压力容器专业知识(李景辰)

null 压力容器专业知识 压力容器专业知识 合肥通用机械研究所 2005年09月13日null一.压力容器设计、制造的主要特点 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. 一.压力容器设计、制造的主要特点一.压力容器设计、制造的主要特点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-在外力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。 一. 压力容器设计、制造的主要特点一. 压力容器设计、制造的主要特点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. 一. 压力容器设计、制造的主要特点 一. 压力容器设计、制造的主要特点 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. 一. 压力容器设计、制造的主要特点一. 压力容器设计、制造的主要特点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), 以及全过程 (设计、制造、使用)质量控制区.二. 压力容器的分类二. 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。 二. 压力容器的分类 二. 压力容器的分类 2. 按制造级别分类 2.1 按制造许可级别分类,一般考虑如下一些因素 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; 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; 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; 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. 二. 压力容器的分类 二. 压力容器的分类 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. 二. 压力容器的分类 二. 压力容器的分类 4. 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. 二. 压力容器的分类 二. 压力容器的分类 4. 此外,尚有如下一些常见的分类方法： 4.4 按材料分为金属与非金属两大类,其中: 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。 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）。我国以抗拉强度下限＞540MPa 作为高强度钢分界的理由。 三. 压力容器设计基础知识三. 压力容器设计基础知识薄壁容器应力简化 1.1 应力合理简化的主要内容 将三向受力状态简化为两向(切向、轴向）受力状态 将应力沿壁厚非均布视为均布 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。 三. 压力容器设计基础知识 三. 压力容器设计基础知识 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 第一强度理论（最大主应力理论）~是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。2. 强度理论的选择 2. 强度理论的选择 2.2 主要强度理论的分类及选择 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。 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。三. 压力容器设计基础知识三. 压力容器设计基础知识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（即产品）的安全底线 3.2 失效判据（准则）的分类及选择 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及GB150采用。 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及JB4732等采用。 三.压力容器设计基础知识 三.压力容器设计基础知识 3. 失效判据(准则)的选择 3.2 失效判据(准则)的分类及选择 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. 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。三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识 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 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; 未可知因素 三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识 5. 安全系数 5.3 安全系数发展的历史与趋向 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。 三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识 5. 安全系数 5.4 螺栓安全系数的特殊性---避免过度上紧 一般只对屈服点取安全系数 依材料而异 依规格而异三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识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。三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识6. 焊缝(焊接接头)系数 6.3 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。 三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识7.主要受压元件设计计算书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。 7.3 GB150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。三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识7.主要受压元件设计计算中应注意的几个问题 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。 7.6 GB150中要求筒节长度不小于300mm属惩罚条款，并非 合理要求。三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识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 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。三.压力容器设计基础知识三.压力容器设计基础知识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 GB150采用第一强度理论，弹性失效准则，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，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。 三. 压力容器设计基础知识三. 压力容器设计基础知识8. 应力分析设计的一般概念 8.2 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.三. 压力容器设计基础知识三. 压力容器设计基础知识8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 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。三. 压力容器设计基础知识三. 压力容器设计基础知识8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 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。 三. 压力容器设计基础知识三. 压力容器设计基础知识8. 应力分析设计的一般概念 8.2 应力分类的基本知识 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四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求2. 筒体结构 2.2 整体式 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。 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）。四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求2. 筒体结构 2.3 组合式 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。 板-板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等 板-带有型槽绕带、扁平纲带 板-丝有绕丝（主要用于超高压） 四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求2. 筒体结构 2.4 整体式与组合式之比较 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。 组合式工艺复杂，生产周期长，且不适于做热容器四.结构设计的一般要求四.结构设计的一般要求3.封头结构 3.1 封头分为凸形封头、锥形封头、平盖等三大类 3.2 凸形封头 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。 制造方法主要为冲压（适于批量）、旋压（适于单件）。 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）。四.结构设计的一般要求四.结构设计的一般要求3.封头结构 3.3 锥形封头 主要用于变速或方便卸料； 依半顶角分为30°（无折边）、45°（大端折边）、60°（大、小端折边）； 主要制造方法卷焊 3.4 平盖 包括平盖和锻造平底封头等，与筒体连接分为可拆与固接。 制造方法多为锻造四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求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,将角度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。四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求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: 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； 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； 任意式法兰—介于二者之间。四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求5. 法兰 5.3 以密封压紧面型式分为: 平面密封—密封效果差，但加工方便 凹凸面密封--单面限制垫片流动，密封效果较好，但加工 较难 椎槽密封—双面限制垫片流动，密封性好，但加工复杂四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求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。四. 结构设计的一般要求四. 结构设计的一般要求7. 其他结构设计的注意事项 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 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 1. 产品焊接试板 1.2 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；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 其他以批代台制备五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 1. 产品焊接试板 1.3 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 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 1. 产品焊接试板 1.5 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,则代表的产品焊缝为不合格 1.6 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 2. 焊后(消除应力)热处理 2.3 需进行焊后热处理的条件 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、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） 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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 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. 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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 3.2 液压试验 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。 液压试验的危险性主要来自能量观点（P·V）和金属碎片。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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，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； 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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、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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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。五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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。 5.3 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 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 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）。 关键是锻件质量，基本要求为JB4726—4728. 锻焊容器环缝焊接缺乏经验时，应于施焊前做鉴证环. 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 6.锻钢、铸铁、不锈钢及有色金属制压力容器的制造 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。 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 五.压力容器制造、安装、维修、改造基本知识 6.锻钢、铸铁、不锈钢及有色金属制压力容器的制造 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。 六. 超高压容器基本知识六. 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。六. 超高压容器基本知识六. 超高压容器基本知识2．设计要求 2.1 失效判据（准则）的确定 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。 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。 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。六. 超高压容器基本知识六. 超高压容器基本知识2. 设计要求 2.2 爆破压力的计算与安全系数的选取 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。 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。六. 超高压容器基本知识六. 超高压容器基本知识2. 设计要求 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）。六. 超高压容器基本知识六. 超高压容器基本知识3．制造要求 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）。 六. 超高压容器基本知识六. 超高压容器基本知识4．提高耐压强度（承载能力）的途径。 4.1 采用多层热套结构 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。 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。六. 超高压容器基本知识六. 超高压容器基本知识4．提高耐压强度（承载能力）的途径。 4.2 自增强处理 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。 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 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。 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。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识1．搪玻璃设备 1.2 搪玻璃设备的制造要点 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； 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。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识1．搪玻璃设备 1.2 搪玻璃设备的制造要点 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。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.1 石墨的分类与应用 石墨分为天然石墨与人造石墨。化工设备主要采用人造石墨。 人造石墨分为透性石墨与不透性石墨。 透性石墨。人造石墨在焙烧过程中，原料中有机物气化逸出，使材料呈多孔性（且多为通孔），且气体、液体渗透 性强，多用于电力、冶金、核能； 不透性石墨。采取浸渍、浇注、压制等不同措施，堵塞孔隙，使人造石墨成为不透性石墨，主要用于化工等行业。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.2 人造石墨的制造 由焦碳、沥青混捏、压制成型；经1300℃真空焙烧，并长 期保温（约20天）；再经2400℃-3000℃高温下石墨化处理。 2.3 不透性石墨的制造 它又分为浸渍石墨、压型石墨、浇注石墨等三类。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.3 不透性石墨的制造 浸渍石墨。化工设备所用石墨材料多为浸渍石墨。浸渍剂 不仅可填塞孔隙，还可增强石墨的机械强度。根据浸渍剂 的不同，又分为合成树脂浸渍石墨、水玻璃浸渍石墨和沥 青浸渍石墨。 压型石墨。主要用于管子、管件的制作。采用石墨粉与粘 接剂比例混合，经混捏、压型（热挤压或冷模压）或高温 热处理制成。 浇注石墨。以热固性合成树脂为胶结剂，以石墨粉为填料， 加入固化剂后注入模具制成，主要用于零部件制造。 七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.4 不透性石墨的主要特点 优点：优良的耐蚀性；优良的导热性（优于钢）；线胀系 数小，耐温度急变；不污染介质；机加工性能优良；质量 轻；高温下不变形。 缺点：机械强度低于金属，质脆。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.5 不透性石墨设备制造设计的主要特点及应用 不透性石墨材料的拼接多采用粘接，粘接缝应严密，粘接 剂应填满，拼接时尽量采用阶梯形，避免“通天缝”。 零部件采用机加工制成，由于石墨强度低、质脆，一般采 用两次浸渍、两次加工的方法，以保证加工精度，提高强度。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.5 不透性石墨设备制造设计的主要特点及应用 根据石墨材料的特点，设计时需注意以下要点： 由于石墨材料抗压强度高，尽量使元件处于压应力状态，避免或减少拉应力、弯曲应力； 因石墨制品垂直于挤压轴线方向的导热性小于平行于挤压轴线方向，故设计传热元件时，尽量使热流方向沿石墨挤压轴线方向； 尽量避免粘接结构，这是因为石墨材料、金属、胶粘剂 线胀系数的差异会导致过大的温差应力，此外胶粘剂在温度、时效作用下会脆化，造成断裂。当无法避免粘接结构时，粘接面应处理清洁，接缝要严密，缝宽≤1mm。七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.5 不透性石墨设备制造设计的主要特点及应用 根据石墨材料的特点，设计时需注意以下要点： 形状与结构要求简单； 金属螺栓不宜直接拧在石墨元件上，不宜在石墨构件上 直接吊装； 由于材质的不均质性，需取较大安全系数，一般为9-10。 不透性石墨主要用于换热设备，也可用于衬里、各类容器与塔器以及机械设备与密封元件。 一般来说，石墨制容器的适用范围为：设计压力≤2.4MPa； 设计温度-70℃-450℃。 七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.6 增强石墨复合材料制设备 石墨属脆性材料，裂纹、刻痕、凹坑等表面缺陷将引起“缺口效应”，使抗弯强度降低35-40%。采用表面覆盖技术或碳纤维复合材料可明显减弱“缺口效应”，提高强度。 表面覆盖技术分为浸渍法与缠绕法。 浸渍法。一般采用碳纤维（也可采用玻璃、硅、铝、硼等纤维材料）或陶瓷复合物，将其复合在石墨表面并一起浸渍，可增加强度及耐腐性； 缠绕法。将碳纤维缠绕在石墨管外壁，可提高强度尤其是抗冲击能力，但导热性降低。 七. 非金属压力容器的基础知识七. 非金属压力容器的基础知识2．石墨制设备 2.6 增强石墨复合材料制设备 碳纤维复合材料是在两层碳纤维中夹一层石墨材料，可大大提高强度与耐磨性。 增强材料性能好，但工艺复杂、成品高，多用于特殊场合。 八、压力容器主要失效方式 八、压力容器主要失效方式 1．人们对失效方式的认识过程 1.1 对压力容器失效方式的最初认识只是防止爆炸，并为此而制订相应的建造规范（如ASME）。 1.2 ASMEⅧ-1所采用的设计准则主要仅计及防止压力容器产生 过大的弹性变形，包括弹性不稳定，并未考虑其他可能发生的 失效方式。为防止多种失效方式，ASMEⅧ-1在材料、结构、安 全系数以及制造检验等方面进行了限制，组成了一套比较完整 但不够严密科学的设计方法，使其能在未对各受压元件进行详 细应力分析的条件下保证多数压力容器的安全使用。 八、压力容器主要失效方式八、压力容器主要失效方式1．人们对失效方式的认识过程 1.3 随着需要（首先是核容器）与可能（近代计算方法与技术），并通过对压力容器性能、结构特点与载荷特性的深 入研究，以ASMEⅢ和ASMEⅧ-2为，较全面认识了压力 容器可能存在的多种失效方式。 八、压力容器主要失效方式八、压力容器主要失效方式2．压力容器可能存在的八种失效方式： 2.1 过量的弹性变形，包括弹性不稳定 2.2 过量的塑性变形 2.3 脆性断裂 2.4 由应力引起的破坏/蠕变变形 2.5 塑性不稳定—渐增的垮塌 2.6 高应变、低循环疲劳 2.7 应力腐蚀 2.8 腐蚀疲劳 null谢谢各位