任務(wù)四壓力容器的強(qiáng)度計(jì)算及校核

項(xiàng)目一壓力容器任務(wù)四壓力容器的強(qiáng)度計(jì)算及校核容器按厚度可以分為薄壁容器和厚壁容器，通常根據(jù)容器外徑Do與內(nèi)徑Di的比值K來判斷，K>1.2為厚壁容器，K<1,2為薄壁容器。工程實(shí)際中的壓力容器大多為薄壁容器。為判斷薄壁容器能否安全工作，需對壓力容器各部分進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度校核。一、圓筒體和球形殼體.壁厚計(jì)算公式圓筒體計(jì)算壁厚：pTOC\o"1-5"\h\z￡二亓+一(「1)中-A，圓筒體設(shè)計(jì)壁厚：—+G皿<0.6[-7)(1-2)仃，@-/<球形容器設(shè)計(jì)壁厚：nJ).篩=B+G=.’+G(p+WO,6|T「捫(1-4)4[(7」卡-北式中6——圓筒計(jì)算厚度，mm6d圓筒設(shè)計(jì)厚度，mmpc——計(jì)算壓力，MPapc=p+p液，當(dāng)液柱靜壓力小于5煙計(jì)壓力時(shí)，可忽Di——圓筒的內(nèi)直徑，mm[(r]T——設(shè)計(jì)溫度T下，圓筒體材料的許用應(yīng)力，MPa(可查表)小焊接接頭系數(shù)，小01.0C2腐蝕裕量，mm-一圓筒的有效厚度,設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力6-一圓筒的有效厚度,設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力6mmT:.壁厚校核計(jì)算式在工程實(shí)際中有不少的情況需要進(jìn)行校核性計(jì)算，如舊容器的重新啟用、正在使用的容器改變操作條件等。這時(shí)容器的材料及壁厚都是已知的，可由下式求設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力［pw］。(1-5)25」仃.|a(1-5)(1-6)r兒（2十十）(1-6)"-2瓦①丁值應(yīng)小于或等于［（r］T小設(shè)計(jì)溫度下球殼的最大允許工作壓力［pw］:(1-7)(1-8)設(shè)計(jì)溫度下球殼計(jì)算應(yīng)力（TT:(1-8)4沆①丁值應(yīng)小于或等于［（r］T小、封頭的強(qiáng)度計(jì)算.封頭結(jié)構(gòu)封頭是壓力容器的重要組成部分，常用的有半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭和平封頭（即平蓋），如圖1-4所示。工程上應(yīng)用較多的是橢圓形封頭、半球形封頭和碟形封頭，最常用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。以下只介紹橢圓形封頭的計(jì)算，其他形式封頭的計(jì)算可查閱GB150-2011。

Ilf津膨時(shí)山，力解畫現(xiàn)時(shí)央"弗利山PHd街邊維啟我買1$）大$妍辿睢杷封大t凸建片辿蝕的樹立圖1-4封頭的結(jié)構(gòu)型式.橢圓形封頭計(jì)算橢圓形封頭由半個(gè)橢球面和高為h的直邊部分所組成，如圖1-5所示。直邊h的大小根據(jù)封頭直徑和厚度不同有25mm40mm50mmE種，直邊h的取值可查表1-7。表1-7橢圓形封頭材料、厚度和直邊高度的對應(yīng)關(guān)系單位：mm對頭材料磷素例］普通低價(jià)金例復(fù)合鋼板劃頭厚哎藺4-810-18^203rg10-1*>20直邊高度h25405040504S圖1-5橢圓形封頭橢圓形封頭的長、短軸之比不同，封頭的形狀也不同，當(dāng)其長短軸之比等于2時(shí)，稱為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。該類型封頭的應(yīng)力分布均勻，且同等條件下封頭壁厚與圓筒體壁厚大致相等，便于焊接，經(jīng)濟(jì)合理，因此GB150-2011推薦采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。厚度設(shè)計(jì)計(jì)算式：(S=(S=(f-9)校核計(jì)算式:[pj式中K6e[pj式中K6eK4+0.5應(yīng)橢圓形封頭形狀系數(shù)。對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，取橢圓形封頭的有效厚度，mmK=1封頭設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法與圓筒體確定方法相同。三、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定根據(jù)給定的工藝條件，確定式中各參數(shù)。(1)設(shè)計(jì)壓力p指設(shè)定的容器頂部的最高工作壓力，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)標(biāo)在容器的銘牌上。(2)工作壓力pw指正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力。(3)計(jì)算壓力pc即在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下，用以確定容器元件厚度的壓力，計(jì)算壓力pc等于設(shè)計(jì)壓力加上容器工作時(shí)所承受的液柱靜壓力，當(dāng)元件各部位的液柱靜壓力小于5%勺設(shè)計(jì)壓力時(shí)，也可忽略不計(jì)。容器的設(shè)計(jì)壓力可參照以下方法確定。①當(dāng)容器上裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于等于安全閥的開啟壓力，取開啟壓力為1.05?1.1倍的工作壓力；當(dāng)容器上裝有爆破片裝置時(shí)，容器的設(shè)計(jì)壓力與爆破片的形式、載荷的性質(zhì)及爆破片的制造精度等因素有關(guān)，具體數(shù)值可按GB150-2011的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定。②當(dāng)容器系統(tǒng)中裝有安全控制裝置，而單個(gè)容器上無安全控制裝置且各個(gè)容器之間的壓力難以確定時(shí)，其設(shè)計(jì)壓力可按表1-8確定。表1-8設(shè)計(jì)壓力單位：MPa工作注方1設(shè)計(jì)壓力P工作壓力員做一壓力「p.+0.41.8<pw<4.0L四*③盛裝液化氣體或混合液化石油氣的容器，設(shè)計(jì)壓力可按表1-9確定表1-9常見盛裝液化氣體或混合液化石油氣容器的設(shè)計(jì)壓力

容器類IW設(shè)計(jì)壓液化工容器'無保冷沒觸i彼家［216建戴1.62丙烯2.16內(nèi)燒L7711；7烷上JfttaLJ埠.己「幅一「一坪0.79混合激化石蒯氣容「（無保期設(shè)施）以內(nèi)部為相美組分，設(shè)計(jì)力打6叫以內(nèi)蛇為和關(guān)蛆分,設(shè)計(jì)偉力L77MPa以dJ燒為相關(guān)組分*設(shè)汁壓力9注：p50為混合液化石油氣50c時(shí)的飽和蒸氣壓，表中的1.94、1.62、0.58分別為丙烯、丙烷、己丁烷50c時(shí)的飽和蒸氣壓。（4）設(shè)計(jì)溫度指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面溫度的平均值），用T表示。容器的設(shè)計(jì)溫度可參照以下原則確定：①容器內(nèi)介質(zhì)被熱載體或冷載體直接加熱時(shí)，設(shè)計(jì)溫度按表1-10確定。表1-10設(shè)計(jì)溫度傳熱方式設(shè)汁孤膽t傳資方式設(shè)計(jì)溫度丁撲加熱熱載體的必竊工作溫度內(nèi)加/被加熱介質(zhì)曲顯高上作溫.度外冷卻外載體的手眼_L件韭度內(nèi)冷卻被冷卻介員的最限J_fl涸度②容器內(nèi)壁與介質(zhì)直接接觸且有外保溫時(shí)，設(shè)計(jì)溫度按表1-11確定表1-11設(shè)計(jì)溫度單位：C品宿或顯低1作需段T.陽1溫匿T最角或辰世匚作血度T.溫度，X—20般-1015專T,三3$。兀+20-2X1eL昌15兀-乂假最低仍切-20；K>35(11\+(5-③容器內(nèi)介質(zhì)用蒸氣直接加熱或被內(nèi)置加熱元件（如加熱盤管、電熱元件等）間接加熱時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度取被加熱介質(zhì)的最高工作溫度。④液化氣用壓力容器當(dāng)設(shè)計(jì)壓力確定后，其設(shè)計(jì)溫度就是與其對應(yīng)的飽和蒸氣的溫度。⑤儲存用壓力容器（包括液化氣儲罐）當(dāng)殼體溫度僅由大氣環(huán)境條件確定時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度可取該地區(qū)歷年來月平均氣溫的最低值，或據(jù)實(shí)計(jì)算。（5）許用應(yīng)力［①］容器殼體、封頭等受壓元件所用材料的許用強(qiáng)度，是由材料的各極限應(yīng)力除以相應(yīng)的安全系數(shù)來確定的。各國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所規(guī)定的安全系數(shù)均與本國規(guī)范所采用的計(jì)算、選材、制造及檢驗(yàn)方面的規(guī)定是相適應(yīng)的。為了使用方便和取值統(tǒng)一，GB150-2011中給出了常用材料在不同溫度下的許用應(yīng)力，可直接查用。（6）焊接接頭系數(shù)①焊接制造的容器，在焊縫中可能存在著火渣、氣孔、裂紋及未焊透等缺陷，使焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度受到削弱，為了補(bǔ)償焊接時(shí)可能出現(xiàn)的焊接缺陷對容器強(qiáng)度的影響，

引入了焊接接頭系數(shù)，它是接頭處材料的強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比，用中表示，見表1-12o焊接接頭系數(shù)的取值與接頭的形式及對其進(jìn)行無損檢測的長度比例有關(guān)，由GB150-2011的規(guī)定可按下列方法確定。表1-12焊縫系數(shù)焊接接頭格式￡橫椅窩的長懂出何凰(再局部國面焊對接接士或相當(dāng)干雙面焊的環(huán)接摳頭\n0.群單而照對接接頭，沿?zé)樈「?景明基本金屬的塔板)0.90.8在什么情況下需要采取100%%￡損檢測，可查閱相關(guān)規(guī)定。(7)厚度附加量C容器的壁厚不僅要滿足強(qiáng)度和剛度的要求，還要考慮鋼材的厚度負(fù)偏差和介質(zhì)對容器的腐蝕，所以在確定容器厚度時(shí)引入鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2,二者之和稱為厚度附加量，用C表示。一般鋼板的厚度負(fù)偏差按表1-13選取。不銹復(fù)合鋼板及鋼管厚度負(fù)偏差在GB150-2011中查取。表1-13鋼板厚度負(fù)偏差C1單位：mm理義厚度此2.8-341工？Q與1R-40a仁55R-726-0花"436-4042-卬52-fiO厚度般偏差0.220,250,3也50.6tl.M0,91.01J1.21.3腐蝕裕量可根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性及容器的設(shè)計(jì)壽命來確定，對介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣及水的碳素鋼、低合金鋼容器，腐蝕裕量不小于1mm當(dāng)資料不全難以具體確定時(shí)，可參考表1-14選取。表1-14腐蝕裕量C2單位：mm容器類別就嘉鋼低合金蝸擠鋁鋼不躋桐芾往塔器及反應(yīng)器殼體310移器堯體]0換熱器31體L510前襯里容器殼體10巾可拆內(nèi)件10包括做曲司拆內(nèi)件10黑麋11Q需要強(qiáng)調(diào)的是，腐蝕裕量只對發(fā)生均勻腐蝕破壞有意義。對于應(yīng)力腐蝕、氫腐蝕、品間腐蝕等非均勻腐蝕，采用增加腐蝕裕量的辦法效果并不明顯。這時(shí)應(yīng)采用選耐腐蝕材料或其他防腐蝕辦法。(8)容器厚度的確定和最小厚度容器的厚度應(yīng)既滿足強(qiáng)度和剛度的要求，又滿足腐蝕裕量及鋼板規(guī)格的要求，容器的名義厚度6n是指計(jì)算厚度6加上厚度附加量C后，向上圓整到鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。容器的最小壁厚是指對于低壓或常壓容器，按照強(qiáng)度公式計(jì)算出來的厚度往往很薄，常因剛度不足，在制造、運(yùn)輸和安裝過程中易發(fā)生變形。因此GB150F2011限定了殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度6min,按下述方法確定：①對碳素鋼、低合金鋼制容器，6min不小于3mm②對高合金鋼制容器，6min不小于2mm四、耐壓試驗(yàn)容器的耐壓試驗(yàn)是在超過設(shè)計(jì)壓力的條件下，對容器進(jìn)行試運(yùn)行的過程。目的是檢查容器的宏觀強(qiáng)度、焊縫的致密性及密封結(jié)構(gòu)的可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)容器材質(zhì)、制造、安裝及檢修過程存在的缺陷，是對材料選用、設(shè)計(jì)、制造及檢修等各環(huán)節(jié)的綜合性檢查，以保證設(shè)備安全運(yùn)行。耐壓試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)以及氣液組合壓力試驗(yàn)三種。一般采用液壓試驗(yàn)，由于結(jié)構(gòu)或者支承原因，不能向容器內(nèi)充灌液體，以及由于運(yùn)行條件不允許殘留試驗(yàn)液體的壓力容器，可按照設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定采用氣壓試驗(yàn)。對因承重等原因無法注灌液體的壓力容器，可根據(jù)承重能力先注入部分液體，然后注入氣體，進(jìn)行氣液組合壓力試驗(yàn)。對需要進(jìn)行熱處理的容器，必須將所有焊接工作完成并經(jīng)熱處理后方可進(jìn)行液壓試驗(yàn)，如果試驗(yàn)不合格需要補(bǔ)焊或補(bǔ)焊后又經(jīng)熱處理的必須重新進(jìn)行壓力試驗(yàn)。對于劇毒介質(zhì)或不允許有微量介質(zhì)泄漏的容器，在進(jìn)行液壓試驗(yàn)后還要進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)前容器各連接部位的緊固螺栓必須裝配齊全、緊固妥當(dāng)，試驗(yàn)必須用兩個(gè)量程相同并經(jīng)過校正的壓力表，并裝于容器便于觀察的部位。壓力表的量程在試驗(yàn)壓力的2倍左右為宜，但不應(yīng)低于1.5倍和高于4倍的試驗(yàn)壓力。.液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn)是將液體注滿容器后，再用泵逐步增壓到試驗(yàn)壓力，檢驗(yàn)容器的強(qiáng)度和致密性。容器液壓試驗(yàn)裝置示意圖，如圖1-6所示。金一txj-閥水利金一txj-閥水利圖1-6容器液壓試驗(yàn)裝置示意圖(1)試驗(yàn)介質(zhì)及要求試驗(yàn)介質(zhì)可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)的液體，試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。一般采用潔凈的水。奧氏體不銹鋼制容器進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，應(yīng)將水漬清除干凈，當(dāng)無法達(dá)到這一要求時(shí)，應(yīng)控制水的氯離子含量不超過25mg/L碳素鋼、16MnRf口正火15MnV部容器液壓試驗(yàn)時(shí)，7體溫度不得低于5C；其他低合金鋼容器，試驗(yàn)時(shí)液體溫度不得低于15Co如果由于板厚等因素造成材料無延性轉(zhuǎn)變溫度升高，則需相應(yīng)提高試驗(yàn)液體溫度；其他鋼種容器液壓試驗(yàn)溫度按圖樣規(guī)定。(2)試驗(yàn)方法和過程①確定試驗(yàn)壓力：耐壓試驗(yàn)壓力應(yīng)當(dāng)符合設(shè)計(jì)圖樣要求，且不小于下式的計(jì)算值。斤=1,25p-^7_<rj式中pT——試驗(yàn)壓力，MPap設(shè)計(jì)壓力，MPa[(T]——容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa[(t]T——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa注：容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時(shí)，公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力p；容器各元件(圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等)所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的[?]/[(r]T值中最小者。試驗(yàn)前應(yīng)按下式校核試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力)一人)“T二2^明WO.9P八(fk.r)式中t———試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力，MPaDi圓筒內(nèi)直徑，mm6e圓筒的有效厚度，mm②排凈容器中的空氣：試驗(yàn)時(shí)容器頂部應(yīng)設(shè)排氣口，以便充液時(shí)將容器內(nèi)的空氣排盡。試驗(yàn)過程中，應(yīng)保持容器觀察表面的干燥。③試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力后，保壓時(shí)間一般不少于30min（在此期間容器上的壓力表讀數(shù)應(yīng)保持不變）。然后將壓力降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%并保持足夠長的時(shí)間以對所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查。如有滲漏，應(yīng)做標(biāo)記，卸壓后修補(bǔ)，修好后重新試驗(yàn)，直至合格為止。④對于夾套容器，先進(jìn)行內(nèi)筒液壓試驗(yàn)，合格后再焊夾套，然后進(jìn)行夾套內(nèi)的液壓試驗(yàn)。⑤液壓試驗(yàn)完畢后，應(yīng)將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。（3）液壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)無滲漏、無可見的變形、試驗(yàn)過程中無異常響聲即為耐壓試驗(yàn)合格。.氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)之前必須對容器A類和B類焊接接頭進(jìn)行100%勺無損檢測，并應(yīng)增加試驗(yàn)場所的安全措施，該安全措施需經(jīng)試驗(yàn)單位技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，并經(jīng)本單位安全部門檢查監(jiān)督。試驗(yàn)所用的氣體應(yīng)為干燥潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w。碳素鋼和低合金鋼容器，氣壓試驗(yàn)時(shí)介質(zhì)溫度不得低于15C；其他鋼種容器氣壓試驗(yàn)溫度按圖樣規(guī)定。試驗(yàn)前確定試驗(yàn)壓力：“T=1.10"■按下式校核試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力：所（*瓦）C^'l'—式中（TS——圓筒材料在試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)，MPa（T0.2——0.2%的屈服弓?度,MPa小一一圓筒的焊接接頭系數(shù)氣壓試驗(yàn)合格要求，氣壓試驗(yàn)過程中，容器無異常響聲，經(jīng)過肥皂液或者其他檢漏液檢查無漏氣，無可見的變形即為合格。.氣液組合壓力試驗(yàn)對因承重等原因無法注滿液體的壓力容器，可根據(jù)承重能力先注入部分液體，然后注入氣體，進(jìn)行氣液組合壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)之前必須對容器A類和B類焊接接頭進(jìn)行100%勺無損檢測。對于氣液組合壓力試驗(yàn)，應(yīng)保持容器外壁干燥，經(jīng)檢查無液體泄漏后，再以肥皂液或其他檢漏液檢查無漏氣，無異常響聲，無可見的變形即為合格。.泄漏試驗(yàn)?zāi)蛪涸囼?yàn)合格后，對于介質(zhì)毒性程度為極度、高度危害或者設(shè)計(jì)上不允許有微量泄漏的壓力容器，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)介質(zhì)的不同，泄漏試驗(yàn)分為氣密性試驗(yàn)、氨檢漏試驗(yàn)以及鹵素檢漏試驗(yàn)和氮檢漏試驗(yàn)等。(1)氣密性試驗(yàn)氣密性試驗(yàn)所用的氣體應(yīng)為干燥潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w。試驗(yàn)壓力為壓力容器的設(shè)計(jì)壓力。進(jìn)行氣密