压力容器安全技术.docx

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压力容器安全技术

　　2．管壳式换热器

　　下面以管壳式换热器的重要部件为例，介绍其结构设计的要点。

（1）管箱包括管箱短节和分程隔板（多程换热器）两部分。

　　管箱短节结构设计要保证“最小内侧深度”的要求。

　　①轴向开口的单程管箱，不得小于接管内直径的1／3。

　　②多程管箱，应保证两程间最小流通面积不小于1．3倍每程管子的流通面积。

此外，短节筒体厚度必须满足刚度要求。

　　分程隔板结构设计要点如下。

　　①保证强度要求（承受两侧流体压差）和刚度要求。

　　②水平分程隔板应开设φ6mm的排净孔。

　　③对于大直径和两侧流体温差很大时，宜设计为双层结构的分程隔板。

　　④分程隔板下缘应与管箱密封面齐平。

（2）圆筒固定管板式换热器最小厚度应不小于6mm（高合金钢筒体不小于4．5mm），圆筒的最小厚度随公称直径增大而增厚。

　　必须指出，圆筒的长度是在以换热管长度为标准长度的前提下按结构计算确定的，否则会造成换热管的不标准而带来材料的严重浪费。

　　（3）接管其结构设计应符合有关规定。

此外，接管应与壳体表面齐平；接管应尽量沿壳体的径向或轴向设置；接管与外部管线可采用焊接连接；设计温度不低于300℃时，必须采用整体法兰；必要时可设置温度计口、压力表接口及液面计接口；对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其DNmin＝20mm；立式换热器在需要时可设置溢流口。

　　（4）换热管U形弯管段的弯曲半径应不小于2倍管子外径。

　　如果需要，允许换热管拼接，但拼接焊缝不得超过1条（直管）或2条（U形管），且最小管长不得小于300mm。

　　（5）管板结构设计时必须注意与螺栓、螺母、垫片、管箱的正确、合理和可靠的接合，而且还要考虑为了强化传热而进行分程等方面的要求。

　　①管板上管孔的布置必须符合换热管标准排列形式的要求，即正三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列、转角正方形排列等四种形式。

　　②管孔中心距一般不得小于1．25倍的换热管外径，即t≥1．25d0。

对于分程隔板槽两侧相邻管孔中心距要求不小于，加上隔板槽宽度。

　　③布管区的最大直径必须小于布管限定圆的要求，以避免过分靠近壳壁而影响制造和安装。

对于固定管板换热器或U形管换热器，设计时要限制管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离b3＝0．25d0，且不小于10mm。

　　④管板密封面的连接尺寸及制造、检验要求等应按照JB4700～4707—92《压力容器法兰规定》。

　　⑤分程隔板槽一般槽深不小于4mm；分程隔板槽的宽度碳钢为12mm，不锈钢为11mm。

分程隔板槽拐角处的倒角为45°，倒角的宽度b为分程垫片的圆角半径R加1～2mm。

此项要求常被设计者所疏忽，造成不能安装或泄漏。

　　⑥管板与圆筒、管箱短节的连接形式必须考虑壳程压力的大小、管板是否兼作法兰、介质的性质和有无间隙腐蚀存在。

尤其要注意如下几点。

　　a．当壳程压力ps>4．0MPa时，要采用“变角接为对接”的结构形式，以改善受力条件。

　　b．当壳程介质可能存在间隙腐蚀时，则不可采用衬环进行焊接，因为焊接后的衬环恰好与壳壁形成间隙而造成腐蚀。

　　⑦多管程的管板前端与后端的结构绝不相同（见GB151—89图1—7），有多种类型可供选择。

管程分程应注意如下几点。

　　a．应尽可能使各管程的管数大致相等。

　　b．使分程隔板槽形状简单，密封长度较短。

　　（6）换热管与管板的连接正确选定换热管与管板的连接方式，对设计者至关重要，为此必须严格区分其结构特点、适用范围与应用场所。

下面按最常用的连接形式介绍其要点。

　　①强度胀接为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。

其适用范围如下。

　　a．设计压力小于等于4MPa。

　　b．设计温度小于等于300℃。

　　c．操作中应无剧烈的振动，无过大的温度变化及无严重的应力腐蚀。

　　最小胀接长度取以下三者的最小值。

　　a．管板名义厚度减去3mm。

　　b．50mm。

　　c．换热管外径的2倍。

　　具体的结构形式及尺寸见GB151—1999。

　　②强度焊保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的焊接。

适用于GB151—1999标准规定的设计压力（PN≤35MPa），但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。

其结构形式及尺寸按GB151—1999的规定。

　　③胀焊并用适用于密封性能要求较高的场合，承受振动和疲劳载荷的场合，有间隙腐蚀的场合，采用复合管板的场合。

　　a．强度胀加密封焊（保证换热管与管板连接密封性的焊接）。

这种连接形式是指管板与换热管连接处的抗拉脱强度由胀接来保证，而密封性能主要由胀接并辅之以密封焊接来保证。

　　b．强度焊加贴胀（消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接）。

此种连接形式是指换热管与管板的密封性主要由二者承担，而抗拉脱强度主要由焊接承受。

贴胀的目的是用以消除或降低壳程产生间隙腐蚀和减弱振动对管板与换热器连接处的损害。

贴胀与强度焊或强度胀配合使用，由设计者根据使用条件确定。

第三节强度计算与校核

　　进行压力容器设计时，主要任务是对受压容器各个部分进行应力分析，确定最大应力值并将其限制在许用范围内。

在任一台压力容器中，至少存在两种应力，一种是一次应力或薄膜应力，如圆筒体中间部分的应力；另一种是不连续应力或二次应力，如接管与封头连接处的应力。

此外，还有峰值应力等。

　　一、应力与应力分析

　　1．一次应力

　　一次应力是由外载引起的正应力和切应力，又称为基本应力。

外载包括容器及其附件的自重，内压和外压、外力（风载荷、地震载荷等）和外加力矩（接管力矩）等。

　　一次应力的特征是能满足外力、内力和弯矩的平衡要求，即容器在载荷作用下，为保持容器各部分平衡所需要的力。

它不能靠本身达到的屈服极限来限制其大小，具有非自限性。

若一次应力超过材料的屈服极限，则其破坏的阻止完全由应变硬化性能所决定。

　　属于这种应力的有薄壁圆筒体或球壳等由于压力产生的总体薄膜应力，平端盖中央部分由于压力产生的弯曲应力。

　　一次应力又可分为一次薄膜应力σm，局部薄膜应力σL和一次弯曲应力σu。

（1）一次薄膜应力σm沿壁厚均匀分布的一次应力，称为一次薄膜应力。

它是由外载荷（介质压力等）引起的，且与外载荷相平衡的应力平均值。

　　属于一次薄膜应力的有圆筒体、球壳、成形封头壁厚平均的环向应力、纵向应力（经向应力）及径向应力。

　　一次薄膜应力对容器的危害性最大。

当它达到极限值（如屈服极限）时，整个容器发生屈服或大面积塑性变形，而导致破坏。

因此，在设计计算时对这类应力必须用基本计算公式严格控制。

（2）局部薄膜应力σL指由压力和其他机械载荷引起的薄膜应力，以及边缘效应中环向应力等所引起的薄膜应力。

它和一次薄膜应力的相同之处是沿壁厚方向均匀分布，不同之处是具有局部性质，因此具有二次应力特征。

但是从保守角度考虑，还是把它划在一次应力范围内。

如果受局部应力作用的区域太大或者这个区域离其他高应力区距离很近，而其周围金属起不到约束作用时，则不应按局部薄膜应力考虑，而应当称作一般薄膜应力。

只有满足下述条件时，才能按局部薄膜应力处理。

　　属于局部应力的有支座或接管与容器壳体连接部位沿壳体壁厚平均的环向应力及纵向应力。

　　（3）一次弯曲应力σu指由外载引起的与外载平衡的弯曲应力，或者说扣除一次薄膜应力后，在厚度方向成线性分布的一次应力。

　　属于这种应力的有平端盖或盖顶中央部分在内压作用下产生的应力，圆筒壳因自重产生的弯曲应力。

　　5．应力强度极限

　　对于不同种类的应力，根据它对结构元件强度的影响不同，其应力强度许用值（应力强度极限）也不相同。

　　对于一次薄膜应力σm，应力强度σrm应满足下述条件。

σrm≤[σ]

　　对于局部弯曲应力，应力强度σrL应满足下述条件。

　　6．基本设计准则

　　由上述应力强度极限计算可以得出四个基本设计准则。

　　①在可能引起塑性破坏的情况下，必须可靠地防止塑性破坏。

　　②由任何一种载荷作用产生的塑性应变必须加以限制。

　　③除了局部应力集中和局部热效应外，任何其他应力引起的塑性应变循环都是不允许的。

　　④将要发生塑性应变循环的各个部位，应通过疲劳分析限制疲劳破坏的产生。

　　二、设计参数

　　压力容器的设计参数主要有设计压力、设计温度、壁厚附加量、许用应力、焊缝系数等。

　　1．设计压力

　　设计压力指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。

容器安装安全阀时，容器的设计压力等于或稍大于安全阀的开启压力；使用爆破膜作为安全装置时，设计压力等于爆破片的设计爆破压力加上所选爆破片制造范围的上限。

　　最大工作压力又称最高工作压力，是指容器在使用过程中可能出现的最大表压。

　　若容器内盛装的是易爆介质时，它的设计压力应根据介质特性、爆炸时瞬时压力、爆破膜的破坏压力以及爆破膜的排放面积与容器中气相容积之比等因素作特殊考虑。

爆破膜的实际爆破压力与额定爆破压力之差应在±5％的范围之内。

　　盛装液化气体的容器，设计压力是根据容器的充装系数和可能达到的最高金属温度来确定的。

一般取与最高温度相应的饱和蒸气压力为设计压力。

装有液体的内压容器，需要考虑液体静压力的影响。

如果液体静压超过介质最大工作压力的5％时，则设计压力为

p＝pi+γH

式中pi——工作压力，kgf／cm2；

　　γ——介质密度，kg／cm3；

　　H——介质静液柱高度，cm。

　　如果介质静压小于最大工作压力的5％时，则此液体静压可不予考虑。

　　上述情况主要将工作压力作为设计用的外载荷。

然而，在实际情况下，还需要考虑容器自身重量、风载、地震、温差及附件引起的局部应力影响。

确定设计压力时应结合具体情况进行仔细分析。

　　3．腐蚀裕量

　　腐蚀裕量取决于介质的腐蚀性能、材料的化学稳定性和容器的使用时间。

对于均匀腐蚀，当腐蚀速度Ka>0．1mm／a时，腐蚀裕量C1可用下式表示。

C1＝Kat

式中Ka——腐蚀速度，mm／a；

　　t——容器使用时间，a。

　　对于碳钢和低合金钢容器，如果Ka<0．1mm／a时，单面腐蚀量取C1＝2mm，双面腐蚀量取C1＝4mm。

如果Ka≤0．05mm／a（包括大气腐蚀）时，单面腐蚀量取C1＝1mm，双面腐蚀量取C1＝2mm。

　　对于不锈钢容器，当介质的腐蚀性能极弱时，C1＝0。

　　对于非均匀腐蚀，不能用增加壁厚的办法来解决。

除了正确地进行结构设计外，还应尽最大可能降低残余应力来减少应力腐蚀的影响。

　　4．材料厚度负偏差

　　厚度负偏差一般是根据我国常用钢板或钢管厚度及有关的规定选取，详见GB150及有关资料。

　　对于铝板，当厚度小于10mm时，材料负偏差C2＝0．5mm。

　　5．最小壁厚δmin

　　受低压或常压作用的容器，如果按强度公式计算所得的壁厚很小而不能满足制造、运输和安装等要求时，则必须适当地加大壁厚，因此通常应规定最小壁厚。

　　对于碳钢和低合金钢制的容器，若内径Di≤3800mm时，

　　δmin≥2Di／1000mm，但不得小于3mm，腐蚀裕量不包括在内。

若容器内径Di＞3800mm时，δmin按运输和现场制造及安装条件确定。

　　对于奥氏体不锈钢制的容器，δmin≥2mm。

　　对于铝制无加强措施的容器，δmin≥3mm；若采取加强措施，δmin≥2mm。

　　对于铸造容器，其δmin由铸造工艺决定。

　　6．安全系数n与许用应力[σ]

　　正确选择许用应力是保证压力容器安全运行的一个非常重要的问题。

许用应力值取决于材料的力学性能（即强度、塑性或脆性）、载荷特性（静载荷或交变载荷）、温度和设计计算方法。

　　目前，计算常温下容器材料许用应力的方法是以材料的强度极限σb或屈服极限σs为基础，并选用相应的强度极限安全系数nb或屈服极限安全系数ns取得的，即

[σ]＝σb／nb　　　　　　[σ]＝σs／ns

　　要保证构件的强度，就必须保证它在载荷作用下所产生的应力不会达到材料的强度指标，而且要留有适当的安全裕量。

安全系数是指材料在工作温度下的强度性能指标与构件工作时允许产生的最大应力之比值。

安全系数选定后，即可根据材料的强度指标（σb、σs、σD、σn）除以相应的安全系数（nb、ns、nD、nn）来确定构件的许用应力。

　　安全系数的确定比较复杂。

压力容器承压部件安全系数的大小应该考虑以下这些因素。

　　①材料性能的稳定性可能存在的偏差。

　　②估算载荷状态及数值的偏差。

　　③计算方法的精确程度。

　　④制造工艺及其允许偏差。

　　⑤检验手段及其要求严格程度。

　　⑥使用操作经验。

　　根据有关规定，钢制压力容器承压部件的安全系数为nb≥3．0，ns≥1．6，nD≥1．5。

对于铸铁压力容器，其承压部件的安全系数为灰铸铁nb=10．0，可锻铸铁、球墨铸铁nb＝8．0。

铸钢压力容器承压部件的安全系数nb＝4．0。

有色金属压力容器承压部件的安全系数为钛nb≥4．0，ns≥1．5；铝nb≥4．0，ns≥1．5；铜nb≥4．0，ns≥1．5。

　　在各国制定的规范中，大多数仍将容器壁简化成为均匀受力的薄膜进行处理，以薄膜应力来描述整个容器的应力水平。

然而，容器各部位的实际应力状态是很复杂的，所以设计时多采用较大的安全系数。

为了避免容器发生脆性破坏，除对材料要求具有足够的强度外，还要考虑冲击值等要求。

在设计过程中，经常引出屈服极限与强度极限之比，即屈强比σs／σb这一概念，这个概念对压力容器选材是特别重要的。

钢制压力容器的屈强比不得大于0．8。

　　温度对许用应力的影响是通过它对材料力学性能的影响表现出来的。

温度升高对金属材料的所有力学性能都有影响。

如碳钢，温度升高时，强度极限开始增加，在250～300℃时最高，超过此温度范围时，强度极限很快下降。

屈服极限随温度升高一直下降，因此应当根据设计壁温下材料的强度极限或屈服极限确定许用应力。

如果温度高于400℃，即在高温情况下，容器失效不是因为强度不足，而是由于蠕变造成的。

蠕变是材料在一定温度下受不变应力作用后，随时间增长而缓慢产生永久的塑性变形的过程。

蠕变不仅使材料产生永久塑性变形，而且能使材料性能发生变化，一般是变脆。

碳钢和普通低合金钢容器在壁温高于450℃、不锈钢容器壁温高于550℃时，必须根据蠕变极限确定许用应力。

蠕变极限是指在给定温度下和规定的使用时间内使试样产生一定量蠕变总变形的应力，或者是在给定温度下，引起某蠕变速度时的应力。

用这两种蠕变极限所确定的变形量之间差值很小，可以忽略不计。

　　对于化工容器，常以在一定温度下，经过10万小时（相当于11年）产生1％变形，即蠕变速度为1％／105即10—7mm／（mm·h）的应力为材料在该温度下的蠕变极限。

　　此外，还可用持久限来确定许用应力。

持久限的定义是在给定温度下，材料经过规定的时间（一般为100000h）产生断裂破坏的应力。

有些容器，如核反应堆容器，必须保证在使用期间内不发生破坏，它的设计依据就是持久限。

　　总之，高温下材料的许用应力应取下述中的最小值。

　　三、常用的设计计算公式

　　1．内压圆筒

　　内压圆筒的强度计算是以薄膜理论为基础的。

设计计算的目的是确定圆筒的壁厚或对现有容器进行强度校核。

（1）计算厚度设计温度下圆筒的计算厚度按下式计算

　　四、压力试验

　　压力试验的目的是检验压力容器承压部件的强度和严密性。

在试验过程中，通过观察承压部件有无明显变形或破裂，来验证压力容器是否具有设计压力下安全运行所必需的承压能力。

同时，通过观察焊缝、法兰等连接处有无渗漏，检验压力容器的严密性。

　　由于压力试验的试验压力要比最高工作压力高，所以应该考虑到压力容器在压力试验时有破裂的可能性。

由于相同体积、相同压力的气体爆炸时所释放出的能量要比液体大得多，为减轻锅炉、压力容器在耐压试验时破裂所造成的危害，所以通常情况下试验介质选用液体。

因为水的来源和使用都比较方便，又具有作耐压试验所需的各种性能，所以常用水作为耐压试验的介质，故耐压试验也常称为水压试验。

　　1．液压试验

　　压力容器的液压试验压力应以能考核承压部件的强度，暴露其缺陷，但又不损害承压部件为佳。

通常规定，承压部件在液压试验压力下的薄膜应力不得超过材料在试验温度下屈服极限的90％。

具体液压试验的压力规定如下。

　　①内压容器

pT＝1．25p[σ]／[σ]t

　　②外压容器

pT＝1．25p

　　2．气压试验

　　一般情况下，压力容器不允许用气体作为压力试验介质，但对由于结构或支承原因，不能向压力容器内安全充灌液体，以及运行条件不允许残留试验液体的压力容器，可按设计图样规定采用气压试验。

如容器体积过大，无法承受水的重量；壳体不适于含氯离子的介质，而水压试验的水中含较多的氯离子；在严寒下，容器内液体可能结冰胀破容器等。

可以看出，气压试验是有条件的，其主要原因是气压试验比水压试验危险性大。