压力容器设计基本知识（讲稿）北京二零零六年三月制订目录一．基本概念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。
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基本章节1适用范围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管板计算9制造、检验与验收附录受内压薄壁容器的应力分析目录1．薄壁旋转壳体的几何概念和基本假设1．1几何概念1．2薄壁壳体的基本假设2薄壁圆筒的应力分析2．1轴向应力的计算2．2环向应力的计算3旋转薄壁容器的应力分析3．1薄壁壳体的一般方程式3．2经向应力σ1和环向应力σ2的计算4．应用举例4．1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）压力容器设计基本知识（讲稿）一．基本概念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2003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管理规则》，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基本要求，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。
”1．4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。
是压力容器的基本标准。
对压力小于O.1MPa的钢制容器的设计，按压力容器行业标准JB/T4735-1997《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、钛和镍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《钢制化工容器强度计算规定》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级压力容器说明根据《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》第三条规定，压力容器设计类别和级别的划分是：（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：（一）低压（代号L）0.1MPa≤P＜1.6MPa（二）中压（代号M）1.6MPa≤P＜10MPa二GB150-1998《钢制压力容器》GB150-1998《钢制压力容器》（简称GB150），包括正文十章和八个附录。
十章正文目次是：①范围；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，已被新发布的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．范围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”。
即是说：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围是：容器的设计压力不大于35MPa；适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度而定。
对于D类压力容器，设计压力范围应小于10MPa。
在GB150的1.3和1.4中，还规定出不属该标准规定范围的各类压力容器，其中有：直接用火焰加热的容器；核能装置中的容器；经常搬运的容器；设计压力低于0.1MPa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推荐性标准（推荐性标准一经采用，即具有强制性的性质）。
GB/T是推荐性的国家标准，JB是机械工业的行业标准，JB/T是机械工业推荐性的行业标准，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：国家强制性标准：GB6654-1996《压力容器用钢板》；GB4237-92《不锈钢热轧钢板》国家推荐性标准：GB/T229-94《金属夏比缺口冲击试验方法》；GB/T1804-92《一般公差线性尺寸的未注公差》压力容器行业标准：JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》；JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》标准一经被引用，即构成该标准的条文。
在GB150第2章中，列了45个引用标准。
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管理部门许可，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管理制度和责任制度。
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计算书和设计图样。
容器设计总图应盖有容器设计资格印章。
3．3管辖的容器范围划定GB150管辖的容器，其范围包括壳体及与其连为整体的受压零部件，且划定在下列范围内。
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，如加强圈、支座、裙座等。
3．3．4超压泄放装置和仪表附件。
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）指在正常工作情况下，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P≥PW。
3．4．4计算压力（PC）指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。
当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。
故PC≥P；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况下，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3．4．8．1计算厚度δ指按厚度计算公式计算得到的厚度。
3．4．8．2设计厚度δd指计算厚度（δ）与腐蚀裕量（C）之和。
即2,因此δd≥δδd=δ+C23．4．8．3名义厚度δn指设计厚度（δd）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。
δn≥（δd+C1））和钢材厚度负3．4．8．4有效厚度δe指名义厚度（δn）减去腐蚀裕量（C2偏（C1）。
δe=δn-C1-C2=δn-（C1+C2）=δn-C（厚度附加量）注：如设定圆整量为C3，各厚度的关系为：δn=δ+C1+C2+C3δe=δ+C3=δn-（C1+C2）δd=δ+C23．5设计的一般规定设计的一般规定，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PZ≤（1.05～1.1）PW.当PW＜0.18MPa时，可适当提高PZ相对于PW的比值。
再令P≥PZ。
②容器上装有爆破片：P=Pb+ΔP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围的下限（取绝对值）；Δp为爆破片制造范围上限。
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：P≥Pz+Δh.Δh为容器到安全阀的压力降。
④容器的压力源如与泵直接连接，则可有下列情况：容器位于泵的出口侧，设计压力应取下述情况中的大值，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P=（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，应考虑在正常情况下可能出现的最大内外压力差。
②确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑。
当装有真空泄放阀时，设计压力P=1.25ΔP式中ΔP为最大内外压力差，或P=0.1MPa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定性。
夹套按内压计算。
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定性；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围内，设计压力应根据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围，分辨容器的类别。
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允许使用温度。
对于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；根据容器的具况，还可能考虑自重，内件重和附属设备等等的影响（详见GB15O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=C1+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0.25mm，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，应根据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均匀腐蚀金属表面出现各部分的腐蚀速度大致相同的连续腐蚀；②非均匀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应力腐蚀由侵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，是对于均匀腐蚀而言，亦即钢材表面的腐蚀速率（毫米/年）各处基本相同。
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况（如介质的腐蚀性、浓度和温度）不同，腐蚀程度不同，因此，采用不同的腐蚀裕量。
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，腐蚀裕量不少于1mm”。
3．5．6最小厚度容器在较低内压力作用下，按厚度计算方法得到的厚度很小，虽然能满足容器的强度要求，但刚度不够。
为解决刚度问题，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，主要指标是材料的抗拉强度σb和屈服点σs（或σ0.2）。
容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏，在实际应用中必须控制容器的材料受力处在安全范围内，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1.5。
将钢材的抗拉强度σb和屈服点σs分别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。
说明：考虑安全系数是基于如下因素：①材料的性能稳定性存在偏差；②估算载荷状态及数值偏差；③计算方法的精确程度；④制造工艺及允许偏差；⑤检验手段及严格程度；⑥使用中的操作经验等六个方面。
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，是从考虑屈服的情况考虑，安全系数选高了一些，详见GB150表3-1和表3-2。
3．7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，不允许采用搭接结构。
也不允许存在十字焊缝。
容器主要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）。
下列情况的压力容器的A类及B类焊接接头应进行100%射线或超声检测（材料厚度≤38mm时，应采用射线检测）：①第二类压力容器中，易燃介质的反应容器或储存容器；②设计压力大于5.0MPa的压力容器；③筒体厚度大于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；④盛装高度和极度危害介质的压力容器；⑤耐压试验为气压试验的压力容器；⑥使用后无法进行内部检验或耐压试验的压力容器；⑦焊缝系数为1.0的压力容器（无缝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不少于每条焊缝长度的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。
合格级别按容器要求。
除另有规定，不允许采用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ф应根据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ф=1.00局部无损检测ф=0.85说明：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），如氩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基本金属的垫板）：100%无损检测ф=0.9局部无损检测ф=0.8说明：这里应注意到1）是对接接头；2）全焊透结构；3）沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板。
垫板如何才算密贴，看法并不一致，一般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。
它主要检查容器的强度、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。
3．8。
1液压试验液压试验是压力容器常用耐压试验方法。
试验液体一般采用水，也可采用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控制水的氯离子含量不超过25mg/L3．8．1．1内压容器液压试验PT=1.25P[σ]/[σ]t式中P--设计压力MPa；PT--试验压力MPa[σ]--容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa[σ]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计算厚度，为达到试验的目的，也可适当的提高试验压力，但确定新的试验压力值时，应进行应力校核，用试验压力值计算的换算应力σΤ应符合如下规定：()()2.09.02σφσδδσseeiTTDp≤+=бs(б0.2)—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），MPa3．8．1．2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无滲漏；②无可见的变形；③试验过程中无异常的响声。
2气压试验对于不适合作液压试验的容器，例如容器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。
内压容器的气压试验压力PT=1.15P[σ]/[σ]t，设计校核结果，应满足如下要求：()()2.08.02σφσδδσseeiTTDp≤+=外压和真空容器，以内压进行气压试验，气压试验压力为：PT=1.15P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。
设计采用气压试验，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，主要是对受压元件用材料的规定。
GB150对受压元件未定义。
注：根据《容规》第25条规定，压力容器的主要受压元件是：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。
说明：可焊性方面，应靠虑控制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C≤0.25%。
从钢的冶炼上，应采用平炉电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢。
因为沸腾钢中含有FeO,脱氧情况差，成材率虽高，但质量差。
镇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。
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使焊缝中产生气孔和疏松，影响焊接接头的质量；磷与铁形成磷化三铁（Fe3P），明显的降低钢的塑性韧性，尤其是低温时更差，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高，磷、硫。