压力容器基础知识..

对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直径，其 系列尺寸有300、400、500、600…等，如果筒体是用无缝钢管制 作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。
压力容器结构——零部件
2. 封头
（ 1 ）球形封头 —— 壁厚最薄，用材比较节省。 但封头深度大、制造比较困难。 （ 2 ）椭圆形封头 —— 椭圆形封头纵剖面的曲 线部分是半个椭圆形，直边段高度为 h ， 因此椭圆形封头是由半个椭球和一个高度 为 h 的圆筒形筒节构成。椭圆壳体周边的 周向应力为压应力，应保证不失稳。 （ 3 ）碟形封头 —— 碟形封头是由三部分组成。 第一部分是以半径为 Ri 的球面部分，第二 部分是以半径为 Di/2 的圆筒形部分，第三 部分是连接这两部分的过渡区，其曲率半 径为 r,Ri 与 r 均以内表面为基准。不连续过 渡导致边缘应力。
（1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。 （2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。 （3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。
5. 人孔与手孔
压力容器结构——开孔与补强
1 为何要进行开孔补强
通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的要求，需要在容器上开孔和安装接 管，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度，而且还会因 结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高的局部应力集中。这个局部应力峰值很 高，达到基本薄膜应力的 3 倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管处有时还会受到各种 外载荷、温度等影响，并且由于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等 原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。主要表现不疲劳破坏和脆性 裂纹，所以必须进行开孔补强设计。 2 压力容器为何有时可允许不另行补强 压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素： 容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用等原因，壳体厚度往往超过实际 强度的需要。厚度的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体补强了。例 如：在选材时受钢板规格的限制，使壁厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚 增加，而实际开孔不在焊缝上；还有在设计时采用封头与筒体等厚或大一点，实 际上封头已被补强了。在多数情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的.失效准则:容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆
破，因此容器强度失效准则有三种观点： （1）弹性失效——常规设计（GB150等） 弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将 应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁 面出现屈服时即为承载的最大极限。 （2）塑性失效——分析设计（JB4732） 塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外 层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈 服时才为承载的最大极限。 （3）爆破失效——高压、超高压设计 爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容 器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。
压力容器结构
上海市松江区特种设备监督检验所
余卫国
压力容器结构
压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、 接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。 它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。 其典型过程设备有换热器、反应器、塔式容器、储存容器等。 压力容器的结构形状主要有圆筒形、球形、锥形、非圆形截 面和组合形。
压力容器结构——开孔与补强
3 开孔补强结构 所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应力集中系数。 其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的大小以及补强金属量等。 (1) 加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、b、c。该补强结 构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙，传热效果差。当两 者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局部区域内产生较大的热应力。另外，加 强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能较差。这种补强结构一般用于静压、 常温及中、低压容器。 (2) 接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、e、f。它的特点是 能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内，因而能有效地降低开 孔周围的应力集中程度。低合金高强度钢制的压力容器与一般低碳钢相比有较高 的缺口敏感性，采用接管补强为好。 (3) 整锻件补强结构如图g、h、I，此结构的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部 位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且焊接接头及热影响区 可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但这种结构需要锻件，且机械加 工量大，所以一般只用于要求严格的设备。
6. 焊缝(焊接接头)系数
6.3 几个问题的解释 相当于双面焊的全焊透对接接头，可采用多种方法实 现，最终由无损检测判断； 一般均指纵缝，环缝焊接接头系数仅在特定条件（如 高塔风载）下采用; 容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定，应理 解为对无垫板单面焊使用的限制。
压力容器设计
7.应力分析设计的一般概念
GB151－1999《管壳式换热器》 设计压力P：0.1～35 MPa ；真空度：≥0.02 MPa GB12337－1998《钢制球形储罐》 设计压力：P≤4MPa；公称容积：V≥50M3
压力容器设计
2. 设计时应考虑的载荷 GB150－1998《钢制压力容器》：
（1）内压、外压或最大压差； （2）液体静压力(≥5%P)； 需要时，还应考虑以下载荷 （3）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料 的重力载荷； （4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷； （5）风载荷、地震力、雪载荷； （6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力； （7）连接管道和其他部件的作用力； （8）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力； （9）包括压力急剧波动的冲击载荷； （10）冲击反力,如流体冲击引起的反力等； （11）运输或吊装时的作用力。
压力容器结构——零部件
3. 支座
支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置。支座一般分为立式 容器支座、卧式容器支座。 立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。卧 式容器多使用鞍式支座。 4. 法兰 法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、 制造 成本较高。
法兰分类主要有以下方法：
计算不准确，难以发现危险点，也不经济：常规设计以材料力学及板壳薄膜简化 模型的简化计算公式为基础，确定筒体中平均应力的大小，只要此值限制在以弹 性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体是安全的。而对容器上 结构不连续区域和一些部件，只能通过经验公式或经验系数计算，同时限制结构 尺寸、形状、工作条件来保证安全。显然，这种方法是粗略的，具有局限性。 结构限制：常规设计规范中规定了具体的容器结构形式，但规范中未作规定或限 制应用的一些结构和载荷形式就无法采用，因此，常规设计不利于新型设备和结 构的开发和使用。
压力容器结构——典型结构
压力容器结构——典型结构
压力容器结构——典型结构
压力容器结构——典型结构
压力容器结构——典型结构
压力容器结构——零部件
1. 筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件方便、 而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可以分为立式 容器和卧式容器。 由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，而且 卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的，所以 不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。
压力容器结构——零部件
（4）球冠形封头 ——球冠形封头可用作 端封头，也可以用作容器中两独立受 压室的中间封头，由于封头为一球面 且无过渡区，在连接边缘有较大边缘 应力，要求封头与筒体联接处的 T 形 接头采用全焊透结构。 （5）锥形封头——锥形封头有无折边锥 形封头和折边锥形封头。 （6）平盖——弯曲应力较大，在等厚度、 同直径条件下，平板内产生的最大弯 曲应力是圆筒壁薄膜应力的20～30倍。 但结构简单，制造方便。
*****用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。
压力容器设计
4.弹性实效准则下的四个强度理论：
第一强度理论（最大主应力理论）——常规设计（GB150等） 这个理论也叫做“最大正应力理论”，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的 正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个 达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。 第二强度理论（最大变形理论） 这个理论也称为“最大线应变理论”，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大 相对伸长或缩短。 第三强度理论（最大剪应力理论）——分析设计（JB4732） 此即“最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应 力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。 第四强度理论（剪切变形能理论） 该理论也称作“形状改变比能理论”认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破 坏归结为应力与变形的综合。 *****用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。
压力容器结构——典型结构
圆形截面容器
特点： 轴对称结构 受力分布比较均匀（受力 条件虽不如球形容器，但比其 他结构形式好得多。此种结构 没有形状突变，不会因形状产 生较大的附加应力）。 制造工艺较简单 便于内部工艺附件的安装 和工作介质的流动 圆形截面容器是最常用的 一种压力容器，因而广泛用作 反应、换热和分离容器。

一般只对屈服点取安全系数 依材料而异
依规格而异
压力容器设计
6. 焊缝(焊接接头)系数（容规表3-5，GB150 3.7)
6.1 焊缝系数的作用---设计系数。考虑焊缝对容器强度的 削弱，用整个增加壁厚的方式补足. 6.2 焊缝系数的选取---依焊接接头型式及无损检测长度（ 比例）确定。
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7.应力分析设计的一般概念
7.2 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别