過(guò)程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：8.1壓力容器

1、3131人死亡，人死亡，2020個(gè)國(guó)家個(gè)國(guó)家4 4億人受害。億人受害。 切爾諾貝利核電站切爾諾貝利核電站壓力殼壓力殼發(fā)生核泄漏發(fā)生核泄漏 1986.4.26 8 壓力容器壓力容器 Pressure Vessel 8 8 壓力容器壓力容器 8.1 概述：壓力容器的結(jié)構(gòu)與分類概述：壓力容器的結(jié)構(gòu)與分類 8.2 壓力容器常用零部件壓力容器常用零部件 8.3 內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì)內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì) 8.4 外壓薄壁容器的設(shè)計(jì)計(jì)算外壓薄壁容器的設(shè)計(jì)計(jì)算 8.5 壓力容器的安全使用與管理壓力容器的安全使用與管理 8.1 8.1 壓力容器概述壓力容器概述 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ 二、壓力容器

2、的應(yīng)用特點(diǎn)二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn) 三、壓力容器的分類三、壓力容器的分類 四、壓力容器的基本要求四、壓力容器的基本要求 1000噸加氫反應(yīng)器/齊魯石化 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ 圓筒形 外殼 反應(yīng)（傳質(zhì)等反應(yīng)（傳質(zhì)等） 內(nèi)件內(nèi)件 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ 圓筒形和球圓筒形和球 形罐體形罐體 反應(yīng)釜反應(yīng)釜 = = 圓筒及圓筒及 夾套夾套 + + 攪拌器攪拌器 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ 換熱器換熱器 = = 圓筒外殼圓筒外殼 + + 傳熱管傳熱管 束束 l 核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆 = = 圓筒安全殼圓筒安全殼 + + 核反應(yīng)零部件核反應(yīng)零部件 一、什么是壓力

3、容器？一、什么是壓力容器？ l泵、透平機(jī)泵、透平機(jī) = = 蝸殼蝸殼 + + 葉輪葉輪 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ l水下機(jī)器人水下機(jī)器人= = 圓筒外殼圓筒外殼 + + 探測(cè)、控制系統(tǒng)等探測(cè)、控制系統(tǒng)等 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ l壓縮機(jī)壓縮機(jī)= = 圓筒氣缸圓筒氣缸 + + 活塞活塞 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ l 換熱器、加熱爐換熱器、加熱爐 = = 圓筒外殼圓筒外殼 + + 傳熱管束傳熱管束 l 核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆 = = 圓筒安全殼圓筒安全殼 + + 核反應(yīng)零部件核反應(yīng)零部件 l 塔器塔器 = = 圓筒外殼圓筒外殼 + + 傳質(zhì)元件（浮閥、填

4、料等）傳質(zhì)元件（浮閥、填料等） l 反應(yīng)釜反應(yīng)釜 = = 圓筒及夾套圓筒及夾套 + + 攪拌器攪拌器 l透平機(jī)、泵透平機(jī)、泵 = = 蝸殼蝸殼 + + 葉輪葉輪 l水下機(jī)器人水下機(jī)器人= = 圓筒外殼圓筒外殼 + + 探測(cè)、控制系統(tǒng)等探測(cè)、控制系統(tǒng)等 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ 國(guó)際上在壓力容器、鍋爐和壓力管道方面提出了國(guó)際上在壓力容器、鍋爐和壓力管道方面提出了承壓承壓 設(shè)備設(shè)備這新概念，壓力容器將逐漸被這新概念，壓力容器將逐漸被承壓設(shè)備承壓設(shè)備所包容。所包容。 壓力容器壓力容器 一、什么是壓力容器？一、什么是壓力容器？ 封頭 人孔 支座筒體 管口 液位計(jì) 壓力容器壓力容器是帶有

5、通用零部件的承壓殼體。是帶有通用零部件的承壓殼體。 二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn)二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn) 應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛 20052005的統(tǒng)計(jì)資料表明，國(guó)內(nèi)在用固定式壓力容器多的統(tǒng)計(jì)資料表明，國(guó)內(nèi)在用固定式壓力容器多 達(dá)達(dá)146146萬(wàn)臺(tái)萬(wàn)臺(tái) ，移動(dòng)式壓力容器中罐車，移動(dòng)式壓力容器中罐車1.61.6萬(wàn)輛，萬(wàn)輛，在在 用氣瓶用氣瓶1.21.2億只億只；壓力管道；壓力管道7575萬(wàn)公里。萬(wàn)公里。 年產(chǎn)年產(chǎn)3030萬(wàn)噸的乙烯裝置，約有萬(wàn)噸的乙烯裝置，約有793793臺(tái)設(shè)備，其中壓力臺(tái)設(shè)備，其中壓力 容器容器281281臺(tái)，占了臺(tái)，占了35.4%35.4%。 廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是在化學(xué)、石油化工生產(chǎn)

6、廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是在化學(xué)、石油化工生產(chǎn) 中，在農(nóng)業(yè)和日常生活中也頗常見(jiàn)。中，在農(nóng)業(yè)和日常生活中也頗常見(jiàn)。 二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn)二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn) 工況復(fù)雜工況復(fù)雜 工作條件的復(fù)雜苛刻性使工作條件的復(fù)雜苛刻性使壓力容器壓力容器從設(shè)計(jì)、制造、安裝從設(shè)計(jì)、制造、安裝 到使用、維護(hù)都不同于一般設(shè)備，而成為一類到使用、維護(hù)都不同于一般設(shè)備，而成為一類特殊設(shè)備特殊設(shè)備。 n壓力壓力：高真空：高真空高壓、超高壓；高壓、超高壓； 石油加氫為石油加氫為10.510.521.0 21.0 MPaMPa； 高壓聚乙烯為高壓聚乙烯為100100200 200 MPaMPa。 n溫度溫度：-253-253

7、 C C 的低溫的低溫 1000 1000 C C以上的高溫。以上的高溫。 n介質(zhì)介質(zhì)：爆、燃、毒、輻：爆、燃、毒、輻( (照照) )、腐、腐( (蝕蝕) )等數(shù)危險(xiǎn)品種。等數(shù)危險(xiǎn)品種。 安全要求高安全要求高二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn)二、壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn) n壓力容器極大多數(shù)系壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容易產(chǎn)生各種缺陷焊接制造，容易產(chǎn)生各種缺陷， 一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂；一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂； n容器內(nèi)多為壓縮氣體或飽和液體，且容器內(nèi)多為壓縮氣體或飽和液體，且易爆、易燃、有易爆、易燃、有 毒毒，將向外泄漏，若容器破裂，導(dǎo)致，將向外泄漏，若容器破裂，導(dǎo)致介質(zhì)介質(zhì)突然卸壓膨

8、突然卸壓膨 脹，瞬間釋放出來(lái)的破壞能量極大，勢(shì)必造成極具災(zāi)脹，瞬間釋放出來(lái)的破壞能量極大，勢(shì)必造成極具災(zāi) 難性的后果。難性的后果。 n壓力容器承受壓力容器承受復(fù)雜載荷；復(fù)雜載荷； 壓力容器的安全特征壓力容器的安全特征 國(guó)內(nèi)1998年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故132 起，嚴(yán)重事故274起，共死亡104人，受傷371人，直接經(jīng)濟(jì) 損失2813.58萬(wàn)元。鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆炸事故率分 別為1.07次/萬(wàn)臺(tái)，0.28次/萬(wàn)臺(tái)，0.65次/萬(wàn)臺(tái)。 l 事故率高事故率高 壓力容器的安全特征壓力容器的安全特征 1968年英國(guó)原子能局（UKAEA）安全衛(wèi)生處和聯(lián)合部 技術(shù)委員會(huì)（AOTC）工程檢

9、驗(yàn)機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以 內(nèi)，符合英國(guó)BS1500和BS1515等壓力容器規(guī)范的一級(jí)壓力 容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計(jì)情況如下表所示： l 危害性大危害性大 壓力容器破壞幾率 年份 容器運(yùn)行 災(zāi)難性事故a 損傷事故b 總計(jì) 臺(tái)年 次數(shù) 事故率 次數(shù) 事故率 次數(shù) 事故 1962-1967 100300 7 0.7104 125 1.25104 132 1.32104 1967-1972 105400 16 1.5104 123 1.17104 139 1.32104 壓力容器的安全特征壓力容器的安全特征 a.災(zāi)難性事故指災(zāi)難性破壞事故或無(wú)法修復(fù)的容器； b.損傷事故指有潛在危險(xiǎn)的事故； c.事故

10、發(fā)生率發(fā)生事故數(shù)/（設(shè)備臺(tái)數(shù)運(yùn)行年） 表中的數(shù)字表明10000臺(tái)容器中發(fā)生損壞事故每年 12.5次，達(dá)到破壞事故0.7次，事故幾率為1.32 ，而且 這132起使用中的容器事故，按其原因分類，89.3%，即 118起是各種制造裂紋所引起。 l 危害性大危害性大 爆炸了！爆炸了！ 2005.11.13 故障處理不當(dāng)引發(fā)的故障處理不當(dāng)引發(fā)的壓力容器爆炸壓力容器爆炸 壓力容器的事故實(shí)例壓力容器的事故實(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

11、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。 壓力容器的事故實(shí)例壓力容器的事故實(shí)例 19861986年年4 4月月2626日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核 電站壓力殼發(fā)生核泄漏，電站壓力殼發(fā)生核泄漏，3131人死亡，人死亡，2020個(gè)個(gè) 國(guó)家國(guó)家4 4億人受害。億人受害。 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(wàn)人失明。 面向現(xiàn)代化工企業(yè)，我們應(yīng)該：面向現(xiàn)代化工企業(yè)，我們應(yīng)該： l 掌握必要的壓力容器基礎(chǔ)知識(shí)。掌握必要的壓力容器基礎(chǔ)知識(shí)。 l

12、 熟悉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和法規(guī)，以及保證其實(shí)熟悉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和法規(guī)，以及保證其實(shí) 施的系統(tǒng)、完善、科學(xué)的管理監(jiān)督體系。施的系統(tǒng)、完善、科學(xué)的管理監(jiān)督體系。 l 具有高度的責(zé)任心、強(qiáng)烈的事業(yè)心從事相關(guān)工具有高度的責(zé)任心、強(qiáng)烈的事業(yè)心從事相關(guān)工 作。作。 (1)極度危害極度危害：最高容許濃度最高容許濃度0.1mg/m3，氫氟酸、光氣等氫氟酸、光氣等 (2)高度危害：最高容許濃度高度危害：最高容許濃度0.1 1.0mg/m3， 氟、氟化氫等氟、氟化氫等 (3)中度危害：最高容許濃度中度危害：最高容許濃度1.0 100 MPa 外壓容器外壓容器 內(nèi)壓容器內(nèi)壓容器 4 4 由壓力高低、蓄能多少分類由壓力高

13、低、蓄能多少分類 P158P158 第第 一一 類類 壓壓 力力 容容 器器 第第 二二 類類 壓壓 力力 容容 器器 第第 三三 類類 壓壓 力力 容容 器器 3 3 按容器安裝方法分類按容器安裝方法分類 固定式容器固定式容器移動(dòng)式容器移動(dòng)式容器 1. 高壓容器；高壓容器； 2. 中壓容器（僅限毒性為極度或高度危害介質(zhì)）；中壓容器（僅限毒性為極度或高度危害介質(zhì)）； 3. 中壓儲(chǔ)存容器（僅限中壓儲(chǔ)存容器（僅限易燃或易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)毒性程度為中度危害介質(zhì) 且且PV大于等于大于等于10MPa.m3 ）的；的； 4. 中壓反應(yīng)容器（僅限中壓反應(yīng)容器（僅限易燃或易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)

14、毒性程度為中度危害介質(zhì) 且且PV大于等于大于等于0.5MPa.m3 ）的中和的低壓容器；的中和的低壓容器； 5. 低壓容器（低壓容器（僅限毒性為極度或高度危害介質(zhì)，且僅限毒性為極度或高度危害介質(zhì)，且PV大大 于等于于等于0.2MPa.m3 ）；）； 6. 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐； 第三類容器第三類容器 按勞動(dòng)部門(mén)的安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定按勞動(dòng)部門(mén)的安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定 1. 中壓容器；中壓容器； 2. 低壓容器（僅限毒性程度為極度和高低壓容器（僅限毒性程度為極度和高 度危害介質(zhì)）；度危害介質(zhì)）； 3. 低壓反應(yīng)容器和儲(chǔ)存容器（僅限易燃低壓反應(yīng)容器和儲(chǔ)存容器（僅限易燃

15、介介 質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)）；質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)）； 4 .低壓管殼式余熱鍋爐；低壓管殼式余熱鍋爐； 5 .低壓搪玻璃壓力容器。低壓搪玻璃壓力容器。 第二類容器第二類容器 一類容器：一類容器： 低壓容器（前述規(guī)定的除外）低壓容器（前述規(guī)定的除外） 四四 壓力容器的基本要求壓力容器的基本要求 安全性安全性 n 足夠的強(qiáng)度足夠的強(qiáng)度 n 足夠的剛度足夠的剛度( (或穩(wěn)定性或穩(wěn)定性) ) n 可靠的密封性能可靠的密封性能 n 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

16、運(yùn)行長(zhǎng)周期的安全運(yùn)行 安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu) 五五 壓力容器設(shè)計(jì)要求壓力容器設(shè)計(jì)要求 壓力容器壓力容器 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 正確選材 正確設(shè)計(jì) 正確制造 嚴(yán)格檢驗(yàn) 按照規(guī)范要求 減少內(nèi) 應(yīng)力 減少不 連續(xù)應(yīng) 力 無(wú)損 探傷 保證焊 縫質(zhì)量 材料的韌性 質(zhì)量保證體系質(zhì)量保證體系 定 義 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(guò)程安全地完成使用要求而采取的有 計(jì)劃、系統(tǒng)的措施。 內(nèi) 容 材料設(shè)計(jì)制造與制造過(guò)程中的檢驗(yàn)在役 檢驗(yàn)與監(jiān)控。 五五 壓力容器設(shè)計(jì)要求壓力容器設(shè)計(jì)要求 按規(guī)則設(shè)計(jì)按規(guī)則設(shè)計(jì) - - GB150GB150鋼制壓力容器鋼制壓力容器 基于經(jīng)濟(jì)方法的設(shè)計(jì)，其典型過(guò)

17、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。 五五 壓力容器設(shè)計(jì)要求壓力容器設(shè)計(jì)要求 按分析設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)-JB4732鋼制壓力容器分析設(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。 五五 壓力容器設(shè)計(jì)要求壓力容器設(shè)計(jì)要求 六六 壓力容器用材壓力容器用材 n選材原則：需考慮機(jī)械性能、耐腐蝕性、加工選材原則：需考慮機(jī)械性能、耐腐蝕性、加工 工藝性、物理性能等工藝性、物

18、理性能等 n常用壓力容器用鋼常用壓力容器用鋼 碳鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼碳鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼:Q235-A，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié) 構(gòu)鋼構(gòu)鋼20，20R，20g 低合金鋼：低合金鋼：16Mn，16MnR，15MnVR 奧氏體不銹耐酸鋼：奧氏體不銹耐酸鋼：18-8，0Cr19Ni9， 0Cr18Ni11Ti 七七 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則壓力容器設(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 彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 塑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 脆斷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 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 容器不出現(xiàn)涉及總體 范圍的較大變形，即在 內(nèi)壓或其他拉伸等靜力 載荷在器壁中所引起的 最大應(yīng)力不超過(guò)材料的 彈性極限。如考慮設(shè)計(jì) 安全裕度，則限制在材 料的許用應(yīng)力以下。 d = 2= p Dc / 2 t 彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 1= p D / 4 t 2 = p D / 2t 1 2 p D t 七七 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 當(dāng)容器總體范圍進(jìn)入 整體塑性變形或局部區(qū) 域沿整個(gè)壁厚進(jìn)入塑性 變形時(shí)，則認(rèn)為容器己 耗盡承載能力而失效。 極限設(shè)計(jì) 安定性準(zhǔn)則 塑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 Mp=（bh/4）y Me=（bh2/6） y Mp y y 七七 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 八八 壓力容器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)型式壓力容器