第二章压力容器.docx

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第二章压力容器

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第二章压力容器的设计制造

第一节材料与安全

一、材料的性能

1.力学性能

材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。

常规力学性能主要指标有：

强度、塑性、韧性和硬度。

（1）强度是指材料在外力作用下对变形和断裂的抵抗能力。

强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，是材料抵抗外力作用能力的标志；常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度，高温下还要考虑蠕变强度。

（2）塑性是指材料在断裂前发生塑性变形的能力。

其主要指标有伸长率、断面收缩率、冲击韧性等。

用塑性好的材料制造容器，可以缓解局部应力的不良影响，有利于加工，不易发生脆性断裂，对缺口和伤痕不敏感，发生爆炸时不易产生碎片。

（3）韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。

（4）硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。

一般按照测试方法不同分为：

布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物压入的能力。

以上四个指标之间是相互联系和制约的；如有些材料强度高，其伸长率以及冲击韧性却较低，因此选材时要综合考虑诸因素作全面分析。

2.物理性能

容器设计中，要注意到材料的物理性能：

线膨胀系数、热导率、密度、电导率、弹性模量等。

3.耐腐蚀性能

介质对材料具有一定的腐蚀性，考虑材料的耐腐蚀性能，并合理选用材料可以增加材料的使用寿命。

腐蚀的强弱主要看腐蚀速度的大小。

4.制造工艺性能

材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性能、热处理性能等。

对化工容器来讲，焊接性能和压力加工性能更为重要

可焊性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下能否获得优良焊接接头的性能。

可焊性的好坏取决于两个方面，能否得到优质的焊接接头和使用的焊接方法是否普通简便。

如果使用普通简便的焊接方法就能得到优质的焊缝，就称具有优良的焊接性能，可焊性好；如果要利用复杂的、特殊的焊接方式才能取得优质的焊缝，就称其具有较差的焊接性能，可焊性不好。

一般金属材料含有的碳元素越多，可焊性就越差；合金元素的增多也可能会导致可焊性降低。

常把钢中含碳量的多少作为判别钢材可焊性的主要标志，含碳量低于0.25%的碳钢和低合金钢，一般具有良好的可焊性；含碳量大于0.25%的钢材可焊性较差，一般不应用于制造压力容器和锅炉。

二、影响材料性能的因素

1.冶炼方法

钢的冶炼过程就是把生铁中含有的大量有害杂质元素，在氧化反应作用下转化为氧化物，从而生产出纯铁的过程。

在冶炼的过程中要尽量地使有害杂质成分降低，如磷、硫、氢和氮、氧等。

2.合金元素

在钢中添加一些合金元素，可以提高钢的力学性能。

最主要的合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钛、铌、钒、铝和铜等。

这些元素加入到钢中，对钢的物理性能和力学性能有很大影响：

a强度与碳钢相同时，韧性大大提高；

b强度提高，韧性仍不低于碳钢；

c强度和韧性都提高。

各元素加入到钢中的主要影响有：

（1）锰在炼钢时加入锰进行脱氧而残留在钢中的，作为合金元素加入钢中的锰能够提高钢的强度和奥氏体钢的组织稳定性，不利影响是增加钢的过热敏感性和回火脆性。

（2）硅通常钢中硅的含量在0.2%~0.3%之间，当含量超过0.5%时，视为加入到钢中的合金元素。

硅能够钢的强度、耐腐蚀性和耐热性，不利的是钢材的韧性和可焊性降低。

（3）铬能够提高钢的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，故铬钢综合力学性能很好。

高铬钢是很好的不锈钢，但是其导热性能很差，升降温要缓慢，并注意保温。

（4）镍能使钢具有很高的强度、塑性和韧性。

在铬钢中加入镍元素能够使钢具有良好的组织，具有良好的抗腐蚀能力和变形以及焊接性能。

（5）钼主要使钢具有耐热性和很高的高温力学性能。

（6）钒能够细化晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢材的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。

3.制造工艺

压力容器用材，一般都要经过轧制、锻造、成型、焊接和热处理等加工后才能投入使用。

这些过程对钢材的性能也会有很大的影响。

加工过程会使金属产生过度的变形降低强度和韧性，焊接过程中通常会在焊缝中产生气孔或裂纹，影响钢材的综合性能。

4.温度

温度对钢材性能的影响非常复杂。

一般分高温、常温、低温三个方面来进行考虑。

1）对于高温容器，其材料的选择主要考虑强度和合金组织稳定性两个问题。

2）对于常温容器，其材料的选择主要考虑保证常温使用寿命和避免产生脆性断裂。

3）对于低温容器，主要考虑材料的低温脆性断裂。

三、材料的选用

1.一般原则

1）选择压力容器用材必须考虑设备的操作条件、材料的焊接性能、冷热加工性能；

2）执行有关规定；

3）所选钢材应满足有关标准要求；

4）考虑经济合理性。

2.碳素钢

1）压力容器用碳素钢一般是含磷、硫杂质少，塑性好，焊接性能好的镇静钢。

2）压力容器用普通碳素钢有Q235-A·F、Q235-A、Q235-C、20R；优质普通碳素钢有10、20、25、35、45。

3.合金钢

1）低合金钢具有较好的力学性能，强度高，塑性、韧性好，具有较好的焊接性能和其他工艺性能，耐腐蚀性也比较好。

常用的低合金钢板有16MnR、15MnVR等。

2）高合金钢具有很好的耐腐蚀性和稳定性，常用的有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等。

3）复合钢板以碳素钢为基层，合金钢为复层的钢板，基层的作用承受强度，复层用做防腐层，可以节约合金元素。

4.低温和高温容器用钢

1）低温容器设计温度低于-20℃的压力容器定为低温容器。

低温容器破坏的主要原因是由于承压部件在低温和应力作用下发生脆性断裂。

低温容器用钢必须用镇静钢。

2）高温容器在较高温度下承受载荷的金属材料，其力学性能会随着温度的升高发生明显的变化，并且出现蠕变、松弛等现象。

因此用于制造高温承压部件的材料，应具有足够的强度和持久塑性、良好的组织稳定性、高的松弛稳定性、良好的抗氧化性等。

常用的高温用钢有16Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。

5.有色金属

1）铝和铝合金铝能够抵抗浓硝酸、磷酸、醋酸、有机化合物、硫化物等的腐蚀、但不耐碱和盐水的腐蚀。

2）铜和铜合金铜在碱类水溶液中具有很高的耐腐蚀性；在醋酸和其他有机酸中，铜也有耐腐蚀性；在浓度小于50%、温度小于60℃的硫酸中，铜能耐腐蚀；在氨水以及铵盐中或氧化剂存在的时，铜的腐蚀很强烈。

3）钛和钛合金在中性或碱性溶液中或在氧化性酸、含有氧化剂的非氧化性酸中均具有优良的耐腐蚀性能。

第二节设计

一、结构设计

压力容器的常见形状有圆筒形和球形。

1.整体结构

圆筒形容器的主要结构如下图：

球形容器的主要结构如下图：

2.主要受压元件

压力容器的主要受压元件包括：

筒体、封头（端盖）、球壳体、接管、法兰、开孔补强板、主螺栓、人孔、人孔法兰等。

1）筒体

圆筒形容器受力面是一个平滑的曲面，不会产生附加弯曲应力，所以受力情况较好，制造也较简单。

与圆筒形容器相比较，球形容器的应力是圆筒形壳体的一半，如果直径、材料和压力相同，则球形容器所需壁厚仅为圆筒形容器的一半；在相同容积下，球表面积比圆筒形的表面积小10%~30%，因此节省材料；但是球形容器制造困难，制造成本高，不便于安装内部构件。

2）封头

封头按几何形状可以分为：

端板（平板封头）、椭圆形封头、蝶形封头、半球形封头、无折边球形封头、90°折边锥形封头、60°折边锥形封头（下图所示）。

受力情况来看半球形的最好，没有附加弯曲应力，但加工困难故很少采用；一般使用椭圆形封头，受力较好，加工方便；标准椭圆封头的开口半径（Rn）与其深度（h）之比为2，非标准封头其值不能大于2.5。

3）法兰

法兰多用于工艺管道、安全附件、监视仪表、检修通道等的连接或密封，法兰主要用螺栓的压紧力来进行密封。

我国现在已编制了一系列各种用途和结构形式的法兰标准。

法兰的设计必须注意压紧面形状和结构形式的选择。

最常采用的压紧面形式有平面、凹凸面、榫槽面和梯形面等四种。

平面形压紧面用于压力不高的场合（P≤2.5MPa），其密封性能较差，但结构简单，加工方便，便于进行防腐和衬里；凹凸形压紧面适用于中压且温度较高的场合，其主要优点是密封性能好，垫片易于对中，压紧时可防止垫片被挤出；榫槽形压紧面适用于易燃易爆和有毒介质的密封，密封性能可靠，但更换比较麻烦；梯形槽面压紧面常与椭圆垫和八角垫片配合，用于较高压力场合。

4）开孔补强

压力容器除了根据工艺要求配有接管开孔外，还设有人孔、手孔、观察孔等开孔结构；而这些开孔削弱了容器器壁的受力面积，导致开孔处应力分布不均出现应力集中，为补偿开孔部位的削弱，可采用补强措施。

（1）补强圈补强

利用焊接的方法将补强件与接管、壳体相焊接。

补强圈补强一般采用等面积补强原理进行设计，即所增加的补强面积≥开孔所减少的截面积。

（2）整体补强

增加壳体的厚度，或以全熔透焊缝将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊接。

即先把部分接管与壳体锻造一个整体，经车制成形后与壳体进行焊接。

（3）不另行补强的最大开孔直径

壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

a.设计压力小于或等于2.5Mpa

b.接管公称外径小于或等于89mm

c.两相邻开孔中心的间距（对曲面以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍

d.接管公称外径和最小壁厚的规格应采用：

ø25x3.5、ø32x3.5、ø38x3.5、ø45x4.0、ø48x4.0、ø57x5.0、ø65x5.0、ø76x6.0、ø89x6.0.

（4）允许开孔的范围

在壳体上开孔的最大直径不得超过以下数值

a.圆筒

当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1/2Di，且d≤520mm；

当其内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤1/3Di，且d≤000mm；

b.凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1/2Di；

c.锥形封头或锥壳的开孔最大直径d≤1/3Di；

d.在椭圆形或蝶形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线垂直于封头表面。

5）焊接接头

焊接时制造压力容器的一个重要环节，也是一个薄弱环节。

焊接接头中易产生表面和内部缺陷，焊缝冷却时因热应力使结构产生变形。

焊接接头形式最常见的为对接接头，除此之外还有搭接接头、角接接头等；尽量采用对接接头形式，因为对接接头既有利于提高焊接质量，又便于无损探伤。

3.压力容器的基本要求和设计原则

1）基本要求

对压力容器的基本要求主要是强度、刚度、稳定性、耐久性和密封性。

2）设计原则

（1）结构不连续处应平滑过渡；

（2）引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开；

（3）避免采用刚性过大的焊接结构；

（4）受热系统及部件的胀缩不要受限制；

（5）各受压元件应有足够的强度，并装有可靠的安全保护设施防止超压；

（6）受压元件、部件结构形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减小复合应力和应力集中；

（7）承重结构在承受设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性；

（8）容器的整体结构应便于安装、检修和清洗。

二、强度设计

（一）应力

应力是用来描述受力物内部截面上单位面积的受力情况，单位为Pa或MPa。

应力与压力不同在于应力表示物体内部的相互作用即内力；而压力表示物体与物体之间的作用力即外力。

压力容器的应力主要有三种：

薄膜应力、温差应力和局部应力。

1）薄膜应力容器在外载荷（操作压力、容器自重、风、地震等产生的载荷）作用下，为保持容器各部分平衡所需要的力。

薄膜应力是根据无力矩理论得来的，无力矩理论假设薄壁容器（外径与内径之比小于1.2）只能承受均匀分布的拉应力和压应力，对于相对较小的弯曲应力不予考虑。

2）温差应力由于材料具有热胀冷缩的性质，在受热不均时会由于热胀冷缩的约束产生相互作用力，即温差应力。

温差越大，产生的温差应力越大。

3）局部应力只出现在容器的局部的应力，如：

结构不连续产生的应力和焊接残余应力等。

薄膜应力在使用中要始终控制在材料的屈服强度之下，不能大于屈服强度否则会导致容器整体出现塑性变形，是容器发生破坏；在改变操作参数或容器用途时一定要进行薄膜应力的核算。

温差应力的存在要求在操作中要注意温度的升降不能太快，做到尽量平稳；应做到先升温再加压，先泄压再降温。

局部应力的存在会导致小范围出现塑性变形，可能导致裂纹和应力腐蚀的出现。

（二）设计参数

1）设计压力

设计压力是指在相应的设计温度下，用以确定容器壁厚的计算压力，标注在压力容器铭牌上，比最高工作压力要高。

最高工作压力是指正常工作中可能出现的最高压力。

2）设计温度

设计温度是指在正常工作情况下，用来确定元件的金属温度。

就常温或高温容器而言设计温度不得低于可能达到的最高工作温度；对低温容器而言设计温度不能高于可能出现的最低温度。

3）腐蚀裕量

腐蚀裕量取决于介质的腐蚀性能、材料的化学稳定性和容器的使用时间。

（三）简单的强度计算

计算圆筒形的薄膜应力

轴向应力：

周向应力：

结论1：

同一容器中轴向应力是周向应力的一半。

计算球形的薄膜应力，由于球形各向相同，各向应力也一样：

结论2：

相同直径和壁厚的容器中，球形容器的受力为圆筒形容器的受力的一半。

（四）压力试验

压力试验的目的就是要检验压力容器的各承压部件的强度和严密性；观察整体受压情况和焊缝、法兰有无渗漏现象。

压力试验常用两种液压试验和气压试验，压力试验的压力要比最高工作压力要高，所以要考虑可能发生破坏。

因为气体爆炸释放是能量比液体释放得多故常采用液压试验。

液压试验一般用水为介质，试验压力为设计压力的1.25倍；气压试验是在容器不容许进行液压试验或不能残留液体的情况下进行，一般试验压力为设计压力的1.15倍。

第三节制造

一、成型

（一）筒体

筒体一般有一个或几个筒节经焊接成型，而筒节多用卷板机卷曲加工而成；有的筒体是用缠绕或整体锻造的方法成型的。

筒节卷制的工艺方法是根据材料的塑性、厚度和筒节直径大小来进行选择的；可以分为冷卷、中温卷和热卷。

冷卷是在不加热的情况下进行卷曲加工，要求材料塑性好、薄板且弯曲半径小；热卷需要加热到900~1000℃并保持一定的时间，优点是提高了塑性、降低了强度、不会产生裂纹，缺点是伸长量过大不好控制、产生氧化皮而消耗材料，需要加热炉工作条件差；中温卷吸收了冷卷和热卷的优点，并避免了其缺点，一般加热到500~600℃之间，可减少材料的强度提高塑性，减少脆性断裂的危险，氧化皮较少不会影响表面质量，伸长量比热卷小并可以控制。

（二）封头

封头成型的方法有：

冲压成型、旋压成型和爆炸成型。

冲压成型需要成套模具，毛胚钢材放在模具之间，经冲压机冲压成型。

冲压成型质量好、生产率高、适合于大批量、厚壁、小直径封头的生产；缺点有生产不同的封头要制造不同的模具，冲压时钢板易起皱折。

旋压成型不受模具的限制，可以生产不同尺寸的封头和其它回转体工件。

与冲压成型比较，旋压成型需要的机器重量小，可以生产薄壁、大直径的封头，成本低。

爆炸成型是利用炸药爆炸瞬间释放的能量来产生冲击波，从而使毛胚钢板在模具上成型。

有速度快、生产率高和成本低的优点。

二、制造缺陷

1.焊接缺陷

1）表面缺陷焊缝或热效应区出现的咬边、弧坑、擦伤和尺寸不符合要求等缺陷；

2）气孔和夹渣

A.气孔在高温下焊接材料和金属母材发生冶金反应会产生气体，同时也会吸收外界气体，如果气体来不及逸出就会被冷却在焊缝中形成气孔。

B.夹渣指夹杂在焊缝中的非金属物质。

3）未焊透和未熔合

A.未焊透是指待焊两部分母材之间被电弧熔化而留下的间隙；发生在单面焊的根部和双面焊的中间部位。

B.未熔合是指焊缝金属与母材之间以及各层焊缝金属之间彼此没有完全熔合在一起的现象。

4）裂纹焊接中或焊接后在焊接接头处产生的局部裂纹，裂纹可能出现在接头表面也可能出现在焊缝内。

按部位不同可以分为：

纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、热影响区裂纹等；按裂纹产生的温度和时间又可分为冷裂纹、热裂纹和再裂纹

2.加工成型和组装缺陷

1）表面凹凸不平主要出现在凸形封头上，包括表面突出或凹陷、封头直边有皱折。

2）截面不圆的筒体在同一截面上存在直径偏差，常因卷板操作不当。

3）错边是指两块钢板在厚度方向没有对齐而产生的错位。

3.缺陷对容器安全的影响

1）咬边、未焊透、气孔、夹渣和裂纹等会在其附近形成缺口。

由于缺口的存在会影响壳体的抗拉强度，严重时会导致壳体的延性破坏；另外缺口附近存在应力集中，容易发生裂纹和裂纹的扩展，导致容器的脆性破裂、疲劳破裂或应力腐蚀破裂。

2）表面凹凸不平、截面不圆和错边等会引起容器结构几何形状不连续，当容器承受压力时，会在这些部位形成附加弯曲应力和切应力，导致局部应力集中。

严重时会引起局部塑性变形和失稳，甚至直接导致壳体断裂。

3）在经过焊接、冷加工和组装后会在容器内部产生残余应力，这些残余应力可能很大，在个别情况下接近和达到材料的屈服极限；在使用中很可能会发生塑性变形。

焊接残余应力的大小取决于焊接变形的约束程度；焊接越厚、刚性越大，焊后残余应力越大，应力状态也越复杂。

大的残余应力还可能导致应力腐蚀的发生。

4）