压力容器安全管理工程-第二章

1、第二章第二章 压力容器应力分析与安全设计压力容器应力分析与安全设计 王江云中国石油大学压力容器安全管理工程压力容器安全管理工程 2022-5-242第二章第二章 压力容器应力分析与安全设计压力容器应力分析与安全设计主主 要要 内内 容容第一节、压力容器应力分析和变形特点第二节、压力容器安全设计2022-5-243上节课内容回顾：压力容器全寿命过程图压力容器的分类：n压力等级：低、中、高、超高n用途作用：反应、传热、分离、储存n安全管理：一、二、三类压力容器压力容器事故产生原因：n工作条件恶劣n局部应力比较复杂n容易超压n管理方面压力容器安全工程的任务：n针对压力容器的全寿命过程采取科学而有效地

2、安全措施n工艺计算和结构设计2022-5-244第一节 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1、压力容器结构特点壳体形式壳体形式圆筒形球形锥形方箱形2022-5-245一、压力容器应力和变形特点1、压力容器结构特点特点特点 回转壳体n相对壁厚（器壁的厚度与半径之比）较小的壳体nK=外径/内径1.11.2薄壁压力容器薄壁压力容器2022-5-246一、压力容器应力和变形特点2、薄壁压力容器应力和变形n内压作用轴向和周向的拉应力n壳体直径增大，曲率发生变化弯曲应力n内压薄壁容器无力矩理论薄膜理论假设：1、经向（轴向）和环向（周向）应力，无径向（厚度）应力； 2、应力沿壁厚均匀分布，

3、内外壁的应力相等。2022-5-2471. 1. 回转薄壳回转薄壳: :由一条平面曲线或直线绕同平面内的由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转轴线回转360360而形成的薄壳而形成的薄壳 经线回转壳体的几何特性回转壳体的几何特性2. 2. 母线母线：形成中面的平面曲线或直线形成中面的平面曲线或直线 3. 3. 经线平面经线平面：通过回转轴的平面通过回转轴的平面 4. 4. 经线经线：经线平面与中面的交线。经线平面与中面的交线。2022-5-2485.5.平行圆：平行圆：垂直轴线的平面与中面的交线垂直轴线的平面与中面的交线回转壳体的几何特性回转壳体的几何特性2022-5-249l第一曲率半径第

4、一曲率半径R R1 1：中间面上任一点中间面上任一点M M处经线的处经线的曲率半径曲率半径曲率中心必在过曲率中心必在过M M点的法线上点的法线上 11RMK322221dyd ydxdx回转壳体的曲率半径回转壳体的曲率半径2022-5-2410l第二曲率半径第二曲率半径R R2 2 ：通过经线上：通过经线上一点一点M M的法线作垂直于经线的平的法线作垂直于经线的平面，其与中间面相交得平面曲线面，其与中间面相交得平面曲线CMCM，CMCM曲线在曲线在M M点的曲率半径。点的曲率半径。l第二曲率半径的中心第二曲率半径的中心在在MNMN上，且上，且在回转轴上在回转轴上22RMK回转壳体的曲率半径回转

5、壳体的曲率半径2022-5-2411同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。r与与R1、R2的关系：的关系： AAxzyra.b.RROK1K2平行圆经线rK2K1xOORRB1212z回转薄壳几何要素回转薄壳几何要素2sinrR2022-5-2412薄膜理论微体平衡方程02dsind22dsind2dd2121llllppRR21微体平衡方程（拉普拉斯方程）2022-5-2413薄膜理论区域平衡方程作用在锥截面上的经向应力在轴线方向的合力作用在锥截面上的经向应力在轴线方向的合力sin2rN2022-5-2414lQQ力的大小只取决于截面处的

6、力的大小只取决于截面处的横截面面积与气体横截面面积与气体压强压强p p，而与截取壳体承压的，而与截取壳体承压的内表面形状与尺寸内表面形状与尺寸无关无关l作用在分离体上的外力（内压）在轴线方向的合力作用在分离体上的外力（内压）在轴线方向的合力薄膜理论区域平衡方程cos2dlrpdQdldrcosdrrpdQ2202prrdrpQr2022-5-2415NQ2sin2prr22sinmmrpr区域平衡方程式区域平衡方程式注意：适用于承受气体介质压力的壳体注意：适用于承受气体介质压力的壳体薄膜理论区域平衡方程2sin22pRpr2022-5-2416知任一点的R1、R2以及壳体壁厚及内压P，经向应力

7、和环向应力就可求出两个应力方程式的导出,只有在壳壁较薄以及离两个不同形状的壳体联接区稍远处才是正确的薄膜应力理论基本方程式薄膜应力理论基本方程式薄膜理论基本方程式pRRpR21222022-5-2417 圆柱形：R1=，R2=D/2薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力2pD4pD环向经向2022-5-2418 圆柱形：R1=，R2=D/22薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力2pD4pD环向经向 注意：n焊接容器纵向焊缝强度应高于环向焊缝的强度。n壳体上开椭圆形人孔时，椭圆孔的短轴应放在筒体的轴线方向，以尽量减少纵截面的削弱程度。2022-5-2419 球形壳体：R1=R2=D/2薄膜理论承受气体

8、内压壳体的薄膜应力4pD4pD环向经向n与相同直径相同壁厚的圆筒体比较，球壳中的应力仅为圆筒体的二分之一。n承载能力大于圆柱体2022-5-2420 圆锥形壳体：R1=，R2=r/cos薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力cos1prcos12pr环向经向n环形应力是经向应力的2倍n随半顶角的增大，应力增加，一般452022-5-2421椭圆形壳体：bbaxaRbabaxaR212224242322241)()(薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力2122244212224)ba (xaa2)bx(xa b2pr；环向经向2022-5-2422椭圆形壳体：在壳体顶点处（x=0）：在壳体赤道处（x=

9、a）：bbaxaRbabaxaR212224242322241)()(薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力2122244212224)ba (xaa2)bx(xa b2pr环向；经向)(2bapa22222bapapa；2022-5-2423不同a/b值椭圆形壳体中的应力：在壳体顶点处（x=0）：在壳体赤道处（x=a）：薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力)(2bapa22222bapapa；2022-5-2424不同a/b值椭圆形壳体中的应力：在壳体顶点处（x=0）：在壳体赤道处（x=a）：薄膜理论承受气体内压壳体的薄膜应力)(2bapa22222bapapa；n制造方面考虑，封头的深度浅一些，

10、a/b增大会导致应力提高；na/b=2为标准封头，顶点最大拉应力，赤道最大压应力，与同壁厚的圆筒的环形应力相同；na/b2时，应力将继续增大，受力不合理，一般不采用。2022-5-2425薄膜理论不同形状容器比较容器形式经向应力环向应力特点圆柱形pD/4pD/(2)2球形pD/4pD/(4)圆锥形pr/(2cos)pr/(cos)2椭圆形x=0(Pa/2)(a/b)(Pa/2)(a/b)x=aPa/2(Pa/2)(2-a2/b2)a/b=1， a/b=1.414，0a/b=2， a/b2， 压应力继续增大2022-5-2426二、压力容器的边缘问题及特性1、边缘问题n封头半径方向变形量很小，不

11、能自由膨胀；n圆筒和平板间相互约束，由于要达到变形的协调而产生边缘力和边缘力矩；n边缘应力数值的大小与连接的几何形状和离开连接处的距离有关。n薄膜理论不考虑壳体的弯曲变形；n容器是由不同几何体组合而成，整体受压后，不同壳体的应力是不同的。圆平板与圆壳体的连接2022-5-2427二、压力容器的边缘问题及特性2、边缘应力的特性 maxn介质内力薄膜应力强度条件：n连接边缘的自由变形相互约束边缘应力强度条件：n局限性；n自限性。边缘应力的特性 3max2022-5-2428本节课内容回顾n压力容器薄壁回转壳体；n应力分析无力距理论无力距理论薄膜理论薄膜理论边缘应力边缘应力连接边缘的自由变形相连接边

12、缘的自由变形相互约束互约束pRRpR21222022-5-2429The EndThe End2022-5-2430知任一点的R1、R2以及壳体壁厚及内压P，经向应力和环向应力就可求出两个应力方程式的导出,只有在壳壁较薄以及离两个不同形状的壳体联接区稍远处才是正确的薄膜应力理论基本方程式薄膜应力理论基本方程式上节课内容回顾pRRpR2122薄膜理论基本方程式2022-5-2431薄膜理论不同形状容器比较容器形式经向应力环向应力特点圆柱形pD/4pD/2)2球形pD/4pD/(4)圆锥形pr/(2cos)pr/(cos)2椭圆形x=0(Pa/2)(a/b)(Pa/2)(a/b)x=aPa/2(P

13、a/2)(2-a2/b2)a/b=1， a/b=1.414，0a/b=2， a/b2， 压应力继续增大2022-5-2432第二节 压力容器的安全设计一、压力容器设计参数的确定1、工作压力与设计压力n工作压力正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。n设计压力设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。n计算压力相应设计温度下，用以确定原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。计算压力=设计压力+液柱静压力n有安全泄放装置时，设计压力安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力上限。n最大许用压力（最大允许工作压力）设计温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。（取最小值）

14、2022-5-2433第二节 压力容器的安全设计一、压力容器设计参数的确定1、工作压力与设计压力n工作压力正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。n设计压力设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。n计算压力相应设计温度下，用以确定原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。计算压力=设计压力+液柱静压力n有安全泄放装置时，设计压力安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力上限。2022-5-2434一、压力容器设计参数的确定2、设计温度n定义容器正常工作过程中，在相应的设计压力下，壳体或原件金属可能达到的最高或最低（-20）温度。确定许用应力时的基本参数。n温度确

15、定n（1）介质温度；n（2）加热介质的最高温度或冷冻介质的最低温度；n（3）被加热介质+T2022-5-2435一、压力容器设计参数的确定2、设计温度n确定设计温度时，应注意n（1）常温或高温操作的容器，设计温度不得低于壳体金属可能达到的最高金属温度。n（2）对0一下操作的容器，设计温度不得高于壳体金属可能达到的最低金属温度。n（3）壳体或其他受压元件表面温度不得超过材料的允许使用温度。n（4）室外器无保温的容器，壁温受环境问的的影响而可能小于或等于-20时，设计温度一般按容器使用地区历年各月、日最低温度月平均值得最小值确定其最低设计温度。2022-5-2436一、压力容器设计参数的确定3、许

16、用应力与安全系数n许用应力n防止出现过度塑性变形或破裂，对常温及中温钢制容器采用： 取较小值n高温下，金属材料除了强度极限和屈服极限下降外，还要考虑蠕变现象发生。 取较小值 njt bbn bbn ssn stsn DtDn ntntn2022-5-2437一、压力容器设计参数的确定3、许用应力与安全系数n安全系数考虑到材料的力学性能、载荷及受力分析、设计方法、制造及检验操作等方面的不确定因素，以及容器可能的失效形式来确定的。n对碳素钢、低合金钢：nb=3.0、ns=1.6、 nD=1.5、 nn=1.0n对高合金钢：nb=3.0、ns=1.5、 nD=1.5、 nn=1.0n应力复杂，选用较

17、高的安全系数，对不同的极限应力选区相应的安全系数就可以得到材料的各种许用应力。2022-5-2438一、压力容器设计参数的确定4、焊接接头系数n焊接容器的焊缝区域是容器强度最薄弱的地方。n焊缝区强度降低的原因：n焊接时焊缝可能出现裂缝缺陷；n焊接高温热影响区往往形成粗大晶粒区使强度和塑性降低；n由于刚性约束造成内应力过大。2022-5-2439一、压力容器设计参数的确定5、壁厚附加量n容器壁厚附加量： 钢板或钢管厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2 C=C1+C2n为了防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致容器厚度削弱减薄，与腐蚀介质接触的筒体、封头和接管等容器元件均应考虑腐蚀裕量。腐蚀裕量应根据预期的

18、容器寿命和介质对材料的腐蚀速度来确定。2022-5-2440二、压力容器安全结构设计安全设计的要求：n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；n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；n结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。 方法：（1）结构不连续处应平滑过度；（2）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；（3）避免采用刚性过大的焊接结构；（4）受热系统及部件的账缩不要受限制。2022-5-2441二、压力容器安全结构设计（1）结构不连续处应平滑过度2022-5-2442二、压力容器安全结构设计（2）引起应力集中或削弱强度的

19、结构应相互错开，避免高应力叠加；2022-5-2443二、压力容器安全结构设计（3）避免采用刚性过大的焊接结构；2022-5-2444二、压力容器安全结构设计（4）受热系统及部件的账缩不要受限制。2022-5-2445三、压力容器用材料的选择容器用材料的性能主要关注两类：n使用性能反应材料在使用过程中所表现出来的性能，力学、物理和化学性能；n工艺性能反映材料在加工制造过程中所表现出来的性能，铸造、焊接、压力加工、切削加工和热处理性能。 选材不当，增加成本，有可能导致容器破坏事故。2022-5-2446三、压力容器用材料的选择1、金属材料的基本性能n机械性能：屈服极限、强度极限、伸长率、断面收缩

20、率、刚度与弹性模量、冲击韧性与硬度n物理和化学性能2、金属材料的焊接性能金属材料在采用一定焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的难易程度。n碳含量，淬硬性倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。n小于0.25%钢材适用于制作锅炉和压力容器 2022-5-2447四、压力容器的压力试验耐压试验强度试验，主要检验新制造的容器、大检修后或长期未用重新使用容器的承压部件在高于正常情况下的宏观强度以及有无明显变形、渗漏或破裂气密性试验对于介质为毒性程度极高、高度危害或设计上不允许有微量泄露的压力容器，主要针对焊接结构的致密性及密封结构的安全可靠性。2022-5-2448四、压力容器的压力试验1、压力试验所用介质及要求n一般用水或其它在试验时不会导致发生危险的液体：n不适宜用液体时才用气体；n液压试验时，液体温度应低于其闪点或沸点；n气压试验时