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中压容器(极度或高度危害介质)
中压储存容器(中度危害或易燃介质,且PV≥10MPa·
m3)
中压反应容器(中度危害或易燃介质,且PV≥0.5MPa·
低压容器(极度或高度危害介质,且PV≥0.2MPa·
高压、中压管壳式余热锅炉
中压搪玻璃压力容器
使用强度级别较高(抗拉强度σb≥540MPa)的材料制造的压力容器
移动式压力容器,铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等
球形容器(大于50m3)
低温液体储存容器(大于5m3)
2)第二类压力容器
中压容器
低压容器(极度或高度危害介质)
低压储存容器和低压反应容器(中度危害或易燃介质)
低压管壳式余热锅炉
低压搪玻璃压力容器
3)第壹类压力容器
除上述规定以外的低压容器
例《压力容器安全技术监察规程》将压力容器划分为第三类压力容器、第二类压力容器和第壹类压力容器3类。
以下正确选项是_____
A只要是高压容器就是第三类压力容器
B只要是中压容器就是第二类压力容器
C只要是低压容器就是第壹类压力容器
D低温液体运输(半挂)罐式汽车是第三类压力容器
E盛装极度危害介质,且PV乘积为0.2MPa的低压容器是第三类压力容器
1.4压力容器运行特性
压力容器是于特殊条件(介质的物理性质,如压力、温度,及介质的化学性质)下运行的设备
1介质的物理特性
1)压力来源
a来自容器外部
工作介质为压缩气体的气体压缩机,泵供给的压力,
工作介质为水蒸气的蒸汽锅炉,沸热锅炉供给的压力,
b容器内部
气体介质,由于温度升高导致体积膨胀,产生压力
液体介质,工作温度高于标准沸点时,液体沸腾汽化,体积膨胀,压力增加
液化气体介质,容器内的压力就是随温度变化的饱和蒸汽压,液体于不同温度下具有不同的饱和蒸汽压
化学反应产生压力
2介质的化学特性
主要是易燃易爆性质和毒性
按易燃易爆分类:
可燃,易燃,惰性和助燃
按毒性分类:
极度危害(Ⅰ)<0.1mg/m3,高度危害(Ⅱ)0.1-1.0mg/m3,中度危害(Ⅲ)1.0-10mg/m3,轻度危害(Ⅳ)>10mg/m3
例生产工艺过程所涉及的压力容器工艺介质品种繁多,按它们对人类毒害程度,可分为极度危害(I)、高度危害(II)、中度危害(Ⅲ)、轻度危害(Ⅳ)四级。
当最高允许浓度为0.1~1.0mg/m3时,该介质的毒性程度为_____
A极度危害B高度危害C中度危害D轻度危害
《压力容器安全技术监察规程》规定:
关于介质的易燃,易爆,毒性程度的分类执行HG20660-1991的规定,轻度危害未列入规定。
介质毒性的六项指标分别:
急性毒性,急性中毒发病情况,慢性中毒发病情况,慢性中毒后果,致癌性,最高允许浓度。
易燃介质(爆炸危险介质):
气体或液体蒸汽、薄雾和空气混合形成爆炸混合物,且爆炸下限小于10%,或爆炸上限和下限的差值大于、等于20%的介质)
1.5压力容器工艺参数
壹压力
1工作压力
操作压力,容器顶部于正常工艺操作时的压力
2最高工作压力
内压容器,容器顶部于工艺操作过程中可能产生的最高压力;
外压容器,容器可能出现的最大内外压差
《压力容器安全技术监察规程》对最高工作压力的规定:
1)盛装临界温度高于50℃的液体气体的容器,如有保冷措施,其最高工作压力为所盛装气体于可能达到的最高温度下的饱和蒸汽压;
如无保冷措施,其作高工作压力不得低于50℃的饱和蒸汽压
2)盛装临界温度低于50℃的液化气体的容器,如有保冷措施,其最高工作压力不得低于试验的最高温度下的饱和蒸汽压;
没有保冷措施,其最高工作压力不得低于所装介质于规定的最大充装量和50℃的气体压力
3)盛装混合液化石油气的容器,其50℃时的饱和蒸汽压低于异丁烷于50℃的饱和蒸汽压,取50℃异丁烷的饱和蒸汽压为最高工作压力;
如高于50℃异丁烷的饱和蒸汽压,取50℃丙烷的饱和蒸汽压为最高工作压力,如高于50℃丙烷饱和蒸汽压,取50℃丙烯的饱和蒸汽压为最高工作压力
3设计压力
指于相应的设计温度下用以确定容器壁厚及其元件尺寸的压力,壹般等于或略高于最高工作压力。
例容器的设计压力能够不大于使用过程中的最高工作压力。
4安全阀的开启压力
安全阀瓣开始离开阀座,介质呈连续排出状态时,于安全阀进口测得的压力
5爆破片的标定爆破压力
爆破片铭牌上标明的爆破压力
《钢制压力容器》提出几种确定设计压力方法
1)有安全泄放装置,取安全泄放装置的开启压力
2)单个容器上无安全泄放装置,工艺系统中有安全泄放装置,取最高工作压力的1.05-1.1倍
3)爆炸性介质,取最高工作压力的1.15-1.3
4)液化气体根据充装系数和达到的最高温度
5)外压容器,大于或等于最大内外压差
6)真空容器,有安全控制装置时,取最大内外压差的1.25倍或0.1MPa俩者中的较小值;
未装安全控制装置时,取0.1MPa
二温度
1介质温度
容器内工作介质的温度
2设计温度
容器于正常的工作过程中,于相应的设计压力下,器壁或元件金属可能达到的最高或最低温度
《钢制压力容器》规定
1)容器的各个部位于工作过程中产生不同的温度,可取不同的温度为设计温度
2)内保温的容器,壁温为设计温度
注意:
只有当壳壁或元件金属的温度低于-20℃时,按最低温度设计;
此外按最高温度设计
例压力容器的工艺参数是由生产工艺要求确定的,是进行压力容器设计和安全操作的主要依据,压力容器的主要工艺参数是_____和_____
A压力B液位C温度D介质
1.6对压力容器的基本要求
保证安全的前提下,有效运行,长期稳定。
压力容器必须具备使用性能:
安全可靠,易制造安装,结构先进,维修方便,经济合理等
保证以下性能
1强度
指容器于限定的压力条件下抵抗破裂或过量塑性变形的能力
2刚度
容器或容器的承压部件于限定的载荷条件下抵抗弹性变形的能力。
3稳定性
容器于外载荷的作用下保持其几何形状不发生突然改变的性能
4耐久性
容器的使用寿命。
壹般来说容器设计使用年限为10年
5密封性
可拆连接处,母材和焊缝的致密度
1.7压力容器的失效
压力容器于规定的使用期内,因结构不合理,制造质量不良,使用维护不当或其他原因而失去按原设计参数正常工作的效能称为压力容器失效(强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效)
1强度失效
1)韧性断裂(塑性断裂)
压力容器于载荷作用下,产生的应力达到或接近所用材料的强度极限,引发的断裂
a厚度未经设计或强度计算错误
b制造时用材料错误
c使用过程中壁厚减薄
d操作失误
e液体受热膨胀,化学反应
2)脆性断裂
应力值低于材料的强度极限时发生的断裂,断裂时不发生明显的塑性变形。
a材料选用不当
b焊接和热处理不当
c长期于高温下运行,引起材料的脆化
d存于严重的原始缺陷,制造缺陷,使用过程中产生缺陷等
3)疲劳断裂
于交变载荷的作用下,经过壹定的循环次数后产生裂纹和突然发生断裂失效的过程
a结构设计不良
b不正常操作
4)蠕变断裂
压力容器于高温下长期受载,随时间的增加持续发生蠕变变形,造成厚度明显减薄和鼓胀变形,最终导致压力容器断裂的现象
5)腐蚀断裂
均匀腐蚀导致的厚度减薄,或局部腐蚀造成的大面积凹坑,引起的断裂
2其他形式的失效
1)刚度失效
构件弹性变形过渡引起的失效
2)失稳失效
于压应力作用下,压力容器突然失去原有的规则几何形状引起的失效
3)泄漏失效
由于泄漏而引起的失效
1.8压力容器的法规标准体系
壹法律
由全国人民大表大会或省人民代表大会通过和批准的,《安全生产法》
二行政法规
国务院颁布,《特种设备安全监察条例》
三部门规章
国家质检总局局长令形式发布的《特种设备事故处理规定》
四安全技术规范
总局领导签署《压力容器安全技术监察规程》
五技术标准
行业提出的,由国家标准,行业标准和企业标准
例《特种设备安全监察条例》是由()颁布实施的
A国务院B国家质量技术监督检验检疫总局C全国人大
《特种设备安全监察条例》是壹部()
A安全技术规范B法律C技术标准D部门规章E行政法
第二章压力容器的结构
压力容器壹般由筒体(壳体)、封头(端盖)、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。
主要承压(受压)元件:
筒体、封头、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之上的主螺栓和公称直径大于250mm的接管和管法兰
1.1壳体
1圆筒壳体
1)筒体
a整体式:
单层卷焊式整体锻造式锻焊式铸-锻-焊式电渣重熔筒体
b组合式:
多层板式:
多层包扎式多层热套式多层绕板式螺旋包扎式
绕制式:
型槽绕带式扁平钢带式
2)封头和端盖
和筒体焊接连接不可拆的为封头
半球形
椭圆形
碟形:
碟形封头球面部分的内半径小于封头的内直径
碟形封头过渡区的半径大于内直径的10%和封头厚度的3倍
封头的壁厚大于封头内直径的0.30%
锥形:
无折边锥形封头
适用于锥体的半顶角α≤30°
无折边锥形封头连接处的对接焊缝必须采用圈焊透结构
折边锥形封头
2球形壳体
球罐
球形壳体受力最小,相同壁厚下,承载能力最高;
相同内压下,壁厚最薄;
相同容积下表面积最小。
例于相同的壁厚条件下,球形容器的承载能力最高;
于相同的内压下,圆筒形壳体所需要的壁厚最薄;
于相同的容积下,球形壳体的表面积最小。
1.2连接件
法兰螺栓连接结构
1用于管道连接和密封的法兰为管法兰
2用于容器端盖和筒体连接后的密封法兰为容器法兰
法兰连接结构
连接型式:
整体法兰活套法兰任意式法兰
活套法兰任意式法兰
连接的紧固型式:
螺栓紧固带铰链的螺栓紧固快开式法兰紧固等
1.3密封
1密封面
凹凸形密封:
用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合
榫槽形密封:
高压容器高压管道及介质为易燃、易爆且剧毒的场合
平面形密封:
压力不高、介质危害程度不高的场合
2密封结构
平垫密封卡扎里密封双锥密封五德密封O形环密封
平垫密封
卡扎里密封
双锥密封五德密封
3密封元件
可拆结构中起密封作用的元件
金属、非金属、金属和非金属混合密封元件
1.4接管开孔及其补强结构
1接管
压力容器和介质输送管道或仪表,安全附件管道等进行连接的构件
螺纹短管式,法兰短管式,平法兰式
2开孔
壹般手孔的直径不小于150mm
对于内经大于1000mm的容器,应开设人孔
开孔的最大直径
圆筒容器
1)当内径Di≤1500mm时,开孔最大直径d≤1/2Di且d≤500mm
2)当内径Di>1500mm时,开孔最大直径d≤1/3Di且d≤1000mm
凸形封头或球壳开孔的最大直径d≤1/2Di,Di为开孔中心处锥体的内直径
锥形封头开孔的最大直径d≤1/3Di
3开孔补强结构
1)补强圈补强
2)厚壁短管补强
3)整体锻造补强
1.5支座
1立式容器支座
悬挂式支承式裙式
2卧式容器支座
鞍式圈式
3球形容器支座
赤道正切柱式支撑V形柱式钢筋混凝土基础支撑
第三章压力容器应力分析及强度校核
3.1常用设计规范及适用的压力范围
1、GB150-1998《钢制压力容器》
设计压力P:
0.1-35MPa
真空度:
≥0.02MPa
2、GB151-1999《管壳式换热器》
公称压力PN≤35MPa
公称直径DN≤2600mm
PN·
DN≤1.75×
104
3、JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》
0.1-100MPa
4、JB/T4732-1997《钢制焊接常压容器》
圆筒形容器-0.02MPa≤P≤0.1MPa;
立式圆筒形储罐、圆筒形料仓-500MPa≤P≤0.1MPa;
矩形容器连同大气
5、GB12337-1998《钢制球形储罐》
设计压力P≤4MPa
公称容积V≥50m3
6、JB4710-2000《钢制塔式容器》
0.1-35MPa(对于工作压力<0.1MPa内压塔,P取0.1MPa)
高度范围h>10m且h/D>5
3.2失效准则
1第壹强度理论(最大拉应力理论)
2第二强度理论(最大伸长线应变理论)
3第三强度理论(最大剪切力理论)
4第四强度理论(形状改变比能理论)
3.3压力容器应力分析
1圆筒容器
于内压P的作用下,筒壁承受经向应力σm和周向应力σt作用
经向应力
周向应力
D-圆筒或球壳的中径
3圆锥形容器
4椭圆形封头
3.4圆筒和封头的设计计算
1圆筒
1)厚度的设计
按照第壹强度理论
(a)
D=Di+δ代到(a)中
(b)
实际上圆筒形容器有焊缝,焊缝的强度壹般低于母材,所之上式
计算的压力容器的壁厚(容器受压满足强度及稳定性要求时,按相应的公示式计算得到的不包括厚度附加量的厚度)
(c)
设计壁厚增加腐蚀裕度C2
(d)
[σ]t-设计温度下材料的许用应力MPa;
Pc-计算的内压力MPa;
(设计压力P+容器内液柱静压力P′)
Di-圆筒的内直径mm;
td-设计厚度;
C2-腐蚀裕度mm
φ-焊缝系数
名义厚度(设计厚度加上钢板厚度负偏差后,向上圆整到钢材的标准规格尺寸)
C2-钢板的负偏差mm
设计厚度(计算厚度和腐蚀余量的和)
有效厚度(名义厚度减去厚度附加量)
2)已经圆筒的尺寸Di、δn,校核于应力P作用下的应力
(e)
σt-校核温度下圆筒器壁的计算应力
2球壳
Pc-计算内压力MPa;
C2-腐蚀余度mm
φ-焊缝系数(双面焊接接头,100%无损检测φ=1.00,局部无损检测φ=0.85;
单面焊接接头,100%无损检测φ=0.9,局部无损检测φ=0.8)
3半球形封头
K-应力增强系数(形状系数)
对于标准椭圆(a/b=2),K=1
5锥形封头
无折边
折边
6碟形封头
M-碟形封头形状系数
3.5压力试验
压力试验分为液压试验和气压试验
1试验压力PT
1)内压容器
液压试验
气压试验
P-设计压力,MPa
[σ]-试验温度下材料的许用应力,MPa
[σ]t-设计温度下材料的许用应力,MPa
2)外压容器和真空容器
2应力校核
1)圆筒形容器
液压试验时,
气压试验时,
2)球形容器
3.6容器开孔补强
1)开孔削弱面积A0
内压圆筒和球壳
d-开孔直径或接管的内径加上壁厚附加量以后的直径
δnt-接管的名义厚度
C-壁厚附加量
fr-强度削弱系数,等于设计温度下接管材料和壳体材料许用应力比值
δ-壳体开孔处计算厚度
2)有效补强范围
补强区域宽度
俩者较大值
补强区外伸高度
=接管实际外伸长度俩者中较小值
补强区内侧高度
=接管实际内伸长度俩者中较小值
3)补强区补强金属面积A
补强面积
A1-承受内压或外压时容器设计厚度之外的多余金属面积
A2-接管承受内压或外压需要设计厚度之外的多余金属的面积
A3-补强区内焊缝面积
A4-补强区内另加的补强面积
如果A1+A2+A3≥A开孔不需要补强
如果A1+A2+A3<A开孔需要补强
补强面积A4≥A-(A1+A2+A3)
3.7强度校核
1圆筒形壁厚校核:
应力校核:
2球壳壁厚校核:
2C2′-到下壹个检验周期俩倍的腐蚀余量
δ测-2C2′有效剩余壁厚δe′
例有壹台于用的液化石油气球形储罐,开罐检查时发现球壳的最小壁厚为19.2mm。
根据下述条件校核球形壁厚是否满足继续使用的要求及液压试验是否满足要求。
已知条件:
设计压力为1.68MPa,最高工作压力为1.2MPa,设计温度50℃,名义厚度20mm,容积为200m3,实测的最大内直径6800mm,材料为16MnR,设计温度下的许用应力165MPa,屈服强度σs为326MPa,焊接接头为双面焊,射线检测比例100%,到下壹个检验周期为6年。
液柱静压为0.0035MPa,充装系数为0.9。
解:
(1)壁厚校核
设计的压力P=1.68MPa
液柱静压Pˊ=0.0035MPa
计算压力Pc=P+Pˊ=1.68+0.0035=1.6835MPa
焊接接头系数φ=1
下壹周期均匀腐蚀量C2=0.13×
6=0.78mm
壁厚校核式:
δ校=测
得:
δ校=
δ校≤δ测
球壳最小厚度满足要求,能够继续使用
(2)液压试验应力校核
液压试验满足要求。
3.8压力容器的应力分类
从应力作用和应力分析的角度,压力容器的应力分为三大类
1壹次应力P
指为平衡外加机械载荷所必须的应力
1)壹次总体薄膜应力Pm
2)壹次弯曲应力Pb
3)壹次局部薄膜应力PL
2二次应力Q
指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力
3峰值应力F
由于局部不连续和局部若盈利的影响而叠加到壹次加二次应力之上的应力增量
例《于用含缺陷压力容器安全评定》中规定:
应根据应力的作用区域和性质,将其划分为壹次应力、二次应力。
由错边、角变形、局部厚度差所引起的局部应力,按_____考虑。
A壹次应力B二次应力C三次应力
第四章压力容器材料
4.1金属材料力学性能
金属材料的力学性能指表征金属抵抗各种损伤作用的能力大小
性能:
常温下的强度、塑性、韧性、抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、伸长率和冲击韧性等
试验:
拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验、疲劳试验等
1金属材料强度指标
1)屈服强度
材料于拉伸过程中,当载荷不变而试样长度继续伸长的现象为屈服σs
2)抗拉强度
试样拉伸时,拉断前承受的最大载荷和试样原始截面之比σb
3)持久强度
材料于规定的温度下,达到规定时间而不断的最大应力,表示700℃时,持久时间为1000h的应力
4)蠕变极限
于规定温度下,引起试样于壹定时间内蠕变总伸长率或恒定蠕变速度不超过规定值的最大应力,表示于600℃时,蠕变速度1×
10-5%h的蠕变极限
2金属材料塑性
1)延伸率δ
试验拉断后标距总长△L和原标距长L0的比值
2)断面收缩率φ
试样断裂后,缩颈处横截面积和原横截面积的比值
3)冷弯性能
金属材料于常温下承受弯曲而不破坏的能力
3金属材料的韧性指标
1)冲击韧性αK
评定金属于动载荷下承受冲击抗力的机械性能指标
2)断裂韧性KC
反应材料抵抗裂纹临界扩展的壹种能力
4.2压力容器常用钢材
压力容器常用钢材的要求
1)为保证安全性和经济性,所用材料应有足够的强度(屈服强度和抗拉强度)
2)为保证于承受外加载荷时不发生脆性破坏,所用材料应有良好韧性
3)所用材料应有良好的加工性
4)所用的材料应有良好的低倍组织和表面质量
5)用于制造高温受压元件的材料应具有良好的高温性能
6)和腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性
1压力容器常用碳素钢
碳是碳素钢中主要的合金元素,含碳量不超过0.25%
碳素钢中含有少量
锰:
于钢中增
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- 压力容器 教案