第四章-我国压力容器标准内容介绍

1、2021/8/61第四章 我国压力容器标准内容介绍4.1规范设计标准（GB 150）4.1.1基本内容1.标准代号 GB 150-98钢制压力容器国家技术监督局发布，强制执行标准2.适用压力等级 P35MPa规范设计将设计压力限制在35MPa以下原因分析基于第一强度理论和弹性失效准则基于薄壁理论2021/8/62采用弹性力学基本方法得到适用一切厚度筒体应力计算公式iizriroiriioipkkkpprRkpkppkkrRkp11,10)1 (11211),1 (1222222222222最大主应力内壁外壁内壁外壁内壁根据第一强度理论和弹性失效准则，限制构件中最大主应力在弹性范围内ipkk11

2、,222021/8/63 MPa200130 8 . 14 . 12k常温下各种压力容器材料的许用应力一般在范围内，代入公式中得取最小值k=1.2;K=1.2作为厚壁与薄壁界限，所以P35MPa也控制了容器为薄壁容器常规设计：强度理论为第一强度理论，失效准则为弹性失效准则，容器为k=1.2的薄壁容器。2021/8/643.本标准不包括以下内容a.直接火焰加热容器锅炉，有单独标准，主要材料与加工上要求不同。b.核能容器考虑材料受辐射影响，单独标准。c.旋转或往复运动设备壳体：这类壳体应力计算方法类似d.移动容器：气瓶，有单独标准。e.设计压力p0.1MPa称为常压容器，往往按刚度设计，满足安装运

3、输要求。f.真空度小于等于0.02MPa，一般设备均可承受这一真空。g.做疲劳分析设备h.搪玻璃容器2021/8/654.可用来作为容器强度设计依据a.有限元应力分析b.验证性试验：实验应力分析、液压实验c.与已投入使用的结构对比设计对一个不知制造年限的设备，制造文件丢失，如何处理，材料也不知。通常做法废弃或变为常压储罐a.对材料化验确定材料 。b.对各个部分测厚度，确定最薄壁厚。c.对个焊缝无损检验，确定有无缺陷。d.进行计算确定设计压力（要减去腐蚀余量）。e.进行水压实验。f.重新到锅检所备案。2021/8/665.容器设计与制造资格设计资格：设计单位有压力容器设计单位批准书，设 计单位需

4、取证，设计资质不属于个人，个人可取容器设计师资格证，压力容器制造单位：必须有压力容器制造许可证 ， 容器有、类容器，设计制造也分-类6. GB 150管辖容器范围a.容器与外面焊缝按第一道环向接头坡口端面。b.螺纹连接第一螺纹接头端面。c.第一个法兰面d.管件一个密封面2021/8/677.定义（1）工作压力：正常工作中，容器顶部达到的最高压力。（2）设计压力：容器顶部最高压力，与温度相对应，其值不低 于工作压力。设计压力取值Pd：取决于安全附件类型。安装安全阀： Pd=(1.051.1)PW安装爆破片：由爆破片类型决定常用类型：普通正拱型LP；正拱带槽型LC，开缝型LF；反拱型对普通正拱型L

5、P ：爆破片最小爆破压力 Pmin1.43Pwbbpppp)51 (,00maxmin，通常设计爆破压力对LC,LF正拱带槽（开缝）爆破片wpp25. 1min对YD,YC等反拱类爆破片wpp1 . 1min2021/8/68安全附件设计压力Pb与设备设计压力Pd关系bdpp安全附件设计压力容器设计压力(3)计算压力cp在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于5设计压力时忽略液柱产生的压力 计算压力=设计压力+液柱静压力hppdc2021/8/69（4）试验压力：压力试验时，容器顶部压力。（5）设计温度：在正常工作时，元件沿金属截面平均温度，通常内部温度（6）

6、试验温度：压力试验时，壳体金属温度。试验时对试验液体温度进行限制。（7）计算厚度c：用计算压力按相应壁厚设计公式得到的 厚度。（8）设计厚度d :计算厚度c加腐蚀余量C1（9）名义厚度n :设计厚度d加上钢板负偏差C2向上圆整到钢板标准规格厚度（10）有效厚度e: e= n C1 C2 e d 2021/8/610（11）容器最大允许工作压力wp eietwewtiwDppDp2,2最大允许工作压力 是实际有效厚度计算得出。通常 最大允许工作压力大于设计压力 wpdwpp2021/8/611例如：假设容器 dbwdwdwenncddtidtidppppppMPapmmmmmmcmmpDpMPa

7、mmcmmcmmDMPap确定，满足安全附件压力可用有时大最大允许工作压力比有效厚度向上圆整名义厚度设计厚度计算厚度钢板负偏差腐蚀余量001c212727. 110041280410001160244127711 . 51 . 521 . 31 . 31116021000120 . 1,1601,2,1000,0 . 12021/8/612(12) 确定容器设计压力几点规定 a.与安全泄放装置类型有关 b.对液化气体，由工作条件下可能达到的最高温度对应的饱和蒸气压确定 c.对外压容器，按正常工作条件下，可能达到的最大压差确 定。例如：带夹套反应釜，内部压力为01.5MPa，外部0 0.5MPa

8、，可能存在极限情况，内部为1.5MPa，外部为0，或外部为0.5MPa，内部为0 d.对真空容器，假设工作时可能存在最大真空为0.05MPa，通常取0.1MPa. 2021/8/613 注意:真空度，负压。绝对压力的区别。真空度=大气压绝对压力 设计温度：不得低于工作时可能达到的最高温度，对工作在0以下设备，取可能达到的最低工作温度为最低设计温度。例如：设备最高工作温度为200 ，最低工作温度为-30 ，设备标牌设计温度应写：200/-30对存在不同工况设备应按最苛刻工况进行设计。 例如:有一容器在工作中可能存在如下工况，当最大压力为1MPa时，设备内最高温度为100，当压力为0.5MPa时设

9、备内最高温度为300， 当压力为0.2MPa时，设备温度为-18，试确定容器设计压力与设计温度。 应分别计算各种条件下的壁厚，取最大壁厚对应的压力 与 温度作为设计条件，对最高最低温度只是作为控制材料使用或或应进行的检验要求。2021/8/614（13）壳体最小厚度（按刚度考虑） a.碳钢，低碳钢大于等于3mm b.高合金钢大于等于2mm (14)许用应力 碳素钢，低合金钢: 0 . 1,5 . 1,6 . 1,6 . 1,3tntDtssb指这种材料的最小值。有个范围，值，每种材料抗拉强度钢材标准抗拉强度下限bb钢材常温下屈服点。屈服极限（屈服点）s。塑性变形时对应的应力生定义：规定在常温下

10、产料的屈服极限无明显屈服平台塑性材002 . 02 . 0断裂时的强度平均值。万小时材料发生设计温度下经持久极限10tD2021/8/615抗拉强度安全系数nb=3（控制断裂失效安全系数）屈服极限安全系数 ns(ns )t =1.6（控制塑性变形失效安全系数）持久极限安全系数 nD=1.5 蠕变极限安全系数nn=1.0高合金钢（奥氏体不锈钢）: 屈服极限安全系数 ns =1.55 . 1)(,0 . 32 . 0sb蠕变对应的强度值。万小时材料产生设计温度下，经蠕变极限00110tn2021/8/616对按美国ASME-1标准设计 nb=4， ns=1.6例如：同样用16MnR材料设计， b=

11、510MPa 则我国在20下许用应力=170MPa 美国在20下许用应力=127.5MPa 按美国标准设计的设备厚度是按我国标准设计的厚度1.3倍2021/8/617（15）设计温度低于20时，材料许用应力取20时的许用应力(16)焊缝接头 双面焊全焊缝100无损探伤，焊缝系数=1.0 局部无损检测=0.85单面焊对接接头：有金属垫板，100无损探伤=0.9 局部探伤=0.8对单面焊，用氩弧焊打底， 100无损探伤=1.0 对角焊缝可认为是单面焊，对不进行无损探伤， 可按 =0.62021/8/618（17）外压容器液压试验：按内压进行试验（18）内压液压试验压力 tdTpp25. 1（19）

12、内压气压试验压力 tdTpp15. 1dTpp25. 1注:美国和日本的水压试验1.5倍2021/8/619（20）外压气压试验dTpp15. 1（21）水压试验时的应力不超过 s9 . 0sTseeiTTDp8 . 0,9 . 0)(对气压基于筒体弹性失效要求，任何时候筒体不得达到塑性变形。2021/8/6204.1.2容器设计材料选择依据及材料力学要求1.材料选择依据 a.根据介质腐蚀情况，危险性确定。 b.根据操作温度选择，每一种材料有其适用范围。 c.根据设计压力选择，设计压力高，为了减小壁厚可选用高强度钢。 d.加工性，焊接性，制造容器选用塑性好。可焊性好材料，常用低碳钢、合金钢 e

13、.价格问题2.容器用钢冶炼炉要求 应用平炉，电炉，氧气转炉，钢材满足国家标准，GB 150-1998压力容器用钢标准。2021/8/6213.钢材应有材料质量证明书 主要内容：冶炼炉号，化学成分，机械性能，（满足什么标准，按什么标准制造的）。4.钢材使用温度 不同材料使用温度不同，按GB 150-98标准应力对应的最高温度，为材料最高使用温度。 例如： 700)316(304,350,16350,235,475,16maxmaxtMnDRAQtMnR 最低使用温度如：16MnR 20 Q235-A0,16MnDR 40 奥氏体不锈钢（304，316） 196当采用Q235系列钢制造容器时一定要

14、注意材料使用压力与温度及适用介质。Q235含碳量0.200.23Q235-A.F沸腾钢，脱氧不完全，钢中含氧。2021/8/622适用：不得用于易燃易爆，毒性中、高危险介质容器。mmCtMPap12,2500,6 . 00Q235-A镇静钢，完全脱氧，必须满足机械性能，不要求化学成分mmCtMPap16,3500,0 . 10Q235-B必须满足化学成分，机械性能不要求mmCtMPap20,3500,6 . 10Q235-C机械性能和化学成分都必须保证mmCtMPap20,3500,5 . 202021/8/6234.1.3内压圆筒与内压球壳公式适用范围1.圆筒壁厚计算公式 力推导出。由筒体中

15、径上的周向应cticcpDp2对计算压力限制： tcp4 . 0周向应力是取中径处应力 teeictDp2)(2021/8/6242.球壳计算 35. 1,6 . 04iotccticcDDppDp适用3.最大允许工作压力 圆筒体 )(2eitewDp对球形容器 )(4eitewDp2021/8/6254.2分析设计介绍规则设计弹性失效准则，分析设计塑性设计准则允许局部出现塑性，结构整体无限寿命和局部是有限寿命。分析设计是工程与力学分析的完美结合，反应了先进的设计水平。 首先应用分析设计思想：ASME核容器结构设计理论基础：对应力进行分类，分别采用不同许用应力评定。对材料和加工检验要求高202

16、1/8/6264.2.1分析设计适用范围1.设计压力 MPapd1002.设计温度 9180425154751635015,163752037500000NiCrCCrMoRCMnDRCMnVRMnRCRC，高合金钢耐热钢，铬钼钢，低温钢，碳锰钢，优质碳素钢3.不适用容器与管辖范围与GB 150相同2021/8/6274.2.2设计准则分析存在的应力种类：a.总体一次薄膜应力，存在于结构光滑连续区域。b.局部一次薄膜应力c.一次弯曲应力d.二次应力：不连续区的弯曲应力温差应力e.峰值应力F，F=总应力-薄膜应力-弯曲应力应力不连续区的局部的薄膜:Lp平盖或连续:bp控制组合应力的当量强度应力强

17、度小于等于许用应力强度Sm应力强度:分析设计：塑性失效准则，第三强度理论最大剪应力理论2021/8/6284.2.3应力分类与强度限制总体薄膜应力强度 （存在于连续筒体区）mmSp局部薄膜应力强度： 体与封头连接区域）存在于不连接区，如筒(5 . 1mLSp一次弯曲应力强度 )(5 . 1平板区域mbSp 二次应力限制 ）在不连续接管，封头区(3mbLSQpp峰值应力限制：防止疲劳破坏2021/8/6294.2.4许用应力强度极限 mS5 .1.6 .2954732.sbssmbbmnnJBnSnS分析设计中2021/8/6304.2.5 极限设计分析（塑性失效理论）为何限制一次弯曲应力 mb

18、Sp5 . 1对弹性体梁应力计算 26tMe当梁整个截面屈服时，梁所受弯矩 42tMsp在 作用下，假设梁不产生塑变，梁上下表面最大虚拟弹性应力 pMsstt5 . 14622 mssSn5 . 15 . 15 . 1max2021/8/631由安定性分析得出，分析封头与筒体不连续区应力-应变图。安定性指结构在载荷、温度反复变化中，塑性变形不会连续发生。结构安定是指在第一次加载中出现塑变，之后再不出现塑变。当虚拟应力 时，就不会发生拉伸与压塑双向屈服，结构安定。当=2s时拉伸产生塑性变形，外力消除回复时，发生塑性变形的局部被周围的弹性变形力压缩再一次发生压缩塑性变形。s2mbLSQpp3为何一次应力强度与二次应力强度之和控制在三倍许用应力2021/8/6322021/8/6334.2.6疲劳分析1.高周疲劳：低应力高脉动，应力应变次数大于100000.2.低周疲劳：高应力低脉动，应力应变次数100100000范围2yxaSSS例如：某容器每天发生10次压力循环，压力由14MPa变化，计算得出结构中压力为4MPa时，某点最大主应力差 ， 当压力1MPa时， MPaSx200MPaSa70260200交变应力强度幅：3.交变应力强度幅：容器内某点在整个压力循环中，最大压力时，某点的最大主应力差（Sx= 1-3），当循环压力最小时，