第二章压力容器应力与安全设计

1、第二章 压力容器应力分析与安全设计第一节第一节 压力容器应力分析和变形特点压力容器应力分析和变形特点一、压力容器应力和变形特点一、压力容器应力和变形特点1. 压力容器结构特点/0.1/1.2iiDDo或 D薄壁容器：薄壁容器：2. 薄壁压力容器应力和变形特点薄壁压力容器应力和变形特点1）基本概念）基本概念 回转壳体回转壳体 轴对称问题：轴对称问题： 指壳体的几何指壳体的几何形状形状 约束条件和所受约束条件和所受外力外力都对称于都对称于回转轴的问题。回转轴的问题。 中间面中间面 指与壳体内外表面等距离的曲面。指与壳体内外表面等距离的曲面。 母线：母线：AB 经线：经线：AB、AB 法线：法线：(

2、n) 纬线：纬线：CND圆圆第一曲率半径：第一曲率半径： 指中间面上的一点指中间面上的一点M处经线处经线的曲率半径：的曲率半径：R1=MK1第二曲率半径：第二曲率半径： 通过经线上一点通过经线上一点M的法线作的法线作垂直于经线的平面，其与中间垂直于经线的平面，其与中间面相交形成曲线面相交形成曲线ME，此曲线在，此曲线在M点处的曲率半径称为该点的点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径：第二曲率半径：R2=MK22）薄壁容器变形特点）薄壁容器变形特点 当容器内部压力当容器内部压力P P大于外部压力大于外部压力P P外外时，容器产生两种变形：时，容器产生两种变形：拉伸变形和弯曲变形，其中拉伸应力拉伸变

3、形和弯曲变形，其中拉伸应力拉拉远大于弯曲应力远大于弯曲应力弯弯。承受内压圆筒中的薄膜应力承受内压圆筒中的薄膜应力 无力矩理论的基本假设无力矩理论的基本假设 直法线假设直法线假设 互不挤压假设互不挤压假设 变形前后壳体厚度不变。变形前后壳体厚度不变。忽略壳壁的法向应力。忽略壳壁的法向应力。3）薄膜应力理论的应力计算公式）薄膜应力理论的应力计算公式 m：经向应力：经向应力：环向应力：环向应力 环向应力计算公式环向应力计算公式外力的合力在微元体法线方向的投影：外力的合力在微元体法线方向的投影：经向应力的合力在法线经向应力的合力在法线n上的投影：上的投影：环向应力的合力在法线环向应力的合力在法线n上的

4、投影：上的投影：根据法线方向力的平衡条件，得：根据法线方向力的平衡条件，得：即即因为：因为：整理得：整理得：作用在该部分的外力在作用在该部分的外力在z轴方向上合力为轴方向上合力为Pz作用在该截面上的应力在作用在该截面上的应力在z轴上投影为轴上投影为Nz 经向应力计算公式经向应力计算公式由由z轴方向的平衡条件：轴方向的平衡条件：即即(2-1)(2-2) 轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围 薄壁无力矩应力状态的存在，必须满足壳体薄壁无力矩应力状态的存在，必须满足壳体是轴对称的，即几何形状、材料、载荷的对称性是轴对称的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证

5、壳体应具有自由边缘。当和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。当这些条件不能全部满足时，就不能应用无力矩理这些条件不能全部满足时，就不能应用无力矩理论去分析发生弯曲时的应力状态。但远离局部区论去分析发生弯曲时的应力状态。但远离局部区域的情况，无力矩理论仍然有效。域的情况，无力矩理论仍然有效。4）受气体内压的壳体的受力分析）受气体内压的壳体的受力分析 圆筒形壳体圆筒形壳体 圆筒壳的第一曲率半径圆筒壳的第一曲率半径R1=，第二曲率半径，第二曲率半径R2=D/2代入薄代入薄膜应力理论计算公式（膜应力理论计算公式（2-1）和（）和（2-2）得：）得：224mpRpD分析：分析：薄壁圆筒受内压环向应力是

6、经向应力两倍。薄壁圆筒受内压环向应力是经向应力两倍。问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开：筒体上开椭圆孔，如何开? ?应使其短轴与筒体的轴线应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。向应力不致增加很多。/ 4/ 2mpDpD分析：分析：问题问题b b：钢板卷制圆筒形：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于环筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意施焊时应予以注意。/ 4/ 2mpDpD例：例：球形壳体球形壳体

7、 球壳的球壳的R1R2=D/2，代入薄膜应力理论计算公式（，代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（）和（2-2）得：得：椭圆形壳体椭圆形壳体 椭圆壳的经线为一椭圆，设其经线方程为椭圆壳的经线为一椭圆，设其经线方程为 由此方程可得第一曲率半径为：由此方程可得第一曲率半径为：根据上图，第二曲率半径为：根据上图，第二曲率半径为：将所得将所得R1与与R2代入薄膜应力理论计算公式（代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（）和（2-2）得：）得： 在顶点（在顶点（x=0）处）处 椭圆壳体上的应力分布为：椭圆壳体上的应力分布为： 在边缘（在边缘（x=a）处）处 椭圆封头的经向应力分布椭圆封头的经向应力分布对于

8、化工常用的标准椭圆形封头，对于化工常用的标准椭圆形封头，a/b=2，故，故顶点处：顶点处： 边缘处：边缘处： 圆锥形壳体圆锥形壳体右图所示为一圆锥形壳，半锥右图所示为一圆锥形壳，半锥角为角为a a，A点处半径为点处半径为r，厚度，厚度为为 ，则在，则在A点处：点处：代入薄膜应力理论计算公式（代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（和（2-2）得）得A点处的应力：点处的应力：acos 21rRR可见，在锥顶的经向应力和环向应力都为零；而可见，在锥顶的经向应力和环向应力都为零；而在锥底在锥底 r = D/2二、压力容器的边缘问题及特性二、压力容器的边缘问题及特性1. 边缘问题边缘问题 曲率变化导致的

9、弯曲应力。曲率变化导致的弯曲应力。 联接边缘区的变形与应力联接边缘区的变形与应力2. 边缘应力的特点边缘应力的特点局部性局部性 不同性质的联接边缘产生不同的边缘应力，不同性质的联接边缘产生不同的边缘应力，但它们大多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的但它们大多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。距离增大，边缘应力迅速衰减。自限性自限性 由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，相互制约而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变相互制约而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变形的约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，这就是边形的约束就

10、会缓解，边缘应力自动受到限制，这就是边缘应力的自限性。缘应力的自限性。3. 对边缘应力的处理对边缘应力的处理若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险性。性。 正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。第二节第二节 压力容器的安全设计压力容器的安全设计 压力容器设计是保障压力容器安全的首要环压力容器设计是保障压力容器安

11、全的首要环节。压力容器设计从安全角度包括强度安全设计和节。压力容器设计从安全角度包括强度安全设计和结构安全设计，两者都离不开正确选材，不同材料结构安全设计，两者都离不开正确选材，不同材料的容器的承载能力与结构可靠程度是不同的。的容器的承载能力与结构可靠程度是不同的。 压力容器的安全设计，指在确定的容器结构压力容器的安全设计，指在确定的容器结构尺寸下，所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种尺寸下，所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力；而结构外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力；而结构的安全设计则是设计容器的总体或局部结构时，尽的安全设计则是设计容器的总体或局部结

12、构时，尽量避免制造和使用中附加的削弱容器强度的因素。量避免制造和使用中附加的削弱容器强度的因素。 1.1.设计压力容器设计压力容器 根据化工生产工艺提出的条根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参数（件，确定设计所需参数（p p，t t，D D），选定材料和，选定材料和结构型式，通过强度计算确定容器筒体及封头壁结构型式，通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。已经制定标准的受压元件，可直接选取。厚。已经制定标准的受压元件，可直接选取。 2.2.校核在用容器校核在用容器 判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。容器是否还能

13、在原设计条件下安全使用。 对于已不能在原设计条件下使用的容器，应通对于已不能在原设计条件下使用的容器，应通过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。 如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。废提供依据。一、压力容器强度计算的内容一、压力容器强度计算的内容二二薄壁薄壁圆筒圆筒强度计算公式强度计算公式1. 理论计算厚度理论计算厚度 t设计温度设计温度t下，筒体材料的许用应力，下，筒体材料的许用应力，MPa。考虑焊接接头系数考虑焊接接头系数 容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程容器筒体一般由钢板卷焊而

14、成。由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等成夹渣、气孔、未焊透等缺陷缺陷，导致焊缝及其附近区域强，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。因此，钢板的许用应力度可能低于钢材本体的强度。因此，钢板的许用应力 t应该用强度较低的焊缝许用应力代替。办法是把钢板的许应该用强度较低的焊缝许用应力代替。办法是把钢板的许用应力乘以焊接接头系数用应力乘以焊接接头系数f f，f f1。使用圆筒内直径使用圆筒内直径工艺设计中确定的是容器内径工艺设计中确定的是容器内径Di，在制造过程中测量的也，在制造过程中

15、测量的也是圆筒的内径，而受力分析中的是圆筒的内径，而受力分析中的D指的却是筒体中面直径。指的却是筒体中面直径。2. 设计厚度与名义厚度设计厚度与名义厚度（1）钢板的负偏差）钢板的负偏差C1。（2）腐蚀裕量）腐蚀裕量C2 考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，在计算厚度时，在计算厚度 的基础上，增加腐蚀裕度的基础上，增加腐蚀裕度C2。由此得到筒。由此得到筒体的体的设计厚度设计厚度为为 ：而筒体的而筒体的名义厚度名义厚度为为 ：3. 有效厚度有效厚度碳素钢、低合金钢容器：碳素钢、低合金钢容器：min不小于不小于3mm； 高合金制容器：高合金

16、制容器：min不小于不小于2mm；最小厚度（最小厚度（min）考虑容器的刚性考虑容器的刚性 制造、运输、吊装；制造、运输、吊装； 3. 压力容器的最小厚度压力容器的最小厚度三、薄壁球壳强度计算公式三、薄壁球壳强度计算公式设计压力设计压力设计温度设计温度厚度附加量厚度附加量等等焊接接头系数焊接接头系数许用应力许用应力1、设计压力、设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一，其值为压力容器的设计载荷条件之一，其值 不低于不低于最高工作压力最高工作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常工作过程中容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。可能产生的最

17、高表压。外压：外压：取取1.251.25倍的最倍的最大内外大内外压差或压差或0.1 MPa0.1 MPa装装安全阀安全阀不低于安全阀开启压力，不低于安全阀开启压力，1.051.10倍倍 最高工作压力。最高工作压力。装装爆破片爆破片爆破片最低标定爆破压力（取所选爆爆破片最低标定爆破压力（取所选爆 破片制造范围的上限），破片制造范围的上限），1.151.3倍倍 的最高工作压力。的最高工作压力。盛装液化气体容器盛装液化气体容器根据工作条件下可能达到的根据工作条件下可能达到的 最高金属温度确定。最高金属温度确定。 重锤杠杆式安全阀弹簧式安全阀爆破片爆破片2、正拱开缝型1、正拱普通拉伸型3、反拱型计算压

18、力计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力通常情况下，计算压力=设计压力设计压力+液柱静压力液柱静压力当元件所承受的液柱静压力当元件所承受的液柱静压力420，铬钼合金钢，铬钼合金钢450， 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢550时，时， 钢制压力容器钢制压力容器用材料许用应用材料许用应力的取值方法力的取值方法表表9-2 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法钢制压力容器用材料许用应力的取值方法材材 料料 许用应力许用应力取下列各值中的最小值取下列各值中的最小值/M

19、Pa 碳素钢、低合金碳素钢、低合金钢、铁素体高合钢、铁素体高合金钢金钢 奥氏体高合金钢奥氏体高合金钢 0 . 3b 6 . 1s 6 . 1ts 5 . 1tD 0 . 1tn 0 . 3b 5 . 1)(2 . 0s )1t2 . 0ts5 . 1)( 5 . 1tD 0 . 1tn 接头形式接头形式无损检测要求及长度比例无损检测要求及长度比例焊缝缺陷焊缝缺陷夹渣、未熔透、夹渣、未熔透、裂纹、气孔等裂纹、气孔等焊缝热影响区晶粒粗大焊缝热影响区晶粒粗大母材强度或塑性降低母材强度或塑性降低薄弱环节薄弱环节4、焊接接头系数、焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器焊缝金属与母材强度的比值，反

20、映容器 强度受削弱的程度。强度受削弱的程度。影响因素影响因素 焊缝系数的大小与材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接焊缝系数的大小与材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接结构、坡结构、坡 口型式、焊接方法、焊缝无损检测长度比例以及焊前口型式、焊接方法、焊缝无损检测长度比例以及焊前预热处理及焊后热处理等因素有关。目前我国预热处理及焊后热处理等因素有关。目前我国钢制压力容器钢制压力容器中的焊缝系数主要依据焊缝结构、坡口型式、无损检测的要求等中的焊缝系数主要依据焊缝结构、坡口型式、无损检测的要求等确定。焊缝系数的选择见下表。确定。焊缝系数的选择见下表。 焊接接头焊接接头形式形式无损检测无损检测比例比例值

21、值焊接接头焊接接头形式形式无损检测无损检测比例比例值值双面焊对双面焊对接接头和接接头和相当于双相当于双面焊的全面焊的全熔透对接熔透对接接头接头100%1.00单面焊对单面焊对接接头（接接头（沿焊缝根沿焊缝根部全长有部全长有紧贴基本紧贴基本金属的垫金属的垫板）板）100%0.90局部局部0.85局部局部0.80表表 钢制压力容器的焊接接头系数钢制压力容器的焊接接头系数值值5、厚度附加量、厚度附加量厚度厚度计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度d名义厚度名义厚度n有效厚度有效厚度e成型厚度成型厚度成形后厚度成形后厚度制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二 次向上

22、圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工 减薄量后的厚度，也为减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度出厂时容器的实际厚度。 一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度 要求。要求。加工减薄量加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。厂而并非由设计人员确定。计算厚度计算厚度有效厚度有效厚度e成型后厚度成型后厚度毛坯厚度毛坯厚度名义厚度名义厚度n设计厚度设计厚度dC1+C2加工减薄量加工减薄量加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值第一次厚度圆整值厚度负偏差厚度负

23、偏差C1腐蚀裕量腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值第二次厚度圆整值厚度关系示意图厚度关系示意图腐蚀裕量均匀腐蚀速率腐蚀裕量均匀腐蚀速率容器设计寿命容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。碳素钢、低合金钢：碳素钢、低合金钢： C2不小于不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。腐蚀裕量腐蚀裕量防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而

24、防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而 导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒 体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的 腐蚀裕量。腐蚀裕量。五、压力容器结构的安全设计五、压力容器结构的安全设计 1、要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷； 2、要求结构便于无损检验，使制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来； 3、结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。降低局部附加应力和应力集中：降低局部附加应力和应力集中： （1）结构不连续处应平滑过渡。）结构不连续处应平滑过渡。图2-14 （

25、2）引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开）引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加。，避免高应力叠加。图2-15 （3）避免采用刚性过大的焊接结构。）避免采用刚性过大的焊接结构。图2-16 （4）受热系统及部件的胀缩不要受限制。）受热系统及部件的胀缩不要受限制。图2-17六、材料选择六、材料选择 材料是压力容器的物质基础材料是压力容器的物质基础, 正确地选用压力正确地选用压力容器材料是保证压力容器长期安全使用的一个基本容器材料是保证压力容器长期安全使用的一个基本条件。压力容器是在承压状态下进行工作条件。压力容器是在承压状态下进行工作, 有些还有些还要同时承受高温、低温或腐蚀介质

26、的联合作用要同时承受高温、低温或腐蚀介质的联合作用, 由由此对构成压力容器的材料提出了更高的要求。此对构成压力容器的材料提出了更高的要求。 目前绝大部分压力容器都是钢制的目前绝大部分压力容器都是钢制的,压力容器压力容器材料的选择材料的选择,应着重考虑材料的应着重考虑材料的机械性能机械性能、工艺性工艺性能能和和耐腐蚀性能耐腐蚀性能。 1.材料的机械性能材料的机械性能 (1)强度指标强度指标 强度是材料抵抗外力作用而避免产生强度是材料抵抗外力作用而避免产生屈服屈服和和断裂破坏断裂破坏的能的能力力, 它是决定钢材许用应力值的依据。其常用强度指标有抗拉强它是决定钢材许用应力值的依据。其常用强度指标有抗

27、拉强度度b和屈服强度和屈服强度s,高温工作时高温工作时,还应考虑还应考虑蠕变极限蠕变极限bt和和持久极持久极限限Dt。 材料的机械强度关系到容器的厚度和总重材料的机械强度关系到容器的厚度和总重,选用强度较高的选用强度较高的钢材在高压容器设计和目前压力容器日趋高参数钢材在高压容器设计和目前压力容器日趋高参数(高温、高压高温、高压)及及大型化的条件下更有其重要意义。一般而言大型化的条件下更有其重要意义。一般而言,钢材强度级别的提钢材强度级别的提高总伴随着延塑性和冲击韧性的下降高总伴随着延塑性和冲击韧性的下降,从而带来了制造工艺性的从而带来了制造工艺性的困难和防止脆性破坏性能的下降。高强度钢对应力集

28、中比较敏困难和防止脆性破坏性能的下降。高强度钢对应力集中比较敏感感,抗低循环疲劳的能力也较差。抗低循环疲劳的能力也较差。 (2)塑性指标塑性指标 塑性指标反映材料塑性变形的能力塑性指标反映材料塑性变形的能力,一般以钢材在断裂前塑一般以钢材在断裂前塑性变形量的大小来衡量。表示钢材塑性的指标主要是性变形量的大小来衡量。表示钢材塑性的指标主要是延伸率延伸率以以及及断面收缩率断面收缩率。 压力容器在制造过程中的次序、热加工成型都要求材料具压力容器在制造过程中的次序、热加工成型都要求材料具有良好的塑性有良好的塑性, 塑性好的钢材在断裂时一般都表现出塑性破坏的塑性好的钢材在断裂时一般都表现出塑性破坏的特征

29、特征,即在破坏前产生明显的塑性变形即在破坏前产生明显的塑性变形,破坏时呈剪切撕裂断口破坏时呈剪切撕裂断口不不产生碎片产生碎片,所以相对脆性破坏而言易于检查发现并避免所以相对脆性破坏而言易于检查发现并避免,即使破坏即使破坏所构成的危害性较小。塑性好的材料可使容器某些应力集中处所构成的危害性较小。塑性好的材料可使容器某些应力集中处产生的高应力因屈服而重新分布产生的高应力因屈服而重新分布, 使应力分布趋于均匀化使应力分布趋于均匀化, 避免避免脆断的发生。脆断的发生。 国际标准化组织国际标准化组织(ISO)推荐压力容器用钢其延伸率对于碳钢推荐压力容器用钢其延伸率对于碳钢及锰钢不小于及锰钢不小于16%,

30、对于合金钢不小于对于合金钢不小于14%。材料的冷弯性能。材料的冷弯性能也是材料塑性及其抵抗弯曲断裂能力的一个标志。也是材料塑性及其抵抗弯曲断裂能力的一个标志。 表示材料塑性的另一个标志是表示材料塑性的另一个标志是屈强比屈强比,s/b屈强比越高屈强比越高,s和和b的差距越小的差距越小,材料的塑性储备也越小。材料的塑性储备也越小。高强度钢的屈高强度钢的屈强比较大强比较大,故塑性较差故塑性较差,相应其韧性也较低相应其韧性也较低。 (3)韧性指标韧性指标 韧性是反映钢材塑性和强度的综合指标韧性是反映钢材塑性和强度的综合指标,反映钢材在断裂破坏反映钢材在断裂破坏前吸收能量的能力。前吸收能量的能力。 材料

31、的韧性是影响压力容器低应力脆断的重要因素。长期以材料的韧性是影响压力容器低应力脆断的重要因素。长期以来人们对压力容器发生脆断的原因及对材料的韧性要求作了大量来人们对压力容器发生脆断的原因及对材料的韧性要求作了大量的研究的研究,防止发生低应力脆断的主要指标是材料的防止发生低应力脆断的主要指标是材料的冲击韧性冲击韧性和材和材料的料的断裂韧性断裂韧性KIc或临界裂纹张开位移或临界裂纹张开位移c。以上指标对材料的脆性。以上指标对材料的脆性转变温度十分敏感。转变温度十分敏感。 容器在进行压力试验时容器在进行压力试验时,须对试验介质的最低温度加以控制须对试验介质的最低温度加以控制,这是为了防止材料在低温下

32、冲击韧性下降而突然发生脆断的措施这是为了防止材料在低温下冲击韧性下降而突然发生脆断的措施之一。之一。 2. 制造工艺性能制造工艺性能 低合金强度钢的广泛应用低合金强度钢的广泛应用,对钢材焊接性的评定提出了新的对钢材焊接性的评定提出了新的要求。试验表明要求。试验表明,钢材强度越高钢材强度越高,焊接热影响区的硬度也越高焊接热影响区的硬度也越高,出出现焊接裂纹的可能性也越大现焊接裂纹的可能性也越大。为了保证钢材的焊接性。为了保证钢材的焊接性,必须对钢必须对钢材的材的含碳量含碳量或碳当量加以限制。我国或碳当量加以限制。我国“安全技术监察规程安全技术监察规程”规规定定,含碳量大于含碳量大于0.25的钢材

33、不能用于焊接容器。日本焊接学会制的钢材不能用于焊接容器。日本焊接学会制订的订的“焊接结构用高强度钢板标准焊接结构用高强度钢板标准”中规定了中规定了碳当量碳当量的计算式的计算式为为 Ceq=(C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)% 控制碳当量的目的在于保证钢材的焊接工艺性。控制碳当量的目的在于保证钢材的焊接工艺性。 GB150还要求与受压元件相焊接的非受压元件用钢还要求与受压元件相焊接的非受压元件用钢,也必须也必须为可焊性好的材料。为可焊性好的材料。 3. 材料耐腐蚀性能材料耐腐蚀性能 耐腐蚀性能是材料在使用工艺条件下抵抗介质腐蚀的能耐腐蚀性能是材料在使用工艺条件

34、下抵抗介质腐蚀的能力。材料遭到腐蚀后力。材料遭到腐蚀后,其重量、厚度、力学性能、组织结构及其重量、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等都可能发生变化电极过程等都可能发生变化,所以所以,它直接关系到容器的强度它直接关系到容器的强度。在容器断裂破坏的事例中。在容器断裂破坏的事例中,腐蚀破坏也占很大比重。防止腐腐蚀破坏也占很大比重。防止腐蚀破坏的重要措施之一是蚀破坏的重要措施之一是正确选材正确选材,而而正确的结构型式正确的结构型式对防止对防止腐蚀破坏也有一定的作用腐蚀破坏也有一定的作用,例如例如,当容器停止操作时当容器停止操作时,务使容器务使容器的各处不积存任何残液。的各处不积存任何残液。 腐蚀破坏

35、的形式有均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀破坏的形式有均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等五种。其中最危险的是腐蚀和疲劳腐蚀等五种。其中最危险的是晶间腐蚀晶间腐蚀和和应力腐应力腐蚀蚀,它除了与受压元件的应力有关外它除了与受压元件的应力有关外,还与材料的化学组成、还与材料的化学组成、金相组织有关金相组织有关,为了防止晶间腐蚀和应力为了防止晶间腐蚀和应力,还应保证钢材化学还应保证钢材化学成分的控制值和热处理状态。成分的控制值和热处理状态。 七、压力试验七、压力试验 容器制成后必须进行压力试验容器制成后必须进行压力试验,以检验压力以检验压力容器的宏观强度和致密性。所谓压力试验就是用容器

36、的宏观强度和致密性。所谓压力试验就是用液体或气体作为加压介质液体或气体作为加压介质,在容器内施加比它的在容器内施加比它的最高使用压力还要高的试验压力最高使用压力还要高的试验压力,并检查容器在并检查容器在试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他的缺陷。压力试验分为他的缺陷。压力试验分为液压试验液压试验和和气压试验气压试验两两种。种。 压力试验压力与设计压力的比值压力试验压力与设计压力的比值,与采用的容器设计安全系与采用的容器设计安全系数有关。按照我国情况数有关。按照我国情况,必须符合下述规定必须符合下述规定: PT=1.25p/t 且不小于且不小于(

37、p+0.1) MPa (液压试验液压试验) PT=1.15p/t 且不小于且不小于(p+0.1) MPa (气压试验气压试验) 式中式中 PT试验压力试验压力,MPa; p设计压力设计压力,MPa; 试验温度下材料的许用应力试验温度下材料的许用应力,MPa; t设计温度下材料的许用应力设计温度下材料的许用应力,MPa。 其中其中/t之比值最高不应超过之比值最高不应超过1.8。 为了确保压力试验时容器材料处于为了确保压力试验时容器材料处于弹性状态弹性状态,圆筒圆筒形容器中的薄膜应力应满足下述要求形容器中的薄膜应力应满足下述要求 T=PT(Di+e)/2e0.9sMPa(液压试验液压试验) T=P

38、T(Di+e)/2e 0.8sMPa(气压试验气压试验) 式中式中e圆筒的有效厚度，圆筒的有效厚度，mm。 焊缝系数焊缝系数 如不能满足上述要求如不能满足上述要求,应增加容器壁厚。应增加容器壁厚。 在压力试验时在压力试验时,为了避免材料的低温脆性破裂为了避免材料的低温脆性破裂,试验环境试验环境和水温必须高于材料的和水温必须高于材料的无塑性转变温度无塑性转变温度。 根据我国目前压力容器用材的情况根据我国目前压力容器用材的情况,压力试验时压力试验时,如用碳如用碳素钢、素钢、16MnR制造容器制造容器,液体温度不低于液体温度不低于5; 对于其他低合对于其他低合金钢金钢(不包含低温容器不包含低温容器), 则液体温度不得低于则液体温度不得低于15。 如果由于板厚等因素造成材料脆性转变温度升高如果由于板厚等因素造成材料脆性转变温度升高,还要还要相应地提高液体的试验温度。气压试验时相应地提高液体的试验温度。气压试验时,气体温度不应低气体温度不应低于于15。 液压试验液压试验时时,容器的顶部应设排气口容器的顶部应设排气口,以排尽容器内的空气以排尽容器内的空气,使液体充满