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1、压力容器结构和设计要求压力容器结构压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。其典型过程设备有换热器、反应器、塔式容器、储存容器等。 压力容器的结构形状主要有圆筒形、球形、锥形、非圆形截面和组合形。压力容器结构典型结构圆形截面容器特点：轴对称结构受力分布比较均匀（受力条件虽不如球形容器，但比其他结构形式好得多。此种结构没有形状突变，不会因形状产生较大的附加应力）。制造工艺较简单便于内部工艺附件的安装和工作介质的流动圆形截面容器是最常用的一种压力容器，因而广泛用作反应、换热和分离容器。压力容
2、器结构典型结构压力容器结构典型结构压力容器结构典型结构压力容器结构典型结构压力容器结构典型结构压力容器结构零部件1. 筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可以分为立式容器和卧式容器。 由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。 对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直径，其系列尺寸有300、400、500、600等，如果筒体是用无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。 压力容器结构零部件2. 封头（
3、1）球形封头壁厚最薄，用材比较节省。但封头深度大、制造比较困难。（2）椭圆形封头椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形，直边段高度为h，因此椭圆形封头是由半个椭球和一个高度为h的圆筒形筒节构成。椭圆壳体周边的周向应力为压应力，应保证不失稳。（3）碟形封头碟形封头是由三部分组成。第一部分是以半径为Ri的球面部分，第二部分是以半径为Di/2的圆筒形部分，第三部分是连接这两部分的过渡区，其曲率半径为r,Ri与r均以内表面为基准。不连续过渡导致边缘应力。压力容器结构零部件（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
4、，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。 压力容器结构零部件3. 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。卧式容器多使用鞍式支座。 4. 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
5、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 压力容器结构开孔与补强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。主要表现不疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行
6、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；还有在设计时采用封头与筒体等厚或大一点，实际上封头已被补强了。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。 压力容器结构开孔与补强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
7、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
8、。(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。压力容器结构开孔与补强图 补强结构压力容器设计1. 常用设计规范及适用的压力范围GB1501998钢制压力容器 设计压力P：35 MPa ； 线钢制压力容器-分析设计标准 设计压力P：100 MPa； 线 MPa 疲劳载荷；高温蠕变GB1511999管壳式换热器 设计压力P：35 M
9、Pa ；线钢制球形储罐 设计压力：P4MPa；公称容积：V50M3压力容器设计2. 设计时应考虑的载荷GB1501998钢制压力容器：（1）内压、外压或最大压差；（2）液体静压力(5%P)； 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 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；（5）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；（7）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；（9）包括压力急剧波动的冲击载荷
10、；（10）冲击反力,如流体冲击引起的反力等；（11）运输或吊装时的作用力。压力容器设计3.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、爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：（1）弹性失效常规设计（GB150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。 （2）塑性失效分析设计（JB4732） 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服时才为承载的最大
11、极限。 （3）爆破失效高压、超高压设计 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。 *用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。压力容器设计4.弹性实效准则下的四个强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）常规设计（GB150等）这个理论也叫做“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，材料就要发生破坏。 第二强度理论（最大变形理论）这个理论也称为“最大线、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。 第三强度理论（最大剪应力理论）分析设计（JB4732）此即“最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。 第四强度理论（剪切变形能理论） 该理论也称作“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。压力容器设计 5. 安全系数 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。 为何有安全系数 载荷误差;设计误差;材料误差;制造与检验的误差;使用中的问题;未可
13、知因素 压力容器设计 5. 安全系数5.3 安全系数发展的历史与趋向（GB150表3-1）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。从高到低，下降趋势（技术进步，经验积累）。针对不同应力对安全的不同影响，取不同的安全系数。 压力容器设计 5. 安全系数 5.4 螺栓安全系数的特殊性-避免过度上紧（GB150表3-2）一般只对屈服点取安全系数依材料而异依规格而异压力容器设计6. 焊缝(焊接接头)系数（容规表3-5，GB150 3.7)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
14、.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。压力容器设计6. 焊缝(焊接接头)系数 几个问题的解释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；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;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。压力容器设计7.应力分析设计的一般概念7.1 常规设计的局限性（GB150、151、12337等） 压力容器的常规设计经过了长期的实践考验，简便可靠，目前仍为各国压力容器设计规范所采用。然而，常规设计也有其局限性，主要表现在以下几方面。载荷限制：常规设计将容器承受的“最大
15、载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热压力。计算不准确，难以发现危险点，也不经济：常规设计以材料力学及板壳薄膜简化模型的简化计算公式为基础，确定筒体中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体是安全的。而对容器上结构不连续区域和一些部件，只能通过经验公式或经验系数计算，同时限制结构尺寸、形状、工作条件来保证安全。显然，这种方法是粗略的，具有局限性。结构限制：常规设计规范中规定了具体的容器结构形式，但规范中未作规定或限制应用的一些结构和载荷形式就无法采用，因此，常规设计不利于新型设备和结构的开发和使用。压力容器设计7.应力分析设
16、计的一般概念7.2 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别 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。压力容器设计7.2 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别 GB150采用第一强度理论，弹性失效准则，不适用 于疲劳容器，压
17、力适用上限35MPa，安全系数较高； JB4732采用第三强度理论，塑性失效准则，可用于 疲劳容器，压力适用上限100MPa，安全系数较低。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。 压力容器设计 应力分类的基本知识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.压力容器制造1. 产品焊接试板 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。压力容器制造1. 产品焊接试板
18、(77条，） 制备产品焊接试板的条件需按台制备的条件与材质有关:Cr-Mo低合金钢；b540MPa；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；-10t-20以及0t-10厚度超过某一界限的20R、16MnR与厚度有关：s20mm的15MnVR其他以批代台制备压力容器制造1. 产品焊接试板 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 压力容器制造1. 产品焊接试板 不合格处理允许重新取样复验允许重新热处理如仍不合格且无试板,则代表的产
19、品焊缝为不合格 应注意的问题试板焊缝应探伤，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。环缝不做，需要时做鉴证环。 压力容器制造2. 焊后(消除应力)热处理2.1 目的 消除过大焊接应力 焊接应力产生的原因、特点及危害焊接应力因焊接过程中变形协调产生焊接应力的特点: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）。对容器的主要危害为应力腐蚀。 压力容器制造2. 焊后(消除应力)热处理2.3 需进行焊后热处理的条件(GB150 10.4.1)通用条件-依据材质、厚度、预热温度的不同组合判定； 必需条件-图样注明应力腐蚀、盛装极度、
20、高度危害介质；免做条件-奥氏体不锈钢； 关注应力腐蚀的复杂性（介质、温度、酸碱度、材质、 残余应力等） 压力容器制造2. 焊后(消除应力)热处理2.4 焊后热处理 整体进炉、分段进炉、局部、现场热处理 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.压力容器制造3. 耐压试验与气密性试验3.1 耐压试验的目的内压竣工后出厂前全面考核(验证)强度;检漏 液压试验试验压力的确定-试验压力计算公式中的系数与安全系数有关，试验前的应力校核是基于弹性失效准则。压力容器制造3. 耐压试验与气密性试验3.3 气压试验气压试验的危险性远高于液压，气体
21、会高速恢复被压缩的体积形成冲击波；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。压力容器制造3. 耐压试验与气密性试验3.4 气密试验目的-检漏条件-极度高度危害介质;生产工艺过程中不允许泄漏；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试验合格指标与检漏方法压力容器制造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: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；焊接修复由于位置、施焊环境、预热条件
22、、拘束度等原因，难度大于制造厂。 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。压力容器制造4. 压力容器的改造与维修4.2 对提高维修改造的建议措施提高对维修改造单位、人员的市场准入标准。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。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。是否值得维修改造要充分考虑容器的使用年限与价值。 压力容器制造5. 管子与管板的胀接5.1 胀接的分类贴胀。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
23、子与管板间的间隙，防止震动。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。压力容器制造5. 管子与管板的胀接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。 胀接质量控制要求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。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。胀后应进行耐压试验，检查胀口严密性。 压力容器制造6.锻钢、铸铁、不锈钢及有色金属制压力容器6.1 锻钢容器主要有（整体）锻造容器（主要用于超高压）、锻焊容器（主要用于大型
24、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）。关键是锻件质量，基本要求为JB47264728.锻焊容器环缝焊接缺乏经验时，应于施焊前做鉴证环.压力容器制造6.锻钢、铸铁、不锈钢及有色金属制压力容器6.2 铸铁容器因其质量只能用于小型、非重要场合。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。首次试制产品应进行爆破试验。压力容器制造6.锻钢、铸铁、不锈钢及有色金属制压力容器6.3 不锈钢及有色金属制容器有色金属制容器包括铝、钛、镍、锆及其合金。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。下料切割、坡口加工宜采用机械法，热切
25、割多用离子切割，加工边缘应打磨去除污染区。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。 压力容器的安全附件安全阀爆破片压力表液面计测温仪表紧急切断装置快开门式压力容器安全连锁装置压力容器的检验年度检查全面检验耐压试验安全状况等级 压力容器的主要失效方式承压设备损伤模式判别(标准草案)及数据库(4类66种)第1类：机械损伤变形、磨损、机械疲劳第2类：腐蚀减薄全面腐蚀（均匀腐蚀）：无机酸、盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、碳酸、氢氟酸、有机酸、环烷酸、乙酸（醋酸）、甲酸、对苯二甲酸、乙二酸、石碳酸/ N-甲基吡咯烷酮、萘胺酸、盐、有机物、水、二氧化碳、烟气、苛性碱、氨、硫化物、高温氧化、大气、土壤、露点腐蚀局部腐蚀（非均匀腐蚀、局部减薄）：点腐蚀(坑蚀)、 晶间腐蚀、 选择性腐蚀、电偶腐蚀、 缝隙/垢下腐蚀、 微生物腐蚀 压力容器的主要失效方式承压设备损伤模式判别(标准草案)及数据库(4类66种)第3类：环境开裂氢致开裂、应力导向型氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂、氰化物应力开裂、内部生成氢化物导致的开裂、氢腐蚀、氢脆、鼓包、胺、氨、碱、碳酸盐、氯化物、连多硫酸、液态金属、氢氟酸、高温水、腐蚀疲劳、热疲劳、蠕变第4类：金相组织变化球化和石墨化、硬化、相和相脆化、885脆化、回火脆化、碳化物沉淀脆化、渗碳、脱碳、渗氮
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