压力容器设计基础知识讲稿

压力容器设计基础知识讲稿

（20140325）

名目

差不多概念

1.1压力容器设计应遵循的法规和规程

1.2标准和法规（规程）的关系。

1.3压力容器的含义（定义）

1.4压力容器设计标准简述

1.5D1级和D2级压力容器讲明

二.GB150-1998《钢制压力容器》

1.范畴

2.标准

3.总论

3.1设计单位的资格和职责

3.3GB150管辖的容器范畴

3.4定义及含义

3.5设计参数选用的一样规定

3.6许用应力

3.7焊接接头系数

3.8压力试验和试验压力

4.对材料的要求

4.1选择压力容器用钢应考虑的因素

4.2D类压力容器受压元件用钢板

4.3钢管

4.4钢锻件

4.5焊接材料

4.6采纳国外钢材的要求

4.7钢材的代用规定

4.8专门工作环境下的选材

5.内压圆筒和内压球体的运算

5.1内压圆筒和内压球体运算的理论基础

5.2内压圆筒运算

5.3球壳运算

6.外压圆筒和外压球壳的设计

6.1受平均外压的圆筒（和外压管子）

6.2外压球壳

6.3受外压圆筒和球壳运算图的来源简介

6.4外压圆筒加大圈的运算

7.封头的设计和运算

7.1封头标准

7.2椭圆形封头

7.3碟形封头

7.4球冠形封头

7.5锥壳

8.开孔和开孔补强

8.1开孔的作用

8.2开检查孔的要求

8.3开孔的形状和尺寸限制

8.4补强要求

8.5有效补强范畴及补强面积

8.6多个开孔的补强

9法兰连接

9.1简介

9.2法兰连接密封原理

9.3法兰密封面的常用型式及优缺点

9.4法兰型式

9.5法兰连接运算要点

9.6管法兰连接

10.压力容器的制造、检验和验收

10.1制造许可

10.2材料验收及加工成形

10.3焊接

10.4D类压力容器热处理

10.5试板和试样

10.8无损检测

10.9液压试验

10.10容器出厂证明文件。

11.安全附件和超压泄放装置

11.1安全附件

11.2超压泄放装置

11.3压力容器的安全泄放量

11.4安全阀

三、GB151-1999《管壳式换热器》

01简述

02标准与GB150-1998《钢制压力容器》的关系。

03差不多章节

1适用范畴

2组成

3型号表示法

4有关参数的确定

5焊接接头系数

6试验压力和试验温度

7其它要点

8管板运算

9制造、检验与验收

四、附录受内压薄壁容器的应力分析名目

1.薄壁旋转壳体的几何概念和差不多假设

1.1几何概念

1.2薄壁壳体的差不多假设

2薄壁圆筒的应力分析

2.1轴向应力的运算

2.2环向应力的运算

3旋转薄壁容器的应力分析

3.1薄壁壳体的一样方程式

3.2经向应力。1和环向应力。2的运算

4.应用举例

圆筒形壳体

4.2球壳

4.3椭球壳（椭圆封头）

4.4锥形壳（锥形封头）

4,5薄壁圆环（弯管段）

压力容器设计差不多知识

（讲稿）

一.差不多概念

1.1压力容器设计应遵循的法规和规程

1）《特种设备安全监察条例》（本文简称《条例》），是国务院2

003年3月11日公布的条例，条例自2003年6月1日起施行。原《锅炉压

力容器安全监察暂行条例》同时废止。

2）《压力容器安全技术监察规程》（本文简称《容规》），此《容规》

自2000年1月1日起正式实施。在安全监察中，包括的七个环节是：设计、

制造、安装、使用、检验、改造和修理。此规程与《条例》有不一致之处,

应按《条例》的内容修改。

3）《压力容器压力管道设计单位资格许可与治理规则》，此规则

自2003年1月1日起实施。

1.2标准和法规（规程）的关系。

《容规》第4条规定，压力容器的设计、制造（组焊）、安装、使用、

检修、修理和改造，均应严格执行本规程的规定；第5条规定：本规程是

压力容器质量监督和安全监察的差不多要求，有关压力容器标准、部门规

章、企事业单位规定等，如果与本规程的规定相抵触时，应以本规程为准。

GB150总论第3.1条规定：容器的设计、制造、检验和验收除必须符合

本标准规定外，还应遵守国家颁布的有关法令、法规和规章。

因此，当标准与法规或规程有不一致时，应按法规（和规程）的规

定执行。

1.3压力容器的含义（定义）

按照《条例》第八十八条中的规定，压力容器用语的含义是：“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，其范畴规定为最

高工作压力大于或等于O.IMPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于2.

5MPa-L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等于0.2MPa（表压）,

且压力与容积的乘积大于或等于l.OMPa-L的气体液化气体和标准沸点等

于或者低于602液体的气瓶；氧舱等。”

1.4压力容器设计标准简述

我国压力容器专业性的具有一定规模的压力容器的设计和制造，起于

五十年代初期。

1980年起，压力容器设计方面依据为：《钢制石油化工压力容器设计规

定》和《钢制管壳式换热器设计规定》。

GB150-1998《钢制压力容器》是强制性的压力容器国家标准。该标准

对钢制压力容器的设计、制造、检验和验收作出具体的规定。是压力容器

的差不多标准。

对压力小于O.IMPa的钢制容器的设计，按压力容器行业标准JB/T473

5-1997《钢制焊接常压容器》的规定。

卧式容器和立式容器的设计尚应符合行业标准JB4710-2000《钢制塔式

容器》和JB4731-2005《钢制卧式容器》的规定。

GB151-1999《管壳式换热器》标准，是用钢、铝、铜、钛和锲等材料

制造的管壳式换热器的设计制造和验收标准。

化工行业标准HG20580〜HG20585-1998,是针对化工设备的特点，

对钢制压力容器设计和制造方面提出更详细的规定，有关设计方面的标准

是:

HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》

HG20581-1998《钢制化工容器材料选用规定》

HG20582-1998《钢制化工容器强度运算规定》

HG20583-1998《钢制化工容器结构设计规定》

其它配套标准如零部件如封头、法兰、支座、加固圈等标准，材料标

准、焊接标准等已日趋完备。

1.5D1级和D2级压力容器讲明

按照《压力容器压力管道设计单位资格许可与治理规则》第三条规

定，压力容器设计类不和级不的划分是：（一）A类、（二）C类、（三）D

类和（四）SAD类。其中D类又分：D1级和D2级。

1.D1级系指第一类压力容器

2.D2级系指第二类低、中压容器

第一类和第二类的具体划分见《容规》第6条的规定。

注：压力等级的划分是：按容器的设计压力P的大小，其中：

低压（代号L）O.IMPaWP<1.6MPa

中压（代号M）1.6MPaWP<10MPa

二GB150-1998《钢制压力容器》

GB150-1998《钢制压力容器》（简称GB15O）,包括正文十章和八个

附录。

十章正文目次是：①范畴；②引用标准；③总论；④材料；⑤内压

圆筒和内压球壳；⑥外压圆筒和外压球壳；⑦封头；⑧开孔和开孔补强；

⑨法兰；⑩制造、检验与验收。

八个附录中，属于标准的附录有：附录A材料的补充规定；附录B

超压泄放装置；附录C低温压力容器；附录D非圆形截面容器。属于

提示的附录有：附录F钢材的高温性能；附录G密封结构；附录H

材料的指导性规定；附录J焊接结构。

标准的附录E产品焊接试板的力学性能检验，已被新公布的JB4744-

2000《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能试验》所代替。

1.范畴

GB150-1998《钢制压力容器》规定了“钢制压力容器的设计、制造、

检验和验收要求”。

即是讲：GB150是碳素钢、低合金钢和高合金钢制的压力容器，在设

计、制造、检验和验收的整个过程中，必须遵守的强制性国家标准。

标准中规定适用的压力容器的设计参数的范畴是：容器的设计压力不

大于35MPa；

适用的设计温度范畴按钢材承诺的使用温度而定。

关于D类压力容器，设计压力范畴应小于lOMPa。

在GB150的1.3和1.4中，还规定出不属该标准规定范畴的各类压力容

器，

其中有：直截了当用火焰加热的容器；核能装置中的容器；经常搬运

的容器；设计压力低于O.IMPa的容器；真空度低于0.02MPa的容器；要

求作疲劳分析的容器；内直径小于150mm的容器；此外，还有旋转或往

复运动的机械设备中自成整体的受压器室，以及已有其他行业标准的容器,

诸如制冷、制糖、造纸、饮料和搪玻璃容器等。

2.标准

在GB150所列的引用标准中包括GB、GB/T、JB和JB/T四种代号

的标准，标准分为强制性标准和举荐性标准（举荐性标准一经采纳，即具

有强制性的性质）。GB/T是举荐性的国家标准，JB是机械工业的行业标准,

JB/T是机械工业举荐性的行业标准，而JB或JB/T中排号为4XXX号码的,

规定为压力容器行业的标准。例如：

JB/T4736-2002《补强圈》

JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》

JB/T4747-2002《压力容器用钢焊条订货技术条件》

JB/T4711-2003《压力容器涂敷与运输包装》

3.总论

在“总论”一章中，对下列的8个方面作了规定：

①标准与有关法规和规章的关系；②设计和制造压力容器单位的资格

和职责；③容器的范畴；④压力、温度和厚度的定义；⑤设计参数选用的

一样规定；⑥材料许用应力确定的依据和取值的规定；⑦焊接接头系数的

确定；⑧压力试验（液压试验和气密性试验）和试验压力的规定。

3.1《条例》对设计单位的规定

《条例》第十一条规定：压力容器的设计单位应当经国务院特种设备

安全监督治理部门许可，方可从事压力容器的设计活动。

（一）有与压力容器设计相适应的设计人员设计、审核人员；

（二）有与压力容器设计相适应的健全的治理制度和责任制度。

3.2GBi50-1998对设计单位的资格和职责规定

资格容器的设计单位必须具备健全的质量治理体系，应持有压力容

器设计单位批准书，压力容器的设计必须同意国家质检总局有关安全监察

机构的监察。

职责应对设计文件的正确性和完整性负责。容器的设计文件至少应

包括设计运算书和设计图样。容器设计总图应盖有容器设计资格印章。

3.3管辖的容器范畴划定

GB150管辖的容器，其范畴包括壳体及与其连为整体的受压零部件，

且划定在下列范畴内。

3.3.1容器与外部管道连接：焊接连接的第一道环向接头坡口端面;

螺纹连接的第一个螺纹接头端面；法兰连接的第一个法兰密封面；

3.3.2接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件。

3.3.3非受压元件与受压元件的焊接接头。接头以外的元件，如加

大圈、支座、裙座等。

3.3.4超压泄放装置和外表附件。

详见GB150中的3.3.1至3.3.4条的规定。

3.4定义及含义

3.4.1压力除注明者外，均指表压力。

3.4.2工作压力（PW）指在正常工作情形下，容器顶部可能达到

的最高压力。

3.4.3设计压力（P）指设定容器顶部的最高压力，与相应的设计

温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。即P2PW。

3.4.4运算压力（PC）指在相应当设计温度下，用以确定元件厚度

的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承担的液柱静压力小于5%设计压

力时，可忽略不计。故PC2P；

3.4.5试验压力（Pt）指压力试验时，容器顶部的压力。

注：试验用压力表口设计位置应位于容器顶部。

3.4.6设计温度指容器在正常工作情形下，设定的元件的金属温

度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载

荷条件。

3.4.7试验温度指压力试验时，壳体金属的温度。

3.4.8各种厚度

运算厚度8指按厚度运算公式运算得到的厚度。

设计厚度6d指运算厚度（8）与腐蚀裕量（C2）之和。

即

8d=8+C2,因此5d28

名义厚度6n指设计厚度（5d）加上钢材厚度负偏差

（C1）后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标在图样上的厚度。

8n^（8d+Cl）

有效厚度8e指名义厚度（5n）减去腐蚀裕量（C2）和

钢材厚度负偏（C1）。

6e=5n-Cl-C2

=6n-（C1+C2）=6n-C（厚度附加量）

注：如设定圆整量为C3,各厚度的关系为：

6n=6+C1+C2+C3

3e=6+C3=8n-（C1+C2）

8d=8+C2

3.5设计的一样规定

设计的一样规定，是对设计压力、设计温度、载荷、壁厚附加量和最

小厚度选用等的规定。

3.5.1设计压力（P）的确定

1）内压容器

①容器上装有超压泄放装置（安全阀）时，容器的设计压力确定的步

骤如下：

确定安全阀的开启压力PZ，取PZW（1.05〜1.1）PW.当PW<0.18MP

a时，可适当提升PZ有关于PW的比值。再令PePZo

②容器上装有爆破片：P=Pb+AP

式中：Pb为设计爆破压力，其其值等于最低标定爆破压力Psmin加

上所选爆破片爆破范畴的下限（取绝对值）；

Ap为爆破片制造范畴上限。

最低标定爆破压力Psmin和上下限查表B2和表B3。

③容器上无安全阀，但出口管线有安全阀：PNPz+Ah.Ah为容器

到安全阀的压力降。

④容器的压力源如与泵直截了当连接，则可有下列情形：

容器位于泵的出口侧，设计压力应取下述情形中的大值，泵正常入口

压力+正常工作扬程；泵最大入口压力+正常工作扬程；泵正常入口压力+

出口全关闭时的扬程。

容器位于泵（压力源）的进口侧，且无安全泄放装置时，取「=（1.0〜

1.1）Pw,并以P=-0.1MPa进行外压校核。

2）外压、真空容器及夹套容器（按外压设计）

①确定外压容器的设计压力时，应考虑在正常情形下可能显现的最大

内外压力差。

②确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承担外压考虑。当装有真

空泄放阀时，设计压力P=1.25AP式中AP为最大内外压力差，或P=0.

IMPa两者中的低者。未装真空泄放阀时，取P=0.1MPa。

③夹套容器：

带内压夹套的真空容器：内筒为真空，设计压力=真空设计的外压力（按

②条）+夹套内压力，并以1.25倍的夹套外压力核定内筒的外压稳固性。夹

套按内压运算。

带真空夹套的内压容器（即夹套为负压，内筒为正压）：内筒的设计压

力=内筒的压力+0.1MPa,并核对在夹套试验压力下的稳固性；夹套按②考

虑。

3）盛装液化气体的容器

对盛装液化气体的容器，在规定的充装系数范畴内，设计压力应按照

工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

设计压力按《容规》第34条的规定。常见介质的设计压力按《容规》

第36条中表3-3的规定。由于液化气体多属有毒或易燃性质，且设计压力

多数为中压，因此应注意设计的范畴，辨论容器的类不。

3.5.2设计温度的确定

设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。

在任何状况下，元件金属表面的温度不得超过金属的承诺使用温度。

关于00C以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最

低温度。

3.5.3有不同工况的容器

对有不同工况的容器，应按最苛刻的工况设计，并在图样或相应技术

文件中注明各工况的压力和温度值。

3.5.4载荷

设计时应考虑的载荷有：内压、外压或最大压力差；液体静压力；

按照容器的具况，还可能考虑自重，内件重和附属设备等等的阻碍（详见G

B15O的3.5.4条中的内容）。

3.5.5厚度附加量

厚度附加量C由钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分组成。

C=Cl+C2

钢材厚度负偏差C1按钢材标准的规定；当钢材厚度负偏差不大于0.2

5mm,且不超过名义厚度的6%时，厚度负偏差C1可忽略不计。

如选用GB6654-1996《压力容器用钢板》标准，其厚度负偏差C1可忽

略不计。

腐蚀裕量C2为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导至厚度的削弱

减薄，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的零件，应按照预期的容器寿命

和介质对钢材的腐蚀速率而定。

注：腐蚀分类：

①平均腐蚀金属表面显现各部分的腐蚀速度大致相同的连续腐蚀；

②非平均腐蚀金属表面各部分具有不同速度的连续性破坏；

③局部腐蚀局部发生腐蚀，如点蚀（呈一个个的点状）和斑点腐蚀

（呈一个个的斑点状）；

④应力腐蚀由腐蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀；

⑤晶间腐蚀是金属晶粒界面的腐蚀。

标准中的材料的腐蚀速率，是关于平均腐蚀而言，亦即钢材表面的腐

蚀速率（毫米/年）各处差不多相同。

腐蚀裕量C2=腐蚀速率X设计使用年限

（毫米/年X年=毫米）

在考虑腐蚀的同时，也应考虑容器可能发生的机械磨损。

此外，由于金属所处的介质情形（如介质的腐蚀性、浓度和温度）不

同，腐蚀程度不同，因此，采纳不同的腐蚀裕量。

GB150中规定“介质为压缩空气、水蒸气的碳素钢或低合金钢制容器,

腐蚀裕量许多于1mm”。

最小厚度

容器在较低内压力作用下，按厚度运算方法得到的厚度专门小，尽

管能满足容器的强度要求，但刚度不够。为解决刚度咨询题，GB150中规

定了壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：

a）对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm；

b）对高合金钢制容器，不小于2mm。

因此，碳素钢和低合金钢制的容器的最小名义厚度应不小于4mm。

3.6许用应力

容器使用钢材常用指标是力学性能，在D类容器中，要紧指标是材料

的抗拉强度ob和屈服点os（或。0.2）。

容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏，在实际应用中必须操纵容器

的材料受力处在安全范畴内，即除以系数n,n称为材料许用应力系数（即

是设计安全系数）。

从钢常温抗拉强度考虑，设计安全系数取3;

按钢的设计温度下的屈服强度考虑选用的设计安全系数：对碳素钢和

低合金钢取1.6；对高合金钢取1.50

将钢材的抗拉强度ob和屈服点os分不除以各自的设计安全系数后,

取二值的小者作为材料的许用应力。

讲明：考虑安全系数是基于如下因素：

①材料的性能稳固性存在偏差；②估算载荷状态及数值偏差；③运算

方法的精确程度；④制造工艺及承诺偏差；⑤检验手段及严格程度；⑥使

用中的操作体会等六个方面。

在确定具体材料的许用应力时，还要结合材料的质量因素。

GB150所用钢板材料的许用应力按GB150标准的第4章各材料表中的

规定。

螺栓材料的许用应力，是从考虑屈服的情形考虑，安全系数选高了一

些，详见GB150表3-1和表3-2。

7焊接接头和焊接接头系数

3.7.1焊接接头分类和要求

压力容器筒体与筒体，筒体与封头的连接，封头的拼接，不承诺采纳

搭接结构。也不承诺存在十字焊缝。

容器要紧受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，具体规定

是：

a)A类焊接接头圆筒部分的纵向接头，半球形封头与圆筒连接

的环向接头，各种凸形封头的所有拼焊接头，嵌(qian)入式接管与壳体对接

的接头。

b)B类焊接接头壳体部分的环向接头，锥形封头小端、长颈法

兰等与接管连接的接头。

c)C类焊接接头平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳

体、接管连接的接头，内封头与圆筒连接的搭接接头。

d)D类焊接接头接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接

头。

压力容器的所有A、B类焊接接头均需按GB150标准和设计图样的

规定进行无损检测(RT或UT)。

下列情形的压力容器的A类及B类焊接接头应进行100%射线或超

声检测(材料厚度W38mm时，应采纳射线检测)：

第二类压力容器中，易燃介质的反应容器或储存容器；

设计压力大于5.0MPa的压力容器；

简体厚度大于30mm的碳素钢和厚度大于25mm的低合金钢或奥氏体

不锈耐酸钢制压力容器；

盛装高度和极度危害介质的压力容器；

耐压试验为气压试验的压力容器；

使用后无法进行内部检验或耐压试验的压力容器；

焊缝系数为L0的压力容器（无筵钢管制的筒体和压力容器本体最后焊

接的一条环焊缝除外，但应提供保证其焊接质量的相应焊接工艺）；

图样规定进行局部无损检测A类和B类焊接接头，局部无损检测的检

测长度为许多于每条焊缝长度的20%,且不小于250mm。且下列焊接接头

应全部检测：①所有的T型焊接接头；

②开孔区域内（以开孔中心为圆心，1.5倍开孔直径为半径的圆内）的

焊接接头；③被补强圈支座垫板等其他元件所覆盖的焊接接头；

④拼接封头和拼接管板的焊接接头；

⑤公称直径大于250mm接管的环焊缝按容器本体考虑。合格级不按容

器要求。

除另有规定，不承诺采纳降低焊接接头系数而不进行无损检测。

设计用的焊接结构可参见GB150的附录J。焊接结构。

3.7.2焊接接头系数

焊接接头系数0）应按照受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度

比例确定。

注：焊接接头系数有的称为焊缝系数，即是焊缝的强度与母材强度之

比。

双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头：

100%无损检测d）=1.00

局部无损检测力=0.85

讲明：相当于双面焊的全焊透的对接焊缝，是指单面焊双面成型的焊

缝，按双面焊评定（含焊接试板的评定），如氢弧焊打底的焊缝或带陶瓷、

铜衬垫的焊缝等。

单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴差不多金属的垫板）：

100%无损检测也=0.9

局部无损检测祖=0.8

讲明：那个地点应注意到1）是对接接头；2）全焊透结构；3）沿焊缝

根部全长有紧贴差不多金属的垫板。垫板如何才算密贴，看法并不一致，

一样以焊接工艺评定为准。

3.8压力试验和试验压力

压力试验是容器制造中检查容器质量的必需工序。它要紧检查容器的

强度、刚度和焊接接头及可拆的密封连接处的密封质量。压力试验方法有

液压试验、气压试验和气密性试验。

压力试验的种类、试验压力值和要求，应在图样中注明。

801液压试验

液压试验是压力容器常用耐压试验方法。试验液体一样采纳水，也可

采纳不致发生危险的其它液体。

对奥氏体不锈钢制造的容器水压试验应操纵水的氯离子含量不超过25

mg/L

内压容器

液压试验PT=1.25P[o]/[o]t

式中P—设计压力MPa；

PT-试验压力MPa

[。]一容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa

[o]t-容器元件材料在设计温度下的许用应力。MPa

此液压试验压力PT为常用的压力，也是最小试验压力。

如果名义厚度远大于运算厚度，为达到试验的目的，也可适当的提升

试验压力，但确定新的试验压力值时，应进行应力校核，用试验压力值运

算的换算应力。T应符合如下规定：

="戈«0.9双(cr02)

6s(60.2)一圆筒材料在试验温度下的屈服点(或残余变形为0.2%时的

屈服强度)，MPa

外压和真空容器，

以内压进行液压试验：PT=1.25P

容器液压试验合格的条件是：①无渗漏；②无可见的变形；③试验过

程中无专门的响声。

8O2气压试验

关于不适合作液压试验的容器，例如容器内不承诺有微量残留液体，

或由于结构缘故不能充满液体的容器，可采纳气压试验。

内压容器的气压试验压力PT=1.15P[o]/[o]t,设计校核结果，应满

足如下要求：

=外（媒+々）＜0.8”,（cr02）

外压和真空容器，以内压进行气压试验，气压试验压力为：PT=1.15

P

气压试验应有安全措施，该安全措施应经单位技术负责人批准，单位

安全部门检查监督。试验所用气体应为干燥洁净的空气、氮气或其他惰性

气体，碳素钢和低合金钢压力容器气压试验用气体的温度不得低于150C。

设计采纳气压试验，应注明安全要求。

3.8,3气密性试验：

压力容器的气密性试验要求，见《容规》第101条和第102条的规定。

介质的毒性程度为极度和高度危害的压力容器，应在压力试验合格后

进行气密性试验，需作气密性试验时，试验压力、试验介质和检验要求应

在图样中注明。

夹套容器压力试验的试验压力和方法，应在图样中注明。

4.对材料的要求

GB150在压力容器用钢的要求方面含三部分，即：

①正文第4章：材料；

②附录A（标准的附录）：材料的补充规定；

③附录H（提示的附录）：材料的指导性规定。

在这些章节中，要紧是对受压元件用材料的规定。

GB150对受压元件未定义。

注：按照《容规》第25条规定，压力容器的要紧受压元件是：压力容

器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补

强圈、设备法兰、球罐的球壳板、换热器的管板和换热管、M36以上的设

备主螺栓及公称直径大于等于250mm的接管和管法兰。

4.1选择压力容器用钢应考虑的因素

1）选材地合理性是保证压力容器设计质量的关键环节，压力容器选择

受压元件用钢材时，必须选用GB150第四章的材料表中列出的钢材。而非

受压元件与受压元件焊接者，也应选用焊接性能良好的钢材。

2）选择压力容器用钢应考虑的因素有：压力容器的使用条件，如

设计压力、设计温度、介质特性和操作特点；可焊性良好；制造工艺的可

行性（加工难度）和经济合理等。

讲明：可焊性方面，应靠虑操纵钢的含碳量或碳当量，含碳量大的，

焊接性能下降，容易产生裂纹，且塑性下降，不利于冷热成形，压力容器

焊接用钢的碳含量应为CW0.25%。

从钢的冶炼上，应采纳平炉电炉或氧气转炉冶炼的冷静钢。因为沸

腾钢中含有FeO,脱氧情形差，成材率虽高，但质量差。冷静钢是一种充分

脱氧的钢，成材率较低，但钢中杂质少，气泡和疏松性少，质量高。

目前，由于平炉冶炼时刻长，占地面积大，生产效率低，此法逐步被

剔除。

降低钢中的硫、磷含量：因为硫、磷均为钢中的有害杂质，硫与铁在

晶界处生成低熔点硫化铁（FeS）,热加工时易产生热脆，即称热脆性，焊

接时，硫和氧结合产生SO2使焊缝中产动气孔和疏松，阻碍焊接接头的质

量；磷与铁形成磷化三铁（Fe3P）,明显的降低钢的塑性韧性，专门是低温

时更差，属冷脆现象，磷过多，焊接变坏，易产生裂纹。

由于磷和硫是矿石中带来的，随着冶炼技术的进长和压力容器质量要

求的提升，磷、硫含量将逐步降低，要求的磷、硫含量为：PW0.030%；S

W0.020%.

3）GB150中对材料的修改情形是：

2002年起，取消Q235-A.F和Q235-A钢板在受压元件中的应用；

《制造许可》中规定，对用于焊接接构的压力容器用钢磷、硫含量：

磷PW0.O30%,硫SW0.020%。，并规定钢的含碳量应不大于0.25%,且按下

式运算的碳当量Ceq不大于0.45%o

Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

沸腾钢不承诺用于制造压力容器的受压元件。

4）Q235钢板：在图样的材料明细表中不得只标Q235,应按照设计须

要在尾部带上“-A或-B或-C"，Q235钢板的具体数据见下表：

Q235热轧厚钢板（板厚6mm）的化学成分和力学性能表

牌号化学成分%力学性能冲击性

等级MPa能

CMnSiSP66b温冲

WwWs2度击

0功

CJ

Q235-A0.14-0.220.3-0.650.050.045375

Q235-B0.12-0.200.3-0.70.0452-500202

Q235-CW0.180.35-40.043507

注：Q235-A未提供冲击功。

4.2D类压力容器受压元件用钢板

在D类压力容器中，要紧使用GB150的表4-1“钢板许用应力”列入

的下列钢板：

1）碳素钢板：使用Q235-B、Q235-C和20R钢板。

Q235-B钢板（GB912和GB3274）的适用范畴：容器设计压力PW1.

6MPa；钢板使用温度为0〜3500C；用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；

不得用于毒性为高度或极度危害介质的压力容器。在表4-1中所列许用应力

值，已乘质量系数0.9。

Q235-C钢板（GB912和GB3274）的适用范畴：容器设计压力PW2.

5MPa,钢板使用温度为。〜4000C。用于壳体时，钢板厚度不大于30mm

20R钢板（GB6654）的应用：用作壳体时，适宜厚度不超过30mm；

使用温度建议为-19〜4750C；为幸免增加试验项目，当使用温度低于00C

时，建议使用厚度小于25mm；使用温度低于-100C时，建议使用厚度小于

12mme

2)低合金钢板：使用16MnR(GB6654)和16MnDR(GB3531)钢

板

16MnR钢板：常温使用时的厚度不宜超过30mm；使用温度建议为

-19〜4750C。

使用温度低于00C时，建议使用厚度小于35mm；使用温度低于-100C

时，建议使用厚度小于20mm,以幸免增加试验项目。

16MnDR钢板：使用的最高温度为3500C,厚度不宜超过35mm。

关于有体会的设计单位，也可选用GB6654中的15MnNbR和，15CrM

oR；GB3531中的15MnNbDR和09MnNiDR。

3)高合金钢板：经常使用奥氏体不锈钢板(GB4237)：

用于清洁美观的压力容器用钢板有：0Crl8Ni9；

用于抗氧化性介质腐蚀的不锈钢有：00Crl9Nil0和0Crl8Nil0.

用于抗醋酸介质腐蚀用的不锈钢有：OCrl7Nil2Mo2,0Crl8Nil2Mo2T

i

00Crl7Nil4Mo2;OCr19Ni13Mo3;OOCr19Ni13Mo3。

讲明：①抗腐蚀原理：辂银奥氏体不锈钢是指上述钢号经固熔热处理

而具有均一的奥氏体钢，这种钢在氧化性介质中具有良好的抗腐蚀性，高

的塑性和韧性。这种钢的耐腐蚀的基理通常用钢生成氧化膜的理论来讲明，

即钢在空气中或在氧化性介质中，其表面氧化，生成^密的氧化薄膜，它

阻止内部进一步氧化，或受介质的腐蚀，这种现象称钝化现象。钝化膜的

生成与不锈钢的表面的质量有关，机械损害破坏的氧化膜会重新生成，但

专门缓慢，清洁表面后可再度产生氧化膜。钢表面的残余氧化皮、砂眼、

起鳞，氧化膜难以生成，会造成局部腐蚀。抛光表面、经磨光和酸洗的表

面，可加速氧化膜的形成，提升抗腐蚀性。

②不锈钢晶间腐蚀：晶间腐蚀是钢的晶体边界受到腐蚀的一种破坏形

式。这种腐蚀沿着晶界快速传播到金属内部。晶间腐蚀专门危险，因为肉

眼不容易发觉，由于这种腐蚀的结果，材料的机械强度丧失达到专门大的

数值。晶间腐蚀的倾向，要紧决定于钢的含碳量，其缘故是：当钢加热到

不太高的温度（600-8000C）时，由于富格的碳化物在晶界上析出，使固溶

体晶界上贫辂，结果，晶界未能钝化，使其耐腐蚀性变差，解决的方法是:

a）采纳钢在1080-11500C的固溶处理，使碳重新溶入奥氏体固溶体；b）将钢

中碳含量降低至W0.03%；c）加入形成稳固碳化物的元素钛或锯到钢中，加

钛量应15C%,但含钛的不锈钢的加热温度不应超过11000C,以免碳化钛

重新溶入固溶体中，重新产生碳化辂而发生贫辂现象。

4.3钢管

4.3.1钢管的标准及许用应力按GB150的表4-3钢管许用应力的规

定。

D类压力容器常用的碳素钢和低合金钢钢管牌号有：102020G1

6Mno

10和20钢管，依据标准为：GB8163-87《输送流体用无健钢管》；

20G和16Mn钢管，依据标准为：GB6479《化肥设备用高压无缝钢

管》。

常用的不锈钢管0Crl8Ni9、00Crl9Nil0和0Crl8Nil0Ti依据标准为：

GB13296-91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》

GB/T14796-94《流体输送用不锈钢无健钢管》

4.3.2关于不锈钢焊接钢管在压力容器中的使用咨询题：

在附录A的A4.2中有明确规定。

对奥氏体不锈钢焊接钢管（见A4.2.1）应遵循GB12771-91《流体输送

用不锈钢焊接钢管》的规定。具体要求是：壁厚承诺偏差为±12.5%；钢管

的弯曲度不大于1.55mm/m；逐根进行蜗流或射线（对大直径管）及水压试

验合格；

检测标准按JB/T4730-2005.1《承压设备无损检测》中的有关部分，水

压试验压力为容器设计压力的2倍，保压时刻为10秒，管壁无渗漏现象。

奥氏体不锈钢焊接钢管的使用范畴规定如下：容器使用温度定为OCrl

8Ni9、00Crl9Nil0和0Crl8Nil0Ti等钢号的相应承诺使用温度；容器设计

压力不大于6.4MPa；管壁厚不大于8mm；不得用于毒性程度为极度危害的

介质；焊接接头系数为0.85,即按相同钢号的许用应力乘以0.85的焊接接

头系数。

4.4钢锻件

钢锻件的标准及许用应力按GB150表4-5的规定，钢锻件的标准和常

用钢锻件为：

JB4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中的20、35

和16Mn

JB4727-2000《低温压力容器碳素钢和低合金钢锻件》中的16Mn

D

JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》中的0Crl8Ni9、00Crl9Nil0

和0Crl8Nil0o

4.5焊接材料

压力容器受压元件焊接选用的焊条（焊接材料）的考原则是：

①满足力学性能的要求，保持等强度，考虑满足冲击韧性和伸长率的

要求；

②化学成分相当；

③按照工程重要性、危险性、焊接位置、刚性大小、施焊条件、焊接

体会选择焊条；

④考虑经济性和容易获得；

碳钢和低合金钢之间焊接，一样要求所选用的焊材焊成的焊接接头，

其强度不低于强度较低的一侧母材标准抗拉强度下限值，而接头的韧性和

塑性应不低于强度较高而塑性韧性较差的母材。

首次选用的焊接材料，应按JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》

和JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》的规定。压力容器用焊条定货

时，应按JB/T4747-2002《压力容器用焊条订货技术条件》。

焊接材料的标准有：

GB/T5117-1995《碳钢焊条》；

GB/T5118-1995《低合金钢焊条》；

GB/T983-1995《不锈钢焊条》；

GB/T984-2001《堆焊焊条》；

GB/T14957-1994《熔化焊用钢丝》；

GB/T14958-1994《气体爱护焊用钢丝》；

GB/T8110-1995《气体爱护电弧焊用碳钢，低合金钢焊丝》

GB4241-84《焊接用不锈钢盘条》；

GB4242-84《焊接用不锈钢丝》；

GB4343-84《惰性气体爱护焊接用不锈钢棒及钢丝》。

YB/T5091-1993《惰性气体爱护焊用不锈钢棒及钢丝》；

YB/T5092-1996《焊接用不锈钢丝》；

GB/T5293-1999《埋弧焊用碳素钢焊丝和焊剂》；

GB/T12470-1999《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》；

4.6采纳国外钢材的要求

采纳国外的钢材，应是国外相应压力容器最新标准所承诺使用的钢材;

其使用范畴不应超出该标准的规定，同时也不应超过GB150第4章材料相

近钢材的规定。

4.7一些钢材的代用规定

1）钢材的代用的一样原则是：代用材料应与被代用的钢材具有相同或

相近的化学成分、交货状态、检验项目、性能指标和检验率以及尺寸公差

和外形质量等。

2）代用图样规定的钢材时，应取得原设计单位的同意。

3）钢板代用:

①GB712-88《船体用结构钢》中的A级钢板，可代用Q235-A（不得

作受压元件）；B级钢板在钢厂按标准要求进行冲击试验合格后，可代用Q

235-C钢板，未作冲击试验的钢板，则只能代用Q235-B钢板；

②GB713-1997《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》中的20g钢板可代用

Q235-C钢板。

4）钢管代用：GB3087-82《低中压锅炉用无缝钢管》中的10和20钢

管，可代用GB8163-1999《输送流体用无缝钢管》中相应的钢管。

4.8专门工作环境下的选材

关于介质处于NaOH湿H2S应力腐蚀时的选材咨询题，可见《容规》1

26页，关于“压力容器选材与介质”的讲明。

5.内压圆筒和内压球体的运算

5.1内压圆筒和内压球体运算的理论基础

1)强度理论：内压容器的破坏有四种强度理论，比较为人们同意的

有第一、第三和第四强度理论。

①第一强度理论即最大主应力理论，它认为引起材料断裂破坏的要

紧因素是最大主应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大主应力

达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料则发生断裂破坏，其当量应

力强度为S=61o

②第三强度理论即最大剪应力理论，它认为引起材料屈服破坏的要

紧因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力

达到材料屈服时的最大剪应力值，材料则发生屈服破坏，其当量应力强度

为S=61-63O

③第四强度理论即最大应变能理论，它认为引起材料屈服破坏的要

紧因素是最大变形能。亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积存

的变形能达到材料单向拉伸屈服时的应变能，材料即发生屈服破坏，其当

量应力强度为：

S=(l/V^)J(cr-b)+(cr-cr)+(cr-b)

2)GB150-1998标准中运算公式要紧以第一强度理论为基础(结果比

较接近)。并采纳平面应力状态(忽略第三向应力)。如果考虑第三向的应

力，则是第三强度理论。

5.2内压圆筒运算

1)设计温度下的运算厚度按下式运算：

PD

公式适用范雷%品.4①［。］t或Do/DiW1.5

式中：8-圆筒的运算厚度mm；

Pc-运算压力，MPa；

圆筒内直径，mm；

[0]t-设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa；

①-焊接接头系数。

2）公式来源：

用第一强度理论，以圆筒平均直径为基准运算的环向应力，考虑了圆

筒内壁上最大主应力与平均拉应力的差值进行了修正，并考虑了纵向焊缝

（A类焊接接头）在强度方面有关于母材的削弱。

公式中应力的推导是按照薄膜应力理论。

3）公式推导：

设直径D筒体受内压力为P的作用，圆筒上的任一小单元上受三个

主应力环向应力。1、轴向应力。2和径向应力。3的作用，求应力时，

可通过中心轴线沿纵向将圆筒切成两部分，去除一部分以应力代替，按照

力平稳理论，在纵向截面厚度产生内应力。1,其合力与外部作用的压力作

用平稳，设圆筒直径为D,长度为L,厚度为5,按平稳关系则有：

2L6ol=PDL

o1=PD/26

沿垂直主轴线的截面将圆筒体切开，在圆形横截面上的应力为。2,

产生平稳的条件为：.JiDo2S=1/4JtD2P；

o2=PD/48

径向应力o3=P,可见。1=2。2,并远大于o3,故采纳o1=P

D/21,即:

8=PD/2o1,令口=口1+5,P=pc代入，。1以中[o]t代入，

则得到：3=—^-一o

2口]0-p

4）如已知8n、Pc、Di；则圆筒体的运算应力ot为:

/=2（。+@）式中6tW①[o]t

26e

式中：3e为有效厚度。

5）设计温度下，筒体的最大承诺工作压力[Pw]为：

5.3球壳运算

1）设计温度下的运算厚度公式：

1二PD

2）嘱，矗下，球壳运算应力公式:

产（。+3）

（T=----------------

45

式中6tW中［。］t

3）设计温度下，球壳的最大承诺工作压力公式:

45[cr]°

忸]=

（。+3）

6.外压圆筒和外压球壳的设计

许多化工石油用的容器，由于工艺缘故需要在外压或真空下操作，

如真空罐和真空蒸解塔，有的容器带有夹套，夹套内是带压蒸汽，使内筒

受到外部压力。

通常，内压低于外压的容器，称为外压容器。

外压容器的最高工作压力是指容器在正常使用过程中可能显现的最

大压力差值。对夹套容器，指夹套顶部可能显现的最大压力差值。

确定外压容器的设计压力时，应考虑在正常工作情形下可能显现的

最大内外压力差。

确定真空容器壳体的厚度时，设计压力按受外压考虑。当装有真空泄

放阀，以及相类似的安全操纵装置时，设计压力=1.25Z\P,或O.IMPa的低

值，为内外压力差。未装安全操纵装置时，取0.1MPao

容器工作中失效的状态有：强度失效，刚度失效和稳固失效三种。

①强度失效：容器在载荷作用下，发生过量变形或破裂。如内压容

器的破坏；

②刚度失效：容器发生过量的弹性变形，导致丧失正常的承担能力。

如容器不能满足最小厚度要求导致刚度不足而失效；

③稳固失效：容器在载荷作用下，形状突然发生改变，导致丧失工

作能力。如外压容器的失稳破坏。

外压容器设计时，必须考虑到上述三种失效的可能性，才能确保容

器的安全使用。

在满足刚度要求的情形下，外压容器的破坏有两种形式，即强度不

足引起的破坏和失稳引起的破坏两种。因此，设计应包括强度运算和稳固

性校核。因失稳往往在强度破坏之前发生，故稳固性运确实是外压容器设

计中的要紧考虑的咨询题。

6.1受平均外压的圆筒（和外压管子）

在GB150第6章中，外压圆筒和外压管子所需的有效厚度be用

查图运算法，使用的图为图6-2〜图6-10,运算步骤如下：

6.1.1Do/6e》20的圆筒和管子

1）假设5n,令6e=8n-C,C=C1+C2,定出匕/口0和口0/36

D。为筒体的外直径；L为筒体的运算长度，L值取圆筒上两相邻支撑

线（此线处的截面有足够的惯性矩）的距离，其值按图6-1的各示图选取。

如图如la中,L=Ll+2hi/3

L1为圆筒部分的长度（含封头的两直边）的总和；

hi为封头曲面深度。

2）查图6-2,在图的左方找到L/DO点，过此点沿水平线右移，与D

o/be线相交，遇中间值用内插法，如L/DO>50,则取50。若L/DOV0.05,

则取0.05；

3）连此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数A。也可查表6-1

得到A值。

4）按所用材料选用图6-3〜图6-10,在图下方找到系数A。

若A落在设计温度下材料线的右方，则过此点上移，与设计温度下材

料线相交，遇中间温度值采纳插入法，再过此交点水平方向右移，在图的

右方得到系数Bo

通过B按下式求出许用外压力[P],MPa；

%总值2在设计温度下材料线的左方，则运算许用应力小:

-6-2

编'度下材料的弹性模量，MPa；

5）算出的［P］应大于或等于PC,PC为运算外压力，否则，应重新按上

述步骤重算。直到［P］>PC,且接近于PC为止。

6.1.2Do/5e<20的圆筒和管子

a）按6.1.1的步骤运算得到B值，但对Do/be<4的圆筒和管子的A

值应按下式运算：

L1,当A>0.1时，取A=0.1；由A值，并按照材料牌号，通

3愕莪1-9中的相应曲线就据表查B值1「］］

过表6-

225

b）［P］按下式运算：［P］=min<-g^--0.0625R2a1------1-

及7

式中：。。为应力，其值取.雄2［a］或」croZ6.虹或笛或2的较小值。

c）算出的［P］应大于或等于PC,PC为运算外压力，否则，应重新假设

名义厚度8n,并重复上述步骤运算。直到［P］>PC,且接近于PC为止。

6.2外压球壳

外压球壳所需的有效厚度按以下步骤运算：

假设Sn,令6e=8n-C定出Ro/8e；

用式下运算系数A

0.125

A

<£4i6,并按式下求出［P］,

按照相应的材

［P］=―^—―

如在材料线图中（以］材料线的左方，则按下式6-5运算许用压力:

伊］0.0833E

［P］0副或等于Pc,否则须再假设6n,重复上述运算，直至［P］大于且

接近Pc为止。

6.3受外压圆筒和球壳运算图的来源简介

6.3.1失稳现象和临界压力

1）在外压圆筒壁厚运算中，GB15O采纳图表运算法，用简单的运算程

序，借助两种图（表）求出结果。

两种图（表）中，一种是仅与几何形状参数有关的线图；另一种是仅与材

料有关的线图。通过查图表运算许用压力，从而确定筒体的厚度。

运算受平均外压下的圆筒壳体的膜应力，只需将外压力代入内压运算

公式则可。

实际上，通常使用的外压圆筒形容器，当外压产生的压应力尚未达到

材料的屈服点时，就会突然发生失去原形的压扁或褶皱现象，这要紧是弯

曲应力引起的，使壳体丧失稳固，这种现象，称为失稳。

容器失稳分为周向失稳和轴(经向)向失稳两种，周向失稳是因周

向压缩薄膜应力所引起，轴向失稳是由容器轴向压缩薄膜应力造成的。容

器周向失稳时，其横截面由圆形变成波形，轴向失稳时，原为直线的素线

变为波形线。按容器的失稳范畴大小，分整体失稳和局部失稳，通常外压

容器的压瘪属于整体失稳。

在某外压力下，形状突然发生改变而产生瘪塌的失效形式，称为失稳,

断面由容器被压瘪失稳时的最小外压力，称为临界压力。

临界压力大小的阻碍因素与壳体用的材料及其几何尺寸有关，几何尺

寸包括圆筒运算长度L、外直径DO和有效厚度6e,用比值L/D0和8e/

DO表达。

2)临界压力、临界应力与圆筒运算长度的关系

①专门长的圆筒体(长圆筒)，两端的加大件对圆筒抗外压的能力起不

了加大作用，失稳时圆筒截面压瘪成二波形，现在对临界压力有阻碍的只

是外直径DO和筒体的有效厚度8e,即be/DO,现在的临界压力Per为:

Pcr=2.2E(6dD0)3----------①

式中：E-材料的弹性模量，MPa；

按照临界压力求临界应力6cr的公式为6cr=PcrDo/26e,

该公式可改写为

Pcr=26cr(5e/DO)

26cr(8e/D0)=2.2E(8e/D0)3

6cr/E=1.1(8e/D0)2----------①1

在①式中，如采纳稳固系数m(即许用压力为临界压力的1/m,并

取运算压力等于许用压力,通常取m=3)即[P]=Pcr/m

则正算压力为：令PC=［P］；兄=些=孕.£三］;式中可解出有效

m3yDO)

厚度，।

相应的有效厚度为：@=。。|"晔?，如以m=3代入，运算得的名义厚

2.2E

度为，

UU「八(1.36%3

D

“=4.+c=o\―--I+co

不起作用的最小长度，称为临界长度，用Lcr表示,其值为:

L11.T7D。

当LNLcr,则该长度为L的圆筒为长圆筒。

②中等长度的圆筒，其长度LVLcr,现在圆筒的临界压力Per与L/D

0和

6e/DO有关，其值为：

Pcr=2.8E(6e/D0)2o5/(L/Do)-----------②

26cr(8e/D0)=2.8E(8e/D0)2。5/(L/Do)

6cr/E=1.4(8e/D0)lo5/(L/Do)--------------②1

A=6cr/E=1.4(8e/D0)lo5/(L/Do)

③短圆筒：L足够短，使圆筒的破坏仅受材料的强度所确定，可按内压

公式运算。

6.3.2线图表绘制基理

在①1和②1式中，令A=6cr/E,此处A是应变，则得①2及②2：

A=1.1(8e/D0)2------------------①2

或A="

及A^4(8e/D0)lo5/(L/Do)---------------②2

在对数坐标中，以A为横坐标，L/Do为纵坐标，在