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压力容器专业知识

压力容器专业知识

一、压力容器设计、制造的主要特点

1．压力容器设计一般包括结构设计（选择）、设计计算与材料选择。

其中结构是设计计算的基础，即根据各类承压零部件不同的结构、形状，分别进行设计计算。

2．压力容器设计计算一般要解决如下三类问题：

2.1强度~在外压作用下不允许产生塑性（永久）变形，是涉及安全的主要问题，如筒体、封头等；

2.2刚性~在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等；

2.3稳定性~在外压作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。

3．依各类承压零部件不同的结构、形状，采用不同的加工方法分别制造，然后通过多种方法（焊接、法兰螺栓、螺纹）连接在一起，构成一台完整的容器，然后焊接是主要方法。

4．在制造的全过程中要采用多种冷、热加工方法，其中热加工（焊接、热处理、热成形）以其技术的复杂性、质量要求的多样性以及质量检验的难度，成为影响产品安全运行的关键。

5．压力容器产品的质量主要是安全要求，而非性能要求，因此采取严格的市场准入（单位、人员）制度，以及全过程（设计、制造、使用）质量控制。

二、压力容器的分类

   分类方法很多，主要有如下几种：

1．按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类

1.1  按压力分为低、中、高及超高压，前三种在材料、失效判据（准则）、计算方法、制造要求上基本一致，而超高压则截然不同。

1.2  按介质毒性及易燃性分类，主要出自安全考虑，即一旦发生事故（爆炸、泄漏等）的危害程度。

2．按制造许可级别分类

2.1按制造许可级别分类，一般考虑如下一些因素：

 a）安全性及制造难易程度的不同，这里涉及P、P·V、介质特性、材料强度级别等；

 b）工作（安放）位置分为固定与移动，移动的安全要求高于固定，且应对减轻自重、防冲击、各类仪表的装设做特殊考虑；

 c）材料,金属与非金属制容器在制造与检验方法上有很大不同；

 d）考虑制造特点，利于专业化生产，如球罐。

2.2对不同制造许可级别的企业，提出不同的资源条件与安全质量要求

3．按生产工艺过程中作用原理分类

  分为反应、换热、分离、储存四类，其中反应容器安全性要求最高，因其在进行物理、化学反应时，可能造成压力、温度的变化。

3．此外，尚有如下一些常见的分类方法：

4.1 按形状分类，如圆筒形、球形、组合型（前者均为回转壳体）以及方形、矩形等；

4.2 按筒体结构分为整体式、组合式，详见后。

4.3 按制造方法分为焊接（最为普通）、锻造（主要用于超高压）、铸造（主要优点是方便制造，但因其质量问题需加大安全系数，多用于小型、低压）。

4.4 按材料分为金属与非金属两大类，其中：

a）     金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。

其中有色金属与合金主要用于腐蚀等特殊工况，在生产条件、生产装备、原材料验收与堆放、吊装、运输包装，尤其是焊接等环节有一系列特殊要求。

b）     钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢（前两者主要是强度钢）及高合金钢（主要用于腐蚀、低温、高温等特殊工况）。

我国以标准抗拉强度下限＞540MPa作为高强钢分界的理由。

三、压力容器设计基础知识

1．薄壁容器应力简化

1.1   应力合理简化的主要内容

a）     将三向受力状态简化为两向（切向、轴向）受力状态

b）     将应力沿壁厚非均布视为均布

c）     将应力沿轴向非均布视为均布

1.2   简化的目的~依据外载方便计算应力

1.3   薄壁容器的范畴（即简化造成误差的允许范围）~D外/D内＜1.5（力学）；D外/D内＜1.2（工程）；即高、中、低压容器。

2．强度理论的选择

2.1强度理论的作用~在外载引起的应力与材料极限应力间建立联系，以便计算壁厚

2.2主要强度理论的分类及选择

a）第一强度理论（最大主应力理论）~最大主应力达到或超过材料强度极限构件即破坏（脆断）。

适用于脆性材料破坏，但ASMEⅧ-1与GB150等仍采用，主要原因在于经验丰富、简便，采用一定的限制条件（压力、结构、元件系数）可保证安全。

b）第三强度理论（最大剪应力理论）~最大剪应力达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服），较适用于压力容器，ASMEⅧ-2与JB4732采用。

c）第四强度理论（能量理论）~均方根剪应力（考虑最大剪应力的同时，兼顾其他剪应力对安全的影响）达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服），最适用压力容器，但需试算使用不便。

3．失效判据（准则）的选择

3.1失效判据的作用~设定整部标准规范（即产品）的安全底线

3.2失效判据（准则）的分类及选择

a）弹性失效判据~容器在整个使用过程（含耐压试验）材料应处于弹性，不得屈服。

偏安全、经验丰富，ASMEⅧ-1与GB150等采用。

b）塑性失效判据~内壁材料进入塑性但外壁材料仍为弹性，可提高材料利用率，ASMEⅧ-2与JB4732等采用。

c）爆破失效判据~因材料屈服强化，内、外壁材料同时进入塑性仍不会破坏，应力直至材料强度限前均可使用，我国超高压容器设计采用。

4．设计条件的确定

4.1设计条件的作用~设计依据

4.2设计条件包含的内容~主要为压力、温度、介质、腐蚀裕量、焊缝系数，自然基础条件等。

4.3（最高）工作压力~正常工况（安全责任界限）容器顶部（最小、唯一）可能（并非必然）出现的最大压力，由用户工艺人员提供。

4.4设计压力~设定的容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起成为设计载荷条件（可能出现的最危险工况），由设计人员根据最高工作压力设定（大于或大于等于）。

4.5腐蚀裕量~年腐蚀速率×设计寿命，指均匀腐蚀。

对应力腐蚀、晶间腐蚀及氢腐蚀等需采用其他（如选材）解决。

5．安全系数

5.1安全系数的作用~安全性与经济性辩证统一，整部标准规范的核心

5.2为何有安全系数

a）载荷误差；

b）设计误差；

c）材料误差；

d）制造与检验的误差；

e）使用中的问题；

f）未可知因素。

5.3安全系数发展的历史与趋向

a）单一走向多元~nb（强度）、ns（屈服）、nst（设计温度下屈服）、nD（持久）、nn（蠕变）。

取五者中最小许用应力。

b）从高到低，下降趋势（技术进步，经验积累）。

c）针对不同应力对安全的不同影响，取不同的安全系数。

5.4螺栓安全系数的特殊性~避免过度上紧

a）一般只对屈服点取安全系数

b）依材料而异

c）依规格而异

6．焊缝（焊接接头）系数

6.1焊缝系数的作用~设计系数。

考虑焊缝对容器强度的削弱，用整个增加壁厚的方式补足

6.2焊缝系数的选取~依焊接接头型式及无损检测长度（比例）确定。

6.3几个问题的解释

a）相当于双面焊的全焊透对接接头，可采用多种方法实现，最终由无损检测判断；

b）一般均指纵缝，环缝焊接接头系数仅在特定条件（如高塔风载）下采用；

c）容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定，应理解为对无垫板单面焊使用的限制。

7.主要受压元件设计计算中应注意的几个问题

7.1多数元件（如筒体、封头、球壳）可通过公式直接得出壁厚，部分元件（如法兰、外压）需先假定尺寸然后进行试算校核。

7.2设计时因难以搞清开孔与焊缝的相对位置，故均按在焊缝上进行开孔补强的设计，制造时应尽量使开孔远离焊缝。

7.3GB150对开孔规格的限制，是等面积补强方法的限制，如需要开大孔可另寻补强设计方法，如极限分析、安定性分析。

7.4除十字焊缝外，对封头拼板焊缝无限制，但均需100%探伤，合格级别与容器一致。

大型封头制造后，因运输原因切开到现场再组焊，不属拼板焊缝。

7.5为减少计算工作量，避免错误，将常用规格的封头、法兰编制成标准封头、标准法兰，供设计者选用，并非限制设计者自行设计计算。

7.6GB150中要求筒节长度不小于300mm属惩罚条款，并非合理要求。

8．应力分析设计的一般概念

8.1应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主要区别：

a）GB150将复杂（真实）应力状态简化，只考虑一次膜应力对安全的影响，其他应力的影响用结构限制、元件系数等方法简单处理，可满足多数一般产品安全，设计计算简便，同一台容器采用统一的安全系数；

  JB4732需进行详细的应力计算与分类，可满足高参数重要产品的安全，设计计算复杂必须采用计算机，根据不同应力的各种组合（应力强度）对安全的不同影响分别加以不同限制。

b）GB150采用第一强度理论，塑性失效准则，不适用于疲劳容器，压力适用上限35MPa，安全系数较高；

  JB4732采用第三强度理论，弹性失效准则，可用于疲劳容器，压力适用上限100MPa，安全系数较低。

c）二者的制造检验要求无本质差别，仅JB4732要求更严格，如不允许采用局部无损检测、每台容器均制备产品焊接试板、对接管开孔倒圆倒角有明确要求、疲劳容器不得保留焊缝余高等。

8.2应力分类的基本知识

a）按各类应力对容器安全的不同影响，将其分为一次应力、二次应力与峰值应力。

b）一次应力即基本应力，它有二大特征：

第一，是外载荷（压力、重量、其他外载）引起的，外载消失一次应力亦不复存在；第二，作用范围广，与结构长度或容器半径属同一量级。

由内压在圆筒与封头上引起的切向、轴（经）向应力即属一次应力。

  一次应力按其在壁厚方向分布的均匀程度，又可分为一次膜应力（均布部分）和一次弯曲应力（扣除一次膜应力后的线性分布部分）。

  一次膜应力对容器安全影响最大，应严格限制；对一次弯曲应力的限制可稍宽。

c）二次应力是由相邻部件的约束或结构自身约束而产生的应力，其特点是：

第一，分布局域较一次应力小，与

属同一量级；第二，二次应力达到材料屈服点时，仅引起局部屈服，大部分材料仍属弹性，且二次应力有自限性。

  封头与筒体连接处由附加弯矩引起的轴、切向应力属二次应力。

温差应力一般亦属二次应力。

  对二次应力的限制宽于一次应力。

d）峰值应力。

扣除一次、二次应力后，沿壁厚非线性分布的部分即为峰值应力。

峰值应力多在壳体与接管连接处产生，其分布区域极小，与t一个量级，仅对疲劳破坏产生影响。

四、结构设计的一般要求

1．结构的重要性~设计计算的基础，对安全与经济性影响极大。

结构设计的基本要求是安全、方便制造与检验。

任何结构都不是万能的，需合理设计与选择。

2．筒体结构

2.1筒体结构分为整体式与组合式两大类

2.2整体式

  a）整体式结构即满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）是由一整块连续钢材构成。

  b）常见整体式结构有：

单层焊接（应用最广）、锻造（主要用于超高压）、锻焊（用于大型重要工况）、无缝管（小容器）。

2.3组合式

  a）满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）由板~板、板~带、板~丝组合而成，主要用于高压容器。

  b）板~板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等

  c）板~带有型槽绕带、扁平纲带

  d）板~丝有绕丝（主要用于超高压）。

2.4整体式与组合式之比较

  a）在安全性方面组合式优于整体式，理由如下：

    以薄攻厚，中厚板、薄板性能优于厚板；

    缺陷只能在本层内扩展；

    危险的纵缝（整体包扎含环缝）化整为零，各层均布；

    安全泄放孔，利于报警；

    预应力增加安全裕度。

  b）组合式工艺复杂，生产周期长，且不适于做热容器。

3．封头结构

3.1封头分凸封头、锥形封头、平盖等三大类

3.2凸形封头

  a）依形状（受力）分为半球、椭圆、碟形、球冠。

受力前优于后，制造方便后优于前。

  b）制造方法主要为冲压（适于批量）、旋压（适于单件）。

  c）制造方式主要有整板成形（小封头）；先拼板后成形（大、中型封头）；分辨成形后组焊（特大型封头）。

3.3锥形封头

  a）主要用于变速或方便卸料；

  b）依半顶角分为30°（无折边）、45°（大端折边）、60°（大、小端折边）；

  c）主要制造方法卷焊。

3.4平盖

  a）包括平盖和锻造平底封头等，与筒体连接分为可拆与固接。

  b）制造方法多为锻造。

4．开孔补强结构

4.1补强圈。

加工方便，但补强效果有限，使用范围有一定限制。

4.2厚壁管补强

4.3另加补强元件（锻件）补强，受力好，将角接改为对接易保证焊接质量，但加工复杂。

5．法兰

5.1法兰与密封垫、紧固件合为一个结构整体，属可拆结构，其基本功能是连接与密封，法兰结构与设计计算应三位一体综合考虑。

5.2法兰按其整体性程度分为三种

  a）整体法兰~法兰、法兰颈与容器（或接管）合为一整体，强度与刚性好，连接与密封效果好，但加工困难；

  b）松式法兰~法兰未能与容器（或接管）有效合为一整体，连接与密封效果较差，但加工方便；

  c）任意式法兰~介于二者之间。

5.3以密封压紧面型式分为：

  a）平面密封~密封效果差，但加工方便

  b）凹凸面密封~单面限制垫片流动，密封效果较好，但加工较难。

  c）榫槽密封~双面限制垫片流动，密封性好但加工复杂。

6.焊接结构

6.1焊接结构的主要作用为方便施焊，从结构上保证焊透，且尽量减少焊接工作量。

6.2焊接结构与工艺因素（工人技能、习惯、方法、装备等）关系密切，设计者可提要求，具体结构与尺寸原则上应由制造方确定，标准（GB150附录J）为提示性，非强制。

7.其他结构设计的注意事项

7.1尽量避免外形突变，关注倒角、倒圆。

7.2开孔（尤其是大孔）尽量开在强度裕量大的部位，如平盖、筒体端部，它们的厚度是由刚性及螺栓个数、排列与上紧空间决定的。

7.3应尽量避免静不定结构（如卧式容器只允许双鞍座），对静不定结构（如球罐支承）应做特殊考虑。

7.4应注意防止过大的温差应力，如膨胀节的设置，支承中的活动支承。

7.5支承设计中除考虑承重能力外，还应考虑支座反力对壳体的影响，决定是否加垫板。

7.6对法兰螺栓通孔、地脚螺栓通孔跨中均布的考虑。

五、压力容器制造、安装、维修、改造基本知识

1.产品焊接试板

1.1产品焊接试板的作用

 产品施焊后，用检验试板焊缝力学性能的办法，来考核产品焊缝的力学性能是否合格。

它不能替代无损检测与外观检查。

1.2制备产品焊接试板的条件

a）需按台制备的条件

  与材质有关：

Cr-Mo低合金钢；σb>540MPa；经热处理改善材料力学性能

与介质有关：

极度、高度危害

与设计温度有关：

低温；-10℃>t>-20℃以及0℃>t≥-10℃厚度超过某一界限的20R、16MnR

与厚度有关：

δs>20mm的15MnNbR

b）其他以批代台制备

1.3制备试板的要求

   从材料（钢号、规格、热处理）、焊工、施焊条件、工艺、热处理、位置等方面提出要求，使试板焊缝尽量代表产品焊缝

1.4   试样与试验

需做拉伸、弯曲以及必要时的冲击

1.5   不合格处理

a）     允许重新取样复验

b）     允许重新热处理

c）     如仍不合格且无试板，则代表的产品焊缝为不合格。

1.6   应注意的问题

a）     试板焊缝应探伤，但无合格级别且不需返修，目的在于避开缺陷处取样，防止缺陷造成试验结果不合格。

b）     环缝不做，需要时做鉴证环。

2．焊后（消除应力）热处理

2.1目的

  消除过大焊接应力，细化晶粒。

2.2焊接应力产生的原因、特点及危害

a）焊接应力因焊接过程中变形协调产生。

b）焊接应力的特点：

量值高，可能≥屈服极限；一直存在；属二次应力有“自限性”；测量困难（x光衍射、小孔）。

c）对容器的主要危害为应力腐蚀。

2.3需进行焊后热处理的条件

a）通用条件~依据材质、厚度、预热温度的不同组合判定；

b）必需条件~图样注明应力腐蚀、盛装极度、高度危害介质；

c）免做条件~奥氏体不锈钢；

d）关注应力腐蚀的复杂性（介质、温度、酸碱度、材质、残余应力等）

2.4焊后热处理方法

   整体进炉、分段进炉、局部、现场热处理

2.5热处理工艺要求

   进、出炉炉温；升、降温速度；保温时温差；炉内气氛。

目的在于热透；避免过大温差应力造成的损害。

3．耐压试验与气密性试验

3.1耐压试验目的

a）内压~竣工后出厂前全面考核（验证）强度；检漏

b）外压（真空）~检漏

3.2液压试验

a）试验压力的确定~试验压力计算公式中的系数（1.25）与安全系数有关，试验前的应力校核是基于弹性失效准则。

b）液压试验的危险性主要来自能量观点（P·V）和金属碎片。

3.3气压试验

a）气压试验的危险性远高于液压，除P·V和碎片外，气体会高速恢复被压缩的体积形成冲击波；

b）允许气压试验的条件：

因承重等原因无法液压；液体无法吹干排净生产中不允许残留液体。

3.4气密试验

a）目的~检漏

b）条件~极度高度危害介质；生产工艺过程不允许泄漏。

c）试验介质~空气、氨、惰性气体等，气压试验后是否再做气密与介质有关。

d）试验合格指标与检漏方法。

4．压力容器的改造与维修

4.1应充分关注改造与维修的难度和质量

   在使用现场对在役容器进行维修、改造，尤其是动火（焊接）维修、改造在技术上是件十分困难的事，主要难点在于：

a）缺陷的去除、坡口加工、开孔等由于位置、工具等原因，难度大于制造厂。

b）焊接修复由于位置、施焊环境、预热条件、拘束度等原因，难度大于制造厂。

c）在役产品的材料可能早被淘汰，在长期使用过程中因老化、腐蚀等原因可能造成材料性能质量的改变，均会加大维修、改造的难度。

4.2对提高维修改造的建议措施

a）提高对维修改造单位、人员的市场准入标准。

b）焊补前一定要严格进行无损检测确保缺陷除净，并应进行必要的焊接工艺评定。

c）对Cr-Mo低合金钢及高强钢的维修改造应慎之又慎，最好由原制造厂或其他经验丰富的单位实施。

d）是否值得维修改造要充分考虑容器的使用年限与价值。

5．管子与管板的胀接

 5.1胀接的分类

a）贴胀。

贴胀在管板孔内表面可不开槽。

贴胀一定要与强度焊联合使用，其目的在于减少管子与管板间的间隙，防止震动。

b）强度胀。

强度胀管板孔内表面应开矩形槽，并应达到全厚度胀接。

强度胀可单独使用，亦可与密封焊联合使用，对重要场合亦可与强度焊联合使用。

5.2胀接方法

   一般分为柔性胀（如液压胀、橡胶胀、液袋式液胀等）和机械胀。

5.3胀接质量控制要求

a）严格检查管端与管板孔内表面的尺寸精度、清洁度、硬度、粗糙度，尤其不应有纵向或螺旋状刻痕。

b）胀接前应计算胀接压力并进行试胀，测试胀接接头的拉脱力。

c）胀后应进行耐压试验，检查胀口严密性。

6．锻钢、铸铁、不锈钢及有色金属制压力容器的制造

6.1锻钢容器

a）主要有（整体）锻造容器（主要用于超高压）、锻焊容器（主要用于大型重要产品）以及其他容器所用的锻件（如平盖、平底封头、筒体端部等）。

b）关键是锻件质量，基本要求为JB4726~4728。

c）锻焊容器环缝焊接缺乏经验时，应于施焊前做鉴证环。

6.2铸铁容器

a）因其质量只能用于小型、非重要场合。

b）表面缺陷只能用加装螺塞方法修补，但对塞头深度与直径有限制。

c）首次试制产品应进行爆破试验。

6.3不锈钢及有色金属制容器

a）有色金属制容器包括铝、钛、镍、锆及其合金。

b）材料堆放、制造、吊装、运输全过程中应保持清洁，避免与钢等金属直接接触，防有害离子污染。

c）下料切割、坡口加工宜采用机械法，热切割多用离子切割，加工边缘应打磨去除污染区。

d）焊接是质量关键，包括坡口表面及附近的清洁要求，焊接方法多采用气体保护焊、等离子焊等。

六、超高压容器基本知识

1．超高压容器主要特点：

1.1压力高（100MPa~1000MPa），规格较小。

1.2属厚壁容器（D外/D内>1.5），内、外壁应力水平相差大，不可能简化。

1.3采用锻造方法制造，对材料（锻件）要求高强度，优良的塑性、韧性，无可焊性要求。

1.4内、外壁要求精加工，零、部件间多采用法兰、螺纹连接，机加工量大，要求高。

1.5尚无统一的标准，许多问题尚待研讨。

2．设计要求

2.1失效判据（准则）的确定

a）由于是厚壁容器，内、外壁应力水平相差极大，若选用弹性失效准则，不仅材料利用率极低，甚至根本无法设计。

b）由于高强钢的“屈服比”高，容器的全屈服压力与爆破压力十分接近，若选用塑性失效准则，不利于安全运行。

c）由于实际材料为非理想塑性材料，屈服后会发生应变硬化（即此时材料的实际强度有所提高），在容器的极限强度前运行仍是安全的，因此，超高压容器设计宜采用爆破失效准则，即对容器的爆破压力取安全系数。

2.2爆破压力的计算与安全系数的选取

a）爆破压力计算方法有多种，“超高压容器安全监察规程”推荐两种，一种以材料拉伸试验数据计算，一种以材料的扭转试验数据计算，后者的计算准确度高于前者。

b）对不同的爆破压计算式取不同的安全系数，当用拉伸试验数据计算爆破压时，安全系数≥3；当以扭转试验数据计算爆破压时，安全系数≥2.7。

考虑不同计算方法的准确度，尽管计算方法不同，容器实际安全系数大致相当。

2.3对开孔、形状过渡区等应力集中部位应进行应力分析计算校核。

3．制造要求

3.1原材料（锻件）质量是关键，要求采用真空脱气喷粉、炉外精炼、电渣重熔等先进冶炼技术，保证钢的纯净度，保证优良力学性能（强度、塑性、韧性、断裂韧性等）。

3.2锻造比一般应大于3

3.3制造期间至少做二次（热处理前后各一次）100%超声（探母材），筒体表面应做100%磁粉或渗透。

3.4内、外表面均需精加工，对表面粗糙度有较严要求（防应力集中）。

4．提高耐压强度（承载能力）的途径。

4.1采用多层热套结构

a）利用层间过盈，使外筒对内筒材料造成预压应力，在承受内压时使各层的应力水平趋于均匀，提高了外层材料的利用率。

b）超高压热套与高压热套容器的三大区别：

  层间过盈量的选取：

前者经精确力学计算；后者按套合工艺选取。

  套合表面：

前者需经精加工（以确保过盈量准确）；后者无需加工或只需粗加工。

后者需通过热处理消除套合应力；前者不允许。

4.2自增强处理

a）通过压力使内壁材料屈服，外壁仍属弹性，造成内壁材料承受预压应力，从而提高其初始屈服压力。

b）自增强压力应经慎重计算与控制，并关注材料本身的屈服比。

4.3采用绕丝结构

   在内筒外缠绕高强度不锈钢丝，在缠绕时可通过加热等办法精确控制缠绕预应力，使内筒材料呈预压缩状态。

七、非金属压力容器的基础知识

1．搪玻璃设备

1.1搪玻璃设备特点与应用

a）具有优良的耐蚀性、耐高温及不污染介质等特点，可替代部分不锈钢及钛材。

b）在化工、轻工、医药等行业广泛应用，主要产品有反应釜；贮罐；套筒式、夹套式及列管式换热器；塔器等。

1.2搪玻璃设备的制造要点

a）金属坯体表面涂敷一定厚度底釉与面釉，再经约880℃~950℃烧结制成。

底釉与金属表面发生物理化学反应，形成复合过渡层；面釉在设备表面形成金属与非金属相结合的复合层；

b）瓷釉的品