关于压力容器的报告

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随着近代化工工业的迅速发展，高压容器获得越来越广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为 15~60MPa ；合成甲醇工业中的高压设备压力为 15~30MPa ；合成尿素工业中的高压设备压力为 20MPa ；石油加氢工业中的高压设备压力为 8~70MPa ；乙烯气体在超过 100MPa 的超高压条件下进行聚合反应等，都是利用高压条件下化学平衡向有利于合成产品的方向进行的这一原理，它不仅可以提高化学反应的速度，而且大大的减小了反应设备的的容积。从各方面的技术应用中表明，高压容器在现代工业中的应用必不可少，而且是得到迅速发展的一个领域。
　　我国《压力容器安全技术监察规程》对高压范围的划分是 10MPa ≤ p <100MPa ，其中 p 为设计压力。
　　高压容器的筒体强度设计准则按照传统的弹塑性力学主要有以下三种观点：
（一）以弹性失效为破坏准则的设计观点
这种观点认为，不允许筒体上有塑性变形区，一旦筒体的某一部位出现屈服现象，筒体便失去正常工作的能力，认为整个筒体已失效。这种失效称之为弹性失效。
（二）以塑性失效为破坏准则的设计观点
这种观点认为，器壁上应力最大点的材料进入屈服阶段，并不导致整个容器的破坏，因为其他部分金属仍处于弹性状态。这样，已进入屈服阶段的材料，要进一步发生塑性变形便受到仍处于弹性状态金属的限制。只有当塑性区不断的扩展，直至整个截面发生屈服，容器才失去正常工作的能力。这种失效称之为塑性失效。
（三）以爆破失效作为破坏准则的设计观点
这种观点认为，厚壁容器器壁很厚，而且都是用塑性较好的材料制成的，由于应变硬化，材料屈服后再进一步变形则需要更大的力，而不是立即发生破坏。只有发生爆破，容器才是真正破坏。
在化学工业中使用的高压容器，其操作条件随工艺过程而异，情况比较复杂。它不仅承受高压，而且通常伴有高温和低温，同时筒体材料还受介质的腐蚀。所以对高压容器的设计、制造与检验是一个需要十分认真对待的工作。
     在高压容器的设计过程中，一般应考虑下列问题：
强度的可靠性[1]、[2]
    为了保证强度的可靠性，使容器在确定压力作用下，不导致破坏或过量的塑性变
形，就必须对容器的受力元件进行详细的应力分析，并结合选材、制造、检验等作综合的考虑，然后定出合理的壳体结构和尺寸，是周向应力、轴向应力和径向应力都在许用应力范围之内的前提。
刚度的可靠性 [3]
在载荷的作用下，要求构件的弹性位移和转角不得超过规定的数值，以防止失
稳的发生。
3、密封的可靠性[3]、[4]
压力容器能否正常运行，在很大程度上取决于密封结构的完善程度。要求其在
正常工作时能保证容器的密封性，另外还要求具有拆装方便、制造方便和结构紧凑的特点。高压密封装置的结构形式多样，但都具有大多采用金属密封元件、采用窄面或线接触密封和尽可能采用自紧或半自紧式密封的特点。常用的高压密封结构形式主要有：平垫密封、卡扎里密封、双锥密封和伍德密封等。
   1、压力容器的设计使用寿命问题[5]
     压力容器的设计使用寿命问题一直是我国的设计单位和设计者尽量避免涉及和回避的问题，其主要表现在以下两个方面：首先，受技术条件、管理体制和人员观念等因素的制约，设计者对压力容器的设计使用寿命大都不愿或难以给出准确的预报值，从而导致压力容器超期服役现象的存在；其次，由于缺乏相关标准和法规条文对超期服役的压力容器进行必要的规定和限制，使得其使用和检验缺乏有效的依据，处理不好客观上会造成重大的安全隐患。但由于种种原因，压力容器的设计使用寿命问题一直没有得到应有的重视。
    事实上，压力容器的设计使用寿命应该由设计者在图样上标注，设计者在设计时应考虑到影响容器使用寿命的因素，主要有：
    ★ 材料的力学性能如高温蠕变和高温断裂对时间的依赖性；
    ★ 腐蚀裕量中包含的设计寿命因素；
    ★ 载荷如周期性载荷等的时间性；
    ★ 违规操作或恶劣环境等非正常因素。
    因此，正确的设计途径应是：设计者在确定容器设计使用寿命的基础上，充分地考虑以上四个因素的影响，合理地选择材料、确定腐蚀裕度、提出制造、检验和操作要求等等。
    GB150-1998《钢制压力容器》的第3.3.5.2条明确规定：“应根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量”，也就是说腐蚀裕量等于年腐蚀速率乘以容器设计寿命，在腐蚀速率中不仅包括介质对材料的腐蚀，也包括介质流动时对容器材料的冲蚀和磨蚀。在标准中，由设计者确定的容器设计使用寿命是设计时确定腐蚀裕量的一个重要前提。无独有偶，新版《压力容器安全技术监察规程》的第32条规定：“为防止压力容器超寿命运行引发安全问题，设计单位一般应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命”，也明确了设计单位在确定压力容器设计使用寿命上的责任。应该指出，压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计，其作用是提醒使用者，当超过压力容器的设计寿命时应采取必要的措施如：经常测量厚度和缩短检验周期等。
    压力容器的设计寿命是一个复杂的问题，涉及到材料选用、腐蚀基础数据、结构设计等一系列设计因素，能否准确地预计，反映了设计者的经验和水平。笔者认为，无论是按国际压力容器设计的惯例，还是为了提高设计的水平和权威性，都应在图纸上标注压力容器的设计使用寿命，这样做才能真正体现对用户和对设备安全高度负责的精神。
    2. 压力试验的免除问题 [5]
    GB150-1998《钢制压力容器》的第3.9条规定：“对不能按3.8的规定作压力试验的容器，设计单位应提出确保容器安全运行的措施，并在图样上注明。”许多标准使用者对此条的理解存在偏差，归纳起来主要是需要弄清楚以下两个问题：一是在什麽情况下可以免除压力试验？二是免除压力试验后需要采取那些措施？
    事实上，压力试验的免除仅仅针对那些不可能进行压力试验的现场组焊的大型压力容器，如：催化裂化装置中的有隔热层的大型反应器和再生器以及那些基础不能承受液压试验时水的重量的压力容器等等。也就是说，压力试验之所以免除，是因为这些容器或者不具备做压力试验的条件，或者根本就不允许做压力试验。总之，免除意味着不能做而不是不去做，因此不能作为一般在制造厂内生产的压力容器不进行压力试验的依据。需要说明的是，这里的压力试验系指耐压试验。
    压力试验免除的后果是减少了压力容器制造过程中的一个检验环节，当然需要采取相应的补救措施以保证压力容器的质量和安全。所采取的措施取决于使用者和设计者对容器的要求，一般性的措施如下：
    ★ 提高对压力容器材料的要求：即提高其化学成分、力学性能和检验的要求；
    ★ 提高结构设计的要求：即尽量采用全焊透接头、避免出现严重的几何不连续现象；
    ★ 提高无损检测的比例和级别；
    ★ 提高容器的超压泻放的能力。
    压力试验是设计者需要重点考虑的问题，是否可以免除以及免除后应采取哪些措施也是设计者需要重点考虑的问题。设计者不能也不应该轻易提出免除压力试验的要求，更不应该在设计阶段忽略了免除压力试验所应该采取的措施，而在制造完成后提出免除压力试验的要求。新版《压力容器安全技术监察规程》第30条规定：“对不能进行耐压试验和气密试验性试验的，应注明计算厚度和制造及使用的特殊要求，并应与使用单位协商提出推荐的使用年限和保证安全的措施”。在即将提交技术委员审查的GB150-1998《钢制压力容器》的标准提案中，对于是否应免除压力试验，笔者提出了增加补充条款建议的提案，补充条款明确规定：免除压力试验应“由设计单位技术负责人批准”。
    3.低温压力容器的界限问题[5]
    我国的低温压力容器界限一直人为地定义为-20℃，但其基础是以钢材U形缺口冲击试样的统计数据为依据。1982年以后，钢材的韧性试验改用V形缺口冲击试样作为技术指标，两者相差很大，并波及到我国低温压力容器的界限问题，并成为业内人士争论的焦点，目前仍然是悬而未决的问题。按现代压力容器的设计理念，一台特定的压力容器是否属于低温压力容器的范畴，应根据以下几个因素确定：
    ★ 压力容器所用材料的低温力学性能；
    ★ 压力容器材料的热处理状态；
    ★ 材料的厚度；
    ★ 容器材料中的应力状态（实际应力与许用应力相比）。
    考虑到上述因素，GB150-1998《钢制压力容器》的4.2.7条已经对低温压力容器界限进行了如下修正：
    a) 使用温度低于0℃时：厚度大于25mm的20R，厚度大于38mm的16MnR，15MnVR和15MnVNR，任意厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR和Cr-Mo钢板；
    b) 使用温度低于-10℃时：厚度大于12mm的20R，厚度大于20mm的16MnR，15MnVR和15MnVNR。
    上述范围内的压力容器的低温冲击功指标根据钢板标准抗拉强度下限值按附录C确定。有提案者建议将此范围内的压力容器列入低温压力容器的管辖范围，其制造、检验等方面的要求也应满足GB150-1998附录C的规定，目前该提案已提交技术委员审查。
    4.最大允许工作压力问题[5]
    按GB150-1998《钢制压力容器》附录B中的B2.1条的定义，最大允许工作压力“指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力，该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值”。最大允许工作压力的作用是设定容器超压限度的起始压力，充分利用容器的圆整厚度，尽量拉大工作压力与安全阀或爆破片泻放压力之间的压力差，使压力容器的工作更为平稳。当采用最大允许工作压力作为设定容器超压限度的起始压力时，在设计中应考虑用最大允许工作压力代替设计压力进行压力试验。对此，GB150-1998《钢制压力容器》附录B中的 B4.1条已经有了明确规定。本文讨论的是容器最大允许工作压力的计算问题。
    容器的最大允许工作压力应根据容器中包含的所有受压元件的设计条件和结构尺寸予以确定，原则上依据各受压元件的有效厚度计算得到。容器的最大允许工作压力可按下式确定：（略）
    对设计者而言，是否需要提高容器的超压限度，是决定是否采用最大允许工作压力进行压力试验前提条件。应该说，GB150中的最大允许工作压力定义不够准确，笔者在送审的标准提案中已经给出了修订方案，即“该压力是根据容器各承压元件的有效厚度计算所得，且取最小值。”
   
     温度对压力容器用低合金钢在高温高压水中低循环疲劳特性的影响[6]
   
      试验材料和方法2．I试譬材辩试验材料是日本工业标准(JlS)的两种钢；SFVQ1A压力容器用低台金调质锻钢(相当于ASTM A508 C13)及SQV2A压力容器用锰钼镍调质低台金轧制钢(相当于ASTM A$33B c1．1)。表1列出了两种钢的化学成份、热处理条件和机械性质。疲劳试样是采用了如图1所示的带凸缘的实心圆棒，其中部等经部位直径8ram，长度16ram。试样分别在其轴线平行和垂直于锻造(即压延的两个方向上截取)




     在设计高压容器的过程中也会遇到一些问题，比如壁厚的计算、封头的设计、密封方式的选择、附件的选取等等，我将会根据具体的设计要求，运用所学知识，查阅相关资料，在论文中作进一步的探讨研究，并作出解答。
高压容器设计制造完成之后我们还要对其进行一系列的实验，比如筒体应力测定试验（了解筒体的应力分布情况）、爆破试验（测定圆筒塑性变形开始和结束时的屈服压力值，以及圆筒爆破时的爆破压力）、水压试验以及气密性试验（检测容器泄漏与否），以此来检测压力容器是否能保证安全有效的生产。在应力测定试验中我们要用到实验应力分析方法。
实验应力分析用实验方法测定机械零件或结构构件中的应力和变形的一门学科称为实验应力分析。它和应力分析理论一样是解决机械和结构强度问题的一种重要手段。这两种手段互相配合并各有其特点。应用实验应力分析方法可解决结构设计中合理选择结构形状和尺寸；测定现有设备在运行过程中各构件的真实应力状态，找出最大应力的数值和部位，从而评定结构的安全程度；对破坏或失效的构件进行分析；校核应力的理论计算方法等等。因此它在工程设计和科学研究中十分重要。
实验应力分析的方法很多，其中主要有电阻应变测量方法、光弹性实验方法、脆性涂层法、云纹法、激光全息干涉法和激光散斑干涉法等。[7]
其中以电阻应变测量方法在实验应力分析各种方法中应用最广泛。简称为“电测法”。电测法原理比较简单，应用技术易于掌握。它可以测量实物与模型的表面应变，具有很高的精度和灵敏度。为了测量结果更加精确的反映实际的应力情况，我们在运用电测法的过程中还应注意：
     电阻应变计的性能和选用[8]
电阻应变片是一种电阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引
线四部分组成。具体选用时应根据弹性体的结构、应力状态、材料、使用环境条件、以及电阻应变片的阻值、尺寸、蠕变匹配等因素，综合考虑选用合适的应变片。
电阻应变计的技术参数[9]
电阻应变计的技术参数主要有：几何尺寸、标称电阻值、灵敏系数、应变极限、使用温度范围、绝缘电阻、机械滞后和蠕变。
3、电测法的误差分析[7]、[10]、[11] 、[12]
实验中误差一般分为系统误差、随机误差和粗差三种，属于使用者读数或记录差错引起的粗差应尽量避免，系统误差由应变计灵敏度系数不准、应变仪灵敏系数刻度不准，应变几粘贴方向不准、长导线影响及应变计横向效应影响等产生，应由应变仪校验，注意粘贴应变计方向、考虑长导线修正和应变计横向效应修正来消除和减小系统误差。随机误差表现为应变计灵敏系数散度和多次读数差别等，由误差传递原理综合得到总的测量误差。
    在这里只对电阻应变测量方法作一简单的介绍，实验过程中还会遇到许多具体的问题需要解决，比如电阻应变计的测量原理、应变片的粘贴方式、理论置于实测值之间的误差产生原因以及减小的方法等等，我将会运用所学知识、查找相关资料给出解答，并在最后的论文中作说明。
参考文献：
[1]丁伯民,黄正林等.高压容器.北京：化学工业出版社，2003
[2] 李蓉“椭圆封头与筒体连接处不连续应力分析”《化工设计通讯》2006年06月第32卷第2期：28～31
[3]郑津洋，董其伍，桑之富主编.过程设备设计.北京:化学工业出版社,2005
[4]刘志军,喻健良,李志义编著.过程机械.北京:中国石化出版社,2002
[5]全国压力容器标准化技术委员会 秘书长寿比南《压力容器设计中有关标准问题的探讨》
[6]佐藤, 蔡千华 日本:材料とプロセス,1996，9 , no.6
[7]沈观林“电阻应变测量方法的若干应用技术问题”《化工设备与管道》1982年第03期
[8]唐鲁杰，杨继红“电阻应变片的选用”《科技应用》2004年第33卷第6期:9～10
[9]彭震中，虞永煦“应力应变电测技术（一）电阻应变片”《技术讲座》1996年第7期：52～56
[10] 高晓丁,胥光申,王锦“电阻应变片贴装方位偏差对测量结果的影响”《西安石油学院学报（自然科学版）》2001年11月第16卷第6期:41～43
[11]谭志红，屈娅嘉，舒信箴“压力容器应力测定及其误差分析中几个问题的探讨”《江西工业大学学报》1992年6月第14卷第2期：24～31
[12] 缪华山“应变片贴片方位误差及计算机辅助分析”《浙江海洋学院学报》2001年第02期：143～146

[ 本帖最后由 qimingxing 于 2007-7-16 21:27 编辑 ]

qx1962

楼主收集的文章真不少，而且全都是直接引入，太了不起了。