第一章  压力容器设计概论
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第一章 压力容器设计概论. 第一节 压力容器的绪论 第二节 压力容器的特点与安全 第三节 压力容器的质量保证体系 第四节 压力容器规范和标准 第五节 压力容器材料. 第一节 绪论. 一、压力容器的应用及地位 二、压力容器的基本结构 三、压力容器的分类 四、压力容器设计的基本要求. 一、压力容器的应用及地位. 基本概念 Basic Concept 压力容器 Pressure Vessel.

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第一章 压力容器设计概论

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第一章 压力容器设计概论

第一节 压力容器的绪论

第二节 压力容器的特点与安全

第三节 压力容器的质量保证体系

第四节 压力容器规范和标准

第五节 压力容器材料


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第一节 绪论

一、压力容器的应用及地位

二、压力容器的基本结构

三、压力容器的分类

四、压力容器设计的基本要求


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一、压力容器的应用及地位

  • 基本概念Basic Concept

  • 压力容器 Pressure Vessel

承受一定压力,且与外界分开形成一个封闭系统的容器,统称为压力容器。例: 所有过程装备的壳体、航天器与潜艇的壳体等; 水压机 的液压缸; 压缩机的储罐;发酵罐; 锅炉,核电站核容器; 液化石油气罐。


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二、压力容器的基本结构


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二、压力容器的基本结构


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二、压力容器的基本结构


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二、压力容器的基本结构


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二、压力容器的基本结构

基本承压部件

1.筒体

2.封头

3.密封装置(法兰、密 封元件、紧固件)

4.开孔(人/手孔)与 接管

5.支座

附件

6.安全附件(安全阀、爆破片)

7.测量与控制仪表


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一、压力容器的应用及地位

  • 压力容器的应用

      化学工业——反应釜,换热器,储罐

      石油工业——精馏塔,换热器,储罐

      航天————飞机,火箭,宇宙飞船

      机械————水压机,储能器,压缩机,液压缸

      食品————杀菌锅,发酵罐

      印染————高压染缸

      造纸————烘缸

      动力————锅炉,核电站核容器

      民用————液化石油气罐


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(2)压力容器的地位

一、压力容器的应用及地位

贮运、传热设备

传质、分离设备

反应、工艺管道


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一、压力容器的应用及地位

a.过程设备


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一、压力容器的应用及地位

a. 过程设备


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一、压力容器的应用及地位

b. 过程机械


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一、压力容器的特点

(1)容器应用的广泛性

压力容器不仅广泛用于化学、石油化工、 医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门,在农业、民用和军工部门也颇常见,其中尤以石油化学工业应用最为普遍,石油化工企业中的塔、器、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳,而且绝大多数是在压力温度下运行,如一个年产30万吨的乙烯 装置,约有793台设备,其中压力容器281台,占了35.4%。


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二、压力容器的安全特性

  • 量大面广

    1996年12月的统计资料表明,国内在用固定式压力容器多达122.22万台 ,移动式压力容器中罐车16910辆,在用气瓶5498.7571万只;锅炉总台数也高达51.57万台。此外全国持有压力容器制造企业合计2432个,设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在,以及地域广泛的制造设计部门,自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。


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一.压力容器的特点

(2)操作条件的复杂性

压力容器的操作条件十分复杂,甚至于苛刻。压力从1~2×10-5Pa的真空到高压、超高压,如石油加氢为10.5~21.0MPa;高压聚乙烯为100~200MPa;合成氨为10~100 MPa;人造水晶高达140 MPa;温度从-196oC低温到超过一千摄氏度的高温;而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备,而成为一类特殊设备。


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一.压力容器的特点

(3)极其严格的安全性

压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷,还有附加机械或温度载荷;其次,大多数容器容纳压缩气体或饱和液体,若容器破裂,导致介质突然卸压膨胀,瞬间释放出来的破坏能量极大,加上压力容器极大多数系焊接制造,容易产生各种焊接缺陷,一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂,器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏,势必造成极具灾难性的后果。因此,对压力容器要求很高的安全可靠性。


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一、压力容器的应用及地位

(2)压力容器的地位

举足轻重


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一、压力容器的应用及地位

(2) 压力容器的特点

压力(pressure)

温度(temperature)

介质——腐蚀性(corrosion)

——易燃易爆(burn and explode)

——有毒有害(poison and harmful)

要求在一定的压力P、温度T和化学介质M

的作用下长期安全工作,且保证密封不漏。


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三、压力容器的分类

分类方法:

1、按压力大小分类:

低压容器:0.1≤p<1.6MPa

中压容器:1.6≤p<10.0MPa

高压容器:10≤p≤100MPa

超高压容器:p≥100MPa。


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三、压力容器的分类

分类方法:

2、按作用原理分类:

反应容器:以化学反应为主,如氨合成塔、 HCL

反应器…

换热容器:容器的作用主要是为了进行热交换,

如列管式换热器、板式换热器…

分离容器:用于将物料分离的容器,如气提塔,旋

风分离器…

贮运容器 容器的作用主要是贮放和搬运物料,

如液化气罐、球罐、槽车…


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三、压力容器的分类

分类方法:

3、按安全管理分类《压力容器安全监察规程》:

1)一类容器,属于下列情况之一者:

非易燃或无毒介质的低压容器;

 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。

2)二类容器,属于下列情况之一者:

中压容器;

 剧毒介质的低压容器;

 易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器;

 内径小于1米的低压废热锅炉。


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三、压力容器的分类

分类方法:

3、按安全管理分类《压力容器安全监察规程》:

3)三类容器

高压、超高压容器;

剧毒介质且Pw×V≥0.2m3·MPa的低压容器或剧

毒介质 的中压容器;

易燃或有毒介质且Pw×V≥0.5m3·MPa的中压反

应容器,或Pw×V≥5m3·MPa的中压贮运容器;

中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。


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四、压力容器设计的基本要求

压力容器的基本要求是安全性和经济性。

安全是核心问题,在充分保证安全的前提下,尽可能的做到经济。

经济性包括材料的节约,经济的制造过程,经济的安装维修。容器的长期安全运行,就是最大的经济。

充分保证安全不等于保守。不必要的采用过厚的壁厚,不仅浪费材料,而且厚板的材质与焊接质量效果极差。


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  • 评估标准:

    • 功能

    • 安全性

    • 经济性

    • 对环境的影响

    • 可制造性

    • 时间等

阐明问题

提出解决方案

方案评估

不采纳

改进措施或方向

确定解决方案

四、压力容器设计的基本要求

设计基本步骤


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四、压力容器设计的基本要求

现在特别重要的压力容器(如核容器),由于采了“按分析设计”的方法,不仅提高了安全可靠性也节了材料并降低了制造成本。下图所示的压力容器是分别按照美国机械工程师学会(ASME)锅炉与压力容器规范第VIII篇,第一分篇和第IV篇设计,可以看出“按分析设计”不仅降低了重量,并且使壁厚减厚,有利于提高制造质量。


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第二节 压力容器的特点与安全

一、压力容器的特点

二、压力容器安全的特征

三、压力容器事故事例

四、压力容器的检验和监控


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二、压力容器的安全特性

(2)事故率高

  国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132起,严重事故274起,共死亡104人,受伤371人,直接经济损2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为1.07次/万台,0.28次/万台,0.65次/万台。


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二、压力容器的安全特性

危害性大

1968年英国原子能局(UKAEA)安全卫生和联合部技术委员会(AOTC)工程检验机调查使用年限在30年以内,符合英国BS15和1515等压力容器规范的一级压力容器发生破坏事故的统计情况如表所示:


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二、压力容器的安全特性


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二、压力容器的安全特性

表中的数字表明10000台容器中发生损坏事每年12.5次,达到破坏事故0.7次,事故几为1.32‰,而且这132起使用中的容器故其原因分类,89.3%,即118起是各种制造裂纹所引起。


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三、压力容器事故举例

1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸,

击穿5个,爆炸5个,10200公斤液氯外泄,波及

7公里范围,59人亡,779人严重中毒。

1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐炸,

引发3个球罐和一个卧罐爆炸,5000只气瓶爆炸,

600吨液化气燃烧,32人亡,54 人伤。


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三、压力容器事故举例

1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站容器

发生核泄漏,31人亡,20个国家4亿人受害。


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三、压力容器事故举例

1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰酸脂储罐发生

泄漏,2580人亡,125000人中毒,5万人失明。


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四、压力容器的检验和监控

基本承压部件

1.筒体

2.封头

3.密封装置(法兰、密封元件、

紧固件)

4.开孔(人/手孔)与接管

5.支座

附件

6.安全附件(安全阀、爆破片)

7.测量与控制仪表


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四、压力容器的检验和监控

(1)制造与制造过程中的检验

a.焊接方法:

  焊接方法通常有用户、设计师与制造厂协商 确定。实际上设计时,在结构实际是必须考虑焊接方法,否则定不出焊接接头处的细节。焊接方法包括焊接接头的结构设计、焊接材料及焊条或焊丝焊剂的选用等等。焊接方法确定以后,焊接的工艺规程则由制造厂根据经验或试验确定。对于重要的容器必须有焊接工艺试验来确定最合适的焊接工艺规程。。


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四、压力容器的检验和监控

(1)制造与制造过程中的检验

b.焊后热处理

是否需要焊后热处理一般根据板厚和焊位的约束程度来确定。焊后热处理的作用有个:消除或部分消除焊接残余内应力消除焊接区的脆化


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四、压力容器的检验和监控

(1)制造与制造过程中的检验

c.焊接区的力学性能

应当力求使焊肉、热影响区和母材的力学性能相等。一般除做焊接工艺评定时需要试板测试之外还要求在筒体纵焊缝的末端附装试板,与组焊缝同时焊完,取下以供以后做检验之用。对于重要的容器甚至还需在保留一部分试板,以防若干年后再做金相,化学成分其力学性能检验。


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四、压力容器的检验和监控

(1)制造与制造过程中的检验

d.制造过程中的检验

容器各部分在组焊之前必须通过各种检验,其中最重要的是焊缝质量检验,方法主要是以射线探伤与超声波探伤,辅以磁粉法和着色法以检查是否存在表面裂纹。探伤中发现的裂纹应全部消除,方法为补焊。


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四、压力容器的检验和监控

(2)在役检验与监控

实践证明,压力容器的爆破事故绝大多数起源与裂纹或其它缺陷的扩张。裂纹的萌生与扩张有一个过程,在投入运行前通过了检查的容器,在服役一定时间后,往往在定期检修中发现了裂纹。裂纹的萌生与扩张的原因可能是由于疲劳、应力腐蚀高温下应力的长期作用等等。 


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四、压力容器的检验和监控

(2)在役检验与监控

在役检验的方法以射线检验和超声波检验为主,辅以磁粉和着色检验以检测表面裂纹。一般化工厂在年度大修时进行检查,或根据有关规程分别逐年轮流检查。在核电站中已实行部分的连续监控。


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四、压力容器的检验和监控

(2)在役检验与监控

还有一个问题是材料在服役过程中的退化,包括金相组织的变化,晶界空穴或微裂纹的形成,氢侵袭及辐射脆化等等,最好能放置预应力挂片。

从以上阐述的压力容器质量保证系统的要点来看,在设计一台化工容器时必须充分考虑到以后的各个质量保证的环节。


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第三节 压力容器的质量保证体系

一、压力容器的设计要求

二、压力容器的设计方法

三、压力容器的设计准则


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第三节 压力容器的质量保证体系

定 义

确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有计划、系统的措施。

内  容

材料—设计—制造与制造过程中的检验—在役检验与监控。


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一、压力容器的设计要求

安全性 经济性

 足够的强度   经济可靠的材料

 足够的刚度(或稳定性)   经济的制造方法

 可靠的密封性能   低的操作和维护费用

 一定的使用寿命   长周期的安全运行

    安、稳、长、满、优

 原则:充分保证安全的前提下尽可能做到经济


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一、压力容器的设计要求

设计是一台压力容器诞生的第一步,也是质量保证的第一个环节。在设计时应当周密的考虑到以后各环节中可能产生的问题和相应的措施。在设计时,首先应当仔细分析用户的要求和提供的相关技术资料。根据对压力容器基本特征解,决定根据何种设计规范进行设计。根据规范的要求,容器的各部分进行应力分析。应力分析和材料选择实际上同时进行的,应力分析的结果应当是材料的性能得到充分发挥,并且尽可能使容器的各部分达到等强度。


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一、压力容器的设计要求

  • 材料的选择是重要的设计环节,它既与容器抵抗失效的能力有关,又与制造工艺密切相关。一般说,一台压力容器的设计文件包括设计计算书,施工图,

    技术要求等三部分。

  • 这三部分与材料的选用,制造,检验等质量保证的各化解成为统一整体。


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二、压力容器的设计方法

(1)按规则设计 - GB150《钢制压力容器》基于经济方法的设计,其典型过程是确定设计载荷,选用设计公式、曲线或图表,并对材料取一个安全应力,最终给出容器的基本厚度,然后根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造。


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二、压力容器的设计方法

(1)按规则设计 - GB150《钢制压力容器》

它是我国的第一部压力容器的国家标准。这一标准的基本思路与ASMEVIII-1的基本相同,即 “按规则设计”,该标准的适用范围如下:

a.内压:0.1~35MPa

b.真空:不低于2000(mmH2O)

c.温度:根据钢材的许用温度及特性,,从-196度到钢材的蠕变限用温度


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二、压力容器的设计方法

(1)按规则设计 - GB150《钢制压力容器》

GB容器标准只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器。标准中指明有8种情况不属于其适用范围,其中有:

直接火加热的容器、经常搬运的容器、须做疲劳分析的容器、 核能装置中的容器、旋转或往复运动的机械设备中的受压气室。

设计压力低于0.1MPa的容器;

真空度低于0.02MPa的容器;

内直径小于150mm的容器;

已有其他行业标准的容器。


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二、压力容器的设计方法

(1)按规则设计 - GB150《钢制压力容器》

GB容器标准中一第一强度理论为设计准则,将最大主应力限制在许用应力以内,这是与ASMEVIII-1相同的一个基本点。不同的是,以极限强度为基准的安全系数nb,我国取nb=3, ASMEVIII-1取nb =4。另一个不同点是,GB容器标准对局部应力参照MEVIII-2作了适当处理,采用第三强度理论,允许凸形封头转角及开孔处的局部应力超过材料的屈服极限。


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二、压力容器的设计方法

(2)按分析设计

  • JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》基于考虑作用在容器上载荷的性质,进行详细的应力分析,计算得到的应力按其对容器破坏的作用分类,与许用应力强度比较和评定,并加上严格的材料、制造和检验要求。


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三、压力容器的设计准则

设计准则—在特定的设计条件下,有效地利

用材 料强度或刚度,使容器或其部件在设计寿命

内安全运行。

强度设计准则   刚度设计准则

弹性设计准则  弹性变形设计准则

塑性设计准则  失稳设计准则

脆断设计准则 疲劳设计准则

蠕变设计准则


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三、压力容器的设计准则

  • 弹 性 设 计 准 则

    容器不出现涉及总体范围

    的较大变形,即在内压或

    其他拉伸等静力载荷在器

    壁中所引起的最大应力不

    超过材料的弹性极限。如

    考虑设计安全裕度,则限

    制在材料的许用应力以下。


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三、压力容器的设计准则

  • 塑 性 设 计 准 则

    当容器总体范围进入整体

    塑性变形或局部区域沿整

    个壁厚进入塑性变形时,

    则认为容器己耗尽承载能

    力而失效。


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第四节 压力容器规范和标准

一、压力容器和管道安全技术法规

  二、压力容器设计规范和制造技术标准

三、国外主要压力容器设计规范


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一、压力容器管道安全技术法规

《锅炉压力容器安全监察暂行条例》

1982年2月 国务院《锅炉压力容器安全监察暂行条例实施细则》

1982年7月 劳动人事部《压力容器使用登记管理规则》

1989年3月 劳动人事部《压力容器产品安全质量监督检验规则》

1990年8月 劳动人事部《压力管道安全管理与监察规定》

1996年4月 劳动人事部等 《压力容器安全技术监察规程》

1999年6月 国家质量技术监督局


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二、压力容器设计规范和制造技术标准

全国压力容器标准化技术委员会:

GB150《钢制压力容器》在1989年3月第一版,1998年第二版

GB12337《钢制球形储罐》 1998年

GB151《钢制管壳式换热器》1999年

GB4710《钢制塔式容器》 2000年

JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》 1995年

JB4731 《钢制卧式容器》 2000年

JB4710 《钢制塔式容器》 2000年

JB/T4735《钢制焊接常压容器》 1989年

JB/T4700-4707《压力容器法兰》 2000年

JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》 2000年

JB/T4709《钢制压力容器焊接工艺规程》 2000年等


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三、 国外主要压力容器设计规范

ASME Ⅷ-1 《压力容器》 1998

ASME Ⅷ-2 《压力容器-另一规则》 1998

ASME Ⅷ-3 《高压容器》 1997

JIS B8270 《压力容器(基础标准)》1993

JIS B8271-8285《压力容器(单项标准)》1993

BS5500《非直接火熔融压力容器》1976

AD规范

CODAP规范


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第五节 压力容器材料

一、压力容器用钢

二、压力容器材料选用总则

三、压力容器钢板的适用范围

四、压力容器钢板的适用要求


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一、压力容器用钢

由于压力容器制造重大多数均采用冷加工卷和焊接,因此容器钢板必须具有良好的性和可焊性。并不是所有的钢材都可以用制造压力容器的。

  简要的说,压力容器用钢板比一般钢板的求严,主要体现在:对化学成分的控制较严格,抽样检验率较高,在力学性能检验增加了冲击支的要求等等。


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一、压力容器用钢

(一)压力容器用钢板

  • 碳素钢钢板:Q235-A.F,Q235-A,Q235-B,Q235-C,20R

  • 低合金钢钢板:16MnR,15MnVR,15MnVNR,18MnNoN6R,13MnNiMoN6R,07MnCrMoVR,16MnDR

    15CrNoR,14Cr1MoR

  • 高合金钢钢板:0Cr13A1,0Cr13,0Cr18Ni9,0Cr18Ni10Ti

    0Cr17Ni12Mo2,0Cr18Ni12Mo2Ti,0Cr19Ni13Mo2,

    00Cr19Ni10,00Cr17Ni14Mo2,00Cr19Ni13Mo3,

    00Cr18Ni15Mo3Si2


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一、压力容器用钢

(二)压力容器用钢

 碳素钢钢管:10,20,20G

 低合金钢钢管:Mn,15MnV,09MnD,12CrMo,15CrMo,

12Cr1MoVG,10MoWVNb,12Cr2Mo,1Cr5Mo

 高合金钢钢管:0Cr13,0Cr18Ni9,0Cr18Ni10Ti,

0Cr17Ni12Mo2,0Cr18Ni12Mo2Ti,0Cr19Ni13Mo3,

00Cr18Ni10,00Cr17Ni14Mo2,00Cr19Ni13Mo3


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一、压力容器用钢

(三)压力容器用锻件

  • 碳素钢锻件:20,35

  • 低合金钢锻件:16Mn,15MnV,20MnMo,20MnMoNb,

    16MnD,09Mn2VD,09MnNiD,16MnMoD,20MnMoD,

    08MnNiCrMoVD,10Ni3NoVD,15CrMo,35CrMo,

    12Cr1MoV,12Cr2Mo1,1Cr5Mo

  • 高合金钢锻件:0Cr13,0Cr18Ni9,0Cr18Ni10Ti,

    0Cr17Ni12Mo2,00Cr19Ni10,00Cr17Ni14Mo2,

    00Cr18Ni5Mo3Si2


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一、压力容器用钢

(四)螺栓

  • 碳素钢螺柱:Q235-A,35

  • 低合金钢螺柱:40MnB,40MnVB,40Cr,30CrMoA,

    45CrMoA,35CrMoVA,25Cr2MoVA,40CrNiMoA,

    1Cr5Mo

  • 高合金钢螺柱:2Cr13,0Cr18Ni9,0Cr18Ni10Ti,

    0Cr17Ni12Mo2


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一、压力容器用钢

(一)选用的总则

  • a.压力容器受压元件用钢应在上述钢材中选用。

  • 非受压元件用钢,当与受压元件焊接时,应是焊接性能良好的钢材。

  • b.压力容器受压元件用钢应有平炉,电炉或氧气转炉冶炼,刚才的技术要求符合国家技术标准,行业标准或有关技术条件的规定。


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一、压力容器用钢

(一)选用的总则

c.压力容器受压元件用钢应附有钢材生产单位的钢材质量证明书。容器制造单位应按照质量证明书对刚才进行验收,必要时还进行复验,若无钢材生产单位的钢材质量证明书,则应按《压力容器安全技术检查规程》的规定。

d.选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件(如

 设计温度,设计压力,介质特性和操作特等),

 材料的焊接性能,容器的制造工艺以及经济合理性。


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一、压力容器用钢

(一)选用的总则

e. 钢材的使用上限不超过GB150-1999的各许用应力表的各钢号所对应的上限温度。

f. 碳素钢和碳锰钢在高于425度下长期使用时,应考虑钢中炭化物相的石墨化倾向。

g. 奥氏体不锈钢的适用温度高于52度时钢中碳含量应不小于0.0004

h. 钢材的使用下限,除奥氏体钢及另行规定者外,均为高于-20度。


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一、压力容器用钢

(一)选用的总则

i. 钢材的使用温度低于或等于-20度时,应进行夏比(charpy)V型缺口低温冲击实验,奥氏体钢的使

用温度高于或低于-196度时,可做免冲击实验。

j. 当对钢材有特殊要求时(如要求特殊冶炼方法,

较高的冲击功指标,附加保证高温屈服强度,提高无损检测的要求,增加力学性能检验),设计单位应在图示或相应的设计文件中注明。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

a.基本要求

容器承受压力或其它载荷,因此容器的材料应具有

足够的强度,强度过低势必使容器过厚,而强度过

  高又将影象材料的其它力学性能。

容器制造时多数须用冷卷及热冲压成型工艺,因此

  材料应具有良好的塑性,使冷卷及热冲压时不裂不

  断。

容器必须具有良好的韧性,使其具有足够的安全使

  用寿命。大部分容器都要焊接,因此材料要有良好

  的可焊性。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

b.化学成分的要求

化学成分控制较为严格是容器用钢的主要特点。化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑性,韧性等较大影响,对热处理效果也有较大影响。

碳含量偏高可能使强度增加,但导致可焊性变差,焊接时容易在热影响区出现裂纹,各种微量元素的含量必须严加控制,否则会加剧回火脆性。硫含量过多会影响断裂韧性,也易出现裂纹。钼能提高钢的高温强度,但含量超过0.005时会影响可焊性。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

b.化学成分的要求

  从总体上看,化学成分对热处理有决定性的影响,如果对成分控制不严,就达不到预期的处理效果。

  由此可见,压力容器用钢在冶炼时就必须将各种成分严格控制在允许的范围之内,作为容器用钢,许多元素成分的允许范围要比同钢号的非容器用钢严格。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

b.化学成分的要求

  以16MnR为例,其磷硫含量要求低于0.00035,而同类型的非容器用的结构钢16MnR仅分别要求。低于0.00045和0.0005。研究表明进一步控制有害元素磷与硫的含量将大大改善压力容器用钢的韧性和可焊性。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c. 力学性能的要求

  材料的力学性能主要是指强度、塑性与韧性。这些性能指标常常被误认为是材料的一种属性。实际上,材料的力学性能固然取决于化学成分,还取决于材料热处理后的组织状态,往往有一定的分散性。对于循环载荷情况,通常将材料性能的特定表现称为材料在一定条件下的“机械行为”。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

C. 力学性能的要求

强度是衡量材料抵抗外载荷能力大小的力学指标。通常用拉伸试样测得抗拉强度和屈服极限,这两个指标可表征材料的强度。也是容器设计计算中用以确定许用应力的主要依据。屈服点于抗拉强度之比称之为屈强比,屈强比可反映材料屈服后强化能力的高低,高强钢的屈强比值较高。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

ii.塑性

由于容器制造中采用冷做弯卷成型工艺,要求材料必须具备充分的塑性。通常用以衡量材料塑性的指标是断后伸长率(或称延伸率)及端面收率,它们可在拉伸实验中同时测得。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

Iii.韧性

韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反应。韧性好的材料具有相当好的防止发生脆性断裂和裂纹快速失稳扩张的能力。塑性好的材料一般韧性也好,但塑性不等于韧性。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

Iii.韧性

冲击韧性:这是衡量材料韧性的指标之一。可用

  带缺口的冲击式样在冲击实验中所吸收的冲击工

  作为冲击韧性值。现在通常采用夏比V型缺口冲

  击实验的冲击功指标,它能更好的反映材料的韧

  性,对温度变化也很敏感。

常用指标:KV表示


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

Iii.韧性

无塑性转变温度(NDT):在不同温度下测定出一些裂纹的冲击韧性值,可以发现材料在某

 一温度取间随温度降低而韧性值突然下降,从而可以得出该材料的无塑性转变温度,以便确定材料的最 低适用温度。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

Iii.韧性

断裂韧性:材料的冲力韧性可指导选材的工作,但冲击功不能直接用于设计计算。现在引入断裂力学中的断裂韧性指标用于压力容器的防脆断设计和安全评定。目前用的较多的是应力强度因子临界值和尖端张开位移临界值。这些断裂韧性值可以衡量材料的韧性情况,即可看出存在裂纹时材料所具有的防脆断能力。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

iv.疲劳特性

材料的疲劳特性明显是一种“力学行为”,材料的疲劳寿命,即在达到断裂时所能承受的应力循环数,主要与外加交变应力的应力幅有关,同时平均应力也有很重要的影响,并且数据的分散性很大。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

c.力学性能的要求

  其它如材料在高温蠕变,腐蚀——拉应力同时作用、疲劳——蠕变交互作用以及腐蚀—疲劳交互作用下的特定力学行为,则情况更为复杂,设计者必须收集和研究有关资料,判断压力容器的使用寿命。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

d.热处理的要求

一般的说,钢材总是在一定的热处理状态下使用的。有些刚才直接热压后才可使用。但热压后的组织实际上也是一种经过热处理的组织。不少钢种要经过热处理才能充分发挥其优点。高负荷工作的低合金钢,一般都经过调质处理。有些重要的部件为了提高高温强度而要求具  有贝氏体组织,这就需要更加严格的热处理,尤其对于厚截面的钢板,要使整个截面上的性能尽可能达到均匀是很不容易的,这是的热处理程序必须精心设计并严格执行。


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一、压力容器用钢

(2)压力容器材料选用的基本要求

综上所述,对于压力容器用钢要求较为严格,作为钢厂出厂的必检项目是:化学成分、抗拉强度、屈服点、断后伸长率、180度冷弯、冲击功。制造厂接受钢材来货时必须检查钢厂的保质书,对制造重要容器的刚才还要进行抽样复查,甚至超声波检测以确定其压制的质量。


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二、压力容器材料选用总则

(1)选用的总则

i. 钢材的使用温度低于或等于-20度时,应进行夏 比(charpy)V型缺口低温冲击试验。奥氏体钢的使 用温度高于或等于-196度时,可免做冲击试验。

j. 当对钢材由特殊要求时,(如要求特殊冶炼方,较高的冲击功指标,附加保证高温屈服强度,提 高无损检测要求,增加力学性能检验),设计单位 应在图示或相应的设计文件中注明。


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二、压力容器材料选用总则

(2)压力容器材料选用的基本要求

a. 基本要求

容器承受压力或其它载荷,因此容器的材料应具有足够的强度,强度过低势必使容器过厚,而强度过高又将影响材料的其他力学性能。

  容器制造时多数须用冷卷及热冲压成型工艺,因此材料应具有良好的塑性。使冷卷及热冲压时不裂不断。容器必须具有良好的韧性,使其有足够的安使用寿命。大部分容器都要焊接,因此材料必须良好的可焊性。


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二、压力容器材料选用总则

(2)压力容器材料选用的基本要求

b.化学成分的要求

  化学成分控制较为严格是容器用钢的重要特点。化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑性,韧性等较大影响,对热处理效果也有较大影响。碳含量偏高可能使强度增加,但导致可焊性能差,焊接时容易在热影响区出现裂纹。各种微量元素的含量必须严加控制,否则会加剧回火脆性。硫含量过多会影响断裂韧性,也易出现裂纹。钼能提高钢的高温强度,但含量超过0.5%时会影响 可焊性。


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二、压力容器材料选用总则

(2)压力容器材料选用的基本要求

b.化学成分的要求

从总体上看,化学成分对热处理有决定性的影响,如果对成分控制不严,就达不到预期的热处理效果。

  由此可见,压力容器用钢在冶炼时就必须将各种成分严格控制在允许的范围之内。作为容器用钢 ,许多元素成分的允许范围要比同钢号的非容器用钢严格。


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三、压力容器钢板的适用范围

(一)碳素钢沸腾钢板Q235-AF的适用范围为:

容器设计压力P<0.6MPa

钢板使用温度为0~250度

用于壳体时,钢板厚度不大于12mm

不得用于易燃介质及毒性程度为中度、高度

或极度危害介质的压力容器。


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三、压力容器钢板的适用范围

(二)碳素钢镇静钢板的适用范围如下:

1) Q235-A钢板

容器设计压力P<1.0MPa

钢板使用温度为0~350度

用于壳体时,钢板厚度不大于16mm

不得用于液化石油气介质及毒性程度为高度

或极度危害介质的压力容器。


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三、压力容器钢板的适用范围

(二)碳素钢镇静钢板的适用范围如下:

2) Q235-B钢板

容器设计压力P<1.6MPa

钢板使用温度为0~350度

用于壳体时,钢板厚度不大于20mm

不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的

压力容器。


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三、压力容器钢板的适用范围

(二)碳素钢镇静钢板的适用范围如下:

3) Q235-C钢板

容器设计压力P<2.5MPa

钢板使用温度为0~400度

用于壳体时,钢板厚度不大于80mm


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三、压力容器钢板的适用范围

(三)下列碳素钢和低合金钢板,应在正火状态下使用:

  • 用于壳体厚度大于30mm的20R和16MnR

  • 用于其它受压元件(法兰,管板,平盖等)的厚度

  • 大于50mm的20R和16MnR

  • 厚度大于16mm的15MnVR


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四、压力容器钢板的实验要求

(1) 对容器制造过程中需进行热处理的碳素钢和低合金钢钢板,检验钢板性能时,应用热处理样胚上取样,样胚厚度为钢板厚度,样胚长度和宽度均不小于3倍钢板厚度,试样的轴线应位于离样胚表面1/4厚度处。式样所处的位置离样胚各侧面距离应不小于样胚厚度。


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四、压力容器钢板的实验要求

(2) 应逐块进行拉伸和夏比(V形缺口)冲击

(常温或低温)试验的碳素钢或低合金钢钢板:调质状态供应的钢板 多层包扎压力容器的内筒钢板用于壳体厚度大于60mm的钢板。


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四、压力容器钢板的实验要求

(3)需逐块进行夏比(V形缺口)低温冲击试验的钢板

  • 使用温度低于0度的, 厚度大于25mm的20R

  • 使用温度低于0度的, 厚度大于38mm的16MnR,

    15MnVR和15MnVNR

  • 使用温度低于0度的, 任何厚度的18MnMoN6R,

    13MnNiMoN6R和Cr-Mo钢板

  • 使用温度低于10度的,厚度大于12mm的20R

  • 使用温度低于10度的,厚度大于20mm的16MnR,

    15MnVR和15MnVNR


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四、压力容器钢板的实验要求

(4)需逐块进行超声波检测的钢板(按JB4730)

  • 厚度大于30mm的20R和16MnR,质量等级不低于III 级;

  • 厚度大于25mm的15MnVR,15MnVNR,18MnMoN6R,MnNiMoN6R和Cr-Mo钢板,重量等级应不低于III级;

  • 厚度大于20mm的16MnR,15MnNiDR,09Mn2VDR和09MnNiDR,质量等级应不低于II级;

  • 厚度大于20mm的16MnDR, 15MnNiDR,09Mn2VDR和09MnNiDR,质量等级应不低于III级;

  • 多层包扎压力容器的内筒钢板,质量等级应不低于II级;

  • 调质状态供货的钢板,质量等级应不低于II级。


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