压力容器专业知识李景辰Word文件下载.docx
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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)瓷釉的品质是搪玻璃设备质量的关键,对瓷釉的要求除耐(酸、碱)腐蚀外,还要求一定的耐热(温差)性、抗冲击性、绝缘性及与钢材的密着强度等多种性能。
c)烧结是搪玻璃设备制造的关键,应采用计算机控制的大型电炉(国内目前多为煤加热炉)并配有无级调温装置,以保证阶梯升温~保温~阶梯降温的合理烧结工艺。
2.石墨制设备
2.1石墨的分类与应用
a)