浅谈压力容器设计基础知识

1、D级压力容器设计简介级压力容器设计简介2013.11.5提纲提纲1 1、压力、压力容器的定义容器的定义 压力作用下盛装介质的密闭容器。2 2、压力、压力容器的典型结构容器的典型结构 一般的压力容器至少由筒体（件9），封头（件4），接管，管法兰（件1），支座（件2）组成。 上图中还有人孔（件7），补强圈（件6），压力表（件10），安全阀（件11）液位计（件12）等。3 3、压力容器的主要构件、压力容器的主要构件1 1）筒体）筒体 形状以圆柱形或球形为主，D级压力容器设计多为圆柱形。 结构分单层和组合式两大类，D级压力容器设计多为单层结构。 压力容器筒体一般以内径做为标准系列标准系列，例如DN10

2、00。直径小于直径小于DN500DN500的容的容器一般选用无缝钢管做筒体器一般选用无缝钢管做筒体，这时以外径做为标准系列，例如DN426。筒壁结构分以下几种： 扁平钢带倾角错绕式槽形绕带绕带式绕板式热套式整体多层包扎式多层包扎式组合式无缝钢管式锻焊式整体锻造式单层卷焊式单层式圆筒结构形式2 2）封头）封头 压力容器封头有半球形、椭圆形、碟形、锥形和平封头。 一般设计以选用标准椭圆形封头最为普遍。受力最好最常用 以上是GB/T25198-2010 压力容器封头中包含的标准封头，GB150.3-2011压力容器 第三部分 设计中还列有平盖、偏心锥壳等封头形式。 从受力受力来说，最好到最差的排序排

3、序是半球形、椭圆形、碟形、锥形和平封头。 D级压力容器设计最常用的是标准椭圆形封头。3 3）接管）接管 为满足工艺、制造和检验的要求，压力容器上需要开设物料进、出口，人、手孔，测压、测温仪表口，安全阀、爆破片接口，液位计接口等等，这些开孔一般都要焊接不同规格的接管。 一般接管，根据工艺需要工艺需要按标准钢管系列确定其规格尺寸，最好选用常用的壁厚规格，例如DN100的碳钢管，选用1084。人、手孔按零部件标准选用合适的规格，人孔最小DN400，手孔最小DN150。 接管与壳体（筒体、封头）的连接一般有插入式、嵌入式和安放式三种形式： 插入式插入式 嵌入式嵌入式 安放式安放式4 4）法兰）法兰 分

4、设备法兰和管法兰。 从密封面的宽度分窄面法兰和宽面法兰。 从整体性程度分松式法兰、整体法兰和任意式法兰。窄面法兰窄面法兰宽面法兰宽面法兰松式法兰松式法兰整体法兰整体法兰任意式法兰任意式法兰5 5）支座）支座 支座用于把压力容器支承和固定在基础上。用于圆筒形容器的支座分为立式容器支座和卧式容器支座。立式容器支座又有腿式支座、支承式支座、耳座和裙式支座。卧式容器支座称为鞍式支座。 标准腿式支座又分为角钢形、钢管形和H钢形。 支承式支座分为板式和钢管式。 腿式腿式支承式支承式耳式耳式鞍式鞍式6）密封装置）密封装置 压力容器无论承受内压还是真空载荷，只要存在可拆卸的连接面，就需要密封装置。常用的有静密

5、封和动密封。 设备法兰之间、接管法兰之间及螺纹密封都是静密封。 带有搅拌装置的轴封，一般用填料密封，或机械密封，属动密封。填料密封填料密封机械密封机械密封7 7）安全附件）安全附件 压力容器的安全附件包括：（1 1）安全阀，）安全阀，储存容器、反应容器一般要求设置安全阀，分汽缸、换热器等可在系统管路中设置。（2 2）爆破片装置，）爆破片装置，在压力有可能迅速升高的情况，或介质粘稠度较高的情况下要选用爆破片做为安全泄放装置。（3 3）紧急切断装置，）紧急切断装置，如遇突发事故，可以紧急切断压力或其他危险来源。（4 4）安全联锁装置，）安全联锁装置，主要用于快开门结构。（5 5）压力表压力表，一般

6、压力容器上都装设，有现场表，也有远传表。（6 6）液位计，）液位计，有现场液位计，也有远传测液位装置。（7 7）测温仪表，）测温仪表，同样也有现场和远传测温仪表装置。8 8）其他零部件）其他零部件（1）吊耳；（2）人、手孔；（3）补强圈；（4）视镜；（5）换热器中的管板、换热管和膨胀节等；（6）搅拌容器中的搅拌器等。4 4、压力容器的压力等级、品种和类别的划分、压力容器的压力等级、品种和类别的划分1 1）按设计压力）按设计压力P P划分为划分为四个压力等级四个压力等级：（1）低压低压（代号L），0.1MPaP1.6MPa；（2）中压中压（代号M），1.6MPaP10MPa；（3）高压高压（代号

7、H），10MPaP100MPa；（4）超高压超高压（代号U），100MPaP。2 2）按工艺作用划分为）按工艺作用划分为四个品种四个品种：（1）反应反应压力容器（代号R），用于介质的物理、化学反应，例如反应釜、合成 塔等；（2）换热换热压力容器（代号E），用于介质的热交换，例如加热器、冷凝器、蒸发 器等；（3）分离分离压力容器（代号S），用于完成介质的压力平衡缓冲和气体净化分离， 例如分离器、过滤器、干燥塔、分汽缸等；（4）储存储存压力容器（代号C，球罐代号B），用于储存气体、液体和液化气体， 例如储罐、缓冲罐等。3 3）按设计）按设计、制造和检验管理体系即、制造和检验管理体系即固容规固容规划

8、分为划分为、类类 首先判断介质的分组，第一组按图A-1查定，第二组按图A-2查定。 第一组介质：极度、高度危害化学介质，易爆介质，液化气体。 第二组介质，除第一组外的介质。 压力容器的类别越高，其设计、制造和检验的要求也越高，从选材、焊接、无损检测比例、消除应力热处理等方面要求都要提高。5 5、GB150.1GB150.14-20114-2011压力容器压力容器和和固容规固容规的管辖范围的管辖范围1 1）GB150GB150管辖范围：管辖范围： 0.1MPaP 35MPa，真空度0.02MPa，内直径150mm的压力容器（GB150规定不适用的除外）。2 2）固容规固容规管辖范围：管辖范围：（

9、1）工作压力0.1MPa；（2）工作压力容积2.5 MPaL；（3）介质为气体、液化气体和最高工作温度其标准沸点的液体。 以上3条同时具备，才归固容规管理，即需特检所监检。注意！注意！判断压力容器是否归固容规管辖，用工作压力工作压力，进了固容规的门 槛后，划类用设计压力设计压力。 !不归固容规管辖的也是压力容器，也按GB150设计，只是不需报检。6 6、压力容器设计许可级别、压力容器设计许可级别 TSG R1001-2008压力容器压力管道设计许可规则中对压力容器划分为：1）A级级（1）A1级，指超高压容器、高压容器（注明单层、多层）；（2）A2级，指第类低、中压容器；（3）A3级，指球形储罐

10、；（4）A4级，指非金属压力容器。2）C级级（1）C1级，指铁路罐车；（2）C2级，指汽车罐车、长管拖车；（3）C3级，指罐式集装箱。3）D级级（1）D1级，指第类压力容器；（2）D2级，指第类压力容器。4）SAD级级 指压力容器分析设计。 D级压力容器设计许可证，由省级主管部门评审颁发。 A、C、SAD级压力容器设计许可证，由国家级主管部门评审颁发。 设计许可证的有效期均为四年。7 7、压力容器设计的几个基本概念、压力容器设计的几个基本概念1 1）厚度）厚度（1）计算厚度：由强度计算公式计算出的厚度。（2）设计厚度：计算厚度+腐蚀裕量C2。（3）名义厚度：设计厚度+材料厚度负偏差C1，再向上

11、圆整到材料标准规格的厚度，即图样上标注的厚度。（4）有效厚度：名义厚度-（腐蚀裕量C2+材料负偏差C1）。开孔补强、支撑局部强度校核、外压刚度校核和计算最大允许工作压力等会用到。（5）最小成形厚度：加工成形后的受压元件，保证设计要求的最小厚度。图样上的封头要求标注最小成形厚度，目的是节省材料。2 2）压力容器焊接接头的分类）压力容器焊接接头的分类 压力容器受压元件之间的焊接接头分A、B、C、D四类，非受压元件与受压元件之间的焊接接头为E类。3 3）焊接接头系数）焊接接头系数 焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受焊缝缺陷削弱的程度。 应根据对接接头的焊缝形式及无损检测的长度比

12、例确定。 图样上技术特性表中的焊接接头系数，不注明的话是指A类焊接接头系数。厚度计算公式中的焊接接头系数都是A类焊接接头系数。4 4）腐蚀裕量）腐蚀裕量C2C2 为防止压力容器由于腐蚀、机械磨损导致厚度削弱，增加的厚度裕量。（1）对于均匀腐蚀或磨损的元件，C2=腐蚀速率设计使用年限；（2）不同的部件可取不同的C2，例如：只有下封头带夹套的容器内筒的上封头的C2只考虑单面腐蚀，下封头要考虑双面腐蚀；搅拌容器的介质如果有磨蚀性，下封头的C2可比上封头的取值大些；（3）介质为压缩空气、水蒸汽或水时，碳钢取C21mm；（4）对不锈钢、有衬层的容器一般取C20。5 5）钢板负偏差）钢板负偏差C1C1 钢

13、板负偏差是设计时考虑壁厚附加量之一，其值按相应的钢材标准选取。GB/T709-2006热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差中的钢材厚度偏差分为N、A、B、C四类：N N类类：同一厚度，允许的正、负偏差值相等；A类：同一厚度，允许的正、负偏差不相等；B类：不同厚度，允许的正偏差值不同，所有厚度允许的负偏差都为0.3mm；C类：不允许负偏差，不同的厚度允许的正偏差不同。 GB 713-2008GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板规定厚度偏差B B类类，即-0.3mm，常用钢号Q245R、Q345R等。 GB/T 3274-2007GB/T 3274-2007碳素结构钢和低合金结构钢热轧

14、厚钢板及钢带规定可按以上四种类供货，但如果供货合同未注明，则按N N类类供货。所以选用Q235系列钢板时按下表取C1值： 6 6）压力）压力（1 1）工作压力：）工作压力：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。有时亦称操作压力。 （2 2）设计压力）设计压力：设定的容器顶部最高压力，与相应的设计温度一起作为该容器的基本设计条件，其值不低于工作压力。 一台压力容器或一个独立的压力腔室，在某一操作工况设计条件下，具有唯一的设计压力值。 设计压力的确定，可参照HG/ T 20580-2011钢制化工容器设计基础规定中的表4.0.1：常用（3 3）计算压力）计算压力PcPc：用于确定元件厚度的

15、压力，包括液柱静压力等附加载荷。液柱静压力小于5%设计压力时可不计入计算压力。多腔压力容器工作压力不同时要考虑最大压力差做为计算压力。（4 4）试验压力）试验压力P PT T：在进行压力试验时容器顶部的压力。（5 5）最大允许工作压力）最大允许工作压力 MAWPMAWP：在指定的相应温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。该压力是根据容器各受压元件的有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的，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泄放压力的压力差，使压力容器工作更为平稳。 当压力容器的设计文件没有给出最大允许工作压力时，

16、则可以认为该容器的设计压力即是最大允许工作压力。 （6）安全阀的）安全阀的整定压力(开启压力开启压力)Pz：安全阀瓣在运行条件下开始升起的设定压力，也是在设计图样的技术特性表中填写的压力。（7）安全阀的泄放压力）安全阀的泄放压力Pf（爆破片的爆破压力）：（爆破片的爆破压力）：泄放装置的泄放压力，即介质连续排放时的压力，包括设计压力和超压限度两部分，安全泄放量计算时用到。 各压力间的关系如下图示：最大允许工作压力MAWP可能大于也可能小于PT单腔容器计算压力Pc P7 7）压力试验）压力试验 压力试验包括耐压试验和泄漏试验。 耐压试验包括液压试验、气压试验和气液组合试验。 泄漏试验包括气密性试验

17、、氨检漏试验、卤素检漏试验和氦检漏试验等。 压力试验目的：压力容器制造完毕后或定期检验时，都要进行压力试验，其目的是考核缺陷对压力容器安全性的影响。压力试验值：压力试验值：（1）内压容器：a) 液压试验: b) 气压或气液组合试验： tTpp25. 1 tTpp1 . 1（2）外压或真空容器： a) 液压试验： PT1.25P b) 气压试验： PT1.1P外压容器或真空容器以内压进行耐压试验。夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在需校核内筒在夹套液压试验压

18、力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。对于有特殊要求的设备按行业标准的规定执行，例如乙炔设备，水压试验压对于有特殊要求的设备按行业标准的规定执行，例如乙炔设备，水压试验压力值很高。力值很高。（3）泄漏试验：PTP8 8）无损检测）无损检测 无损检测分焊缝内部检测和表面检测。内部检测又分射线检测(RT)和超声检测(UT)。表面检测常用的是磁分检测(MT)和渗透检测(PT)。检测方法和合格级别执行标准JB/T4730.14730.5-2005承压设备无损检测。（1）焊缝内部检测 焊缝内部内部缺陷主要指裂纹、气孔、未焊透、

19、夹渣等。 UT被检测部位需表面加工到Ra6.3，且靠波形判断缺陷位置和大小，不直观。 RT被检测部位不需要表面加工，但要正反面可接近，放置探头和底片，可从底片上直接判断缺陷的各类、大小和分布小。 焊缝内部检测多采用射线检测，检测分为局部检测和全部检测，一般容器的局部检测比例各条焊接接头长度20% ，且不少于250mm，低温容器为各条焊接接头长度50% 。局部检测合格级别为级，100%检测合格级别为级。 （2）焊缝表面检测 焊缝表面或近表面的缺陷是指贯穿表面的微裂纹、气孔等。 表面检测不需被测表面加工，内能用肉眼判断缺陷位置，不能确定深度。 有磁性的金属材料优先采用磁粉表面检测，无磁性材料采用渗

20、透检测。表面检测的合格级别为级。 用户提供的设计条件图是压力容器设计的重要依据，GB150.1-2011中明确规定了设计条件至少包含以下内容：容器设计所依据的主要标准和规范；是指常规设计还是分析设计操作参数（包括工作压力、工作温度、液位高度、接管载荷等）；高温容器一定要注意接管载荷压力容器使用地及其自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）；容器置于室内还是室外，北方要考虑冬季低温介质组分与特性；介质的毒性与腐蚀性等预期使用年限；根据使用经验和介质腐蚀特性几何参数和管口方位；容积、直径、立式或卧式等要求a)设计需要的其他必要条件。换热器的换热面积、搅拌釜的电机功率等 辽表的压力容器设

21、计条件图有4种：普通容器、换热器、搅拌容器和塔器。其中并不是所有内容都必填，但设计必需的内容一定要填写。1、所有容器共性的必填内容、所有容器共性的必填内容1）介质）介质 介质的性质直接关系到容器的选材。 对于腐蚀性介质要注明浓度； 对于有毒有害和易燃易爆介质，要根据HG20660-2000压力容器中化学介质毒性和爆炸危险程度与分类 注明毒性级别和易燃易爆性； 对于蒸汽要注明是饱和蒸汽还是过热蒸汽，这关系到确定工作温度； 对于搅拌容器中的介质要注明粘度； 对于反应容器的介质要注明反应物和生成物，清楚是放热反应还是吸热反应 以及是否增压。2 2）工作压力）工作压力 在不考虑管路压力损失的情况下：

22、压缩空气储罐的工作压力是压缩机的标定压力； 蒸汽分汽缸的工作压力是锅炉的产汽压力； 普通储罐和过滤器的工作压力是进料泵的扬程； 液化气和液化石油气的工作压力是工作温度下的饱和蒸汽压力。 一般用户不必提出设计压力，但特殊用户可能提出要求，比如石油系统的设计条件单，往往设计压力远远高于工作压力。3 3）工作温度）工作温度 工作温度是设计的重要依据之一，值得注意的几个问题： 对于饱和蒸汽，工作温度与工作压力是对应关系； 对于压缩空气储罐，如果与压缩机直连，工作温度可能高于100，这关系 到安全阀选型计算中介质密度的确定； 对于换热器，管、壳程介质的进、出口温度都要注明，这不但体现出工艺的 合理性，还

23、关系到温差应力的计算； 腐蚀性介质的选材与工作温度和介质浓度直接相关； 根据工作温度考虑设备保温或保冷的问题。4 4）结构简图）结构简图 反应出主要结构尺寸，直径、高度（立式）或长度（卧式）； 接管定位尺寸和管口方位； 支撑方式、和地脚方位； 附件的位置和要求，压力表、测温仪 表、安全阀和液位计等； 内件结构和要求，隔板、孔板、内伸 管等。 5 5）管口表）管口表 接管的连接形式，是法兰还是螺纹，连接法兰标准； PN、DN及法兰密封面形式； 螺纹规格，是内螺纹还是外螺纹； 管口用途。 若在简图中将以上信息都表达清楚了，也可不填写管口表，在条件图的管口表处注明“见附图”。6 6）主体材质）主体材

24、质一般非腐蚀性介质选用碳钢或低合金钢，例如Q245R、Q345R、Q235B等；一般腐蚀性介质，或食品工业选用不锈钢或不锈钢+碳钢复合钢板，例如 06Cr19Ni10（304）；一般医药工业选用铬钼不锈钢，例如022Cr17Ni12Mo2（316L）。7 7）预期使用年限）预期使用年限根据HG/T20580钢制化工容器设计基础规定给出的参考值如下： 一般容器、换热器：10年； 分馏塔类、反应器和高压换热器：20年； 环形容器：25年； 重要的反应容器（如加氢反应器、氨合成塔等）：30年。2 2、换热器条件、换热器条件 除以上的共性条件外，还要提供如下内容：1）换热面积，按GB151-1999钢

25、制管壳式换热器的规定，换热器的换热 面积用换热管的有效传热部分外径计算；2）结构形式，常用的有固定管板式、U形管式、浮头式和填函式；3）换热管规格、长度、数量、排布方式、管间距，尽量选用GB151中的标准 尺寸；4）管、壳程的程数；5）折流板或支持板的数量；6）是否保温，及保温材料名称和容重，保温层厚度；7）其他特殊要求。3 3、搅拌器的条件、搅拌器的条件 除之前所述的共性条件外，还要提供如下内容：1）搅拌器的电机功率；2）搅拌桨形式；3）搅拌器转速、转向；4）其他特殊要求。4 4、应注意的其他特殊条件、应注意的其他特殊条件1）卧式容器要注明是放置在水泥平面上还是钢平台上，若放置在水泥基础上，

26、应预埋基础垫板；2）内装填料的容器要注明填料的规格和容重，以便确定孔板的孔径和支撑；3）是否存在循环载荷，例如压力或温度循环载荷，判断是否存在疲劳问题；4）是否设置安全阀，若系统中设置，要在条件图中注明。若在设备上设置，对于压缩空气储罐最好提供压缩机的产气量，对于液体储罐要提供液体流量；5）小于DN500的设备，例如分汽缸，最好用无缝钢管做筒体；6）对于立式容器，其上封头上的接管法兰 的螺栓孔分布要求，对于有预制管段的 衬胶设备尤其重要。压力容器设计的基本内容：根据给定的工艺设计条件工艺设计条件，遵循现行的规范规范、标准标准规定，在确保安全安全的前提下，经济、正确地选择材料选择材料，并进行结构

27、结构、强（刚）度强（刚）度和密封设计密封设计。压力容器常规设计的基本步骤：压力容器常规设计的基本步骤：用户提供设计条件图 分析容器的工作条件，确定设计参数 结构分析、初步选材 选择合适的规范和标准 受力分析和强度计算 确定构件尺寸和材料 绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件1 1、压力容器设计的理论基础、压力容器设计的理论基础 D级压力容器设计遵循的技术标准是GB150，GB150是中国第一部压力容器国家标准，是常规设计方法。1)GB1501)GB150的主要理论基础的主要理论基础 设计准则设计准则：是弹性失效设计准则和失稳失效设计准则。 应力分析方法应力分析方法：以材料力学、板壳理论公式为

28、基 础，并引入应力增大系数和形状系数。 强度理论强度理论：最大拉应力理论，即第一强度理论。（分 析篇是最大切应力理论，第三强度理论）。2 2）压力容器失效形式）压力容器失效形式交互失效泄漏失效失稳失效刚度失效强度失效压力容器的失效形式腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂脆性断裂韧性断裂强度失效形式（1 1）强度失效）强度失效：因材料屈服或断裂引起的压力容器失效。 韧性断裂韧性断裂：压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。厚度过薄和超压是引起压力容器韧性断裂的主要原因。 脆性断裂脆性断裂：变形量很小、且在应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。材料脆性和缺陷（夹渣、分层、折叠等）都会

29、引起压力容器的脆性断裂。制造缺陷（焊缝裂纹等）和使用产生的缺陷也会导致脆性断裂的发生。 疲劳断裂疲劳断裂：在交变载荷作用下，经过一定周期后发生的断裂。压力、温度的波动，振动引起的应力变化等都属疲劳载荷。 蠕变断裂蠕变断裂：压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄，最终导致断裂。 腐蚀断裂腐蚀断裂：因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑引起的断裂。（2）刚度失效）刚度失效：由于压力容器的变形大到足以影响其正常工作而引起的失效。例如在风载作用下塔发生过大弯曲变形，塔盘倾斜影响正常工作。（3）失稳失效）失稳失效：在压力作用下，压力容器突然失去原有的形状引起

30、的失效。例如真空或外压容器被压瘪。（4）泄漏失效）泄漏失效：由于界面泄漏或渗透泄漏引起的失效。（5）交互失效）交互失效：由于刚度失效引起的泄漏失效，由于腐蚀引起的失稳失效等。 压力容器设计时，应先确定容器最可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范标准要求进行设计和校审。2 2、压力容器用钢材、压力容器用钢材 压力容器用钢材包括板、管、锻件、棒。1 1）压力容器用钢基本要求）压力容器用钢基本要求 选择压力容器受压元件用钢时，应考虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）、材料的性能（力学性能、工艺性能、化学性能和物理性能）、容器的制造

31、工艺以及经济合理性。 压力容器用钢不但要有强度的要求，还要有强度与塑性的配合，还要有良好的可焊性。 压力容器焊接用钢大多是低碳钢，要求C0.025%C0.025%。C能钢的强度极限和屈服极限，但会降低材料的焊接性能，提高脆性转变温度。所以压力容器用钢限制碳的含量，依靠加入其他低含量合金元素来提高钢的强度。 压力容器用钢还要求控制钢中杂质P、S的含量：用于焊接的碳素钢和低合金钢： P0.035%P0.035%、 S0.035%S0.035%。压力容器专用钢的碳素钢和低合金钢： P0.030%P0.030%、 S0.020%S0.020%。2）常用压力容器钢材的标准）常用压力容器钢材的标准GB71

32、3-2008锅炉和压力容器用钢板，如Q245R、Q345R钢板；GB/T3274-2007碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带，如Q235B钢板；GB 24511-2009承压设备用不锈钢钢板及钢带，如06Cr19Ni10钢板；GB/T8163-2008输送流体用无缝钢管，如10、20钢管，厚度10mm；GB9948-2006石油裂化用无缝钢管 ，如10、20钢管，厚度30mm；GB6479-2000高压化肥设备用无缝钢管，如20钢管，厚度40mm； GB/T14976-2002流体输送不锈钢无缝钢管, 如0Cr18Ni9钢管，厚度28mm；GB13296-2007锅炉、热交换器用不锈钢无

33、缝钢管，如0Cr18Ni9钢管，厚度14mm； 3）压力容器常用钢板适用范围）压力容器常用钢板适用范围11 1：GB150.2-2011中规定，碳素钢和碳锰钢钢材在高于425425下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向石墨化倾向。因为碳素钢和碳锰钢在上述情况下，钢中的渗碳体会产生分解，Fe3C3Fe+C(石墨)，而这一分解和石墨化，最终会使钢中的珠光体部分或全部消失，使材料的强度及塑性下降，而冲击值下降尤甚，钢材明显变脆。2 2：GB150.2-2011中规定，奥氏体型钢材的使用温度高于525525时，钢中含碳量应不小于含碳量应不小于0.04%0.04%。这是因为高温使奥氏体中的碳溶解度

34、提高，当温度下降时，过饱和的C与晶界附近的Cr化合成Cr23C6，造成晶界附近贫铬，引起晶间腐蚀倾向。奥氏体钢在使用温度500500550550时，若含碳量太低，强度和抗氧化性会显著下降。4）钢材许用应力）钢材许用应力 压力容器钢材的许用应力，是以不同的强度极限值除于不同的安全系数，取其中的最小值确定的。GB150中除奥氏体不锈钢是用Rp0.2/1.5确定的外，大多材料都是Rm/2.7确定的。下表是碳钢、低合金钢和高合金钢的许用应力取值：表中：Rm材料标准抗拉强度下限值，MPa； ReL(Rp0.2)材料标准屈服强度（或0.2%非比例延伸强度）， MPa； RDt材料在设计温度下经10万小时断

35、裂的持久强度的平均值， MPa； Rnt材料在设计温度下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限平均值， MPa。3 3、内压圆筒（单层）强度设计、内压圆筒（单层）强度设计1 1）、厚度计算公式）、厚度计算公式其中：计算厚度，mm； Pc计算压力，MPa； Di容器内径，mm； Do容器外径，mm； 焊接接头系数； t设计温度下材料的许用应力。计算公式是由圆筒的薄膜应力薄膜应力由无力矩理论无力矩理论对于薄壳薄壳(K=/D1.2)忽略弯曲内力，只计最大拉应力按最大拉应力准则导出的，其适用范围是： Pc0.4 t ，即K 1.5。cticpDp 2ctcpDp 20内径内径外径外径薄壳圆筒的应力薄壳圆筒

36、的应力：轴向应力： 环向应力：环向应力：其中：P设计压力； D中径； t壁厚。环向应力是轴向应力的二倍环向应力是轴向应力的二倍。tPD4tPD2圆筒厚度公式圆筒厚度公式的来源的来源球壳厚度公式球壳厚度公式的来源的来源2 2）、强度校核公式）、强度校核公式3 3）最大允许工作压力计算公式）最大允许工作压力计算公式teeictDp2)(teectDp2)(0内径内径外径外径eitewDp2etewDp02内径内径外径外径4 4）厚度的确定）厚度的确定 图样上注明的厚度是名义厚度，理论上n=+C1+C2再向上圆整到钢板的标准厚度，但在设计中还要考虑的因素很多：（1）GB150中要求的壳体成形后，不包

37、括C2的最小厚度要求：碳钢、低合金钢制容器不小于3mm；高合金钢制容器不小于2mm。（2）换热器标准GB151的最小壁厚要求：；碳钢、低合金钢碳钢、低合金钢高合金钢高合金钢（3）开孔补强的需要；（4）支承强度和刚度要求；（5）衬里设备的刚度要求；（6）选用材料的厚度限制；（7）利用制造厂库存材料等。 总之筒体壁厚的确定，要在保证安全的前提下，综合考虑经济等各种因素后确定。4 4、内压椭圆封头强度设计、内压椭圆封头强度设计 主要介绍常用的以内径为准的椭圆封头。 1)1)厚度计算公式厚度计算公式其中：h椭圆封头计算厚度，mm； K椭圆封头形状系数， ，标准椭圆封头K=1。 其物理意义：K封头上最大

38、总应力/圆筒上周向薄膜应力。 CtiChPDKP5 . 02内径内径由半球形封由半球形封头厚度计算头厚度计算公式演变来公式演变来的的2 2）椭圆封头的受力特点）椭圆封头的受力特点 薄壁椭圆球壳在内压作用下，存在径向应力r和环向应力 ，径向应力r总是大于0，但环向应力却随着椭圆的形状变化而不同。 图 1 径向应力分布图， 在顶点r最大，且与相等； 在赤道r最小。 环向应力在顶点处总是大于0，但在赤道处却存在三种情况： 图2 环向应力分布(1) 图3 环向应力分布(2) 图4 环向应力分布(3) 图2： 时 0 图3： 时= 0 图4： 时 0，可能发生周向皱褶而导致局部屈服失效。 这就是为什么G

39、B150规定：Di/2hi2椭圆形封头e0.15%Di； Di/2hi2椭圆形封头e0.30%Di。3 3）厚度的确定）厚度的确定 和筒体一样考虑诸多因素，一般取与筒体等厚，利于焊接。2ba2ba2ba5 5、平盖、平盖 平盖也是压力容器常用的封头形式之一。1 1）厚度计算公式）厚度计算公式 其中：p平盖计算厚度，mm； Dc平盖计算直径，mm； K结构特征系数。 是以薄板（0.01p/R0.2）理论为依据，按塑性失效原理确定的。2 2）平板受力特点）平板受力特点（1）板内环向应力与径向应力r均为弯曲应力，沿板厚成线性分布；（2）薄板结构的最大弯曲应力： 薄壳结构的最大拉应力： 相同R/t（R

40、为平板半径，t为平板厚度）条件下，薄板所需厚度比薄壳大； tccpKPD2maxtRrtRmax(3)平板应力与固定方式有关（4）周边固支的最大正应力为支承处的r ； 周边简支的最大正应力为中心处的r ，是固支的1.65倍。（5）最大挠度都在中心，周边简支的是固支的4.08倍。（6）周边固支的在刚度和强度两方面均优于周边简支的，工程中是介于两者之间的。3 3）设计应用）设计应用（1）做备用口接管盲板，按压力等级选用标准件；（2）用于低压、小直径设备的封头，但比较厚，换热器用的比较多；（3）用于造纸机械的烘缸，但是加筋结构，厚度计算公式有变化。6 6、开孔补强、开孔补强 压力容器上必有开孔，在开

41、孔部位，不但会削弱容器强度，而且由于结构连续性受到破坏，壳体和接管变形不一致，在开孔和接管处将产生较大的附加弯曲应力，局部区域的峰值应力可达器壁基本应力的3倍以上，这种局部的应力增长现象，称为“应力集中”，开孔补强就是为降低开孔处的应力集中程度。1 1）开孔补强计算方法）开孔补强计算方法 GB150中有等面积法等面积法和分析法分析法，HG/T20582(六项标准之一)中有压力面积法压力面积法。（1 1）等面积法的适用范围：）等面积法的适用范围： a）圆筒Di1500mm时，开孔最大直径d0pDi/2 ，且d0p520mm；Di1500mm时， d0pDi/3 ，且d0p1000mm ； b）凸

42、形封头或球壳上开孔最大直径d0pDi/2； c）锥壳上开孔最大直径d0pDi/3 ，Di为开孔中心处的锥壳内直径。（2）分析法适用范围 d 0.9D，开孔率比等面积法大的多。是GB150新增内容，计算复杂。（3）压力面积法适用范围 又叫大开孔补强，适用于di/Di超出GB150等面积补强法的情况。（4）等面积法简介 它是建立在无限大平板开小孔的弹性分析理论基础上的带有经验性的方法。等面积补强方法规定：局部补强的金属截面积Ae，必须大于或等于开孔削弱所需要的补强截面积A，即AeAAeA。 Ae=A1+A2+A3+A4 Ae=A1+A2+A3+A4 其中：其中：A1壳体的强度富余面积； 当A1+A

43、2+A3A时，不用另加补强； A2接管的强度富余面积； 当A1+A2+A3A时，另加补强A4； A3焊缝截面积； 当A1+A2+A3+A4A时，补强计算合格。 A4另加补强面积。 从上图中可看出，接管的内伸部分几乎都可做为补强面积，所以，当工艺条件允许（不是向下的排净口），制造条件允许（不是衬里设备）时，在补强面积差的不大的情况下，采用内伸结构可解决问题，但是有限度的（h2内）。2 2）开孔补强结构形式：）开孔补强结构形式：（1）补强圈补强 设计采用的最多。（2）整体补强 a)壳体整体加厚，增加多了不经济，一般加2mm左右可接受； b)厚壁接管补强，计算差的少的可用，但厚壁管要考虑采购是否方便

44、； c)整体锻件补强，一般用于高压场合，D级用的较少。 补强圈补强 整体锻件补强3 3）补强圈的适用范围）补强圈的适用范围a）低合金钢的标准抗拉强度下限值Rm 540MPa；b）补强圈厚度1.5n；c）壳体n 38mm。 若条件允许，推荐以厚壁管代替补强圈进行补强。4 4）不另行开孔补强的条件）不另行开孔补强的条件a）P 2.5MPa ；b）相邻开孔中心距两孔直径之和；3个以上开孔，任意两孔中心距2.5两孔直径之和；c）d0 89mm；d） 接管壁厚满足下表，表中C2=1mm:e）开孔不得位于A、B类焊接接头上；f） Rm 540MPa时，全焊透。5 5）设计时注意的问题）设计时注意的问题a）

45、中、低压容器设计多数是采用补强圈补强，一般采用与壳体相同材料，且等厚（开孔补强计算往往不需要等厚）；b）符合前面“4）”的条件的开孔，不必计算；c）现在都是利用强度计算软件计算，对于同等条件（都开在筒体上或都开在封头同一半径上）的不同规格的开孔，如果较大的开孔补强计算合格了，则等厚的较小规格的开孔补强可省略不算；d）对于标准人孔的开孔补强计算，要注意接管的焊接接头系数不一定是1；e）对于补强面积差的不多的情况，可将接管所在位置壳体的焊接接头系数取1，计算就能通过，但要在图样上注明“接管避开焊缝”。7、安全泄放装置、安全泄放装置 包括安全阀和爆破片安全装置。 常规设计中最常用的是弹簧式安全阀，依

46、阀瓣的开启高度分为全启式和微启式。全启式适用于泄放气体、蒸汽及液化气介质，微启式一般适用于泄放液体。 安全阀适用于清洁、不含固体颗粒、黏度低的介质。爆破片适用于压力快速增长的场合。如没有特殊要求，优先选用安全阀。 弹簧式安全阀的工作原理弹簧式安全阀的工作原理：当安全阀阀瓣下的介质压力超过弹簧的压紧力时，阀瓣被顶起，排出的气体由于下调节环的反弹而作用在阀瓣夹持圈上，使阀门迅速打开，随着阀瓣的上移，气体冲击在上调节环上，使排气方向趋于垂直向下，排气产生的反作用力推着阀瓣向上，并且在一定的压力范围内使阀瓣保持在足够的提升高度上，随着气体不断排出，系统内的压力逐步降低，此时，弹簧的作用力将克服作用于阀

47、瓣上的气体压力和排气的反作用力，从而关闭安全阀。 安全阀的最大优点是泄压后可自动恢复连续操作，而爆破片却不能。1 1）容器安全泄放量计算）容器安全泄放量计算对于直连压缩机储气罐，取压缩机单位时间内的最大产气量；对于直连锅炉的储汽罐 ，取锅炉单位时间内的最大产气量；一般气体储罐： Ws=2.8310-3vd2其中：Ws压力容器的安全泄放量，kg/h； 气体泄放压力下密度，kg/m3； 0气体标准状态（1个大气压，0）下的密度； Tf气体泄放温度：设计温度+273，K（绝对温标）； P00.101 MPa（绝压）； T0273K（绝对温标）； Pf安全阀的泄放压力，max1.1P，0.02+0.1

48、01MPa（绝压）； P容器的设计压力，对于只装一个安全阀时P Pz ； Pz安全阀的整定压力，Pz=(1.051.1)Pw MPa（表压）； V压力容器进口管内气体的流速，m/s，一般气体1015， 饱和水蒸汽2030；过热水蒸汽3060； d压力容器进口管的内径，mm。 ffTPTP0002 2）安全泄放装置的泄放面积计算）安全泄放装置的泄放面积计算a)气体（临界条件下）其中：A安全泄放装置最小泄放面积，mm2，对于全启式安全阀，是指喉径处 的截面积 ； 对于微启式安全阀，是指喉 径处的帘面积 ， h=d0（1/401/20）为阀瓣开 启高度；对于微启式安全阀 的阀瓣开启高度GB150上有

49、更 详细的规定。MZTCKpWAffs16.13420dAhdA0注意：对法兰连接的安全阀一般喉径都小于公称直径。注意：对法兰连接的安全阀一般喉径都小于公称直径。C气体特性系数， ，可根据气体的绝热指数k，从GB150 表B.4中查取，对于常见双原子气体如空气、氮气、氧气等为356；K泄放系数，安全阀按阀门样本选取，样本上没有时可参照99版容规选 取，全启式0.60.7；微启式带调节圈0.40.5，不带调节圈0.250.35； 爆破片与接口管道形状有关：（形状不易确定时取0.62）1112520kkkkCM气体摩尔质量，kg/kmol，数值就是分子量；Z气体在操作温度、压力下的压缩系数，根据介

50、质的临界温度、临界压力， 和泄放温度、泄放压力，计 算出对比温度和对比压力， 从右图中查取。介质的临界 温度和临界压力从物性手册 中可查取，对于空气取1，在 中、低压下的双原子气体也 可取1。b)饱和蒸汽、当 Pf10 MPa 时：、当 10 MPaPf22 MPa 时：c)液体其中：液体动力黏度校正系数，见图B.2， 当液体黏度不大于20水的黏度时 取1；P泄放装置泄放时内、外压差，MPa。（1储气罐）储气罐）fsKPWA19. 010006 .2710612 .3319. 0fffsPPKPWAPKWAs196. 03 3）装有安全泄放装置的压力容器设计压力的确定）装有安全泄放装置的压力容

51、器设计压力的确定a)安全阀：当装设一个时， PPz； 当装有多个时其中一个PzP，其他的Pz=1.05P。注意！注意！当容器要求做气密性试验时，PT=P，并要求带安全阀试验，不允许安全阀起跳，这时PPzPw，图样上要注明Pw。b)爆破片：首先确定爆破片的最低标定爆破压力Psmin: 选定爆破片的制造范围： 计算爆破片的设计爆破压力Pb=Psmin+ 制造范围下限 确定设计压力PPb+制造范围上限。 由此可看出，同一Pw时，安装爆破片比安装安全阀时的设计压力大。 例如一台工作压力1.0MPa的压力容器：若装一个安全阀安全阀，Pz=（1.051.1）Pw，取Pz=1.08，取P=1.1。若装一个反

52、拱型爆破片爆破片，Psmin 1.25Pw，取Psmin=1.25， 选全范围Pb=1.25+0.065=1.315 P Pb+0.11=1.4158 8、卧式容器设计、卧式容器设计 卧式容器的设计执行标准JB/T4731-2005钢制卧式容器，其适用条件：P 35MPa ；在均匀载荷作用下；对称的双鞍座。1 1）力学模型）力学模型 把卧式容器当做承受均布载荷、双支点的外伸简支梁，同时考虑充满液体静压作用于端封头以及对圆筒水平纵向截面的力矩作用。下图中：F支反力，是所有重力载荷（物料重量、设备自重、保温层质量等） 的一半； q重力均布载荷； M重力载荷引起的弯矩； F重力载荷引起的剪力。 危险

53、截面危险截面力学模型力学模型剪力图剪力图弯矩图弯矩图2 2）应力计算）应力计算 只简单介绍常用的不带加强圈的应力计算，如果按JB/T4712-2007容器支座 第1部分 鞍式支座选用的鞍座，可不对鞍座进行强度校核，固只介绍圆壳体上的应力，分为三组应力：a）轴向应力轴向应力： 1圆筒中间截面顶点轴向应力； 2圆筒中间截面最低点轴向应力； 3支座处圆筒横截面内鞍座边角处的轴向应力； 4支座处圆筒横截面内最低点的轴向应力；b）周向应力周向应力：5支座处圆筒横截面内最低点的周向应力； 6无加强圈时鞍座边缘处的圆筒周向应力； 6鞍座边缘处圆筒周向应力；c）剪应力剪应力： 圆筒切向剪应力； h封头切向剪应

54、力。e22e4214. 32aacRKMRP 轴向应力由两部分组成，第一项是由内压引起的薄膜应力，第二项是由弯矩引起的弯曲应力。各轴向应力作用点如图示。其中3， 当A Ra/2时在支承截面顶点，否则且鞍座处无加强圈时在接近水平位置。e1e1214. 32aacRMRPe1e2214. 32aacRMRPe12e3214. 32aacRKMRP123( (3)4(1)(1)轴向应力轴向应力轴向应力判据：操作状态：最大拉应力（最大正值）：max1，2 ，3 ，4t最大压应力（最小负值）：min1，2 ，3 ，4tac还有水压试验时的应力校核。A Ra/2时（2 2）周向应力）周向应力周向应力判据：

55、 5t 61.25t 61.25t255beFkK)(23)(422626erereeFKbFL/Ra8时L/Ra8时2626234eeFKbF2626124eaeLFRKbFL/Ra8时L/Ra8时)(212)(422626ereareeFRKbF(3)剪应力剪应力判据：0.8t h1.25t - h e3aRFKiahLALRFK342e3e4hahRFKA Ra/2A Ra/2时时A A Ra/2Ra/2时时3)3)设计注意问题设计注意问题（1）支座应尽量使 A0.5RaA0.5Ra，当无法满足时，A A不宜大于不宜大于0.2L0.2L。（2）鞍座一个选用固定式，一个选用滑动式，固定式的

56、鞍座宜放在设备约束较大一侧，如较大接管一侧。（3）设备若放置在水泥基础上，在滑动式鞍座下应预埋基础垫板。（4）在低压工况下，卧式容器的壁厚往往不是由薄膜应力决定的，可能是由周向应力决定的。（5）选用标准鞍座，只能说明鞍座的强度足够，并不代表卧式容本身安全，所以一定要进行卧式容器强度计算。（2分汽缸）分汽缸）9、外压容器设计、外压容器设计 真空容器和带有正压夹套的容器内筒都要进行外压设计计算，外压计算是一个先假设容器壁厚，通过图表法计算出许用外压力P，直到Pc P，否则反复试算的过程。 GB150把外压圆筒分为D0/e20的薄壁圆筒和D0/e20的厚壁圆筒。薄壁圆筒仅需进行稳定性校核，厚壁圆筒要

57、同时考虑失稳和强度失效。 现在都是利用强度计算软件进行计算，例如利用SW6计算软件，输入假设壁厚后，如果校核计算不合格，计算软件会给出修改设计的选择方案：a) 给出在输入的计算压力下满足要求的最大计算长度；b) 给出在输入的计算长度条件下壁厚要增加到多少；c) 增设加强圈。 外压容器，包括夹套容器的设计应注意的几个问题：1 1）计算压力的确定）计算压力的确定 要考虑可能出现的最大内、外压力差来确定。2 2）外压计算长度）外压计算长度 外压容器计算时，外压长度确定的正确与否，直接关系到计算结果的准确性。真空容器夹套容器带加强圈容器3 3）壁厚的确定）壁厚的确定 一般情况下，按外压确定的壳体壁厚，

58、比按内压确定的壁厚厚的多。而且外压设计计算与材料的强度指标关系不大，主要与材料的弹性模量E相关，所以当外压计算不合格时，不能用选择更高强度的材料来解决问题。4 4）增设加强圈）增设加强圈 如果按外压计算壁厚太厚，特别是用不锈钢时，从经济性考虑，增设加强圈更合理。加强圈规格是按抗弯需求计算出来的。加强圈与筒体间一般采用间断焊。5 5）腐蚀裕量）腐蚀裕量 对于不完全夹套容器的内筒和下封头，其C2的取值要考虑双面腐蚀，如果是含有固体物料的搅拌容器，还要考虑介质的磨蚀。6 6）水压试验）水压试验 对于夹套容器内筒，如果水压试验外压校核不合格，水压试验时内筒要保压。（3反应锅）反应锅）1010、管壳式换

59、热器设计、管壳式换热器设计 GB151-1999管壳式换热器（快出新标准了）中包含四种主要结构形式的换热器：固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式。 换热器的设计计算主要是管板的强度计算，比较复杂，如果手算需要几天的时间，现在用计算软件计算，所以这里只简单介绍设计思路，和设计时应注意的问题和结构形式。1 1）管壳式换热器的主要结构形式）管壳式换热器的主要结构形式（1）固定管板式固定管板式 其典型结构如右图，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、承受压力较高，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点是当管、壳程温差或换热管与壳体材料线胀系数相差较大时，热应力较大。

60、适用于壳程介质清洁，管、壳程温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。上管箱上管箱管板管板换热管换热管折流板折流板膨胀节膨胀节拉杆拉杆下管箱下管箱(2)浮头式浮头式 其典型结构如上图，只有一端管板与壳体固定，另一端可自由移动，所以称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，不会产生热应力。 其特点是管间和管内清洗方便，但其结构复杂，造价比固定管板式的高，设备比较笨重，材料消耗量大，浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束间温差较大或壳程介质易结垢的场合。浮头管板浮头管板钩圈钩圈浮头盖浮头盖（3）U U形管式形管