏、局部塑性失稳或总体塑性失稳，严重时可导致爆破。由应力腐蚀形成宏观裂纹，扩展后也会导致泄漏或低应力脆断。8一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (7)失稳失效 容器在外压(包括真空)的压应力作用下丧失稳定性而发生的皱折变形称为失稳失效。皱折可以是局部的也可以是总体的。高塔
6、在过大的轴向压力(风载、地震载荷)作用下也会皱折而引起倒塌。9一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (8)泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系统中每一个零部件的失效都会引起泄漏失效。例如法兰的刚性不足导致法兰的过度变形而影响对垫片的压紧，紧固螺栓因设计不当或锈蚀而过度伸长也会导致泄漏，垫片的密封比压不足、垫片老化缺少反弹能力都会引起泄漏失效。系统中每一零部件均会导致泄漏失效，所以密封失效不是一个独立的失效模式，而是综合性的。10一、容器的失效模式 2容器的交互失效模式 (1)腐蚀疲劳 在交变载荷和腐蚀介质交互作用下形成裂纹并扩展的交互失效。由于腐蚀介质的作用而引起抗疲劳性能的降低，在交
7、变载荷作用下首先在表面有应力集中的地方发生疲劳损伤，在连续的腐蚀环境作用下发展为裂纹，最终发生泄漏或断裂。对应力腐蚀敏感与不敏感的材料都可能发生腐蚀疲劳，交变应力和腐蚀介质均加速了这一损伤过程的进程，使容器寿命大为降低。11一、容器的失效模式 2容器的交互失效模式 (2)蠕变疲劳 这是指高温容器既出现了蠕变变形又同时承受交变载荷作用而在应力集中的局部区域出现过度膨胀以至形成裂纹直至破裂。蠕变导致过度变形，载荷的交变导致萌生疲劳裂纹和裂纹扩展。因蠕变和疲劳交互作用失效的容器既有明显宏观变形的特点又有疲劳断口光整的特点。12二、化工容器的设计准则发展(1)弹性失效设计准则 这是为防止容器总体部位发
8、生屈服变形，将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下，保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效。这是最传统的设计方法，是现今容器设计首先应遵循的准则。第二节 压力容器的设计准则13二、化工容器的设计准则发展(2)塑性失效设计准则 l容器某处(如厚壁筒的内壁)弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个壁厚进入全屈服状态称为塑性失效状态，l若材料符合理想塑性假设，载荷不需继续增加，变形会无限制发展下去，称此载荷为极限载荷。l将极限载荷作为设计依据加以限制，防止总体塑性变形，称极限设计。l“极限设计准则即塑性失效设计准则。用塑性力学方法
9、求解结构的极限载荷是这种设计准则的基础。Treaca屈服条件或Mises屈服条件14二、化工容器的设计准则发展(3)爆破失效设计准则 l非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力，对于容器(主要是厚壁的)在整体屈服后仍有继续增强的承载能力，直到容器达到爆破时的载荷才为最大载荷。l若以容器爆破作为失效状态，以爆破压力作为设计的依据并加以限制，以防止发生爆破，这就是容器的爆破失效设计准则。高压容器中所介绍的Faupel公式就是这一准则的体现。15二、化工容器的设计准则发展(4)弹塑性失效设计准则 l如果容器的某一局部区域，一部分材料发生了屈服，而其他大部分区域仍为弹性状态，而弹性部分又能约束着塑性区的塑
10、性流动变形，结构处于这种弹塑性状态可以认为并不一定意味着失效。l只有当容器某一局部弹塑性区域内的塑性区中的应力超过了由“安定性原理”确定的许用值时才认为结构丧失了“安定”而发生了弹塑性失效。l安定性原理作为弹塑性失效的设计准则，亦称为安定性准则。16二、化工容器的设计准则发展(5)疲劳失效设计准则 l为防止容器发生疲劳失效，将容器应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在由低周疲劳设计曲线确定的许用应力幅之内时才能保证在规定的循环周次内不发生疲劳失效，这就是疲劳失效设计准则。这是20世纪60年代由美国发展起来的。17二、化工容器的设计准则发展(6)断裂失效设计准则 l实际难于避免裂纹，包括制造裂
11、纹(焊接裂纹)和使用中产生或扩展的裂纹(疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹)，为防止缺陷导致低应力脆断，可按断裂力学限制缺陷的尺寸或对材料提出必须达到的韧性指标，这是防脆断设计。l防脆断设计并不意味着允许新制造的容器可以存在裂纹，而是对容器使用若干年后的一种安全性估计。l新制造的容器，设计时是假定容器内产生了可以检测到的裂纹，通过断裂力学方法对材料的韧性(主要是指断裂韧性)提出必须保证达到的要求以使容器不会发生低应力脆断。l在役容器检测出裂纹，可用断裂力学评价是否安全，即压力容器的缺陷评定。这是基于断裂失效设计准则(或称防脆断失效设计准则)的方法。18二、化工容器的设计准则发展(7)蠕变失效设计准则 l将
12、高温容器筒体的蠕变变形量(或按蠕变方程计算出的相应的应力)限制在某一允许的范围之内，便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效，这就是蠕变失效设计准则。(8)失稳失效设计准则 l外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核，这就是失稳失效的设计准则。大型直立设备(如塔设备)在风载与地震载荷下的纵向稳定性校核也属此类。19二、化工容器的设计准则发展(9)刚度失效设计准则 l通过对结构的变形分析，将结构中特定点的线位移及角位移限制在允许的范围内，即保证结构有足够的刚度。l例如大型板式塔内大直径塔盘很薄，就应限制塔盘板的挠度，不致使液层厚薄不一而引起穿过塔盘气体分布不均和降低板效率。l又如法
13、兰设计时除应保证强度外还应采用刚度校核法以限制法兰的偏转变形。20第三节 压力容器强度计算压力容器强度计算一、一、常用设计规范及适用的压力范围常用设计规范及适用的压力范围GB1501998钢制压力容器钢制压力容器，弹性失效准则，第一强度理论。弹性失效准则，第一强度理论。设计压力设计压力P：0.135 MPa；真空度：真空度：0.02 MPa JB473295钢制压力容器钢制压力容器-分析设计标准分析设计标准，弹塑性失效准则，第三强度理论。弹塑性失效准则，第三强度理论。设计压力设计压力P：0.1100 MPa；真空度：真空度：0.02 MPa 疲劳载荷；高温蠕变疲劳载荷；高温蠕变 因为容规的监察
14、范围是以最高工作压力定义，而容器的分类以设计压力分类，故因为容规的监察范围是以最高工作压力定义，而容器的分类以设计压力分类，故假设有一个设计压力假设有一个设计压力1MPa而最大工作压力而最大工作压力0.08的容器，则不受的容器，则不受容规容规监察。监察。GB1511999管壳式换热器管壳式换热器 设计压力设计压力P：0.135 MPa；真空度：；真空度：0.02 MPaGB123371998钢制球形储罐钢制球形储罐 设计压力：设计压力：P4MPa；公称容积：；公称容积：V50M321压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述设计载荷二、二、设计时应考虑的载荷设计时应考虑的载荷GB1501998钢
15、制压力容器钢制压力容器：（1）内压、外压或最大压差；）内压、外压或最大压差；（2）液体静压力）液体静压力(5%P)；需要时，还应考虑以下载荷需要时，还应考虑以下载荷（3）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料 的重力载荷；的重力载荷；（4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；（5）风载荷、地震力、雪载荷；）风载荷、地震力、雪载荷；（6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的
16、反作用力；（7）连接管道和其他部件的作用力；）连接管道和其他部件的作用力；（8）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；（9）包括压力急剧波动的冲击载荷；）包括压力急剧波动的冲击载荷；（10）冲击反力）冲击反力,如流体冲击引起的反力等；如流体冲击引起的反力等；（11）运输或吊装时的作用力。）运输或吊装时的作用力。22压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述术语压力三、重要名词术语三、重要名词术语1、压力、压力（除注明者外，压力均为表压力）（1）工作压力）工作压力Pw：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
17、（2）设设计计压压力力P：指指设设定定的的容容器器顶顶部部的的最最高高压压力力，与与相相应应的的设设计计温温度度一一起起作作为为设设计计载载荷条件，其值不低于工作压力。荷条件，其值不低于工作压力。（3）计计算算压压力力PC：指指在在相相应应设设计计温温度度下下，用用以以确确定定元元件件厚厚度度的的压压力力，其其中中包包括括液液柱柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。设计压力时，可忽略不计。（4）试验压力）试验压力PT：在压力试验时，容器顶部的压力。：在压力试验时，容器顶部的压力。23压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述术语压力
18、1、压力、压力（除注明者外，压力均为表压力）（5）最最大大允允许许工工作作压压力力Pw：指指在在设设计计温温度度下下，容容器器顶顶部部所所允允许许承承受受的的最最大大表表压压力力。该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。最最大大允允许许工工作作压压力力可可作作为为确确定定保保护护容容器器的的安安全全泄泄放放装装置置动动作作压压力力（安安全全阀阀开开启启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。压力或爆破片设计爆破压力）的依据。（6）安安全全阀阀的的开开启启压压力力PZ：安安全全阀阀阀阀瓣瓣开开始始离离开开阀阀座座，介介质质呈呈连连续续排排
19、出出状状态态时时，在在安全阀进口测得的压力。安全阀进口测得的压力。介于容器最大工作压力和设计压力之间。介于容器最大工作压力和设计压力之间。（7）爆破片的标定爆破压力）爆破片的标定爆破压力Pb：爆破片铭牌上标明的爆破压力。：爆破片铭牌上标明的爆破压力。1.0-1.124压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述设计压力选取25压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述术语温度2、温度、温度（1）温度）温度 金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。（2）最高、最低工作温度：容器在
20、正常工作情况下可能出现介质最高、最低温度。）最高、最低工作温度：容器在正常工作情况下可能出现介质最高、最低温度。（3）设设计计温温度度：容容器器在在正正常常工工作作情情况况，设设定定的的元元件件的的金金属属温温度度（沿沿元元件件金金属属截截面面的温度平均值）。的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为压力容器的设计载荷条件。设计温度与设计压力一起作为压力容器的设计载荷条件。（4）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。26压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述术语厚度3、厚度、厚度（1）计计算算厚厚度度：由由计计算算压压力力计计算算（设设计计
21、压压力力加加静静压压力力）得得到到，容容器器受受压压元元件件为为满满足足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。（2）设计厚度）设计厚度d：计算厚度与腐蚀裕量之和。：计算厚度与腐蚀裕量之和。（3）名名义义厚厚度度n（即即图图样样标标注注厚厚度度）：设设计计厚厚度度加加上上钢钢材材厚厚度度负负偏偏差差后后，向向上上圆圆整整至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。（4）有效厚度）有效厚度e：名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）。：名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢
22、材厚度负偏差之和）。（5）最小实测厚度：实际测量的容器壳体厚度的最小值。）最小实测厚度：实际测量的容器壳体厚度的最小值。厚度校核时如果局部减薄厚度校核时如果局部减薄用用检规检规的的G0校核，如果均匀减薄，则需要考虑腐蚀余量后校核。校核，如果均匀减薄，则需要考虑腐蚀余量后校核。（6）厚度附加量：设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度附加量：设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度负偏差厚度负偏差C1及腐蚀裕量及腐蚀裕量C2。注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度min：对碳素钢、低合金钢，不小
23、于对碳素钢、低合金钢，不小于3mm 对高合金钢，不小于对高合金钢，不小于2mm27压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述失效准则、强度理论四、失效准则四、失效准则:容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：（1 1）弹性失效）弹性失效常规设计（常规设计（GB150GB150等）等）弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把
24、筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。面出现屈服时即为承载的最大极限。材料的拉伸曲线，弹性、塑性、屈服、屈服硬化阶段。材料的拉伸曲线，弹性、塑性、屈服、屈服硬化阶段。（2 2）塑性失效）塑性失效分析设计（分析设计（JB4732JB4732）塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器
25、内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。服时才为承载的最大极限。（3 3）爆破失效）爆破失效高压、超高压设计高压、超高压设计,国内没有设计准则，国外国内没有设计准则，国外ASME ASME 有有 爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。对特定参数的容器，按照弹性准
26、则设计的容器需要的壁厚最大对特定参数的容器，按照弹性准则设计的容器需要的壁厚最大28压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述失效准则、强度理论五、强度理论：五、强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）第一强度理论（最大主应力理论）常规设计（常规设计（GB150GB150等）等）这个理论也叫做这个理论也叫做“最大正应力理论最大正应力理论”，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，
27、材料就要发生破坏。达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。适合脆性材料。适合脆性材料。适合常规设计。适合常规设计。对容器来说，对容器来说，11为环向，为环向，22为轴向，为轴向，33对薄壁的为对薄壁的为0 0。第二强度理论（最大变形理论）第二强度理论（最大变形理论）这个理论也称为这个理论也称为“最大线应变理论最大线应变理论”，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大相对伸长或缩短。相对伸长或缩短。适合脆性材料。目前应用较少。适合脆性材料。目前应用较少。第三强度理论（最大剪应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）分析设计（分析设计（JB4
28、732JB4732）此即此即“最大剪应力理论最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。目前应用较多。目前应用较多。第四强度理论（剪切变形能理论）第四强度理论（剪切变形能理论）该理论也称作该理论也称作“形状改变比能理论形状改变比能理论”认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破坏归结为应力与变形的综合。坏归结为应力与变形的综合。*用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。
29、用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。29压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述计算公式筒体六、计算公式六、计算公式1.内压圆筒体计算公式2.内压球壳计算公式注意：注意：1、公式中各参数的含义、单位制、确定原则及注意事项。2、d=+C2 （设计厚度计算厚度腐蚀裕量）n=+C2+C1+(圆整)（名义厚度 ）e=+（有效厚度）30压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述计算公式筒体sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi t31过程设备设计过程设备设计应力应力求解求解 圆周平衡：圆周平衡：静定图2-2轴向平衡：轴向平衡：=32无力矩理论拉普拉斯方程。拉普拉斯方程。33区域平
30、衡方程 无力矩理论的两个基本方程无力矩理论的两个基本方程微元平衡方程微元平衡方程区域平衡方程区域平衡方程从而得到各种回转薄壳的薄膜应力从而得到各种回转薄壳的薄膜应力从而得到各种回转薄壳的薄膜应力从而得到各种回转薄壳的薄膜应力34压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述计算公式封头35压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述计算公式封头36压力容器强度校核压力容器强度校核校核公式一、校核公式一、校核公式1.内压圆筒体内压圆筒体按壁厚校核按壁厚校核 测测2.2.内压圆筒体内压圆筒体按压力校核按压力校核 P P 37压力容器强度校核压力容器强度校核校核参数选取（1）二、校核参数的选取二、校核参数的选
31、取（1 1）原则：腐蚀裕量）原则：腐蚀裕量=腐蚀速率（腐蚀速率（mm/mm/年）年）至下一个检验周期的年数至下一个检验周期的年数 实际：用减薄量估算实际：用减薄量估算（2 2）压力）压力PcPc：取容器实际最高工作压力；取容器实际最高工作压力；装有安全泄放装置取装有安全泄放装置取:安全阀开启压力或爆破片爆破压力；安全阀开启压力或爆破片爆破压力；盛装液化气体容器取原设计压力。盛装液化气体容器取原设计压力。注意温度、组分注意温度、组分 当容器的液柱静压力当容器的液柱静压力5%Pc,5%Pc,要计入液柱静压力（球形储罐均要计入液柱静压力）。要计入液柱静压力（球形储罐均要计入液柱静压力）。（3 3）温
32、温度度：温温度度主主要要用用来来确确定定材材料料许许用用应应力力，强强度度校校核核温温度度一一般般取取实实际际最最高高壁壁温温，当当无无准准确确壁壁温温值值时时，取取容容器器的的实实际际最最高高工工作作温温度度（热热介介质质的的最最高高工工作作温温度度），低低温温压压力容器，取常温（力容器，取常温（2020）值。）值。（4 4）许许用用应应力力，GB150GB150屈屈服服1.61.6，抗抗拉拉3.03.0安安全全系系数数。如如16MnR16MnR抗抗拉拉510MPa/3.0=170(510MPa/3.0=170(许许用用应力）（见应力）（见GB150GB150），对屈服），对屈服345/1.
33、6345/1.6216216，故按照保守，取，故按照保守，取170170许用应力。许用应力。从从理理论论上上来来说说，耐耐压压取取1.251.25的的系系数数，而而实实际际屈屈服服安安全全系系数数1.61.6，故故不不会会塑塑性性变变形形，但但是仍然需要校核水压薄膜应力，主要是是仍然需要校核水压薄膜应力，主要是1.251.25后边有个温度因子。后边有个温度因子。压压力力容容器器的的材材料料牌牌号号明明确确的的，直直接接按按相相应应材材料料牌牌号号选选取取许许用用应应力力，当当材材料料牌牌号号不不明明确确，可可按按压压力力容容器器同同类类材材料料的的最最低低标标准准值值选选取取，如如不不能能满满
34、足足强强度度要要求求时时，则则进进行行材料化验、硬度测定确定强度等级，选取许用应力值。材料化验、硬度测定确定强度等级，选取许用应力值。选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力；选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力；液化气储罐，取设计温度下的许用应力；液化气储罐，取设计温度下的许用应力；低温容器取低温容器取2020下的许用应力。下的许用应力。38压力容器强度校核压力容器强度校核校核参数选取（2）二、校核参数的选取二、校核参数的选取（5 5）直径：内直径按实测最大值选取。）直径：内直径按实测最大值选取。（6 6）焊接接头系数）焊接接头系数 焊焊接接接接头头系系数数根根据据焊焊接
35、接接接头头的的实实际际结结构构形形式式和和无无损损检检测测比比例例，按按照照有有关关标标准准选选取。取。对对焊焊接接接接头头形形式式不不清清，又又无无出出厂厂资资料料可可取取=0.6=0.6，不不能能满满足足强强度度条条件件时时，可可采采用用X X射射线线或或超超声声波波探探伤伤，确确认认焊焊接接接接头头实实际际结结构构形形式式和和焊焊接接接接头头内内在在质质量量后后确确定定焊焊接接接接头头系系数数。如如进进行行局局部部抽抽查查合合格格按按局局部部探探伤伤选选焊焊接接接接头头系系数数，如如进进行行100100探探伤伤合合格格，可可按按100100探探伤伤选选取取焊焊接接接接头头系系数数。对对远
36、远离离焊焊接接接接头头母母材材的的局局部部腐腐蚀蚀，用用最最小实测壁厚验算母材应力水平时，焊接接头系数可取小实测壁厚验算母材应力水平时，焊接接头系数可取1 1。三、例题三、例题必须会进行强度校核39压力容器强度校核压力容器强度校核压力试验应力校核40（3）夹套容器）夹套容器对对于于带带夹夹套套的的容容器器，应应在在图图样样上上分分别别注注明明内内筒筒和和夹夹套套的的试试验验压压力力。当当内内筒筒设设计计压压力力为为正正值值时时，按按内内压压确确定定试试验验压压力力。当当内内筒筒设设计计压压力力为为负负值值时时，按按外外压压进进行行液液压压试试验验。在在内内筒筒液液压压试试验验合合格格后后，再再
37、焊焊接接夹夹套套。并并对对夹夹套套进进行行压压力力试试验验，在在确确定定了了试试验验压压力力后后，必必须须校校核核内内筒筒在在该该试试验验外外压压力力作作用用下下的的稳稳定定性性。如如果果不不能能满满足足稳稳定定要要求求，则则应应规规定定在在作作夹夹套套的的液液压压试试验验时时，必必须须同同时时在在内内筒筒保保持持一一定定压压力力，以以使使整整个个试试验验过过程程（包包括括升升压压、保保压压和和卸卸压压）中中的的任任一一时时间间内内，夹夹套套和和内内筒筒的的压压力力差差不不超过设计压差。图样上应注明这一要求，以及试验压力和允许压差。超过设计压差。图样上应注明这一要求，以及试验压力和允许压差。（
38、4）对立式容器卧置进行液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力）对立式容器卧置进行液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力加液柱静压力。加液柱静压力。压力容器强度校核压力容器强度校核压力试验应力校核41压力容器强度校核压力容器强度校核压力试验应力校核42压力容器强度校核压力容器强度校核压力试验应力校核43第四节第四节 压力容器结构概述压力容器结构概述 压压力力容容器器一一般般是是由由筒筒体体（又又称称壳壳体体）、封封头头（又又称称端端盖盖）、法法兰兰、接接管管、人人孔孔、支支座座、密密封封元元件件、安安全全附附件件等等组组成成。它它们们统统称称为为过过程程设设备备零零部部件件，这这些些零零部部
39、件件大大都都有有标标准准。其其典典型型过过程程设设备备有有换换热热器器、反反应应器、分离容器、储存容器等。器、分离容器、储存容器等。压压力力容容器器的的结结构构形形状状主主要要有有圆圆筒筒形形、球球形形、组组合合形形。圆圆筒筒形形容容器器是是由由圆圆柱柱形形筒筒体体和和各各种种成成型型封封头头（半半球球形形、椭椭圆圆形形、碟碟形形、锥锥形形）所所组组成成。球球形形容容器器由由数数块块球球瓣瓣板板拼拼焊焊成成。承承压压能能力力很很好好，但但由由于于安安置置内内件件不不便便和和制制造造稍稍难难，故故一一般般用用作作贮贮罐罐。压压力力容容器器的的筒筒体体、封封头头（端端盖盖）、人人孔孔盖盖、人人孔孔
40、法法兰兰、人人孔孔接接管管、膨膨胀胀节节、开开孔孔补补强强圈圈、设设备备法法兰兰；球球罐罐的的球球壳壳板板；换换热热器器的的管管板板和和换换热热管管；M36以以上上的的主主螺螺栓栓及及公公称称直直径径大大于于250mm的的接接管管和和管管法法兰兰均均作作为为主主要要受受压压元元件件。人人造造水水晶晶釜釜约约140MPa，根据受力，径向力为，根据受力，径向力为0卷板（卷板（120mm以下）以下）-包扎；锻焊（包扎；锻焊（340mm）整体锻造缠绕）整体锻造缠绕（1000MPa),缠绕的缺点在于轴向力不能约束，只能约束周向力。缠绕的缺点在于轴向力不能约束，只能约束周向力。44压力容器结构概述零部件1
41、.筒体筒体 圆圆柱柱形形筒筒体体是是压压力力容容器器主主要要形形式式，制制造造容容易易、安安装装内内件件方方便便、而而且且承承压压能能力力较较好好，因因此此应应用用最最广广。圆圆筒筒形形容容器器又又可可以以分分为为立立式式容器和卧式容器。容器和卧式容器。由由于于容容器器的的筒筒体体不不但但存存在在与与容容器器封封头头、法法兰兰相相配配的的问问题题，而而且且卧卧式式容容器器的的支支座座标标准准也也是是按按照照容容器器的的公公称称直直径径系系列列制制定定的的，所所以以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。对对于于用用钢钢板板卷卷焊焊的的筒筒体体
42、，用用筒筒体体的的内内径径作作为为它它的的公公称称直直径径，其其系系列列尺尺寸寸有有300300、400400、500500、600600等等，如如果果筒筒体体是是用用无无缝缝钢钢管管制制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。夹套容器一般都是一主一辅，辅为主达到某种工况夹套容器一般都是一主一辅，辅为主达到某种工况45压力容器结构概述零部件2.封头封头（1）球球形形封封头头壁壁厚厚最最薄薄，用用材材比比较较节节省省。但但封头深度大、制造比较困难。封头深度大、制造比较困难。（2）椭椭圆圆形形封封头头椭椭圆圆形形封封头头纵纵剖剖面面的的曲曲线线部部分分是是半半个
43、个椭椭圆圆形形，直直边边段段高高度度为为h，因因此此椭椭圆圆形形封封头头是是由由半半个个椭椭球球和和一一个个高高度度为为h的的圆圆筒筒形形筒筒节节构构成成。椭椭圆圆壳壳体体周周边边的的周周向向应应力力为为压压应应力，应保证不失稳。力，应保证不失稳。（3）碟碟形形封封头头碟碟形形封封头头是是由由三三部部分分组组成成。第第一一部部分分是是以以半半径径为为Ri的的球球面面部部分分，第第二二部部分分是是以以半半径径为为Di/2的的圆圆筒筒形形部部分分，第第三三部部分分是是连连接接这这两两部部分分的的过过渡渡区区，其其曲曲率率半半径径为为r,Ri与与r均均以以内内表表面面为为基基准准。不不连连续续过过渡
44、渡导导致致边边缘缘应应力。力。46压力容器结构概述零部件（4）球冠形封头球冠形封头可用作端封头，也可以用作容器中两独立受压室的中间封头，由于封头为一球面且无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体联接处的T形接头采用全焊透结构。（5）锥形封头锥形封头有无折边锥形封头和折边锥形封头。（6）平盖弯曲应力较大，在等厚度、同直径条件下，平板内产生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的2030倍。但结构简单，制造方便。47压力容器结构概述零部件3.支座支座 支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。卧式
45、容器多使用鞍式支座。4.法兰法兰 法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、制造 成本较高。法兰分类主要有以下方法：（1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。（2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。（3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。5.人孔与手孔人孔与手孔 48压力容器结构概述开孔与补强1 为何要进行开孔补强 通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度，而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到基本薄膜应力的3
46、倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。主要表现疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开孔补强设计。2 压力容器为何有时可允许不另行补强 压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素：容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用等原因，壳体厚度往往超过实际强度的需要。厚度的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而实际开孔不在焊缝上。在多数情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起到了补强的作用。
47、49压力容器结构概述开孔与补强3 开孔补强结构所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内外圆角的大小以及补强金属量等。(1)加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、b、c。该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙，传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局部区域内产生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容器。(2)接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、e、f。它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内，因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低合金高强度钢制的压力容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补强为好。(3)整锻件补强结构如图g、h、I，此结构的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且焊接接头及热影响区可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但这种结构需要锻件，且机械加工量大，所以一般只用于要求严格的设备。50压力容器结构概述开孔与补强图 补强结构51压力容器结构概述开孔与补强52压力容器结构概述开孔与补强等面积补强示意图53压力容器结构概述开孔与补强54压力容器结构概述开孔与补强