第六章高壓厚壁容器

1、第六章 高壓厚壁容器第一節(jié) 厚壁容器設(shè)計(jì)理論及結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 掌握高壓容器設(shè)計(jì)理論及壁厚計(jì)算公式，了解多層包扎壓力容器、熱套壓力容器等多層厚壁圓筒結(jié)構(gòu)。一、厚壁容器設(shè)計(jì)理論高壓容器（10MPaP100MPa）又稱為厚壁容器，/D0.1或K=D0/Di1.2。厚壁容器由于徑向應(yīng)力較大，不能忽略，因此筒壁處于三向應(yīng)力狀態(tài)。在三向應(yīng)力中，除經(jīng)向應(yīng)力仍可視為沿壁厚均勻分布外，徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力并不沿壁厚均勻分布，最大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在容器的內(nèi)壁上。1、厚壁容器的失效準(zhǔn)則（1）彈性失效準(zhǔn)則這種觀點(diǎn)認(rèn)為，器壁上應(yīng)力最大處（內(nèi)壁）的應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，容器便失去正常的工作能力，亦即失效，這種失效稱之為彈性失效

2、。厚壁容器內(nèi)壁屈服后，可能會(huì)在局部應(yīng)力較大處出現(xiàn)微裂紋，并且在各種因素作用之下，可能會(huì)使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破壞。彈性失效準(zhǔn)則被許多國(guó)家采用，我國(guó)的GB150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)也是依據(jù)了這一準(zhǔn)則。（2）塑性失效準(zhǔn)則這種觀點(diǎn)認(rèn)為，器壁上應(yīng)力最大處的材料進(jìn)入屈服階段，并不導(dǎo)致整個(gè)容器的破壞，因?yàn)槿萜鞫际怯镁哂幸欢ㄋ苄约绊g性的材料制成的，內(nèi)壁處的材料雖然屈服了，但在它外面的材料仍處于彈性狀態(tài)，故屈服了的材料想進(jìn)一步發(fā)生塑性變形，便要受到仍處于彈性狀態(tài)的外層材料的約束。只有當(dāng)壓力逐漸增加，塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，直至容器的整個(gè)截面從里到外都達(dá)到屈服，才失去正常的工作能力。這種失效稱之為塑性失效。（3）爆破失效準(zhǔn)

3、則這種觀點(diǎn)認(rèn)為，厚壁容器的壁很厚，材料的塑性又較好，它不會(huì)一達(dá)到整體屈服就發(fā)生破壞，它有明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，只有當(dāng)容器承受的壓力繼續(xù)增大時(shí)，器壁中的應(yīng)力和應(yīng)變才會(huì)繼續(xù)增加，直至壓力增大到爆破壓力，容器發(fā)生爆破，才能算真正失效。2、厚壁容器彈性設(shè)計(jì)理論彈性設(shè)計(jì)理論下厚壁容器三向應(yīng)力計(jì)算公式見(jiàn)表6-1。在材料力學(xué)中，三個(gè)主應(yīng)力按一定的順序排列，即123，對(duì)應(yīng)厚壁圓筒的三向應(yīng)力為txr。在彈性失效準(zhǔn)則下，有四個(gè)不同的彈性強(qiáng)度理論，見(jiàn)表6-2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，K=D0/Di1.5時(shí)，應(yīng)用四個(gè)不同的彈性強(qiáng)度理論，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值都比較接近，尤其是當(dāng)K=D0/Di1.2時(shí)，各公式的計(jì)算結(jié)果頗為接近。當(dāng)K=

4、D0/Di1.5時(shí)，各公式的計(jì)算結(jié)果差異較大，而且K越大，計(jì)算結(jié)果差異也越大，但第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，尤其是第四強(qiáng)度理論尤為相近。3、中徑公式采用第一強(qiáng)度理論的中徑公式見(jiàn)表6-3。表6-3強(qiáng)度條件中徑公式 中徑公式以圓筒內(nèi)徑為基準(zhǔn)時(shí)，將設(shè)計(jì)壓力p換成計(jì)算壓力pc,考慮焊接接頭系數(shù)：導(dǎo)出得到筒壁厚度計(jì)算公式： （6-1） 中徑公式以圓筒外徑為基準(zhǔn)時(shí)，將設(shè)計(jì)壓力p換成計(jì)算壓力pc,考慮焊接接頭系數(shù)：導(dǎo)出得到筒壁厚度計(jì)算公式： （6-2）按GB150規(guī)定，中徑公式的適用范圍為：。GB150-2011壓力容器標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計(jì)壓力不大于35MPa的壓力容器，因此設(shè)計(jì)壓力10MPaP35

5、MPa的高壓容器仍采用與薄壁容器相同的中徑公式來(lái)計(jì)算最大主應(yīng)力，并以第一強(qiáng)度理論來(lái)設(shè)計(jì)容器的壁厚。二、厚壁圓筒結(jié)構(gòu)1、單層厚壁圓筒單層厚壁圓筒與中、低壓薄壁圓筒一樣，由卷板機(jī)卷制而成，制造技術(shù)要求也與中、低壓薄壁圓筒基本相同。2、多層壓力容器圓筒由兩層以上（含兩層）板材或帶材、層間以非焊接方法組合構(gòu)成的壓力容器，不包括襯里容器。 多層包扎壓力容器在內(nèi)筒上逐層包扎層板形成多層壓力容器。 鋼帶錯(cuò)繞壓力容器在整體內(nèi)筒上沿一定纏繞角度，逐層交錯(cuò)纏繞鋼帶形成的多層壓力容器。 套合壓力容器由數(shù)層具有一定過(guò)盈量的筒節(jié)，經(jīng)加熱逐層套合，并經(jīng)熱處理消除其套合預(yù)應(yīng)力形成套合筒節(jié)，再通過(guò)環(huán)向焊接接頭組焊后形成的壓力

6、容器。三、多層容器制造GB150.4第12章“多層容器”。第二節(jié) 密封結(jié)構(gòu)及零部件【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 學(xué)習(xí)GB1500.3附錄C“密封結(jié)構(gòu)”，了解高壓容器金屬平墊密封、雙錐密封等密封結(jié)構(gòu)及相關(guān)零部件。一、金屬平墊密封1、適用范圍平墊密封的適用范圍見(jiàn)表6-4,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-1。表6-4 適用范圍設(shè)計(jì)溫度/設(shè)計(jì)壓力/MPa內(nèi)直徑Di/mm0200161000162280022356001-主螺母 2-墊圈 3-平蓋 4-主螺栓 5-筒體端部 6-平墊片圖6-1 金屬平墊密封結(jié)構(gòu)2、平墊片材料和尺寸 平墊片材料a) 退火鋁（硬度為15HBW10/25030 HBW10/250）；b) 退火紫銅（硬度為30

7、HBW10/50050 HBW10/500）；c) 10鋼。 平墊片的寬度b和厚度按表6-5、表6-6選取。3、密封面密封面尺寸按表6-7確定。平蓋和筒體端部的密封面上應(yīng)各有2條深1mm的三角形溝槽。密封面配合公差見(jiàn)圖6-2。 圖6-2 平蓋 圖6-3 密封面配合公差 4、筒體端部筒體端部和主螺栓、主螺母的設(shè)計(jì)按GB150.3第7章7.7的規(guī)定。5、平蓋平蓋的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-2。密封面配合公差見(jiàn)圖6-3。平蓋厚度按式（6-4）： （6-4）6、釋義金屬平墊密封屬于強(qiáng)制式密封，密封初始?jí)壕o力依靠螺栓的預(yù)緊力，在高壓工作狀態(tài)下，螺栓產(chǎn)生微量彈性伸長(zhǎng)，降低了作用在墊片上的壓緊力，因此需要金屬墊片有較好的

8、彈性回彈變形能力，以保證密封的緊密性。這種密封的缺點(diǎn)是需要較大直徑的主螺栓，適用的筒體內(nèi)徑較?。?000mm），溫度不能過(guò)高（200）。二、雙錐密封1、適用范圍雙錐密封的適用范圍見(jiàn)表6-8,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-4。表6-8 適用范圍設(shè)計(jì)溫度/設(shè)計(jì)壓力/MPa內(nèi)直徑Di/mm04006.43540032002、結(jié)構(gòu) 雙錐密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-4。 雙錐環(huán)用托環(huán)、螺栓固定在平蓋上。雙錐環(huán)的內(nèi)圓柱面與平蓋的圓柱支承面之間的單側(cè)徑向間隙g=(D1DT)/2應(yīng)控制在雙錐環(huán)內(nèi)圓柱面直徑的0.075%0.125%。 平蓋的圓柱支承面上開(kāi)有幾條縱向的半圓形溝槽。 密封面之間的軟金屬墊片厚度約為1mm，密封特性參數(shù)按表GB

9、150.3表7-2。非金屬墊片厚度約0.5mm1mm，軟金屬絲直徑ds為2mm5mm，其密封特性參數(shù)和摩擦角按經(jīng)驗(yàn)確定。 圖6-4（b）所示雙錐環(huán)的兩個(gè)密封面上應(yīng)各開(kāi)2條半徑為1mm1.5mm，深1mm的半圓形溝槽或深1mm左右的三角形溝槽，溝槽槽口圓角半徑約0.5mm；圖6-4（c）所示雙錐環(huán)的兩個(gè)密封面上應(yīng)各開(kāi)1條或2條半圓形溝槽，溝槽直徑為ds+0.1mm。 雙錐環(huán)密封面錐角及公差，粗糙度Ra為3.2m1.6m。平蓋及筒體端部密封面錐角及公差，粗糙度Ra為3.2m1.6m。（a） （b）軟墊片 （c）軟金屬絲 1-主螺母 2-墊圈 3-主螺栓 4-平蓋 5-雙錐環(huán) 6-軟墊片或金屬絲 7

10、-筒體端部 8-螺栓 9-托環(huán)圖6-4 雙錐密封結(jié)構(gòu)3、雙錐環(huán)、軟墊片和軟金屬絲材料 雙錐環(huán)應(yīng)選用35、16Mn、20MnMo、15CrMo、S30408和S32168等的級(jí)或級(jí)壓力容器用鍛件。 軟墊片和軟金屬絲材料按表6-9選用。4、雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸按式（6-5）（6-7）確定。 （6-5） （6-6） （6-7）5、筒體端部筒體端部、主螺栓和主螺母的設(shè)計(jì)按GB150.3第7章7.7的規(guī)定。）6、平蓋平蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-5。平蓋厚度按式（6-4）計(jì)算，式中Dc以DG代入。圖6-57、釋義雙錐密封屬于半自緊式密封，初始密封壓緊力依靠主螺栓預(yù)緊力。在高壓工作條件下，介質(zhì)進(jìn)入雙錐環(huán)與平蓋之

11、間的環(huán)形間隙，使雙錐環(huán)向外擴(kuò)張，增加了密封壓力，從而達(dá)到徑向自緊作用。三、其他密封結(jié)構(gòu)GB1500.3附錄C“密封結(jié)構(gòu)”規(guī)定了高壓容器各種密封結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)方法。除上述金屬平墊密封、雙錐密封結(jié)構(gòu)外，GB150.3附錄C“密封結(jié)構(gòu)”還有伍德密封（自緊式密封）、卡扎里密封（強(qiáng)制式密封）、八角墊和橢圓墊密封（自緊式密封）、卡箍緊固結(jié)構(gòu)等，此內(nèi)容參考GB150.3附錄C“密封結(jié)構(gòu)”。表6-10 適用范圍密封結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)溫度/設(shè)計(jì)壓力/MPa內(nèi)直徑Di/mm金屬平墊密封020016100016228002235600雙錐密封04006.4354003200伍德密封卡扎里密封八角墊和橢圓墊密封卡箍緊固結(jié)構(gòu)35四、筒體端部筒體端部和主螺栓、主螺母的設(shè)計(jì)按GB150.3第7章7.7的規(guī)定。3、筒體端部 端部厚度端部厚度n（見(jiàn)圖6-6），不得小于按內(nèi)壓確定的圓筒的名義厚度。 端部結(jié)構(gòu) 應(yīng)力校核 釋義高壓容器密封結(jié)構(gòu)完全不同于中、低壓容器，它需要一個(gè)較大尺寸的筒體端部，筒體端部的一端與厚壁圓筒對(duì)焊連接，另一端與平蓋連接，筒體端部實(shí)際上起到了法蘭的作用，因此在GB150標(biāo)準(zhǔn)中，筒體端部的設(shè)計(jì)是與法蘭編入同一章中（GB150.3第7章“法蘭”）。五、鍛制緊縮口封頭鍛制緊縮口封頭結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度校核按GB150.3第5章5.10的規(guī)定。1、鍛制緊縮口封頭