压力容器设计基础培训716Word下载.docx

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《石油化工静设备现场组焊技术规程》SH/T3523-2009

《石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程》SH/T3524-2009

《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》SH/T3527-2009

（三）常用标准、法规适用的压力范围

1.GB150－2011《压力容器》钢制容器设计压力：

0.1～35MPa

真空度：

≥0.02MPa

2.JB4732－95《钢制压力容器-分析设计标准》设计压力：

0.1～100MPa

真空度：

≥0.02MPa

3.NB／T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》设计压力：

圆筒形容器：

-0.02MPa<

P<

0.1MPa

矩形容器：

设计压力为零

4.《固定式压力容器安全技术监察规程》工作压力0.1MPa<

100MPa

（四）法规和标准规范的关系

国务院颁布的《特种设备安全监察条例》属于行政法规，是我国锅炉、压力容器安全监察工作的基本法规，是锅炉、压力容器安全监察工作的依据和准则。

依据《条例》制定的《容规》属于安全技术规范，是从安全的角度，对压力容器安全监督提出的最基本的要求。

国家标准、行业标准，是设计制造压力容器的技术依据。

《容规》是压力容器安全技术监督和管理的依据。

由于安全技术监督的内容同标准的任务、性质和工作角度不同，有些与标准一致，有些可能不一致，这是正常的并不矛盾。

二者无大小之分，作为压力容器的设计和制造单位，遵守《容规》和执行标准是一致的，二者不协调时，按高的要求执行。

但作为压力容器安全监察部门，只要产品符合《容规》的要求即可。

（五）《压力容器》GB150－2011适用范围

1.适用范围：

设计压力：

钢制容器不大于35MPa；

其他金属材料制容器按相应引用标准确定；

设计温度：

－269℃～900℃；

钢制容器不得超过按GB150.2中列入材料的允许使用温度范围；

其他金属材料制容器按相应标准中列入的材料允许使用温度确定；

2.不适用范围：

（1）设计压力低于0.1MPa且真空度低于0.02MPa的容器；

（2）《移动式压力容器安全监察规程》管辖的容器；

（3）旋转或往复运动机械设备中自成整体或作为部件的受压器室（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）；

（4）核能装置中存在中子辐射损伤失效风险的容器；

（5）直接火焰加热的容器；

（6）内直径（对非圆形截面，指截面内边界的最大几何尺寸，如：

矩形为对角线，椭圆为长轴）小于150mm的容器；

（7）搪玻璃容器和制冷空调行业中另有国家标准或行业标准的容器。

（六）《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009适用范围

（同时满足下列条件）

（1）工作压力大于或者等于0.1MPa；

（2）工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa•L；

（3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

（1）移动式压力容器（例如铁路罐车、汽车罐车、长管拖车、罐式集装箱等）、气瓶、氧舱。

（2）锅炉安全技术监察规程适用范围内的余热锅炉；

（3）正常运行工作压力小于0.1MPa的压力容器（包括在进料或者出料过程中需要瞬时承受压力大于或者等于0.1MPa的压力容器）；

（4）旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室（如泵壳﹑压缩机外壳﹑涡轮机外壳﹑液压缸等）；

（5）可拆卸垫片式板式热交换器（包括半焊式板式热交换器）、空冷式热交换器。

（七）容器划定范围

1.容器与外部管道连接

（1）焊接连接的第一道环向接头坡口端面；

（2）螺纹连接的第一个螺纹接头端面；

（3）法兰连接的第一个法兰密封面；

（4）专用连接件或管件连接的第一个密封面；

2.接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件；

3.非受压元件与受压元件的连接焊缝；

4.直接连接在容器上的非受压元件如支座、裙座等（容规不包含）；

5.容器的超压泄放装置；

（八）压力容器的压力等级划分

1.低压（代号L）0.1MPa≤p＜1.6MPa

2.中压（代号M）1.6MPa≤p＜10MPa

3.高压（代号H）10MPa≤p＜100MPa

4.超高压（代号U）p≥100Mpa

（九）压力容器类别的划分

《容规》附录A按照危险程度分类（三类），书写方法为I、II、III。

只由设计压力、容积和介质危害性三个因素压力容器类别，不在考虑容器在生产过程中的作用、材料强度等级、结构形式等因素，简化类别划分方法，强化危险性原则。

（十）设计单位的职责

1.设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责；

2.容器的设计文件至少应包括强度计算书、设计图样、制造技术条件、风险评估报告（相关法规或设计委托方要求时），必要时还应当包括安装与使用维修说明；

3.《固定式压力容器安全技术监察规程》管辖范围内压力容器的设计总图应盖有特种设备设计许可印章；

4.设计单位向容器用户出具的风险评估报告应符合附录F的要求；

5.设计单位应在容器设计使用年限内保存全部容器设计文件。

二、压力容器设计基础

（一）压力容器的失效模式

压力容器由于机械载荷或温度载荷过高而丧失正常工作能力，称为失效。

其形式有三种：

1.强度失效：

容器在载荷作用下发生过量的塑性变形或破裂；

2.刚度失效：

容器发生过量的弹性变形，导致运输、安装困难或丧失正常工作能力；

3.稳定失效：

器在载荷作用下形状突然发生改变，导致丧失工作能力；

压力容器设计必须要对上述三种失效可能，予以全面考虑。

（二）压力容器的失效准则

容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破，因此容器强度失效准则的三种观点：

1.弹性失效

弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。

认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。

2.塑性失效

它将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。

3.爆破失效

它认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。

（三）弹性实效准则下的四个强度理论

1.第一强度理论（最大主应力理论）

认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力σ1达到了极限应力，材料就发生破坏。

强度条件：

σ1≤[σ]t

2.第二强度理论（最大变形理论）

认为材料的最大的应变达到了极限状态，材料就发生破坏。

εmax≤[ε]

3.第三强度理论（最大剪应力理论）

材料的最大剪应力τmax达到了极限应力，材料就发生破坏。

τmax=

（σ1-σ3）≤

[σ]t

4.第四强度理论（剪切变形能理论）

材料变形时，即内部变形能量达到材料的极限值时，材料破坏。

σe=√

[（σ1-σ3）2+（σ1-σ3）2+（σ1-σ3）2]≤[σ]t

（四）设计方法

1．常规设计GB150

压力容器设计基本上是采用传统的设计方法—“常规设计”。

常规设计是基于弹性失效准则，设计中考虑单一的最大载荷工况，认为容器内某一最大应力点一旦达到屈服限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。

在分析方法上它是以简化的材料力学公式和板壳薄膜理论中的无力矩理论为基础，不区分边缘应力、局部应力及温差应力，也不考虑交变载荷引起的疲劳问题，所有类型的应力均采用统一的许用应力值，为了保证安全，通常采用较高的安全系数。

2．分析设计JB4732

“分析设计”从设计思想上来说，就是放弃了传统的弹性失效准则，采用弹塑性或塑性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性区。

在分析设计考虑各种载荷可能的组合，将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度不同进行分类，对不同类型的应力限制标准不同。

（五）应力分类

1．一次应力

一次应力是平衡压力与其它机械载荷所必须的应力，它是维持结构各部分平衡需要的，一次应力没有“自限性”，所引起的塑性流动是不可限制的，不能靠本身的屈服变形来限制其大小，当塑性区扩展到极限状态，即使载荷不在增加，结构仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。

一次应力分为：

一次总体薄膜应力Pm

一次弯曲应力Pb

局部薄膜应力PL

2．二次应力Q

二次应力是满足相邻元件间的变形协调及结构自身变形连续要求所产生的应力。

当二次应力处的局部材料发生屈服而进入塑性状态时，材料产生塑性流动，使弹性约束得到缓解，二次应力不再上升，原来不同的变形得到协调，结果二次应力自动限制，这就是二次应力的自限性。

二次应力还具有局部性，一般二次应力以经向弯曲应力为主，在连接处具有较高的峰值，但其作用范围不大，随离开边缘的距离增大而迅速衰减。

例如距圆筒与封头连接处为2.5√Rδ时弯曲应力已降低到应力峰值的5%。

二次应力举例：

例如如封头与筒体连接处，在内压作用下由于边缘剪力和弯矩在筒体或封头上所应起的弯曲应力（边缘应力）；

换热器在管壳上的温差应力（热应力）均属二次应力。

3．峰值应力F

峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力引起的叠加在一次和二次应力之上的应力增量，不会引起任何明显变形，而使整个断面实效，它的危害性仅仅是引起疲劳失效或脆性断裂。

这类应力如筒体和接管连接处。

（六）边缘应力的基本概念

当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后，各自产生的变形是不一致的，称为变形不连续。

但们们是连成一体的，两连接处附近接处附近将相互产生约束，除内压产生的膨胀外，还会产生附加的弯曲变形。

与弯曲相对应，壳壁内将产生弯矩和剪力，对薄壁壳体来说，由此产生的弯曲应力有时比薄膜应力大得多，两连接件刚度相差越大，产生的应力也将越大。

在实际结构中，成以圆筒与平盖连接时的边缘应力为最大。

该应力由于只发生在两连接件的边界处，所以称为边缘效应力或称为不连续应力。

1.边缘应力的特性

局限性

自限性

2.设计中对边缘应力的考虑

（1）由于边缘应力具有局限性，设计中可以在结构上只作局部处理，例如改变连接处的结构，保证边缘焊接的质量，降低边缘区的残余应力，避免边缘区附加的局部应力集中（如应避免在边缘区开孔。

）

（2）只要是塑性材料，即使边缘区应力超过材料的屈服极限，邻近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形的发展，使容器仍处于安定状态（安定性理论）。

故大多数塑性材料所制成的容器，如低碳钢、奥氏体不锈钢。

当受静载荷时，除在结构上需作某些处理外，一般并不对边缘应力作特殊考虑。

（3）在下列情况下应考虑边缘应力：

塑性较差的高强度钢制压力容器

低温下操作的铁素体制的重要压力容器

受疲劳载荷作用的压力容器

受核幅射作用的压力容器

这些压力容器，若不注意控制边缘应力，在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲劳。

因此必须正确计算边缘应力并按JB4732-95《钢制压力容器分析设计》进行设计。

（七）设计时应考虑的载荷

1.内压、外压或最大压差；

2.液体静压力（≥5%P）；

需要时，还应考虑以下载荷

3.容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；

4.附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；

5.风载荷、地震力、雪载荷；

6.支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；

7.连接管道和其他部件的作用力；

8.温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；

9.包括压力急剧波动的冲击载荷；

10.冲击反力,如流体冲击引起的反力等；

11.运输或吊装时的作用力。

（八）定义

1.压力（除注明者外，压力均为表压力）

工作压力Pw

1）内压容器在正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。

2）真空容器在正常工作情况下，容器可能出现的最大真空度。

3）外压容器在正常工作情况下，容器可能出现的最大内外压力差。

设计压力Pd

设定的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的条件，其值不低于工作压力。

计算压力Pc

计算压力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。

当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

最大允许工作压力[Pw]

指设计温度下，压力容器安装后顶部所允许的最大工作压力。

该压力应是按容器各受压元件的有效厚度计算得到的，且取最小值。

最大允许工作压力可作为设定容器超压限度的起始压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据，这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。

注：

设计压力与计算压力的区别

（1）定义不同

在GB150中设计压力的定义为设计压力指设定的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，其值不低于工作压力。

而计算压力则定义为在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力等附加载荷。

（2）性质不同

设计压力是整台设备的载荷条件，而计算压力是具体受压元件的计算参数，设计压力虽然是反映容器受压状况的重要指标，但不能全部、准确地反映容器的实际受力状况。

设计压力与计算压力在具体数值上有可能一致也有可能是不相同的。

（3）取值依据不同

设计压力是依据容器的工作压力，即在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力，并考虑一定的安全裕量或考虑设置的安全泄放装置等因素确定的。

而受压元件的计算压力则是依据容器的设计压力并考虑液柱静压力等因素确定的。

（4）用途不同

一台设备或一个腔体的设计压力只有一个，是容器材料选择、结构设计、类别划分以及各受压元件计算压力、容器液压、气压试验压力、气密性试验压力确定的依据。

计算压力仅用于元件的强度计算。

受压元件的计算压力在一台容器的不同部位可能随它内外受压情况变化有所不同。

（5）对矩形等非圆形截面的压力容器，计算压力应取其水压试验压力，即检验和使用过程中的最大承载压力。

（6）设计压力出现在压力容器总图（装配图）的技术特性表和压力容器产品铭牌上，而计算压力只出现在压力容器计算书中。

2.温度

金属温度容器元件沿截面厚度的温度平均值。

工作温度容器在正常工作情况下介质温度。

最高、最低工作温度

容器在正常工作情况下可能出现介质的最高、最低温度。

设计温度

容器在正常工作情况，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度。

容器的设计温度是指壳体的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

试验温度试验温度指压力试验时，壳体的金属温度。

3.厚度

最小厚度δmin

容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度。

计算厚度δ按各章公式计算得到的厚度

容器受压元件为满足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。

厚度附加量C=C1+C2

设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度附加量的厚度。

设计厚度δd

计算厚度与腐蚀裕量之和

名义厚度δn（即图样厚度）

设计厚度加上钢材厚度负偏差后，向上圆整至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。

有效厚度δe

名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）。

（九）设计参数的确定

1.设计压力

容器设计时，必须考虑在工作情况下可能达到的工作压力和对应的工作温度两者组合中的各种工况，并以最苛刻工况下的工作压力来确定设计压力。

（1）容器上装有超压泄放装置时，应按GB150.1附录B的规定确定设计压力。

（2）对于液化气体的容器，如果具有可靠的保冷设施，在规定的装量系数范围内，设计压力应根据工作条件下容器可能达到的最高金属温度确定。

否则按相关法规确定；

盛装液化气和液化石油气的容器

①无安全泄放装置时，设计压力不应低于1.05倍的工作压力。

②装有安全阀时，设计压力不应低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（开启压力取1.05～1.1倍的工作压力）。

③工作压力指盛装液化气和液化石油气的容器可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压。

常温储存液化气或液化石油气压力容器的压力（即饱和蒸汽压）见TSGR0004《固定式压力容器安全技术监察规程》中的规定。

（3）对于外压容器（例如真空容器、液下容器和埋地容器），设计时应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差。

（4）确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑。

当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的低值；

当无安全控制装置时；

取0.1MPa。

（5）由两室或两室以上压力室组成的容器，如夹套容器，根据压力室之间不同设计压力确定计算压力时，应考虑各室之间的最大压力差。

校核在夹套试验压力内筒体外压下的稳定性

2.设计温度

（1）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。

（2）对于0℃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）在任何情况下元件金属的表面温度不得超过钢材的允许使用温度。

（4）容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度。

（5）元件的金属温度通过以下方法确定：

1）传热计算求得；

2）在已使用的同类容器上测定；

3）根据容器内部介质温度并结合外部条件确定。

（6）在确定最低设计金属温度时，应当充分考虑在运行过程中，大气环境低温条件对容器壳体金属温度的影响。

环境温度取容器安装地区历年来“月平均最低气温”的最低值，

例如：

安装在室外无保温的容器，当最低设计温度受地区环境温度控制时，可按以下规定选取：

（1）盛装压缩气体的储罐，最低设计温度取环境温度减3℃；

（2）盛装液体体积占容积1/4以上的储罐，最低设计温度取环境温度。

（3）对裙座等室外钢结构，应以环境温度作为设计温度。

3.厚度附加量

厚度附加量C=C1+C2mm

式中：

C1——钢板或钢管的厚度负偏差，mm；

C2——腐蚀裕量，mm。

（1）板材或管材的厚度负偏差按材料标准的规定

（2）腐蚀裕量考虑的原则

1）与工作介质接触的筒体、封头、接管、人（手）孔及内部构件等，均应考虑腐蚀裕量。

2）下列情况一般不考虑腐蚀裕量：

a.介质对不锈钢无腐蚀作用时（不锈钢、不锈复合钢板或有不锈钢堆焊层的元件）；

b.有可靠的耐腐蚀衬里；

c.法兰的密封表面；

d.管壳式换热器的换热管；

e.管壳式换热器的拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件；

f.用涂漆可以有效防止环境腐蚀的容器外表面及其外部构件（如支座、支腿、底板及托架等，但不包括裙座）；

g.塔盘板、填料等可经常更换的非受压元件。

3）腐蚀裕量一般应根据钢材在介质中的腐蚀速率和容器的设计寿命确定。

对有使用经验者，可以按经验选取。

4）容器的设计寿命除有特殊要求外，塔、反应器等主要容器一般不应少于20年，一般容器、换热器等不少于10年。

（3）腐蚀裕量的选取

1）对有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨蚀速率）确定腐蚀裕量；

2）容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；

3）容器筒体、封头的腐蚀裕量

a.介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制的容器，其腐蚀裕量不得小于1.0mm。

b.除a以外的其他情况可按下表确定筒体、封头的腐蚀裕量。

表筒体、封头的腐蚀裕量

腐蚀程度

轻微腐蚀

腐蚀

重腐蚀

腐蚀速率（mm/年）

＜0.05

0.05~0.13

0.13~0.25

＞0.25

腐蚀裕量（mm）

0～1

≥1～3

≥3～5

≥6

注:

表中的腐蚀速率系指均匀腐蚀。

最大腐蚀裕量不应大于6mm，否则应采取更耐腐蚀的材料，如复合钢板、堆焊层、衬里等。

4）容器接管（包括人、手孔）的腐蚀裕量，一般情况下应取壳体的腐蚀裕量。

5）筒体内侧受力焊缝应取与筒体相同的腐蚀裕量。

6）两侧同时与介质接触的元件，应根据两侧不同的操作介质选取不同的腐蚀裕量，两者叠加作为总的腐蚀裕量。

7）容器地脚螺栓的腐蚀裕量不小于3mm。

8）裙座的腐蚀裕量不小于2mm。

4.壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：

δmin

当设计压力较低时，由内压强度计算公式算的计算厚度δ较小，往往不能满足制造、运输、安装等方面的刚度要求，因而对容器规定了最小厚度δmin

（1）对碳钢和低合金钢制容器,不小于3mm；

（2）对高合金钢容器,不小于2mm；

（3）碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2/1000的塔器内直径,且不小于3mm;

对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于2mm；

（4）管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB151《管壳式换热器》的相应规定。

对于名义厚度取决于最小厚度且公称直径较大、厚度较薄的容器，为防止在制造、运输或安装时产生过大的变形，应根据具体情况采取临时的加固措施（如在容器的内部设置临时支撑元件等）。

（5）复合钢板复层的最小厚度

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