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关于我

毕业于机械专业,中级职称,无损射线探伤Ⅱ级证,熟悉压力容器设计、制造的相关法规和标准。 撑握压力容器制造许可的鉴定评审工作,ISO9000--2001鉴定评审工作。曾担任董事长助理、副总经理、压力容器质保工程师等职务,现任副总经理。

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压力容器设计基本知识——讲稿  

2010-11-27 09:12:13|  分类: ◆职业技能◆ |  标签: |举报 |字号 订阅

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  一.基本概念

1.1 压力容器设计应遵循的法规和规程

     1)《特种设备安全监察条例》(本文简称《条例》),是国务院2003年3月11日公布的条例,条例自2003年6月1日起施行。原《锅炉压力容器安全监察暂行条例》同时废止。

   2)《压力容器安全技术监察规程》(本文简称《容规》),此《容规》自2000年1月1日起正式实施。在安全监察中,包括的七个环节是:设计、制造、安装、使用、检验、改造和修理。此规程与《条例》有不一致之处,应按《条例》的内容修改。

     3)《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》,此规则自2003年1月1日起实施。

1.2 标准和法规(规程)的关系。

《容规》第4条规定,压力容器的设计、制造(组焊)、安装、使用、检修、修理和改造,均应严格执行本规程的规定;第5条规定:本规程是压力容器质量监督和安全监察的基本要求,有关压力容器标准、部门规章、企事业单位规定等,如果与本规程的规定相抵触时,应以本规程为准。

GB150总论第3.1条规定:容器的设计、制造、检验和验收除必须符合本标准规定外,还应遵守国家颁布的有关法令、法规和规章。

   因此,当标准与法规或规程有不一致时,应按法规(和规程)的规定执行。

1.3 压力容器的含义(定义)

根据《条例》第八十八条中的规定,压力容器用语的含义是:“压力容器,是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备,其范围规定为最高工作压力大于或等于0.1MPa(表压),且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器;盛装公称工作压力大于或等于0.2MPa(表压),且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPa·L的气体液化气体和标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶;氧舱等。”

1.4 压力容器设计标准简述

我国压力容器专业性的具有一定规模的压力容器的设计和制造,起于五十年代初期。

1980年起,压力容器设计方面依据为:《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》。

GB150-1998《钢制压力容器》是强制性的压力容器国家标准。该标准对钢制压力容器的设计、制造、检验和验收作出具体的规定。是压力容器的基本标准。

对压力小于O.1MPa的钢制容器的设计,按压力容器行业标准JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》的规定。

卧式容器和立式容器的设计尚应符合行业标准JB4710-2000《钢制塔式容器》和JB4731-2005《钢制卧式容器》的规定。

GB151-1999《管壳式换热器》标准,是用钢、铝、铜、钛和镍等材料制造的管壳式换热器的设计制造和验收标准。

化工行业标准HG20580~HG20585–1998,是针对化工设备的特点,对钢制压力容器设计和制造方面提出更详细的规定,有关设计方面的标准是:

  HG20580-1998 《钢制化工容器设计基础规定》

  HG20581-1998 《钢制化工容器材料选用规定》

  HG20582-1998 《钢制化工容器强度计算规定》

  HG20583-1998 《钢制化工容器结构设计规定》

 其它配套标准如零部件如封头、法兰、支座、加固圈等标准,材料标准、焊接标准等已日趋完备。

1.5   D1级和D2级压力容器说明

  根据《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》第三条规定, 压力容器设计类别和级别的划分是:(一)A类、(二)C类、(三)D类和(四)SAD类。其中D类又分:D1级和D2级。

1.D1级  系指第一类压力容器

2.D2级  系指第二类低、中压容器

第一类和第二类的具体划分见《容规》第6条的规定。

注:压力等级的划分是:按容器的设计压力P的大小,其中:

(一)  低压(代号L)0.1MPa≤ P <1.6MPa

(二)  中压(代号M)1.6MPa≤ P <10MPa

二 GB150-1998《钢制压力容器》

   GB150-1998《钢制压力容器》(简称GB150),包括正文十章和八个附录。

  十章正文目次是:①范围;②引用标准;③总论;④材料;⑤内压圆筒和内压球壳;⑥外压圆筒和外压球壳;⑦封头;⑧开孔和开孔补强;⑨法兰;⑩制造、检验与验收。

  八个附录中,属于标准的附录有:附录A  材料的补充规定;附录B  超压泄放装置;附录C  低温压力容器;附录D  非圆形截面容器。属于提示的附录有:附录F  钢材的高温性能;附录G  密封结构;附录H  材料的指导性规定;附录J  焊接结构。

标准的附录E  产品焊接试板的力学性能检验,已被新发布的JB4744-2000《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能试验》所代替。

1.范围

GB150-1998《钢制压力容器》规定了“钢制压力容器的设计、制造、检验和验收要求”。

即是说:GB150是碳素钢、低合金钢和高合金钢制的压力容器,在设计、制造、检验和验收的整个过程中,必须遵守的强制性国家标准。

标准中规定适用的压力容器的设计参数的范围是:容器的设计压力不大于35MPa;

适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度而定。

对于D类压力容器,设计压力范围应小于10MPa。

在GB150的1.3和1.4中,还规定出不属该标准规定范围的各类压力容器,

其中有:直接用火焰加热的容器;核能装置中的容器;经常搬运的容器;设计压力低于0.1MPa 的容器;真空度低于0.02MPa的容器;要求作疲劳分析的容器;内直径小于150 mm的容器;此外,还有旋转或往复运动的机械设备中自成整体的受压器室,以及已有其他行业标准的容器,诸如制冷、制糖、造纸、饮料和搪玻璃容器等。

2.标准

 在GB150所列的引用标准中包括GB 、GB/T、JB 和JB/T四种代号的标准,标准分为强制性标准和推荐性标准(推荐性标准一经采用,即具有强制性的性质)。GB/T是推荐性的国家标准,JB是机械工业的行业标准,JB/T是机械工业推荐性的行业标准,而JB或JB/T中排号为4XXX号码的,规定为压力容器行业的标准。例如:

国家强制性标准:GB6654-1996《压力容器用钢板》; GB4237-92《不锈钢热轧钢板》

国家推荐性标准:GB/T229-94《金属夏比缺口冲击试验方法》;GB/T1804-92《一般公差  线性尺寸的未注公差》

压力容器行业标准:JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》;JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》

标准一经被引用,即构成该标准的条文。在GB150第2章中,列了45个引用标准。从2004年4月1日起尚应实施下列标准:

JB/T4736-2002 《补强圈》

JB/T4746-2002 《钢制压力容器用封头》

JB/T4747-2002 《压力容器用钢焊条订货技术条件》

JB/T4711-2003 《压力容器涂敷与运输包装》

3.总论

  在“总论”一章中,对下列的8个方面作了规定:

①标准与相关法规和规章的关系;②设计和制造压力容器单位的资格和职责;③容器的范围;④压力、温度和厚度的定义;⑤设计参数选用的一般规定;⑥材料许用应力确定的依据和取值的规定;⑦焊接接头系数的确定;⑧压力试验(液压试验和气密性试验)和试验压力的规定。

3.1 《条例》对设计单位的规定

《条例》第十一条规定:压力容器的设计单位应当经国务院特种设备安全监督管理部门许可,方可从事压力容器的设计活动。

(一)有与压力容器设计相适应的设计人员设计、审核人员;

(二)有与压力容器设计相适应的健全的管理制度和责任制度。

3.2   GB150-1998对设计单位的资格和职责规

资格  容器的设计单位必须具备健全的质量管理体系,应持有压力容器设计单位批准书,压力容器的设计必须接受国家质检总局相关安全监察机构的监察。

职责  应对设计文件的正确性和完整性负责。容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。容器设计总图应盖有容器设计资格印章。

3.3   管辖的容器范围划定

GB150管辖的容器,其范围包括壳体及与其连为整体的受压零部件,且划定在下列范围内。

3.3.1 容器与外部管道连接:焊接连接的第一道环向接头坡口端面;螺纹连接的第一个螺纹接头端面;法兰连接的第一个法兰密封面;

3.3.2 接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件。

3.3.3 非受压元件与受压元件的焊接接头。接头以外的元件,如加强圈、支座、裙座等。

3.3.4 超压泄放装置和仪表附件。

详见GB150中的3.3.1 至3.3.4条的规定。

3.4   定义及含义

3.4.1 压力  除注明者外,均指表压力。

3.4.2 工作压力(PW) 指在正常工作情况下,容器顶部可能达到的最高压力。

3.4.3 设计压力(P) 指设定容器顶部的最高压力,与相应的设计温度一起作为设计载荷条件,其值不得低于工作压力。即P≥PW。

3.4.4计算压力(PC) 指在相应设计温度下,用以确定元件厚度的压力,其中包括液柱静压力。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。故PC≥P;

3.4.5 试验压力(Pt)  指压力试验时,容器顶部的压力。

注:试验用压力表口设计位置应位于容器顶部。

3.4.6 设计温度  指容器在正常工作情况下,设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。

3.4.7 试验温度  指压力试验时,壳体金属的温度。

3.4.8 各种厚度

3.4.8.1 计算厚度δ 指按厚度计算公式计算得到的厚度。

3.4.8.2 设计厚度δd 指计算厚度(δ)与腐蚀裕量(C2)之和。即

              δd = δ+C2, 因此δd ≥ δ

3.4.8.3 名义厚度δn  指设计厚度(δd)加上钢材厚度负偏差(C1)后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标在图样上的厚度。

              δn≥(δd + C1)

3.4.8.4有效厚度δe  指名义厚度(δn)减去腐蚀裕量(C2)和钢材厚度负偏(C1)。

δe  =δn-C1-C2

=δn-(C1+C2)=δn-C(厚度附加量)

 注:如设定圆整量为C3,各厚度的关系为:

                δn=δ+ C1+ C2+ C3

                δe=δ+ C3=δn-(C1+C2)

                δd =δ+ C2

3.5   设计的一般规定

设计的一般规定,是对设计压力、设计温度、载荷、壁厚附加量和最小厚度选用等的规定。

3.5.1 设计压力(P)的确定

  1)内压容器

①容器上装有超压泄放装置(安全阀)时,容器的设计压力确定的步骤如下:

确定安全阀的开启压力PZ ,取PZ≤(1.05~1.1)PW.当 PW<0.18MPa时,可适当提高PZ相对于PW 的比值。再令P≥ PZ。

②容器上装有爆破片:P = P b + ΔP 

式中:P b为设计爆破压力,其其值等于最低标定爆破压力Ps min加上所选爆破片爆破范围的下限(取绝对值);

Δp为爆破片制造范围上限。

最低标定爆破压力Ps min和上下限查表B2和表B3。

③容器上无安全阀,但出口管线有安全阀:P≥P z +Δh. Δh为容器到安全阀的压力降。

④容器的压力源如与泵直接连接,则可有下列情况:

容器位于泵的出口侧,设计压力应取下述情况中的大值,泵正常入口压力+正常工作扬程;泵最大入口压力+正常工作扬程;泵正常入口压力+出口全关闭时的扬程。

容器位于泵(压力源)的进口侧,且无安全泄放装置时,取P=(1.0~1.1)Pw,并以 P=-0.1MPa进行外压校核。

2)外压、真空容器及夹套容器(按外压设计)

①确定外压容器的设计压力时,应考虑在正常情况下可能出现的最大内外压力差。

②确定真空容器的壳体厚度时,设计压力按承受外压考虑。当装有真空泄放阀时,设计压力P=1.25ΔP  式中ΔP为最大内外压力差,或P=0.1MPa两者中的低者。未装真空泄放阀时,取P=0.1MPa。

③夹套容器:

带内压夹套的真空容器:内筒为真空,设计压力=真空设计的外压力(按②条)+夹套内压力,并以1.25倍的夹套外压力核定内筒的外压稳定性。夹套按内压计算。

带真空夹套的内压容器(即夹套为负压,内筒为正压):内筒的设计压力=内筒的压力+0.1MPa,并核对在夹套试验压力下的稳定性;夹套按②考虑。

3)盛装液化气体的容器

对盛装液化气体的容器,在规定的充装系数范围内,设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

设计压力按《容规》第34条的规定。常见介质的设计压力按《容规》第36条中表3-3的规定。由于液化气体多属有毒或易燃性质,且设计压力多数为中压,因此应注意设计的范围,分辨容器的类别。

3.5.2 设计温度的确定

   设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。

在任何状况下,元件金属表面的温度不得超过金属的允许使用温度。

对于00C以下的金属温度,设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

3.5.3有不同工况的容器

 对有不同工况的容器,应按最苛刻的工况设计,并在图样或相应技术文件中注明各工况的压力和温度值。

3.5.4  载荷

   设计时应考虑的载荷有:内压、外压或最大压力差;液体静压力;根据容器的具况,还可能考虑自重,内件重和附属设备等等的影响(详见GB15O的3.5.4条中的内容)。

3.5.5  厚度附加量

   厚度附加量C由钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分组成。

                 C = C1 + C2

钢材厚度负偏差C1按钢材标准的规定;当钢材厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的6%时,厚度负偏差C1可忽略不计。

如选用GB6654-1996《压力容器用钢板》标准,其厚度负偏差C1可忽略不计。

腐蚀裕量C2 为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导至厚度的削弱减薄,应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的零件,应根据预期的容器寿命和介质对钢材的腐蚀速率而定。

   注:腐蚀分类:

①均匀腐蚀  金属表面出现各部分的腐蚀速度大致相同的连续腐蚀;

②非均匀腐蚀  金属表面各部分具有不同速度的连续性破坏;

③局部腐蚀  局部发生腐蚀,如点蚀(呈一个个的点状)和斑点腐蚀(呈一个个的斑点状);

④应力腐蚀  由侵蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀;

⑤晶间腐蚀  是金属晶粒界面的腐蚀。

标准中的材料的腐蚀速率,是对于均匀腐蚀而言,亦即钢材表面的腐蚀速率(毫米/年)各处基本相同。

腐蚀裕量C2 = 腐蚀速率 X 设计使用年限

             (毫米/年 X 年 = 毫米)

在考虑腐蚀的同时,也应考虑容器可能发生的机械磨损。

此外,由于金属所处的介质情况(如介质的腐蚀性、浓度和温度)不同,腐蚀程度不同,因此,采用不同的腐蚀裕量。

GB150中规定“介质为压缩空气、水蒸气的碳素钢或低合金钢制容器,腐蚀裕量不少于1 mm”。

3.5.6      最小厚度

   容器在较低内压力作用下,按厚度计算方法得到的厚度很小,虽然能满足容器的强度要求,但刚度不够。为解决刚度问题,GB150中规定了壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度:

a)对碳素钢、低合金钢制容器,不小于3 mm;

b)对高合金钢制容器,不小于2 mm。

   因此,碳素钢和低合金钢制的容器的最小名义厚度应不小于4 mm。

3.6   许用应力

容器使用钢材常用指标是力学性能,在D类容器中,主要指标是材料的抗拉强度σb和屈服点σs(或σ0.2)。

容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏,在实际应用中必须控制容器的材料受力处在安全范围内,即除以系数n,n称为材料许用应力系数(即是设计安全系数)。

从钢常温抗拉强度考虑,设计安全系数取3;

按钢的设计温度下的屈服强度考虑选用的设计安全系数:对碳素钢和低合金钢取1.6;对高合金钢取1.5。

将钢材的抗拉强度σb和屈服点σs分别除以各自的设计安全系数后,取二值的小者作为材料的许用应力。

说明:考虑安全系数是基于如下因素:

①材料的性能稳定性存在偏差;②估算载荷状态及数值偏差;③计算方法的精确程度;④制造工艺及允许偏差;⑤检验手段及严格程度;⑥使用中的操作经验等六个方面。

在确定具体材料的许用应力时,还要结合材料的质量因素。

GB150所用钢板材料的许用应力按GB150标准的第4章各材料表中的规定。

螺栓材料的许用应力,是从考虑屈服的情况考虑,安全系数选高了一些,详见GB150表3-1和表3-2。

3.7    焊接接头和焊接接头系数

3.7.1 焊接接头分类和要求

压力容器筒体与筒体,筒体与封头的连接,封头的拼接,不允许采用搭接结构。也不允许存在十字焊缝。

    容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D 四类,具体规定是:

   a)A类焊接接头  圆筒部分的纵向接头,半球形封头与圆筒连接的环向接头,各种凸形封头的所有拼焊接头,嵌(qian)入式接管与壳体对接的接头。

   b)B类焊接接头  壳体部分的环向接头,锥形封头小端、长颈法兰等与接管连接的接头。

   c)C类焊接接头  平盖、管板与圆筒非对接连接的接头,法兰与壳体、接管连接的接头,内封头与圆筒连接的搭接接头。

   d)D类焊接接头  接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。

  压力容器的所有A、B类焊接接头均需按GB150标准和设计图样的规定进行无损检测(RT或UT)。

   下列情况的压力容器的A类及B类焊接接头应进行100%射线或超声检测(材料厚度≤38mm时,应采用射线检测):

①    第二类压力容器中,易燃介质的反应容器或储存容器;

②    设计压力大于5.0MPa的压力容器;

③    筒体厚度大于30mm的碳素钢和厚度大于25mm的低合金钢或奥氏体不锈耐酸钢制压力容器;

④    盛装高度和极度危害介质的压力容器;

⑤    耐压试验为气压试验的压力容器;

⑥    使用后无法进行内部检验或耐压试验的压力容器;

⑦    焊缝系数为1.0的压力容器(无缝钢管制的筒体和压力容器本体最后焊接的一条环焊缝除外,但应提供保证其焊接质量的相应焊接工艺);

图样规定进行局部无损检测A类和B类焊接接头,局部无损检测的检测长度为不少于每条焊缝长度的20%,且不小于250mm。且下列焊接接头应全部检测:①所有的T型焊接接头;

②开孔区域内(以开孔中心为圆心,1.5倍开孔直径为半径的圆内)的焊接接头;③被补强圈支座垫板等其他元件所覆盖的焊接接头;

④拼接封头和拼接管板的焊接接头;

⑤公称直径大于250mm接管的环焊缝按容器本体考虑。合格级别按容器要求。

除另有规定,不允许采用降低焊接接头系数而不进行无损检测。

设计用的焊接结构可参见GB150的附录J。焊接结构。

3.7.2 焊接接头系数

 焊接接头系数ф应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。

注:焊接接头系数有的称为焊缝系数,即是焊缝的强度与母材强度之比。

   双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头:

    100%无损检测  ф = 1.00

局部无损检测  ф = 0.85

说明:相当于双面焊的全焊透的对接焊缝,是指单面焊双面成型的焊缝,按双面焊评定(含焊接试板的评定),如氩弧焊打底的焊缝或带陶瓷、铜衬垫的焊缝等。

单面焊对接接头(沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板):

100%无损检测  ф = 0.9

局部无损检测  ф = 0.8

说明:这里应注意到1)是对接接头;2)全焊透结构;3)沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板。垫板如何才算密贴,看法并不一致,一般以焊接工艺评定为准。

3.8   压力试验和试验压力

压力试验是容器制造中检查容器质量的必需工序。它主要检查容器的强度、刚度和焊接接头及可拆的密封连接处的密封质量。压力试验方法有液压试验、气压试验和气密性试验。

压力试验的种类、试验压力值和要求,应在图样中注明。

381 液压试验

液压试验是压力容器常用耐压试验方法。试验液体一般采用水,也可采用不致发生危险的其它液体。

对奥氏体不锈钢制造的容器水压试验应控制水的氯离子含量不超过25mg/L

3.8.1.1内压容器

液压试验     PT  = 1.25P [σ]/[σ]t

式中P-- 设计压力 MPa ;

 PT -- 试验压力  MPa

[σ] -- 容器元件材料在试验温度下的许用应力,MPa

[σ]t -- 容器元件材料在设计温度下的许用应力。MPa

此液压试验压力PT为常用的压力,也是最小试验压力。

如果名义厚度远大于计算厚度,为达到试验的目的,也可适当的提高试验压力,但确定新的试验压力值时,应进行应力校核,用试验压力值计算的换算应力σΤ应符合如下规定:

压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

бs(б0.2)—圆筒材料在试验温度下的屈服点(或残余变形为0.2%时的屈服强度), MPa

3.8.1.2   外压和真空容器,

以内压进行液压试验: PT= 1.25P

容器液压试验合格的条件是:①无滲漏;②无可见的变形;③试验过程中无异常的响声。

382 气压试验

对于不适合作液压试验的容器,例如容器内不允许有微量残留液体,或由于结构原因不能充满液体的容器,可采用气压试验。

内压容器的气压试验压力PT= 1.15P[σ]/[σ]t,设计校核结果,应满足如下要求:

压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

外压和真空容器,以内压进行气压试验,气压试验压力为:PT = 1.15P

气压试验应有安全措施,该安全措施应经单位技术负责人批准,单位安全部门检查监督。试验所用气体应为干燥洁净的空气、氮气或其他惰性气体,碳素钢和低合金钢压力容器气压试验用气体的温度不得低于150C。设计采用气压试验,应注明安全要求。

3.83   气密性试验:

压力容器的气密性试验要求,见《容规》第101条和第102条的规定。

介质的毒性程度为极度和高度危害的压力容器,应在压力试验合格后进行气密性试验,需作气密性试验时,试验压力、试验介质和检验要求应在图样中注明。

   夹套容器压力试验的试验压力和方法,应在图样中注明。

4.对材料的要求

GB150在压力容器用钢的要求方面含三部分,即:

①正文第4章:材料;

②附录A(标准的附录):材料的补充规定;

③附录H(提示的附录):材料的指导性规定。

在这些章节中,主要是对受压元件用材料的规定。

GB150对受压元件未定义。

注:根据《容规》第25条规定,压力容器的主要受压元件是:压力容器的筒体、封头(端盖)、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰、球罐的球壳板、换热器的管板和换热管、M36以上的设备主螺栓及公称直径大于等于250mm的接管和管法兰。

4.1 选择压力容器用钢应考虑的因素

1)选材地合理性是保证压力容器设计质量的关键环节,压力容器选择受压元件用钢材时,必须选用GB150第四章的材料表中列出的钢材。而非受压元件与受压元件焊接者,也应选用焊接性能良好的钢材。

 2)选择压力容器用钢应考虑的因素有:压力容器的使用条件,如设计压力、设计温度、介质特性和操作特点;可焊性良好;制造工艺的可行性(加工难度)和经济合理等。

 说明:可焊性方面,应靠虑控制钢的含碳量或碳当量,含碳量大的,焊接性能下降,容易产生裂纹,且塑性下降,不利于冷热成形,压力容器焊接用钢的碳含量应为C≤0.25%。

   从钢的冶炼上,应采用平炉电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢。因为沸腾钢中含有FeO,脱氧情况差,成材率虽高,但质量差。镇静钢是一种充分脱氧的钢,成材率较低,但钢中杂质少,气泡和疏松性少,质量高。

目前,由于平炉冶炼时间长,占地面积大,生产效率低,此法逐步被淘汰。

降低钢中的硫、磷含量:因为硫、磷均为钢中的有害杂质,硫与铁在晶界处生成低熔点硫化铁(FeS),热加工时易产生热脆,即称热脆性,焊接时,硫和氧结合产生SO2 使焊缝中产生气孔和疏松,影响焊接接头的质量;磷与铁形成磷化三铁(Fe3P),明显的降低钢的塑性韧性,尤其是低温时更差,属冷脆现象,磷过多,焊接变坏,易产生裂纹。

由于磷和硫是矿石中带来的,随着冶炼技术的进长和压力容器质量要求的提高,磷、硫含量将逐步降低,要求的磷、硫含量为:P≤0.030%;S≤0.020%.

 3)GB150中对材料的修改情况是:

2002年起,取消Q235-A.F和Q235-A钢板在受压元件中的应用;

《制造许可》中规定,对用于焊接接构的压力容器用钢磷、硫含量:磷P≤0.O30%,硫S≤0.020%。,并规定钢的含碳量应不大于0.25%,且按下式计算的碳当量Ceq不大于0.45%。

Ceq = C + Si∕24 + Mn∕6 + Ni∕40 + Cr∕5 + Mo∕4 + V∕14

沸腾钢不允许用于制造压力容器的受压元件。

  4)  Q235钢板:在图样的材料明细表中不得只标Q235,应根据设计须要在尾部带上“-A或-B或-C”,Q235钢板的具体数据见下表:

 Q235热轧厚钢板(板厚≤16mm)的化学成分和力学性能表

牌号

等级

            化学成分    %

力学性能MPa

冲击性能

 C

 Mn

 Si

 S

 P

 бs

бb

温度

0C

冲击功J

Q235-A

0.14-0.22

0.3-0.65

 

 0.3

0.05

0.045

 

235

375

-500

 

 

Q235-B

0.12-0.20

0.3-0.7

0.045

 20

27

Q235-C

≤O.18

0.35-0.6

0.04

0.04

  0

  注:Q235-A未提供冲击功。

4.2  D类压力容器受压元件用钢板

在D类压力容器中,主要使用GB150的表4-1“钢板许用应力”列入的下列钢板:

  1)碳素钢板:使用Q235-B 、Q235-C 和 20R钢板。

  Q235-B钢板(GB912和GB3274)的适用范围:容器设计压力 P≤1.6MPa; 钢板使用温度为0~3500C;用于壳体时,钢板厚度不大于20mm;不得用于毒性为高度或极度危害介质的压力容器。在表4-1中所列许用应力值,已乘质量系数0.9。

  Q235-C钢板(GB912和GB3274)的适用范围:容器设计压力 P≤2.5MPa,钢板使用温度为0~4000C。用于壳体时,钢板厚度不大于30mm

20R钢板(GB6654)的应用:用作壳体时,适宜厚度不超过30mm;使用温度建议为-19~4750C;为避免增加试验项目,当使用温度低于00C时,建议使用厚度小于25mm;使用温度低于-100C时,建议使用厚度小于12mm。

   2)低合金钢板:使用 16MnR(GB6654)和16MnDR(GB3531)钢板

   16MnR钢板:常温使用时的厚度不宜超过30mm;使用温度建议为-19~4750C。

使用温度低于00C时,建议使用厚度小于35mm;使用温度低于-100C时,建议使用厚度小于20mm,以避免增加试验项目。

16MnDR钢板:使用的最高温度为3500C,厚度不宜超过35mm。

对于有经验的设计单位,也可选用GB6654中的15MnNbR和,15CrMoR;GB3531 中的15MnNbDR 和09MnNiDR。

3)高合金钢板:经常使用奥氏体不锈钢板(GB4237):

用于清洁美观的压力容器用钢板有:0Cr18Ni9 ;

用于抗氧化性介质腐蚀的不锈钢有:00Cr19Ni10和0Cr18Ni10.

用于抗醋酸介质腐蚀用的不锈钢有:OCr17Ni12Mo2,0Cr18Ni12Mo2Ti

00Cr17Ni14Mo2; 0Cr19Ni13Mo3;00Cr19Ni13Mo3 。

说明:①抗腐蚀原理:铬镍奥氏体不锈钢是指上述钢号经固熔热处理而具有均一的奥氏体钢,这种钢在氧化性介质中具有良好的抗腐蚀性,高的塑性和韧性。这种钢的耐腐蚀的基理通常用钢生成氧化膜的理论来解释,即钢在空气中或在氧化性介质中,其表面氧化,生成緻密的氧化薄膜,它阻止内部进一步氧化,或受介质的侵蚀,这种现象称钝化现象。钝化膜的生成与不锈钢的表面的质量有关,机械损伤破坏的氧化膜会重新生成,但很缓慢,清洁表面后可再度产生氧化膜。钢表面的残余氧化皮、砂眼、起鳞,氧化膜难以生成,会造成局部腐蚀。抛光表面、经磨光和酸洗的表面,可加速氧化膜的形成,提高抗腐蚀性。

 ②不锈钢晶间腐蚀:晶间腐蚀是钢的晶体边界受到腐蚀的一种破坏形式。这种腐蚀沿着晶界快速传播到金属内部。晶间腐蚀特别危险,因为肉眼不容易发现,由于这种腐蚀的结果,材料的机械强度丧失达到很大的数值。晶间腐蚀的倾向,主要决定于钢的含碳量,其原因是:当钢加热到不太高的温度(600-8000C)时,由于富铬的碳化物在晶界上析出,使固溶体晶界上贫铬,结果,晶界未能钝化,使其耐腐蚀性变差,解决的办法是:a)采用钢在1080-11500C的固溶处理,使碳重新溶入奥氏体固溶体;b)将钢中碳含量降低至≤0.03%;c)加入形成稳定碳化物的元素钛或铌到钢中,加钛量应≥5C%,但含钛的不锈钢的加热温度不应超过11000C,以免碳化钛重新溶入固溶体中,重新产生碳化铬而发生贫铬现象。

4.3   钢管

4.3.1 钢管的标准及许用应力按GB150的表4-3钢管许用应力的规定。

D类压力容器常用的碳素钢和低合金钢钢管牌号有:10  20  20G  16Mn 。

10和20钢管,依据标准为:GB8163-87《输送流体用无缝钢管》;

20G 和 16Mn 钢管,依据标准为:GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》。

常用的不锈钢管0Cr18Ni9、 00Cr19Ni10 和0Cr18Ni10Ti依据标准为:

GB13296-91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》

 GB/T14796-94 《流体输送用不锈钢无缝钢管》

4.3.2   关于不锈钢焊接钢管在压力容器中的使用问题:

在附录A的A4.2中有明确规定。

对奥氏体不锈钢焊接钢管(见A4.2.1)应遵循GB12771-91《流体输送用不锈钢焊接钢管》的规定。具体要求是:壁厚允许偏差为±12.5%;钢管的弯曲度不大于1.55mm/m;逐根进行蜗流或射线(对大直径管)及水压试验合格;

检测标准按JB/T4730-2005.1《承压设备无损检测》中的相关部分,水压试验压力为容器设计压力的2倍,保压时间为10秒,管壁无渗漏现象。

奥氏体不锈钢焊接钢管的使用范围规定如下:容器使用温度定为0Cr18Ni9、 00Cr19Ni10 和0Cr18Ni10Ti等钢号的相应允许使用温度;容器设计压力不大于6.4MPa;管壁厚不大于8mm;不得用于毒性程度为极度危害的介质;焊接接头系数为0.85,即按相同钢号的许用应力乘以0.85的焊接接头系数。

4.4   钢锻件

钢锻件的标准及许用应力按GB150表4-5的规定,钢锻件的标准和常用钢锻件为:

    JB4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中的 20、35和16Mn

    JB4727-2000《低温压力容器碳素钢和低合金钢锻件》中的16MnD

  JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》中的0Cr18Ni9、00Cr19Ni10 和0Cr18Ni10。

4.5  焊接材料

压力容器受压元件焊接选用的焊条(焊接材料)的參考原则是:

①满足力学性能的要求,保持等强度,考虑满足冲击韧性和伸长率的要求;

②化学成分相当;

③根据工程重要性、危险性、焊接位置、刚性大小、施焊条件、焊接经验选择焊条;

④考虑经济性和容易获得;

碳钢和低合金钢之间焊接,一般要求所选用的焊材焊成的焊接接头,其强度不低于强度较低的一侧母材标准抗拉强度下限值,而接头的韧性和塑性应不低于强度较高而塑性韧性较差的母材。

首次选用的焊接材料,应按JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》和JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》的规定。压力容器用焊条定货时,应按JB/T 4747-2002《压力容器用焊条订货技术条件》。

焊接材料的标准有:

GB/T5117-1995《碳钢焊条》;

GB/T5118-1995《低合金钢焊条》;

GB/T983-1995《不锈钢焊条》;

GB/T984-2001《堆焊焊条》;

GB/T14957-1994《熔化焊用钢丝》;

GB/T14958-1994《气体保护焊用钢丝》;

GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢,低合金钢焊丝》

GB4241-84《焊接用不锈钢盘条》;

GB4242-84《焊接用不锈钢丝》;

GB4343-84《惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝》。

YB/T5091-1993《惰性气体保护焊用不锈钢棒及钢丝》;

YB/T5092-1996《焊接用不锈钢丝》;

GB/T5293-1999《埋弧焊用碳素钢焊丝和焊剂》;

GB/T12470-1999《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》;

4.6  采用国外钢材的要求

采用国外的钢材,应是国外相应压力容器最新标准所允许使用的钢材;其使用范围不应超出该标准的规定,同时也不应超过GB150第4章材料相近钢材的规定。

4.7    一些钢材的代用规定

1)钢材的代用的一般原则是:代用材料应与被代用的钢材具有相同或相近的化学成分、交货状态、检验项目、性能指标和检验率以及尺寸公差和外形质量等。

2)代用图样规定的钢材时,应取得原设计单位的同意。

3)钢板代用:

①GB712-88《船体用结构钢》中的A级钢板,可代用Q235-A(不得作受压元件);B级钢板在钢厂按标准要求进行冲击试验合格后,可代用Q235-C钢板,未作冲击试验的钢板,则只能代用Q235-B钢板;

②GB713-1997《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》中的20g钢板可代用Q235-C钢板。

4)钢管代用:GB3087-82《低中压锅炉用无缝钢管》中的10和20钢管,可代用 GB8163-1999 《输送流体用无缝钢管》中相应的钢管。

4.8   特殊工作环境下的选材

关于介质处于NaOH湿H2S应力腐蚀时的选材问题,可见《容规》126页,关于“压力容器选材与介质”的说明。

5.内压圆筒和内压球体的计算

5.1  内压圆筒和内压球体计算的理论基础

  1)强度理论:内压容器的破坏有四种强度理论,比较为人们接受的有第一、第三和第四强度理论。

   ①第一强度理论即最大主应力理论,它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应力。亦即不论材料处于何种应力状态,只要最大主应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值,材料则发生断裂破坏,其当量应力强度为S = б1 。

   ②第三强度理论即最大剪应力理论,它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何种应力状态,只要最大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值,材料则发生屈服破坏,其当量应力强度为S = б1-б3 。

   ③第四强度理论即最大应变能理论,它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大变形能。亦即不论材料处于何种应力状态,只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的应变能,材料即发生屈服破坏,其当量应力强度为:

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2)GB150-1998标准中计算公式主要以第一强度理论为基础(结果比较接近)。并采用平面应力状态(忽略第三向应力)。如果考虑第三向的应力,则是第三强度理论。

5.2 内压圆筒计算

1)设计温度下的计算厚度按下式计算:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

            公式适用范围:Pc≤0.4Ф[σ]t 或 Do/Di≤1.5

    式中:δ- 圆筒的计算厚度 mm;

               Pc–计算压力,MPa;

               Di – 圆筒内直径,mm;

               [σ]t –设计温度下圆筒材料的许用应力,MPa;

               Ф – 焊接接头系数。

2)公式来源:

用第一强度理论,以圆筒平均直径为基准计算的环向应力,考虑了圆筒内壁上最大主应力与平均拉应力的差值进行了修正,并考虑了纵向焊缝(A类焊接接头)在强度方面相对于母材的削弱。

公式中应力的推导是根据薄膜应力理论。

3) 公式推导:

   设直径D筒体受内压力为P的作用,圆筒上的任一小单元上受三个主应力环向应力σ1 、轴向应力σ2和径向应力σ3的作用,求应力时,可通过中心轴线沿纵向将圆筒切成两部分,去除一部分以应力代替,根据力平衡理论,在纵向截面厚度产生内应力σ1,其合力与外部作用的压力作用平衡,设圆筒直径为D,长度为L,厚度为δ,按平衡关系则有:

2 Lδσ1 = P D L

σ1 = P D/2δ

   沿垂直主轴线的截面将圆筒体切开,在圆形横截面上的应力为σ2,产生平衡的条件为:.πDσ2δ =1/4 πD2P;

σ2= P D/4δ

径向应力σ3= P ,可见σ1=2σ2,并远大于σ3 ,故采用σ1 = P D/2δ,即:

δ= P D/2σ1 ,令D=Di+δ, P = pc代入,σ1以Ф[σ]t代入,则得到 : 压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

         4)如已知δn、 Pc、 Di;则圆筒体的计算应力σt为:   压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨
 

式中:бt≤Ф[σ]t  ,δe为有效厚度。

5)设计温度下,筒体的最大允许工作压力[Pw]为:   压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

5.3    球壳计算

1)设计温度下的计算厚度公式:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨 

2)设计温度下,球壳计算应力公式:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

          式中бt≤Ф[σ]t

3)设计温度下,球壳的最大允许工作压力公式:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

6.外压圆筒和外压球壳的设计

  许多化工石油用的容器,由于工艺原因需要在外压或真空下操作,如真空罐和真空蒸餾塔,有的容器带有夹套,夹套内是带压蒸汽,使内筒受到外部压力。

通常,内压低于外压的容器,称为外压容器。

  外压容器的最高工作压力是指容器在正常使用过程中可能出现的最大压力差值。对夹套容器,指夹套顶部可能出现的最大压力差值。

   确定外压容器的设计压力时,应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差。

确定真空容器壳体的厚度时,设计压力按受外压考虑。当装有真空泄放阀,以及相类似的安全控制装置时,设计压力=1.25△P,或0.1MPa的低值,△P为内外压力差。未装安全控制装置时,取0.1 MPa。

容器工作中失效的状态有:强度失效,刚度失效和稳定失效三种。

   ①强度失效:容器在载荷作用下,发生过量变形或破裂。如内压容器的破坏;

   ②刚度失效:容器发生过量的弹性变形,导致丧失正常的承受能力。如容器不能满足最小厚度要求导致刚度不足而失效;

   ③稳定失效:容器在载荷作用下,形状突然发生改变,导致丧失工作能力。如外压容器的失稳破坏。

  外压容器设计时,必须考虑到上述三种失效的可能性,才能确保容器的安全使用。

  在满足刚度要求的情况下,外压容器的破坏有两种形式,即强度不足引起的破坏和失稳引起的破坏两种。因此,设计应包括强度计算和稳定性校核。因失稳往往在强度破坏之前发生,故稳定性计算是外压容器设计中的主要考虑的问题。

6. 1受均匀外压的圆筒(和外压管子)

    在GB150第6章中,外压圆筒和外压管子所需的有效厚度δe用查图计算法,使用的图为图6-2~图6-10,计算步骤如下:

6.1.1 Do/δe≥20的圆筒和管子

1)假设δn, 令δe =δn-C,C=C1+C2 ,定出L/DO和Do/δe

Do为筒体的外直径;L为筒体的计算长度,L值取圆筒上两相邻支撑线(此线处的截面有足够的惯性矩)的距离,其值按图6-1的各示图选取。

如图6-1a中,L=L1+2hi/3

L1为圆筒部分的长度(含封头的两直边)的总和;

hi为封头曲面深度。

2)查图6-2,在图的左方找到L/DO点,过此点沿水平线右移,与Do/δe线相交,遇中间值用内插法,如L/DO>50,则取50。若L/DO<0.05,则取0.05;

3)连此交点沿垂直方向下移,在图的下方得到系数A。也可查表6-1得到A值。

4)按所用材料选用图6-3~图6-10,在图下方找到系数A。

若A落在设计温度下材料线的右方,则过此点上移,与设计温度下材料线相交,遇中间温度值采用插入法,再过此交点水平方向右移,在图的右方得到系数B。

通过B按下式求出许用外压力[P],MPa;

                     压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨                  …………(6-1)

若所得A值落在设计温度下材料线的左方,则计算许用应力[P]为:

                     压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨                  …………(6-2)

 E是设计温度下材料的弹性模量,MPa;

5)算出的[P]应大于或等于PC,PC为计算外压力,否则,应重新按上述步骤重算。直到[P]>PC,且接近于PC为止。

    6.1.2  Do/δe<20的圆筒和管子

a)按6.1.1的步骤计算得到B值,但对Do/δe < 4的圆筒和管子的A值应按下式计算:

 压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

当A>0.1时,取A=0.1;由A值,并根据材料牌号,通过表6-2至表6-9中的相应曲线数据表查B值

b)[P]按下式计算: 

         压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

式中:σo为应力,其值取 压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨的较小值。

c) 算出的[P]应大于或等于PC,PC为计算外压力,否则,应重新假设名义厚度δn,并重复上述步骤计算。直到[P]>PC,且接近于PC为止。

6.2 外压球壳

  外压球壳所需的有效厚度按以下步骤计算:

假设δn,令δe =δn-C 定出Ro/δe;

用式下计算系数A

           压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

根据相应的材料图查出B,并按式下求出[P],

           压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨 
如在材料线图中A落在材料线的左方,则按下式6-5计算许用压力:
           压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨                …………( 6-5)

[P]应大于或等于Pc,否则须再假设δn,重复上述计算,直至[P]大于且接近Pc为止。

6.3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介

6.3.1 失稳现象和临界压力

1)在外压圆筒壁厚计算中,GB15O采用图表计算法,用简单的计算程序,借助两种图(表)求出结果。

两种图(表)中,一种是仅与几何形状参数有关的线图;另一种是仅与材料有关的线图。通过查图表计算许用压力,从而确定筒体的厚度。

计算受均匀外压下的圆筒壳体的膜应力,只需将外压力代入内压计算公式则可。

实际上,通常使用的外压圆筒形容器,当外压产生的压应力尚未达到材料的屈服点时,就会突然发生失去原形的压扁或褶皱现象,这主要是弯曲应力引起的,使壳体丧失稳定,这种现象,称为失稳。

  容器失稳分为周向失稳和轴(经向)向失稳两种,周向失稳是因周向压缩薄膜应力所引起,轴向失稳是由容器轴向压缩薄膜应力造成的。容器周向失稳时,其横截面由圆形变成波形,轴向失稳时,原为直线的素线变为波形线。按容器的失稳范围大小,分整体失稳和局部失稳,通常外压容器的压瘪属于整体失稳。

在某外压力下,形状突然发生改变而产生瘪塌的失效形式,称为失稳,断面由容器被压瘪失稳时的最小外压力,称为临界压力。

临界压力大小的影响因素与壳体用的材料及其几何尺寸有关,几何尺寸包括圆筒计算长度L、外直径D0和有效厚度δe,用比值L/ D0和δe/ D0表达。

 2)临界压力、临界应力与圆筒计算长度的关系

①非常长的圆筒体(长圆筒),两端的加强件对圆筒抗外压的能力起不了加强作用,失稳时圆筒截面压瘪成二波形,此时对临界压力有影响的只是外直径D0和筒体的有效厚度δe,即δe/ D0,此时的临界压力Pcr为:

Pcr=2.2E(δe/ D0)3  ----------①

  式中:E-材料的弹性模量,MPa;

根据临界压力求临界应力бcr的公式为бcr=PcrDo/2δe,

该公式可改写为

 Pcr=2бcr(δe/ D0)

2бcr(δe/ D0)= 2.2E(δe/ D0)3

 бcr/ E =1.1(δe/ D0)2 ----------①1

  在①式中,如采用稳定系数m(即许用压力为临界压力的1/m,并取计算压力等于许用压力,通常取m=3)即[P]=Pcr/m

  则计算压力为:令PC=[P];压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨,式中可解出有效厚度,

相应的有效厚度为:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

       如以m=3 代入,计算得的名义厚度为:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

     不起作用的最小长度,称为临界长度,用Lcr表示,其值为: 压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

     当L≥Lcr,则该长度为L的圆筒为长圆筒。

②中等长度的圆筒,其长度L<Lcr,此时圆筒的临界压力Pcr与L/ D0

δe/ D0有关,其值为:

           Pcr=2.8E(δe/ D0)2。5/(L/Do)  --------------②

           2бcr(δe/ D0)= 2.8E(δe/ D0)2。5 /(L/Do)

           бcr/ E =1.4(δe/ D0)1。5/(L/Do) ---------------②1

     A=бcr/ E =1.4(δe/ D0)1。5/(L/Do)

③短圆筒:L足够短,使圆筒的破坏仅受材料的强度所确定,可按内压公式计算。

6.3.2 线图表绘制基理

在①1和②1式中,令A =бcr/ E,此处A是应变,则得①2及②2

           A =1.1(δe/ D0)2 -------------------①2

       或压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨
     及 A =1.4(δe/ D0)1。5/(L/Do)----------------②2

在对数坐标中,以A为横坐标,L/Do 为纵坐标,在长圆筒中,因①2中无L/Do,在图6-2中表现为与横坐标成垂直的一组线,即仅与δe/ D0有关;而图中的斜线组则是中圆筒部分,即由关系式②2做成的一组线。

外压筒体中,给出L/Do和δe/ D0(图中为Do/δe),通过图6-2可查出A。

由于A =бcr/ E,其中弹性模量E与材料及设计温度有关,

故根据材料和设计温度下的不同E值,可做出各种线图,也称为材料线,在6-3至6-10各图中,其横坐标是A,纵坐标是临界应力бcr,知A和Et 可查到бcr。知бcr,通过公式бcr=PcrDo/2δe,即可求出Pcr。

在实际应用中,需要的是许用压力[P],故令[P]=Pcr/m, (m为稳定安全系数,取m=3.)。即Pcr=3[P],代入公式бcr=PcrDo/2δe后整理可得:

2/3бcr=[P]Do/δe,

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式中,以бcr=AE代入,则[P]值为:

      压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨---------------------③

如令B=2/3·бcr=2/3·AE,横坐标A,纵坐标为B,通过A可查出B,并按下式求出[P]:

      压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨-----------------------------③1

6.4 外压圆筒加强圈的设计

   设加强圈是为了减少圆筒的计算长度L,从而减少圆筒的壁厚。

   对于设有加强圈的外压圆筒,外压容器计算中的支撑线,就是加强圈的中心线,加强圈的横截面处应有足够的惯性矩,使在支撑线中间的圆筒部分由于加强圈的作用不出现失稳现象。

  加强圈所需的惯性矩按如下确定:

  1)已知DO、LS,、δe 和 PC

LS—是从加强圈中心线到相邻两侧加强圈中心线距离的一半。若与凸形封头相邻,在长度中还应计入封头曲面深度的1/3,mm

选定加强圈的材料和截面尺寸,计算它的横截面积AS和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩IS。

 2)计算B值:

       压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

3 )通过B按图6-3~图6-10查出A,如无交点,则令A=1.5B/E

        4)计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩I

        压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

IS≥I,否则,应选大惯性矩的加强圈,并重新计算,直至IS≥I

  5)加强圈的设置:加强圈可设置在容器的外部或内部,应整圈围绕在圆筒的圆周上。

加强圈设在内部时要考虑流液通道;不论设在外部或内部,沿其断面开孔或间隙应不大于圆筒名义厚度的8倍,否则,有间隙的环带的不计入惯性矩,未带间隙的环带应具有加强圈需要的惯性矩。如开有断开式的间隙时,断开弧长应符合GB150中图6-12的规定。

容器内部的构件,若按加强圈的要求设计,也可作加强圈用。

加强圈与圆筒可段焊连接,当设置在容器外部时,加强圈每側间断焊接的总长,不应小于外圆周长的1/2,段间的最大间隙为8δn;当设置在容器里面时,应不少于圆周长的1/3,段间的最大间隙为12δn;其要求见图6-12和图6-13。

7.封头的设计和计算

7.1 封头标准

7.1.1现行标准 JB/T4746-2002 《钢制压力容器用封头》标准,包括并代替原JB4737-95 《椭圆形封头》、JB/T4729-94 《旋压封头》、JB576-64 《碟形封头》、JB/T4738-95 《900折边锥形封头》、 JB/T4739-95 《600折边锥形封头》。封头的规格尺寸的选用等可按JB/T4746。

该封头标准详细规定了封头的制造和验收要求,被列入GB150引用标准。

封头标记按如下规定:

①②Χ③─④⑤

①-封头类型代号

椭圆形封头:以内径为基准, 类型代号为 EHA  标准型

            以外径为基准, 类型代号为 EHB  标准型

碟形封头:Ri=1.0Di;r=0.15Di;DN=Di,代号为 DHA

          Ri=1.0Di;r=0.10Di;DN=Di,代号为 DHB

折边锥形封头;分CHA CHB 和 CHC

球冠封头:PSH

②-封头公称直径 ;③-封头名义厚度;④-封头材料牌号;⑤-标准号JB/T4746

示例1:DN2400mm,δn20mm,Ri=1.0Di,r=0.15Di,材料 0Cr18Ni9碟形封头的标记是: DHA2400X20-0Cr18Ni9 JB/T4746

 示例2 DN325mm, δn12mm,材料 16MnR,以外径为基准的椭圆形封头的标记是: EHB325X12-16MnR JB/T4746

7.1.2 封头型式及优缺点比较

GB150规定的封头包括:凸形封头、锥壳(锥形封头、锥形壳体)、变径段、平盖及紧缩口等。

凸形封头中包括:椭圆形封头(标准型和非标准形)、碟形封头、球冠形封头(无折边球面封头)和半球封头。

各种封头的优缺点比较如下:

1)从受力情况看,依次为:半球形、椭圆形、碟形、锥形,平盖最差;

2)从制造上,平盖最容易制造,其次为锥形、碟形、椭圆形、半球形;

锥形封头虽然受力效果不佳,但有利于流体的排料。

7.2 椭圆形封头

7.2.1受内压的椭圆封头的计算

椭圆封头在内压作用下,其膜应力与圆筒相比,有明显的特点,在内压力作用下的圆筒体,无论轴向应力,还是环向应力,均为拉应力,内压筒体各部分总是膨胀,直径总是增大。而椭圆封头在内压力作用下,其短轴(沿轴线)方向发生伸长,而在长轴(沿直径)方向则趋向缩短,封头的截面形状向圆形转变,发生“趋圆现象”。

在内压作用下。在封头的过度段产生的环向应力为压缩应力,并随着长半轴/短半轴比值的增大而加剧,会导致封头环(周)向失稳,故椭圆封头设计中,除非已考虑内压的失稳问题,均应有最小有效厚度的规定。

在GB150的封头设计中规定:K≤1的椭圆封头的有效厚度,应不小于封头内径的0.15%;K>1的椭圆封头的有效厚度,应不小于封头内径的0.30%

其中K为椭圆封头的的形状系数,压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

 

其值列于表7-1。

                  表7-1  系数K值

Di/2hi

2.6

2.5

2.4

2.3

2.2

2.1

2.0

1.9

1.8

  K    

1.46

1.37

1.29

1.21

1.14

1.07

1.00

0.93

0.87

Di/2hi

1.7

1.6

1.5

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

 

  K

0.81

0.76

0.71

0.66

0.61

0.57

0.53

0.50

 

        椭圆形封头计算厚度按下式:压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

上式中:对标准椭圆封头(Di/2hi=2,0),K=1

7.2.2 受内压椭圆封头的应力分布情况

设椭圆封头的长半轴为a,即2a=D,短半轴为b,即曲面高hi=b,令k=a/b

如标准椭圆封头k = a/b = 2,P为内压力,δ 为计算厚度。

椭圆封头的经向应力公式:

经推导,经向应力σ1的公式是:

  

 

上式中:对标准椭圆封头(Di/2hi=2,0),K=1

7.2.2 受内压椭圆封头的应力分布情况

设椭圆封头的长半轴为a,即2a=D,短半轴为b,即曲面高hi=b,令k=a/b

如标准椭圆封头k = a/b = 2,P为内压力,δ 为计算厚度。

椭圆封头的经向应力公式:

经推导,经向应力σ1的公式是: 

压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨…………①

式中:x是长轴上的点的坐标,由中点为0,至x=a,其应力变化情况是:

     当x=0时,  压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨如k=2,则  压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨(在椭圆中心),

      当 x=a 时,压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨(在与圆筒交接处)

经向应力在封头受内压时均产生拉应力,并且由封头的边缘至中心,应力增大一倍。

内压下椭圆封头的周向(环向应力)σ2 :经推导,计算环向应力σ2的公式是: 

      压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨- - - - - -②

       x=0(在椭圆中心)压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

 当 k=2 (即标准椭圆封头)压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

      x=a (在与圆筒交接处),k=2 时,压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

此压缩应力会影响封头的局部稳定。

在 x=0~x=a 的过程中,会出现σ2=0 的情况,经推导得;

          压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨处,即 x=0.816a 处,σ2=0

   椭圆封头内压下的环向应力,从中心到边缘,逐步由正到零,随后达到负和最大值。

7.2.3 受外压(凸面受压)的椭圆封头

凸面受压的标准椭圆封头的厚度计算,采用球体受外压的计算方法,如果封头的外直径是Do,则采用的当量球体的外半径Ro,Ro=0.90Do进行计算;其它椭圆封头,Ro=K1Do,K1与Do/2ho有关(ho=hi+δn,hi是封头曲面深度),其关系见下表:

Do/2ho

2.6

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

K1

1.18

1.08

0.99

0.90

0.81

0.73

0.65

0.57

0.50

注:中间值用内插法求得。

求到当量球外半径Ro后,按受外压球壳计算步骤计算。

7.3 碟形封头

7.3.1受内压的碟形封头与椭圆封头一样存在边缘稳定问题,故应考虑最小有效厚度。最小有效厚度与碟形封头形状系数M有关,当M≤1.34时,封头有效厚度δe≥0.15%Di;M>1.3时,δe≥0.3%Di。

  受内压碟形封头的计算壁厚δ按下式计算:

        压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨--------------------------------③

 

式中:Ri为碟形封头的球面部分的内半径;

        压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

r为碟形封头过渡段转角内半径。

M值与Ri/r的关系见下表:

   Ri/r

 1.0

 1.25

1.50

1.75

2.0

2.25

2.50

2.75

    M

1.00

1.03

1.06

1.08

1.10

1.13

1.15

1.17

   Ri/r

 3.0

3.25

3.50

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

    M

1.18

1.20

1.22

1.25

1.28

1.31

1.34

1.36

   Ri/r

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

    M

1.39

1.41

1.44

1.46

1.48

1.50

1.52

1.54

如令  压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨,则   压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

 因为    压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨,故    压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨

在封头标准JB/T4746中,M=KC 

DHA型  Ri=1.0Di  r=0.15Di Kc=1.395

 DHB型  Ri=1.0Di  r=0.1Di  Kc=1.54

可见碟形封头的计算厚度为标准椭圆形封头计算厚度的1.395~1.54倍。

7.3.2 受外压碟形封头的计算 

令Ro为碟形封头的球面部分的外半径,Ro=Ri+δn,并按第6章外压球体进行计算。

7.4 球冠形封头

   要求与球冠形封头连接的圆筒厚度不得小于封头的厚度δ;连接处两侧加强的最短长度L应为 压力容器设计基本知识——讲稿 - Hello Kitty - 日月星晨,封头和筒体连接的焊缝应为T形全焊透的结构的焊缝。加固是为避免应力集中破坏。

7.4.1 受內压(凹面受压)

 

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