第三章 压力容器设计绪论

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1、1压力容器设计绪言Introduction of Pressure Vessel Design梅丽梅丽21.概述1.1 现代化企业的雄姿31.概述1.1 现代化企业的雄姿41.概述1.1 现代化企业的雄姿51.概述1.2 压力容器的特点l 应用的广泛性61.概述1.2 压力容器的特点l 锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束l 核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件l 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等）l 反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器l 压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞l 透平机、泵 = 蜗壳 + 叶轮 l 应用的广泛性71.概述1.2 压力容器的特点压力

2、容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、塔、釜、槽、罐罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一在一定压力、温定压力、温度下度下运行；运行；例如例如一个年产一个年产30万吨的乙烯装置，约有万吨的乙烯装置，约有79

3、3台设备，台设备，其中压力容器其中压力容器281台，占了台，占了35.4%；蒸；蒸汽锅炉也属于压力汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器；至容器；至于民用于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。 l 应用的广泛性81.概述1.2 压力容器的特点压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从从12105Pa的真空到高压、超高压的真空到高压、超高压，如石油加氢为，如石油加氢为10.521.0 MPa；高压聚乙烯为；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨；

4、合成氨为为10100 MPa；人造水晶高达；人造水晶高达140 MPa；温度从；温度从-196 C低温到超过一千摄氏度的高温低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗；而处理介质则包罗爆、燃、爆、燃、毒、辐毒、辐(照照)、腐、腐(蚀蚀)、磨、磨(损损)等数千个品种。操作条件的复等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。于一般机械设备，而成为一类特殊设备。 l 操作的复杂性91.概述1.2 压力容器的特点压力容压力容器承器承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加受各种静、动载荷

5、或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和和液体；液体；若若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全成极具灾难性的后果。因

6、此，对压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 压力容器的特点当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为压水堆压力壳，工作压力为1416MPa，工作温，工作温度为度为250330C，容器内直径，容器内直径7800mm，壁，壁厚厚317mm，重，重650吨；吨；又又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.525MPa，工作温度为，工作温度为450550C，内直径为，内直径为30005000mm，壁厚为，壁厚为200400 mm，重，重40

7、02600吨，对这类吨，对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求。容器又有更高更严格的安全性要求。 l 安全的高要求111.概述1.3 压力容器的安全特征1996年年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达器多达122.22万台万台 ，移动式压力容器中罐车，移动式压力容器中罐车16910辆，在辆，在用气瓶用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达万只；锅炉总台数也高达51.57万台万台 。此。此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计外全国持有压力容器

8、制造许可证的企业合计2432个，设计个，设计单位单位1380个。如此庞大个。如此庞大且潜且潜在隐患容器的存在，以及地域在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。其安全管理和监察检查的原因。 l 量大面广121.概述1.3 压力容器的安全特征国内国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132起，严重事故起，严重事故274起，共死亡起，共死亡104人，受伤人，受伤371人，直接经济人，直接经济损失损失2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆

9、炸事故率分万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为别为1.07次次/万台，万台，0.28次次/万台，万台，0.65次次/万台。万台。 l 事故率高131.概述1.3 压力容器的事故实例 1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液氯外泄，波及7公里范围，59人死亡，779人严重中毒。 1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐爆炸，引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆炸，600吨液化气燃烧，32人死亡，54 人伤。141.概述1.3 压力容器的事故实例 1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个

10、国家4亿人受害。151.概述1.3 压力容器的事故实例 1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏，2580人死亡，125000人中毒，5万人失明。 161.概述1.3 压力容器的事故实例 1998年10月8日 10时40分左右，哈尔滨化工二厂四车间成品库发生氧气瓶爆炸事故，导致现场的2名装卸工1死1伤。 171.概述1.3 压力容器的事故实例 2004年4月15日21时，重庆天原化工总厂氯氢分厂1号氯冷凝器列管腐蚀穿孔，造成含铵盐水泄漏到液氯系统，生成大量易燃的三氯化氮。4月16日凌晨发生排污罐爆炸，1时33分全场停产，2时15分排完盐水4小时后的1号盐水泵在停止状态下发生

11、粉碎性 爆炸。，。181.概述1.3 压力容器的事故实例 2010年1月7日17时30分，中石油兰州石化公司303厂316烃类灌区发生爆炸，造成6人遇难，1人重伤，5人轻伤。192.压力容器设计2.1 质量保证体系定定 义义 确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有计划、系统的措施。计划、系统的措施。内内 容容 材料材料设计设计制造与制造过程中的检验制造与制造过程中的检验在役在役检验与监控。检验与监控。 202.压力容器设计2.2 基本要求安全性安全性 l 足够的强度

12、足够的强度 l 足够的刚度足够的刚度( (或稳定性或稳定性) ) l 可靠的密封性能可靠的密封性能 l 一定的使用寿命一定的使用寿命 经济性经济性l经济可靠的材料经济可靠的材料l经济的制造方法经济的制造方法l低的操作和维护费用低的操作和维护费用l长周期的安全运行长周期的安全运行212.压力容器设计2.2 基本要求按规则设计 - GB150钢制压力容器 基于经济方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造。222.压力容器设计2.2 基本要求按分析设计-JB4732钢制压力容器

13、分析设计标准 基于考虑作用在容器上载荷的性质，进行详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器破坏的作用分类，与许用应力强度比较和评定，并加上严格的材料、制造和检验要求。232.压力容器设计2. 设计准则设计准则在特定的设计条件下，有效地利用材料的强度或刚度，使容器或其部件在设计寿命内安全运行。 强度设计准则l 弹性设计准则l 塑性设计准则l 脆断设计准则l 疲劳设计准则l 蠕变设计准则刚度设计准则l 弹性变形设计准则l 失稳设计准则242.压力容器设计2. 设计准则容器不出现涉及总体容器不出现涉及总体范围的较大变形，即在范围的较大变形，即在内压或其他拉伸等静力内压或其他拉伸等静力载荷在器壁中所引

14、起的载荷在器壁中所引起的最大应力不超过材料的最大应力不超过材料的弹性极限。如考虑设计弹性极限。如考虑设计安全裕度，则限制在材安全裕度，则限制在材料的许用应力以料的许用应力以下。下。弹性设计准则12pD t252.压力容器设计2. 设计准则当容器总体范围进入整体塑性变形或局部区域沿整个壁厚进入塑性变形时，则认为容器己耗尽承载能力而失效。极限设计安定性准则塑性设计准则 Me=（bh2/6） yy262.压力容器设计2. 小结压力容器设计压力容器设计 正确选材正确选材正确设计正确设计正确制造正确制造严格检验严格检验按照规范要求按照规范要求减少内应力减少内应力减少不连续减少不连续应力应力无损探伤无损探伤保证焊缝质保证焊缝质量量材料的韧性材料的韧性