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1、第一章 压力容器概论11压力容器及其分类一、压力容器的定义特种设备根据中华人民共和国国务院令第号特种设备安全监察条例（修订）（200年月1日起施行），特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆。这些种类特种设备的目录由国务院负责特种设备安全监督管理的部门（也就是“国务院特种设备安全监督管理部门）制订，报国务院批准后执行。特种设备的生产（含设计、制造、安装、改造、维修，下同）、使用、检验检测及其监督检查，应当遵守本条例，但本条例另有规定的除外。需要注意的是，很多其他领域特种设备的安全监察不适用特种
2、设备安全监察条例：包括军事装备、核设施、航空航天器、铁路机车、海上设施和船舶以及矿山井下使用的特种设备、民用机场专用设备。压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPaL的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60液体的气瓶；氧舱等。二、压力容器分类各种不同的分类都是从各个不同需要的角度来考虑：按壁厚：厚壁容器、薄
3、壁容器(指器壁厚度小于或等于容器内径的ll0者)按受压方式：内压容器、外压容器按温度：高温容器、常温容器和低温容器按几何形状：球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器和轮胎形容器等按放置方式：立式、卧式（一）从容器的使用特点和安全管理方面考虑，可分为固定式和移动式两类：固定式低压（L）0.1-1.6MPa中压（M）1.6-10MPa高压（H）10-100MPa超高压（U）100 MPa反应容器（R）换热容器（E）分离容器（S）储存容器（C）反应釜、聚合釜、合成塔、蒸压釜冷却塔、列管式换热器、夹套容器分离器、吸收他、过滤器储罐、压力缓冲器、油水分离器移动式永久气体气瓶（高压气瓶）液化气体气瓶溶解气体气瓶
4、（乙炔气瓶）其他气瓶气瓶槽车混合气体无缝、焊接气瓶低温绝热气瓶纤维缠绕气瓶非重复充装气瓶常温下低压（高临界温度）液化气体气瓶常温下高压（低临界温度）液化气体气瓶汽车槽车火车槽车2、移动式容器移动式容器是一种盛装容器，它的主要用途是装运气体。这种容器的使用条件比较复杂，难于管理，故易发生事故。按容积大小和结构形状分为气瓶和槽车两种。（1）气瓶气瓶是使用得最为普通的一种移动式容器。它的容积较小，一般都在200L以下，常用的为40L左右。按临界温度分为： 压缩气体气瓶（永久气体气瓶）（T10C0）常用的充装压力为15和125MPa，也有充装20MPa的。所装的压缩气体有氧、氢、氮、空气、甲烷、一氧化
5、碳、一氧化氮以及氦、氖、氩、氪等惰性气体。 液化气体气瓶（T10）液化气体气瓶充装时都是以低温液态充装。但有些液化气体的临界温度较低，装入瓶后会受到环境温度的影响而全部气化；有些液化气体的临界温度较高，瓶内始终保持气液两相平衡状态。根据所装液化气体的这种特性，液化气体气瓶又有低临界温度液化气体气瓶和高临界温度液化气体气瓶之分。a. 高压液化气体气瓶（低临界温度液化气体气瓶）（10C0T70C0）由于瓶内介质全部气化，因而它的工作压力决定于气体充装量。而为了提高气瓶单位容积的充装量，一般都用较高的压力(15和125MPa)来充装，所以这种低临界温度液化气体气瓶又叫高压液化气体气瓶。如二氧化碳、乙
6、烯、乙烷、氟里昂13、一氧化二氮等气瓶。b. 低压液化气体气瓶（高临界温度液化气体气瓶）（T70C0）因为瓶内保持气液两相平衡状态，因而它的最高工作压力即为所装气体在最高使用温度下的饱和蒸气压力。根据我国气温情况，气瓶安全监察规定规定气瓶的最高工作温度按600C考虑。所有高临界温度的液化气体在60时的饱和蒸气压力都在10M Pa以下，所以这类气瓶又叫低压液化气体气瓶。低压液化气体气瓶所装气体种类较多，最常见的是液氨、液氯、液体二氧化硫、氟里昂22等气瓶。 溶解气体气瓶溶解气体气瓶是专供盛装乙炔的气瓶由于乙炔气体极不稳定，故必须把它溶解在溶剂(常用的是丙酮)中，这种气瓶的内部装满多孔性物质（固体
7、硅酸钙填料，其空隙率为8592%），用以吸收溶剂。充装时将乙快气体加压罐装于瓶内，乙炔即被溶剂所溶解而贮存在瓶中。溶解气体气瓶的工作压力为1.5MPa。容积有25L、40L和60L。气瓶肩部有易熔塞，易熔合金的熔化温度为1005。（2）槽车槽车是固定安装在流动车架上的一种卧式贮罐。它的容积较大，常达数十立方米。槽车同液化气体气瓶一样，也是专门运输液化气体的。由于它的直径很大，一般不宜承受高压，所以它所充装的都是低压液化气体。使用较普遍的是液化石油气槽车和液氨槽车。（二）按安全的重要程度：压力容器介质在压力容器发生事故时的危害程度，取决于介质的物理、化学特性，也就是容器所装的介质是否易燃、易爆和
8、有毒性。分类原则：根据容器压力与容积乘积大小、介质危害程度以及容器的作用将压力容器分类。3、第三类压力容器：具有下列情况之一的，为第三类压力容器:高压容器；b中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPam3）；d、中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于0.5MPam3）；e、低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于0.2MPam3）；f高压、中压管壳式余热锅炉；g中压搪玻璃压力容器；h使用强度级别较高的材料制造的压力容器；（指响应标准中抗拉强度规定值下限540MPa
9、）i移动式压力容器包括：铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）罐式汽车液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）j球形储罐（容积大于等于50m3）k低温液体储存容器（容积大于5m3）（2）第二类压力容器：具有下列情况之一的，为第二类压力容器。a、中压容器；b低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c低压反应容器和低压储存容器 （仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；d低压管壳式余热锅炉；e低压搪玻璃压力容器。（3）第一类压力容器：除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。12（中低压）压力容器的结构型式压力容器结构=承
10、压部件(本体+联接件、密封件）+工艺附件(搅拌装置、测量仪表、安全装置）一、容器本体（承压壳体）（一） 球形容器球形容器的本体是一个球壳。一般都是焊接结构，旧式的也有铆接的。球形容器的直径一般都比较大，难以整体或半整体压制成形，所以它大多是由许多块按一定的尺寸预先压制成形的球面板组焊而成。这些球面板的形状不完全相同，但板形一般都是一样的。只有一些特大型、用以贮存液化气体的球形贮罐，球体下部的壳板才比上部的壳板要稍微厚一些。（1）从壳体受力的情况来看，最适宜的形状是球形。因为在内压力作用下，球形壳体的应力是圆筒形壳体的12，如果容器的直径、制造材料和工作压力相同，则球形容器所需要的壁厚仅为圆筒形
11、的12（不计腐蚀裕度）。（2）从壳体的表面积来看，球形壳体的表面积要比容积相同的圆筒形壳体小1030(视圆桶形壳体高度与直径之比而定)。表面积小，所使用的板材也少，再加上需要的壁厚较薄，因而制造同样容积的容器，球形容器要比圆筒形容器节省约3040的材料。（3）球形容器表面积小，除节省制造钢材外，当需要与周围环境隔热时，还可以节省隔热材料或减少热的散失，所以球形容器最适宜作液化气体贮罐。此外，有些用蒸汽直接加热的容器，为了减少热损失，有时也采用球体。（4）但是球形容器制造比较园难，工时成本较高。（5）作为反应或传热、传质用容器，既不便于在内部安装工艺附件装置，也不便于内部相互作用的介质的流动，因
12、此球形容器仅广泛用作盛装容器。球形容器的基本参数是公称直径（内径）。（二）圆筒形容器圆筒形容器在受力角度虽不如球形容器，但比其他形状好得多，而且，易于制造，又便于在内部安装工艺附件和利于相互作用的工作介质在其内部流动。因此，用得最为普遍。圆筒形容器包括圆筒体和封头：1、 圆筒体薄壁圆筒体除了直径较小者可以采用无缝钢管外，一般都是焊接结构，即用钢板卷圆后焊接而成。为了便于批量生产，我国已实行压力容器零部件的标准化，容器的筒体直径按公称直径(Dg)选用。应该注意的是，对于焊接的圆筒体，公称直径是指它的内径；而用无缝钢管制作的圆筒体，容器的公称直径是指它的外径。2、 封头压力容器的封头或端盖，按其形
13、状可以分为三类，即凸形封头、锥形封头和平板封头。（1） 半球形封头半球形封头整体压制成形较为困难，所以直径较大的半球形封头一般都是由几块大小相同的梯形球面板和顶部中心的一块圆形球面板(球冠)组焊而成。中心圆球面板的作用是把梯形球面板之间的焊缝隔开一定的距离。从节省金属材料的观点来看，半球形封头为极佳型，但由于它的深度过大，加工制造比较困难。为了便于与圆筒体焊接并避免焊缝处结构的不连续，在实用中常取它的厚度与圆筒体相同，而不是小于圆筒体。所以除了压力较高，直径较大的贮罐或其它有特殊需要者外，一般较少采用。（2） 碟形封头碟形封头又称带折边的球形封头，它常由几何形状不同的三个部分组成。其中央是半径
14、为Rc的球面，与筒体联接部分是高度为h。的圆筒体(直边)，球面体与圆筒体由曲率半径为r的过渡圆弧(折边)所连接。过渡圆弧部分的作用是使球面体与圆筒体平滑过渡，以减小连接处由于形状突变而产生的局部应力。碟形封头的深度小时，加工制造比较容易，但深度越小，它的过渡圆弧曲率半径也越小，而球面半径就越大。这样，在过渡圆弧与球面体连接处的形状突变也越为严重，因此而产生的局部应力也越大，封头需要的壁厚也越大。常用的碟形封头球面半径Rc与筒体直径相等，rRc的比值为0.15。（3） 椭圆形封头椭球形封头是中低压容器中使用得最为普通的封头结构形式，它一般由半椭球体和圆筒体两部分组成。半椭球形的纵剖面是半个椭圆，
15、它的曲率半径是连续变化的，没有形状突变处，所以这种封头的形状要比碟形封头优越，但加工稍为困难些。椭球形封头的深度决定于椭圆长短轴之比。椭圆长短轴之比越大，封头深度越小，封头的应力越大，需要的壁厚也越大。标准椭球形封头的长短轴之比(D2h)为2。（4） 无折边球形封头无折边球形封头是一块深度很小的球面体(球冠)。这种封头可视作为减小深度而将半球形或蝶形封头的大部分除掉，仅保留端部的球面体而成。它结构简单，制造容易，因而成本也较低，但是由于它与筒体联接处结构不连续，存在着很高的局部应力，一般只用于直径较小、压力很低的低压容器上。（5） 锥形封头工作介质含有颗粒状或粉末状的物料或者是粘稠的液体时，它
16、的底部常用锥形封头。因为锥体有利于汇集和卸下这些物料。锥形封头有带折边的和无折边的两种。后者较少。带折边的厚锥体的加工是比较困难的，所以除非是特殊需要，带折边的锥形封头半顶角般不大于450。标准带折边锥形封头的半顶角有300和450两种，过渡圆弧曲率半径r与直径Dg之比值规定为0.15。二、主要附件（一）法兰联接结构1、 法兰与筒体的联接常见的法兰连接形式：整体法兰、活套法兰、螺纹法兰。2、法兰密封面与垫片法兰密封面常见的有平面型密封面、凹凸型密封面和榫槽型密封面三种。（1） 平面型密封面易加工，但安装时不易对正，垫片向两边挤出，密封性能较差，一般用于无毒介质的低压容器。（2） 凹凸型密封面的
17、垫片容易装正，而且紧固螺栓时也不会向外挤出，密封性能较平面型为好，但加工比较困难，一般多用于中压容器。（3） 榫槽型密封面密封性能更好，但结构复杂，加工更为困难。更换垫片比较麻烦，密封面上的榫头也容易被碰坏。又称氨气密封。容器法兰联接所用的垫片，一般有非金属软垫片、缠绕垫片和金属包垫片三种。（二）容器的接管与开孔压力容器一般都要开孔，包括工作介质的进入及引出孔、测量器内温度、压力及装设安全装置的连接孔等。此外，为了能对容器进行定期的内部检验和清理和器内附件的安装拆卸等，还需要开设手孔与人孔。容器开孔以后，器壁强度将因此受到削弱，因而需要补强。所以容器的主要附件还应包括这些接口管、手孔或人孔以及
18、开孔补强结构。接口管是容器专门用来与外部设备管道联接的一种附件，容器上常用的接口管有螺纹短管式、法兰短管式以及平法兰式等。手孔和人孔有圆形和椭圆形两种，其封闭形式有内闭式和外闭式。内闭式手孔或人孔的结构有自紧密封的作用，可以防止因垫片等的失效而导致器内介质的大量喷出，适用于工作介质为高温或有毒气体的容器。容器的开孔补强结构，常用的有补强圈、厚壁短管和整体锻件补强三种。（三）容器支座1、立式容器支座立式容器支座的形式较多，常用的有耳式支座、支承式支座和裙式支座。2、卧式容器支座卧式容器支座的结构形式有鞍式支座、圈座和支承式支座三种。3、球形容器支座球形容器的支座，常用的有裙式和柱式两类。三、气瓶
19、（一）结构特点1、容积较小气瓶的容积一般都比较小，因为它要经常搬运移动，必须体小轻便。气瓶的容积一般都在30200L之间。容积较大的，用于盛装低压液化气体；较小的用于盛装压缩气体或高压液化气体。2、高度适中气瓶的高度般都在1.5m左右，即要求它比正常人的身高稍为矮一些。过高或过矮的气瓶都不易于搬运移动，太高的气瓶在直立放置时也不稳固。3、具有立放的支座气瓶在充装气体和贮存时宜直立放置，以免滚动或互相撞击。为此，气瓶的底部有的采用凹形封头，有的则在凸形封头的外面装上个较短的底座圈。4、只有一个接口管气瓶的接口管内孔一般是锥形的，且具有内螺纹，以便于装设瓶阀。又由于气瓶要经常搬运移动，为了保护瓶阀
20、在频繁的搬动过程中不致于被破坏并由此而引起事故，接口管上还要有联接保护瓶阀的装置(瓶帽)的结构，如外螺纹等。第二章 压力容器的设计要求21压力容器的应力一、压力容器的薄膜应力（内压容器）在工程上分析薄壁壳体的应力时，常常采用这样一种理论，即把薄壁壳体看成是一层薄膜，壳体断面上根本无法承受弯矩，壳体上只存在拉应力(或压应力)，不存在弯曲应力。这种理论称为薄膜理论或无力矩理论。按照这种理论分析计算出来的壳体应力称为薄膜应力。当圆筒体的外内径比值K较小时，它的薄膜应力与最大应力之差是很小的，特别是采用中径公式(即以中间曲面半径为基准)的，其薄膜应力更接近于最大应力。即使圆筒体的外内径比值K达到12，
21、两者相差也小于1。在这种情况下完全可以应用薄膜理论公式来计算圆筒体的应力。所以国内外许多压力容器设计规范对于K1.2的容器都采用薄膜理论公式进行计算，美国机械工程师协会(ASME)规定，经修正过的薄膜应力公式可适用于K1.5的容器。薄壁壳体和厚壁壳体的受力分析、设计计算乃至于制造工艺均有很大的差异。（一）计算回转壳体的薄膜应力的基本公式压力容器壳体绝大部分是回转壳体，且通常是承受轴对称载荷，如内压、液柱静压和自重等。所谓回转壳体是指它的中间面是由一根任意直线或平面曲线绕着同一平面内的一条轴线回转而成的回转表面。1、受力分析2、微体静力平衡方程式3、区域平衡方程式（二） 球形壳体的薄膜应力（三）
22、圆筒体的薄膜应力（四）椭圆形壳体的薄膜应力（参考教材内容）二、壳体的不连续应力局部应力包括应力集中和不连续应力（边界应力）。 1、边界效应与不连续应力由于结构形状或尺寸的不同在承载时产生不同的变形，而又因为要连接在一起而引起相互约束的现象，只发生在两个部件连接处的边界地区，因之称作“边界效应或“边界问题。而由边界效应所引起的应力则称为“不连续应力”成“边界应力”。压力容器壳体的不连续应力影响范围很小，即它只存在于连接处两边附近很窄的一个区域内，而且一般也不直接影响到壳体的破坏强度。但在一些不合理的结构中，不连续应力可以达到很高的数值，而高的局部应力对受反复载荷的部件的疲劳寿命是有很大影响的。在
23、材料韧性较差或存在缺陷的情况下，高的局部应力也会导致容器的断裂。1、 不连续应力的特点（1）局限性：对于钢制圆柱壳，边界应力只局限于距离边缘为2.5内。（2）自限性3、产生不连续应力的常见结构部位在压力容器中，边界效应往往在下列一些常用结构中产生：1) 圆筒体与各种封头的连接；2) 壁厚不同的圆筒的连接；3) 圆筒体上焊接法兰或装设加强圈；4) 圆筒与管扳的连接；5) 材料物理性能(例如E、等)不同的筒体的连接；6) 圆筒形壳体或球形壳体上的开孔接管。4、不连续应力的处理由于边缘应力具有局限性，因此在设计中一般只在结构上作局部处理。如采用边界应力较小的连接结构；封头留直边，使焊缝远离边界；保证
24、边缘区的焊接质量，降低边缘区的残余应力；尽可能避免在边缘区内开孔或焊接附件等。由于边缘应力具有自限性，因此由塑性较好的材料制成的容器，在静载荷作用下一般都不考虑边缘应力的影响。但对由脆性材料制造的容器，则必须详细计算边缘应力。22压力容器材料的性能要求压力容器用材，着重考虑它的三个方面的性能：机械性能、工艺性能、耐腐蚀性能。一、机械性能钢材的机械性能主要包括强度、塑性、冲击韧性等。二、工艺性能制造工艺性能是指材料在加工时所具有的特性。制造压力容器承压部件时，一般都经过冷卷或冲压、焊接、热处理等工艺过程，因此应该考虑材料的冷加工变形性能与焊接性能。1、冷加工变形性能2、焊接性能（可焊性）三、耐腐
25、蚀性能材料的耐蚀性用腐蚀速率Ka（mma）表示。金属材料的腐蚀速率大多用单位时间内的腐蚀深度来表示。在化工机械中，金属的耐腐蚀性一般采用三级标准：腐蚀速率小于0.1mm年者，为耐蚀性良好；腐蚀速度为0.11mm年者，为耐蚀性一般；大于1mm年者为耐蚀性差。23压力容器壁厚的计算传统的设计方法是，压力容器的一般承压部件只是根据它在直接载荷(主要是压力，个别情况下还有重力、风力等)作用下产生的、能直接导致部件破坏的薄膜应力(或加上弯曲应力)来确定其壁厚。至于由部件结构不连续等而产生的、并不会引起重要变形(或只是局部变形)的局部应力，则采取在结构形式或尺寸上加以限制，从而把这些并不会直接导致承压部件
26、破裂的局部应力控制在一定的范围内，而在设计部件壁厚或校核部件强度时则不予考虑。强度理论：（1）最大拉应力理论1（2）最大伸长线应变理论（3）最大剪应力理论（4）形状改变比能理论四个强度理论所得到的当量应力表达式为：如果将上列各公式写成个统一的形式，则可以用下式表达强度条件：d根据实验资料的数据，碳钢或低合金钢等材料的塑性断裂，以形状改变比能理论计算的结果比较符合试验结果，尤其是屈服判据，而最大剪应力理论则与试验结果偏离较大。但目前在锅炉、压力容器的设计计算中，第三强度理论却得到普遍采用。一方面是因为最大剪应力理论的物理概念比较直观，另一方面是按此理论设计比较偏于安全。一、设计参数若材料的强度指
27、标统一用“”表示，则有如下关系：至于选用哪一个强度指标来确定许用应力，则与部件的运行条件及失效准则有关。1、 设计压力p设计压力(或称计算压力)是指在相应设计温度下，用以确定承压部件(球体、筒体、封头等)壁厚的压力。承压部件的设计压力不得小于设备的最高工作压力pw。一般情况下，可取为最大工作压力的1.01.1倍。最大工作压力是指在正常操作情况下，设备可能出现的最高压力。装设安全阀的压力容器，其设计压力应不小于安全阀的开启压力，开启压力一般为（1.051.15）pw；若其部件所受的液柱静压力达到上述设计压力的5时，则计算压力中还应加上液柱静压力。装设爆破片的压力容器，其设计压力应不小于爆破片的计
28、算设计爆破压力，计算设计爆破压力一般为（1.251.50）pw。若部件还有液柱静压力，则对此液柱静压力的考虑应符合上条规定。对于盛装液化气体的容器，在规定的充装系数范围内，其设计压力应为介质在最高温度下的饱和蒸气压力，如器内液柱静压力超过此压力的5时，则计算压力也应加上此液柱静压力。至于其它载荷，如风、温差应力等，不能计入设计压力，而要分别考虑。2、 设计温度各种材料都有一个适宜的温度范围；另一方面，材料的强度极限与温度也有关，因此，温度是选材和确定许用应力的一个基本参数，它是设计压力下的最高和最低温度。3、 许用应力与安全系数工作温度为常温和温度不很高的承压部件，其许用应力也应满足上述的以塑
29、性变形和以断裂为限制的两个条件。对于工作温度很高(达到材料的蠕变温度，即般碳钢和低合金钢4200C，铬钼合金钢450，奥氏体不锈钢550)的承压部件，会因长期在高温下承载而发生蠕变。所以确定此类部件材料的许用应力时，还应考虑材料的长期高温指标，即持久强度和蠕变极限。在这样的工作条件下，许用应力应取下列四个公式计算值中的最小值。安全系数是一个比较复杂的问题。根据钢制压力容器(GB15089)与压力容器安全监察规程的规定，钢制压力容器材料的安全系数按书表选取。4、 焊缝系数规定：=焊缝强度/母材强度，表明焊接产生的焊接缺陷和焊接热影响对材料强度的削弱程度。按压力容器安全监察规程的规定，由经过考试合
30、格的焊工按规定的焊接工艺规程施焊的容器，焊缝系数根据焊接接头的形式和焊缝的无损探伤检验要求（取决于焊接缺陷的可能性大小及容器的重要程度），按书表的规定选取。 无损探伤焊缝系数接头形式100%无损探伤局部无损探伤无法探伤双面焊对接焊缝1.00.85单面对焊（有垫板）0.90.8单面对焊（无垫板）0.70.65、 壁厚附加量CC= C1+ C2+ C3（1）腐蚀裕度C1腐蚀裕量根据工作介质对部件材料的腐蚀速度和设备的设计使用寿命而定(理论上为此两者的乘积)。一般按经验数据选用。气瓶取0.2mm/a，碳钢、低合金钢C11mm。（2）钢板负偏差C2钢板或钢管负偏差(即实际厚度与名义厚度的最大偏差)Ci
31、，可根据钢板或钢管标准规定的数据选用。一般取0.51.0mm。（3）加工减薄量C3加工减薄量C3可视部件的加工变形程度和是否加热而定。由制造单位依据加工工艺和加工能力自行选取。按GB15089的规定，钢制压力容器设计图样上注明的厚度不包括加工减薄量。筒体：冷卷C3：=0；热卷C3自定。可用冷卷的：低碳钢、16MnR的S/Di0.03、普通低合金钢（16MnR除外）S/Di0.025。封头：冲压封头约为10%S。6、 最小壁厚Smin对于设计压力较低的低压圆筒，按此公式求出的设计壁厚往往很薄，在制造、运输和安装过程中，筒体很容易变形，并且会使它在承压时产生附加的局部应力。为了保证容器具有一定的刚
32、度，还应规定它的最小壁厚。筒体的最小壁厚Smin可按下列方法确定：7、 板材厚度的系列二、内压薄壁容器壁厚计算公式1、 球形容器加入壁厚附加量C，则可以得到球形壳体的壁厚计算公式为：=S0（计算壁厚）+C若球体直径和壁厚已知，需要确定其许用压力，则上式可写成：2、 圆筒体圆筒形壳体的壁厚计算公式为：圆筒体的最大许用压力为：3、 椭圆形封头由前面的分析可知，椭球壳体上各点的经向应力和周向应力是不相同的。在椭球的赤道和极点(即中间面与回转轴的交点)处，经向应力和周向应力分别为：根据第三强度理论极点上的当量应力为：比较可知，赤道处的当量应力大于极点上的当量应力的条件是：这样看来，对于大多数椭球封头，
33、似应按赤道处的当量应力来计算它的壁厚。但是，这些公式都是以整个椭球体的应力状态而得出的，即壳体可以自由变形，而不受相邻部件的约束。而作为与圆筒体相连接的半椭球体，情况就不一样了。因为在连接处，椭球半径的缩小必然受到圆筒体的约束，从而产生周向的拉伸应力，与环向薄膜应力(压缩应力)相抵消。因此，在一般情况下，椭球形封头的强度设计仍然应按极点的应力状态考虑。由此观点出发按第三强度理论建立强度条件即为在此式的基础上，考虑椭圆形封头的承压变形及与筒体连接时产生的边界效应而引入形状系数Ml，即为目前国内采用的椭圆形封头的壁厚设计公式。若已知封头的实测最小壁厚为s，则其许用压力为Di/2h2.62.52.4
34、2.32.22.12.01.9M11.461.371.291.211.141.071.000.93Di/2h1.81.71.61.51.41.31.21.1M10.870.810.760.710.660.610.570.534、 蝶形封头在碟形封头的球面体与转角部分的连接处附近，由于两者在连接处的变形不连续而产生经向弯曲应力。由于此处的局部应力较大，在计算壁厚时不能予以忽略。因此，碟形封头上包括这种局部弯曲应力在内的最大合成应力可以用一个包括形状系数M2在内的类似球形容器的应力公式来表示：若考虑焊接或开孔对封头强度的削弱，并用碟形封头球面体的内半径Rci写成设计壁厚的表达式即为碟形封头的许用压
35、力为：RC/r1.01.251.501.752.02.252.52.75M21.001.031.061.081.101.131.151.17RC/r3.03.253.504.04.55.055.56.0M21.181.201.221.251.281.311.341.36RC/r6.57.07.58.08.59.09.510.0M21.391.411.441.461.481.501.521.54例题某一圆筒形容器，封头为标准椭圆形，设计压力为35kgf/cm2，公称直径为600mm,许用应力为1500kgf/cm2，只有单面腐蚀，腐蚀速率为0.1mm/a，实测壁厚为9mm，焊缝系数为0.85。问
36、该容器能否在原有压力下继续使用？可用多少年？（S0=8.35mm，6.5年）解对圆筒体：承受内压所需最小壁厚为：SO=8.35mm对封头：承受内压所需最小壁厚为：SO=8.30mm所以，剩余壁厚=S实-S0=9.08.35=0.65mm，因此，能用年数=6.5年。24 对压力容器结构的要求局部应力对安全的影响：简言之，局部应力是导致结构脆性破裂和疲劳破裂的重要因素。当结构接触腐蚀性介质时，局部应力也是腐蚀破裂的因素之一。一、结构设计的一般要求如碟形封头的折边就起这个作用。如开孔与开孔、开孔与焊缝、焊缝与焊缝之间应保持一定的距离；封头加直边；支座及其它附件不要焊在容器壳体的焊缝上；焊接凸形封头应
37、具有中心圆板。如尽量采用对接焊逢，少用角接或搭接焊缝；角焊缝可圆滑过渡；不等厚结构的焊接。焊接接头的基本形式有对接接头、搭接接头、角接接头等，如图所示。对接接头所形成的结构基本上是连续的，接头及所连接母材中的受力比较均匀，是各种焊接结构中采用最多也是最完善的结构形式。封头与筒体的连接焊缝必须采用全焊透结构，特别是平板封头、无折边球形封头及锥形封头，更应在结构设汁上确保焊透，不开坡口的浮焊结构或单面开坡口无法焊透的结构不得采用。凸形封头与筒体的连接一般都应采用对接接头。能采用对接焊缝时应尽量采用对接焊缝，尽量避免角焊缝。在压力容器中，角焊缝有时是避免不了的，将平封头、平管板、平端盖经扳边后与筒体
38、对接，是避免角焊缝的典型例子。当必须采用角焊结构时，要选用合理的焊接坡口形式，尽量双面焊接，保证焊透。二、封头的选择及尺寸的限制1压力容器的凸形封头最好采用椭圆形封头，并选用标准形式。标准椭圆形封头的长短轴比值(封头半径与不包括直边高度在内的封头高度之比)为2。采用非标准椭圆形封头时，长短轴之比值不得大于26。(薄膜应力的范围在2.5)2、在封头半径与高度之比值相同的情况下，碟形封头较椭圆形封头存在较大的弯曲应力，因此应尽量少采用碟形封头。采用碟形封头时，封头过渡区的转角半径应不小于封头内直径的10，且应不小于封头厚度的3倍，以防止封头在过渡部分或其附近产生更高的弯曲应力。3、无折边球形封头使
39、筒体产生较大的附加弯曲应力，因此只运用于直径较小、压力较低的容器。在任何情况下，无折边球形封头的球面半径都不应大于圆筒体的内直径。因为封头球面半径过大将与平扳封头相似，产生很高的边界应力。确定无折边球形封头的厚度时，应核算与其联接的圆筒体的边缘应力，务必使筒体的最大合成应力(包括边缘应力在内)不超过材料屈服极限的2倍。4、锥形封头只在容器的生产工艺确实需要的情况下才采用。无折边锥形封头的半顶角不得大于30。半顶角大于30。的锥形封头应采用折边的结构或在锥体与筒体的联接处采用加强结构，以避免产生过高的附加弯曲应力。采用折边锥形封头时，折边过渡区的转角内半径应不小于园筒体内直径的10，且应不小于锥
40、体厚度的3倍。5除锅炉集箱采用合理结构的平端盖外，平板角焊封头一般不宜用于压力容器。需要采用时应有足够的厚度，并采用保证全焊透的焊接结构。6、用多块扇形板组拼的凸形封头必须具有中心圆板，中心圆板的直径应不小于封头直径的12。三、开孔补强(一)未加强孔的最大允许直径(二)单孔补强结构整体补强即把开孔的球体、圆筒体或封头的厚度加大到使孔边的局部应力减小列允许的范围之内。很明显，这种用增加整体壁厚来降低孔边的局部应力的补强方法是不合理的，所以壳体开孔般都用局部补强法，即在孔边增设补强结构。承压壳体的局部补强也就是另加补强元件补强的结构形式，常用的有三种：即补强圈补强、厚壁接管补强和锻件补强。(三)等
41、面积补强设计的原理等面积补强设计基于这样的观点，即壳体开孔时所削弱的面积可以由孔边周围的多余金属面积来补足。上述金属面积都是指通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积第三章 压力容器的安全泄压装置压力容器的安全装置是专指为了承压容器能够安全运行而装设在设备上的一种附属装置，又常称之为安全附件。锅炉、压力容器的安全装置，按其使用性能或用途可以分为以下四大类型：1连锁装置。指为了防止操作失误而设的控制机构，如联锁开关、联动阀等。2警报装置。指设备在运行过程中出现不安全因素致使其处于危险状态时，能自动发出音响或其它明显报警讯号的仪器，如压力报警器、温度监测仪等。3计量装置。指能自动显示设备运行中与安全有
42、关的工艺参数的器具，如压力表、温度计、液位计等。4泄压装置。设备超压时能自动排放压力的装置。本章只介绍泄压装置。41概述一、设备的超压及其常见原因1操作失误或零件破损引起器内压力升高(1)压力较高的气体进入许用压力较低的容器内；(2)器内产生的气体无法排出造成压力不断上升。2满液后的容器因液体热膨胀而超压3器内燃烧爆炸生成高温高压气体(1)器内混合气体爆炸(2)器内发生燃烧反应4器内化学反应失控造成容器超压5液化气体意外受热饱和蒸汽压增大(1)因操作失误或自动调节装置失灵使器内液化气体受热压力上升。(2)贮罐内高分子单体聚合放热。(3)周围火灾使液化气体受热压力升高。二、安全泄压装置的作用安全
43、泄压装置是为保证锅炉、压力容器安全运行，防止它超压的一种器具。它具有下列功能：当容器在正常的工作压力下运行时，保持严密不漏；当器内的压力一旦超过规定，能自动、迅速地排泄出器内的介质，使设备内的压力始终保持在最高许用压力范围之内。三、安全泄压装置的装设原则对于压力容器并不要求每一台都必须单独装设泄压装置。必须单独装设安全泄压装置的有以下几种：(1)液化气体贮存容器；(2)压气机附属气体贮罐；(3)器内进行放热或分解等化学反应，能使压力升高的反应容器；(4)高分子聚合设备；(5)由载热物料加热，使器内液体蒸发气化的换热容器；(6)用减压阀降压后进气(汽)，且其许用压力小于压源设备(如锅妒、压气机贮
44、罐等)的容器。四、安全泄压装置的类型安全泄压装置按其结构型式分为阀型，断裂型，熔化型和组合型等几种。1阀型安全泄压装置阀型安全泄压装置就是常用的安全阀。优点是：仅仅排泄压力设备内高于规定的部分压力，而当设备内的压力降至正常操作压力时，它即自动关闭。能多次重复使用。缺点是：密封性能较差；由于弹簧等的惯性作用，阀的开放有滞后现象，因而泄压反应较慢。阀型安全泄压装置适用于：介质比较洁净的气体，如空气、水蒸汽等的设备，不宜用于介质具有剧毒性的设备，也不能用于器内有可能产生剧烈化学反应而使压力急剧升高的设备。2断裂型安全泄压装置断裂型安全装置，常见的有爆破片和爆破帽，前者用于中低压容器，后者多用于超高压
45、容器。优点是：密封性能较好，泄压反应较快，气体中的污物对装置元件的动作压力影响较小。缺点是：在完成降压作用以后，元件即不能继续使用，容器也得停止运行；爆破元件长期在高压力作用下，易产生疲劳损坏，因而元件寿命短；此外，爆破元件的动作压力也不易控制。断裂型泄压装置宜用于：器内固化学反应等升压速率高或介质具有剧毒性的容器，不宜用于液化气体贮罐。对于压力波动较大，即超压的机会较多的容器也不宜采用。3熔化型安全泄压装置熔化型安全泄压装置就是常用的易熔塞。优点是结构简单，更换容易，由熔化温度而确定的动作压力较易控制。缺点是在完成降压作用后不能继续使用，容器得停止运行；而且因易熔合金强度的限制，泄放面积不能太大。熔化型泄压装置只能用于器内气体压力完全取决于温度的小型容器，如气瓶等。4组合型安全泄压装置常见的是弹簧式安全阀与爆破片的串联组合。这种类型的安全泄压装置同时具有阀型和断裂型优点。由于结构复杂，组合型安全泄压装置一般用于工作介质有剧毒或稀有气体的容器；又因为安全阀的滞后作用，它不能用于器内升压速度极高的反应容器。42弹簧式安全阀的结构和工作特性安全阀的种类，按其整体结构及加载机构的不同可以分为重锤杠杆式、弹簧式和脉冲式三种。这里只介绍弹簧式，如下图。
