第三章 壓力容器設(shè)計(jì)緒論

1、1壓力容器設(shè)計(jì)緒言Introduction of Pressure Vessel Design梅麗梅麗21.概述1.1 現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿31.概述1.1 現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿41.概述1.1 現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿51.概述1.2 壓力容器的特點(diǎn)l 應(yīng)用的廣泛性61.概述1.2 壓力容器的特點(diǎn)l 鍋爐、換熱器、加熱爐 = 圓筒外殼 + 傳熱管束l 核反應(yīng)堆 = 圓筒安全殼 + 核反應(yīng)零部件l 塔器 = 圓筒外殼 + 傳質(zhì)元件（浮閥、填料等）l 反應(yīng)釜 = 圓筒夾套 + 攪拌器l 壓縮機(jī)、真空泵 = 圓筒氣缸 + 活塞l 透平機(jī)、泵 = 蝸殼 + 葉輪 l 應(yīng)用的廣泛性71.概述1.2 壓力容器的特點(diǎn)壓力

2、容器不僅被廣泛用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥、冶壓力容器不僅被廣泛用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥、冶金、機(jī)械、采礦、電力、航天航空、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)金、機(jī)械、采礦、電力、航天航空、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)部門，在農(nóng)業(yè)、民用和軍工部門也頗常見，其中尤以石油部門，在農(nóng)業(yè)、民用和軍工部門也頗常見，其中尤以石油化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍，石油化工企業(yè)中的化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍，石油化工企業(yè)中的塔、釜、槽、塔、釜、槽、罐罐無一不是貯器或作為設(shè)備的外殼，而且絕大多數(shù)是無一不是貯器或作為設(shè)備的外殼，而且絕大多數(shù)是在一在一定壓力、溫定壓力、溫度下度下運(yùn)行；運(yùn)行；例如例如一個(gè)年產(chǎn)一個(gè)年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置，約有萬噸的乙烯裝置，約有79

3、3臺(tái)設(shè)備，臺(tái)設(shè)備，其中壓力容器其中壓力容器281臺(tái)，占了臺(tái)，占了35.4%；蒸；蒸汽鍋爐也屬于壓力汽鍋爐也屬于壓力容器，但它是用直接火焰加熱的特種受壓容器，但它是用直接火焰加熱的特種受壓容器；至容器；至于民用于民用或工廠用的液化石油氣瓶，更是到處可見?；蚬S用的液化石油氣瓶，更是到處可見。 l 應(yīng)用的廣泛性81.概述1.2 壓力容器的特點(diǎn)壓力容器的操作條件十分復(fù)雜，甚至近于苛刻。壓力壓力容器的操作條件十分復(fù)雜，甚至近于苛刻。壓力從從12105Pa的真空到高壓、超高壓的真空到高壓、超高壓，如石油加氫為，如石油加氫為10.521.0 MPa；高壓聚乙烯為；高壓聚乙烯為100200 MPa；合成氨；

4、合成氨為為10100 MPa；人造水晶高達(dá)；人造水晶高達(dá)140 MPa；溫度從；溫度從-196 C低溫到超過一千攝氏度的高溫低溫到超過一千攝氏度的高溫；而處理介質(zhì)則包羅；而處理介質(zhì)則包羅爆、燃、爆、燃、毒、輻毒、輻(照照)、腐、腐(蝕蝕)、磨、磨(損損)等數(shù)千個(gè)品種。操作條件的復(fù)等數(shù)千個(gè)品種。操作條件的復(fù)雜性使壓力容器從設(shè)計(jì)、制造、安裝到使用、維護(hù)都不同雜性使壓力容器從設(shè)計(jì)、制造、安裝到使用、維護(hù)都不同于一般機(jī)械設(shè)備，而成為一類特殊設(shè)備。于一般機(jī)械設(shè)備，而成為一類特殊設(shè)備。 l 操作的復(fù)雜性91.概述1.2 壓力容器的特點(diǎn)壓力容壓力容器承器承受各種靜、動(dòng)載荷或交變載荷，還有附加受各種靜、動(dòng)載荷

5、或交變載荷，還有附加的機(jī)械或溫度載荷；其次，大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽的機(jī)械或溫度載荷；其次，大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和和液體；液體；若若容器破裂，導(dǎo)致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來容器破裂，導(dǎo)致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來的破壞能量極大，加上壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容的破壞能量極大，加上壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容易產(chǎn)生各種焊接缺陷，一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸易產(chǎn)生各種焊接缺陷，一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂，器內(nèi)易爆、易燃、有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢(shì)必造破裂，器內(nèi)易爆、易燃、有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢(shì)必造成極具災(zāi)難性的后果。因此，對(duì)壓力容器要求很高的安全成極具災(zāi)難性的后果。因

6、此，對(duì)壓力容器要求很高的安全可靠可靠性。性。l 安全的高要求101.概述1.2 壓力容器的特點(diǎn)當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展，如核電站一個(gè)當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展，如核電站一個(gè)1500MW壓水堆壓力殼，工作壓力為壓水堆壓力殼，工作壓力為1416MPa，工作溫，工作溫度為度為250330C，容器內(nèi)直徑，容器內(nèi)直徑7800mm，壁，壁厚厚317mm，重，重650噸；噸；又又如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為17.525MPa，工作溫度為，工作溫度為450550C，內(nèi)直徑為，內(nèi)直徑為30005000mm，壁厚為，壁厚為200400 mm，重，重40

7、02600噸，對(duì)這類噸，對(duì)這類容器的工藝要求和運(yùn)行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器的工藝要求和運(yùn)行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器又有更高更嚴(yán)格的安全性要求。容器又有更高更嚴(yán)格的安全性要求。 l 安全的高要求111.概述1.3 壓力容器的安全特征1996年年12月的統(tǒng)計(jì)資料表明，國(guó)內(nèi)在用固定式壓力容月的統(tǒng)計(jì)資料表明，國(guó)內(nèi)在用固定式壓力容器多達(dá)器多達(dá)122.22萬臺(tái)萬臺(tái) ，移動(dòng)式壓力容器中罐車，移動(dòng)式壓力容器中罐車16910輛，在輛，在用氣瓶用氣瓶5498.7571萬只；鍋爐總臺(tái)數(shù)也高達(dá)萬只；鍋爐總臺(tái)數(shù)也高達(dá)51.57萬臺(tái)萬臺(tái) 。此。此外全國(guó)持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計(jì)外全國(guó)持有壓力容器

8、制造許可證的企業(yè)合計(jì)2432個(gè)，設(shè)計(jì)個(gè)，設(shè)計(jì)單位單位1380個(gè)。如此龐大個(gè)。如此龐大且潛且潛在隱患容器的存在，以及地域在隱患容器的存在，以及地域廣泛的制造設(shè)計(jì)部門，自然成為國(guó)內(nèi)外政府部門特別重視廣泛的制造設(shè)計(jì)部門，自然成為國(guó)內(nèi)外政府部門特別重視其安全管理和監(jiān)察檢查的原因。其安全管理和監(jiān)察檢查的原因。 l 量大面廣121.概述1.3 壓力容器的安全特征國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)1998年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故132起，嚴(yán)重事故起，嚴(yán)重事故274起，共死亡起，共死亡104人，受傷人，受傷371人，直接經(jīng)濟(jì)人，直接經(jīng)濟(jì)損失損失2813.58萬元。鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆

9、炸事故率分萬元。鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆炸事故率分別為別為1.07次次/萬臺(tái)，萬臺(tái)，0.28次次/萬臺(tái)，萬臺(tái)，0.65次次/萬臺(tái)。萬臺(tái)。 l 事故率高131.概述1.3 壓力容器的事故實(shí)例 1979年9月7日國(guó)內(nèi)某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個(gè)，爆炸5個(gè)，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59人死亡，779人嚴(yán)重中毒。 1979年12月18日國(guó)內(nèi)某液化氣站400M3儲(chǔ)罐爆炸，引發(fā)3個(gè)球罐和一個(gè)臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54 人傷。141.概述1.3 壓力容器的事故實(shí)例 1986年4月28日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站壓力殼發(fā)生核泄漏，31人死亡，20個(gè)

10、國(guó)家4億人受害。151.概述1.3 壓力容器的事故實(shí)例 1984年12月3日印度博帕爾市農(nóng)藥廠異氰甲酸脂儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，2580人死亡，125000人中毒，5萬人失明。 161.概述1.3 壓力容器的事故實(shí)例 1998年10月8日 10時(shí)40分左右，哈爾濱化工二廠四車間成品庫發(fā)生氧氣瓶爆炸事故，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的2名裝卸工1死1傷。 171.概述1.3 壓力容器的事故實(shí)例 2004年4月15日21時(shí)，重慶天原化工總廠氯氫分廠1號(hào)氯冷凝器列管腐蝕穿孔，造成含銨鹽水泄漏到液氯系統(tǒng)，生成大量易燃的三氯化氮。4月16日凌晨發(fā)生排污罐爆炸，1時(shí)33分全場(chǎng)停產(chǎn)，2時(shí)15分排完鹽水4小時(shí)后的1號(hào)鹽水泵在停止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生

11、粉碎性 爆炸。，。181.概述1.3 壓力容器的事故實(shí)例 2010年1月7日17時(shí)30分，中石油蘭州石化公司303廠316烴類灌區(qū)發(fā)生爆炸，造成6人遇難，1人重傷，5人輕傷。192.壓力容器設(shè)計(jì)2.1 質(zhì)量保證體系定定 義義 確保容器從設(shè)計(jì)、選材、制造、投入運(yùn)行到退確保容器從設(shè)計(jì)、選材、制造、投入運(yùn)行到退出服役的整個(gè)過程安全地完成使用要求而采取的有出服役的整個(gè)過程安全地完成使用要求而采取的有計(jì)劃、系統(tǒng)的措施。計(jì)劃、系統(tǒng)的措施。內(nèi)內(nèi) 容容 材料材料設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制造與制造過程中的檢驗(yàn)制造與制造過程中的檢驗(yàn)在役在役檢驗(yàn)與監(jiān)控。檢驗(yàn)與監(jiān)控。 202.壓力容器設(shè)計(jì)2.2 基本要求安全性安全性 l 足夠的強(qiáng)度

12、足夠的強(qiáng)度 l 足夠的剛度足夠的剛度( (或穩(wěn)定性或穩(wěn)定性) ) l 可靠的密封性能可靠的密封性能 l 一定的使用壽命一定的使用壽命 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性l經(jīng)濟(jì)可靠的材料經(jīng)濟(jì)可靠的材料l經(jīng)濟(jì)的制造方法經(jīng)濟(jì)的制造方法l低的操作和維護(hù)費(fèi)用低的操作和維護(hù)費(fèi)用l長(zhǎng)周期的安全運(yùn)行長(zhǎng)周期的安全運(yùn)行212.壓力容器設(shè)計(jì)2.2 基本要求按規(guī)則設(shè)計(jì) - GB150鋼制壓力容器 基于經(jīng)濟(jì)方法的設(shè)計(jì)，其典型過程是確定設(shè)計(jì)載荷，選用設(shè)計(jì)公式、曲線或圖表，并對(duì)材料取一個(gè)安全應(yīng)力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范許可的構(gòu)造細(xì)則及有關(guān)制造檢驗(yàn)要求進(jìn)行制造。222.壓力容器設(shè)計(jì)2.2 基本要求按分析設(shè)計(jì)-JB4732鋼制壓力容器

13、分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 基于考慮作用在容器上載荷的性質(zhì)，進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，計(jì)算得到的應(yīng)力按其對(duì)容器破壞的作用分類，與許用應(yīng)力強(qiáng)度比較和評(píng)定，并加上嚴(yán)格的材料、制造和檢驗(yàn)要求。232.壓力容器設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在特定的設(shè)計(jì)條件下，有效地利用材料的強(qiáng)度或剛度，使容器或其部件在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)安全運(yùn)行。 強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 塑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 脆斷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 蠕變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 彈性變形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l 失穩(wěn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則242.壓力容器設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則容器不出現(xiàn)涉及總體容器不出現(xiàn)涉及總體范圍的較大變形，即在范圍的較大變形，即在內(nèi)壓或其他拉伸等靜力內(nèi)壓或其他拉伸等靜力載荷在器壁中所引起的載荷在器壁中所引起的最大應(yīng)力不超過材料的最大應(yīng)力不超過材料的彈性極限。如考慮設(shè)計(jì)彈性極限。如考慮設(shè)計(jì)安全裕度，則限制在材安全裕度，則限制在材料的許用應(yīng)力以料的許用應(yīng)力以下。下。彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則12pD t252.壓力容器設(shè)計(jì)