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压力容器设计制造200问答

加入日期:

2008-10-28|来源:

程力压力容器

第三章钢制焊接压力容器

3-1什么叫工作压力？

什么叫设计压力？

什么叫计算压力？

答：

工作压力指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

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。

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。

当元件所承受的液柱静压力小于5％设计压力时，可忽略不计。

3-2设计压力与计算压力有何不同，如何确定？

答：

设计压力是对容器的各个腔体而言的，是容器选择材料、划分类别、提出制

造和检验要求、确定试验压力等的依据，也是确定容器各个受压元件计算压力的

依据。

液化气槽车各个腔体的设计压力是根据其工作压力、安全阀的开启压力或爆破片

的爆破压力等确定的。

设计压力不得低于工作压力，装有安全泄放装置时，不得

低于安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力。

计算压力是对容器的各个受压元件

而言的，仅用于确定容器各个受压元件满足强度、稳定和刚度要求的厚度。

容器

各个受压元件的计算压力是根据容器各个腔体的设计压力加液柱静压力对它单

独和共同作用的情况确定的。

对于单腔容器，介质全为气体时，容器上各个受压

元件的计算压力均为该容器的设计压力；介质中有液体时，受液柱静压力作用的

受压元件的计算压力为容器的设计压力加上液柱静压力。

对于多腔容器中受多腔

压力作用的受压元件，应根据生产操作中可能出现的情况确定其计算压力，如：

确定换热器管板的计算压力时，要考虑壳程压力单独作用、管程压力单独作用和

它们共同作用的情况；确定带夹套的容器中内容器上被夹套包围的受压元件的计

算压力时，要考虑内容器压力单独作用、夹套压力单独作用和它们共同作用的情

况，同时还要考虑其在夹套试验压力下的稳定性。

3-3何谓临界状态、临界温度、临界压力？

答：

临界状态是物质气液态平衡共存时的边缘状态。

在此状态下，液体密度和饱

和蒸气密度相同，因而它们的界面消失。

这种状态只能在临界温度和临界压力下

实现，可用临界点表示。

临界温度是物质处于临界状态时的温度。

是当采用加压

的方法使气体液化时所允许的最高温度。

在这个温度以上，物质只能处于气体状

态，不能单用压缩方法使之液化。

临界压力是物质处于临界状态时的压力。

是在

临界温度时使气体液化所需的最小压力，也就是液体在临界温度时的饱和蒸气

压。

3-4在固定式液化气体压力容器设计中，如何确定设计压力？

答：

1．盛装液化气体的固定式压力容器的设计压力按下述规定确定：

a）盛装

临界温度大于等于50℃液化气体的固定式压力容器，设计有可靠的保冷设施时，

其设计压力不得低于所盛装液化气体在可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气

压力；无保冷设施时，其设计压力不得低于所盛装液化气体在50℃时的饱和蒸

气压力。

b）盛装临界温度小于50℃液化气体的固定式压力容器，设计有可靠

的保冷设施，并有试验实测最高工作温度且能保证低于临界温度时，其设计压力

不得低于所盛装液化气体在试验实测最高工作温度下的饱和蒸气压力；无试验实

测温度或无保冷设施时，其设计压力不得低于所盛装液化气体在设计所规定的最

大充装量时，温度为50℃的气体压力。

2．固定式液化石油气液化气储罐的设计压力

应按不低于50℃时混合液化石油气组分的实际饱和蒸气压来确定，设计单位应

在图样上注明限定的组分和对应的压力。

若无实际组分数据或不做组分分析，其

设计压力按下述规定确定：

a）混合液化石油气50℃饱和蒸气压力小于等于异

丁烷50℃饱和蒸气压力，设计有可靠的保冷设施时，其设计压力不得低于可能

达到的最高工作温度下异丁烷的饱和蒸气压力；无保冷设施时，其设计压力不得

低于50℃异丁烷的饱和蒸气压力。

b）混合液化石油气50℃饱和蒸气压力大于

异丁烷50℃饱和蒸气压力且小于等于丙烷50℃饱和蒸气压力，设计有可靠的保

冷设施时，其设计压力不得低于可能达到的最高工作温度下丙烷的饱和蒸气压

力；无保冷设施时，其设计压力不得低于50℃丙烷的饱和蒸气压力。

c）液化石油气汽车罐车混合

液化石油气50℃饱和蒸气压力大于丙烷50℃饱和蒸气压力，设计有可靠的保冷

设施时，其设计压力不得低于可能达到的最高工作温度下丙烯的饱和蒸气压力；

无保冷设施时，其设计压力不得低于50℃丙烯的饱和蒸气压力。

[注]液化石油

气指国家标准GB11174规定的混合液化石油气；异丁烷、丙烷、丙烯50℃的饱

和蒸气压力应按相应的国家标准和行业标准的规定确定。

3-5GB150-1998标准规定对压力容器设计应考虑的载荷有哪些？

答：

1．内压、外压或最大压差；2．液体静压力；需要时，还应考虑下列载荷：

3．容器的自重（包括内件和填料等），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、底座圈、支耳及其他型式支

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

不同而引起的作用力；9．包括压力急剧波动的冲击载荷；10．冲击反力，如

由流体冲击引起的反力等。

11．运输或吊装时的作用力。

3-6GB150-1998标准除了规定的常规设计方法以外还允许采用什么方法进行设

计？

答：

还允许用以下方法设计，但需经全国压力容器标准化技术委员会评定、认可。

——包括有限元法在内的应力分析；——验证性实验分析（如实验应力分析、

验证性液压试验）；——用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。

3-7什么叫计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度？

答：

计算厚度指按有关公式计算得到的厚度。

需要时，尚应计入其他载荷所需厚

度。

设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度指设计厚度加上钢材厚度负

偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。

有效厚度指名

义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。

3-8钢制压力容器圆筒加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度是多少？

答：

1．对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm；2．对高合金钢制容器，不

小于2mm；3．对钢制管壳式换热器，按GB151的规定；4．对钢制塔式容器，

按JB4710的规定。

3-9厚度附加量由哪两部分组成？

答：

液化石油气汽车罐车厚度附加量按下式确定：

C=C1+C2式中：

C——厚度附加量，mm；C1——

钢材厚度负偏差，mm；C2——腐蚀裕量，mm。

3-10钢材厚度负偏差如何确定？

答：

钢板或钢管的厚度负偏差按钢材标准的规定。

当钢材的厚度负偏差不大于

0.25mm，且不超过名义厚度的6％时，负偏差可忽略不计。

3-11为什么要考虑腐蚀裕量？

具体规定如何？

答：

为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。

具体规定如下：

a）对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器寿命和介质对金

属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；b）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；c）介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制容

器，腐蚀裕量不小于1mm。

除此以外的其他情况可参照下表选取：

腐蚀程度腐蚀速率（mm/年）腐蚀裕量（mm）

不腐蚀＜0

轻微腐蚀～≥1

腐蚀～≥2

重腐蚀＞≥3

注：

①表中的腐蚀裕量系指均匀腐蚀。

②最大腐蚀裕量不应大于6mm，否则应

采取防腐措施。

3-12GB150-1998中为什么螺栓材料的许用应力选取的较低？

答：

螺栓材料的许用应力选取的较低，是因为：

第一，由于螺栓在工作过程中绝

不允许出现塑性变形，否则将会引起法兰密封的失效，所以螺栓只需对材料在设

计温度下的屈服点和持久强度取安全系数，而未规定对强度限和蠕变限的安全系

数。

第二，螺栓在工作时的受力状态比较复杂，它在承受轴向拉力为主的同时，

还要承受弯矩和扭矩，在拧紧时尚需克服摩擦阻力矩，而在上述强度计算中均把

受力状态简化为只受轴向拉力，因此，应降低其许用应力，也即其安全系数应比

其他元件的安全系数为大。

第三，螺栓的安全系数按螺栓规格的大小分档，这是

因为小直径螺栓在安装使用过程中出现超载的可能性大，因此，小直径螺栓的安

全系数较大直径螺栓的安全系数大。

第四，螺栓的安全系数随螺栓的热处理状态

不同而不同，这是因为材料通过调质处理后，屈服点提高较多，而强度限提高较

少，致使材料的屈强比提高，降低了抗塑性变形的能力，因此调质状态螺栓的安

全系数高于热轧和正火状态螺栓的安全系数。

3-13不锈钢复合钢板在设计计算中如需计入复层材料的强度时，其设计温度下

的许用应力如何确定？

答：

对于复层与基层结合率达到JB4733-1996标准中B2级板以上的复合钢板，

在设计计算中如需计入复层材料的强度时，设计温度下的许用应力按GB-150中

不锈钢复合钢板公式确定。

3-14计算成形封头厚度时，选取许用应力应注意什么问题？

答：

由于成形封头在图纸上标注的厚度是名义厚度，它不包括封头成形减薄量，

即冲制封头时用的钢板的厚度一般均厚于封头的名义厚度。

因此，当用封头名义

厚度选取许用应力时，可能导致许用应力偏高，造成安全隐患。

例如，设计温度

为200℃的标准椭圆形封头，选材为16MnR板，通过计算取名义厚度为16mm，刚

好能满足强度要求，这时16mm厚的16MnR钢板的许用应力按GB150-1998表4-1

选取为170MPa。

但是，考虑到封头成形减薄量，冲制封头的板厚会是18mm，这

时按GB150-1998表4-1，板材的许用应力是159MPa。

再按159MPa计算原封头，

16mm的厚度就会满足不了要求。

因此，在计算成形封头厚度时，当封头名义厚

度恰好是许用应力表中分挡板厚的上限时，特别要注意许用应力的修正。

3-15内压容器试验压力如何确定？

答：

内压容器液压试验压力的最低值按下式确定：

pT=（[σ]/[σ]t）

内压容器气压试验压力的最低值按下式确定：

pT=（[σ]/[σ]t）

式中：

pT——试验压力，MPa；

p——设计压力，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。

注：

1容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p。

2容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）所用材料不同时，应取各元件材料

的[σ]/[σ]t比值中的最小者。

3-16真空容器如何进行压力试验？

其试验压力如何确定？

答：

真空容器以内压进行压力试验。

真空容器液压试验压力的最低值按下式确定：

pT=

真空容器气压试验压力的最低值按下式确定：

pT=

式中：

pT——试验压力，MPa；

p——设计压力，MPa。

3-17对于由两个（或两个以上）压力室组成的容器，确定试验压力时有何要求？

答：

对于由两个（或两个以上）压力室组成的容器，应在图样上分别注明各个压

力室的试验压力，并校核相邻壳壁在试验压力下的稳定性。

如果不能满足稳定要

求，则应规定在作压力试验时，相邻压力室内必须保持一定压力，以使整个试验

过程（包括升压、保压和卸压）中的任一时间内，各压力室的压力差不超过允许

压差，图样上应注明这一要求和允许压差值。

3-18容器进行液压试验时，对试验液体有什么要求？

答：

试验液体一般采用水，需要时也可采用不会导致发生危险的其它液体。

试验

时液体的温度应低于其闪点或沸点。

奥氏体不锈钢制容器用水进行液压试验后应

将水渍清除干净。

当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过

25mg/L。

试验温度：

a）碳素钢、16MnR和正火15MnVR钢容器液压试验时，液

体温度不得低于5℃；其他低合金钢容器，液压试验时液体温度不得低于15℃。

如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高试验液体温

度；b）其他钢种容器液压试验温度按图样规定。

3-19何种情况下方可采用气压试验？

对试验的安全和试验用气体有何要求？

答：

下列情况下方可采用气压试验：

1．容器容积过大，无法承受液体的重量；

2．结构复杂，液压试验不足以充分检验各个部位的试压要求；3．由于结构原

因用液体不适合的，如容器内不允许有微量残留液体而无法排净或不能充满液体

的容器；4．其它难以克服的困难，诸如大型容器供水困难者。

气压试验应有安

全措施。

该安全措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部门检查

监督。

试验所用气体应为干燥、洁净的空气、氮气或其它惰性气体。

碳素钢和低

合金钢容器，气压试验时介质温度不得低于15℃；其他钢种容器气压试验温度

按图样规定。

3-20何种情况下的压力容器应进行气密性试验？

答：

符合下列情况时，压力容器应进行气密性试验。

（1）介质为易燃、易爆；

（2）

介质为极度危害或高度危害时；（3）对真空度有较严格要求时；（4）如有泄漏将

危及容器的安全（如衬里等）和正常操作者。

3-21试述第一、三、四强度理论？

答：

第一强度理论即最大主应力理论，其当量应力强度S=σ1。

它认为引起材料

断裂破坏的主要因素是最大主应力。

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，材料即发生断裂破坏。

第三强度

理论即最大剪应力理论，其当量应力强度S=σ1-σ3，它认为引起材料发生屈服

破坏的主要因素是最大剪应力。

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，材料即发生屈服破坏。

第四强度理论亦称最

大应变能理论，其当量力强度为它认为引起材料发生屈服破坏的主要因素是材

料的最大变形能，亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形能达

到材料单向拉伸屈服时的变形能，材料即发生屈服破坏。

我国标准GB150-1998

《钢制压力容器》液化气槽车中强度计算主要是以第一强度理论为基础的。

我国标准

JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中应力强度计算采用的是第三

强度理论。

3-22GB150-1998中内压圆筒计算厚度的基本公式和适用范围是什么？

答：

基本公式：

δ=pc*Di/（2[σ]tφ-pc）

适用范围为D0/Di≤或pc≤[σ]tφ。

3-23GB150-1998中内压球壳计算厚度的基本公式及适用范围是什么？

答：

基本公式：

δ=pc*Di/（4[σ]tφ-pc）

适用范围为pc≤[σ]tφ。

3-24内压圆筒厚度计算公式中的焊接接头系数指的是何类焊接接头系数？

具

体说明。

答：

指的是A类焊接接头系数，具体就是指的圆筒纵向焊接接头系数。

3-25外压元件破坏形式有哪两种？

外压元件的设计应包括哪两方面的内容？

答：

外压元件破坏主要有强度不足引起的破坏和失稳破坏两种。

设计应包括强度

计算和稳定性校核。

因失稳往往在强度破坏前发生，所以稳定性计算是外压元件

设计中主要考虑的问题。

3-26GB150-1998对外压圆筒（D0/δe≥20）有效厚度的计算是如何规定的？

答：

a）假设δn，令δe＝δn－C，定出L/Do和Do/δe；b）在GB150-1998

中图6-2的左方找到L/Do值，过此点沿水平方向右移与Do/δe线相交（遇中间

值用内插法），若L/Do值大于50，则用L/Do=50查图，若L/Do值小于，则

用L/Do=查图；c）过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数A（也

可用表6-1查取）；d）按所用材料选用GB150-1998中图6-3～6-10，在图的下

方找到系数A；若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设

计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点水平方向右移，

在图的右方得到系数B，并按下式计算许用外压力[p]：

若所得A值落在设计温

度下材料线的左方，则用下式计算许用外压力[p]：

e）[p]应大于或等于pc，

否则须再假设名义厚度δn，重复上述计算，直到[p]大于且接近于pc为止。

3-27带锥形封头或有锥壳变径段的外压容器的计算长度应如何确定？

答：

以圆筒—锥壳的交线为界确定外压元件的计算长度是有条件的，无条件地以

交线为界是错误的。

如图3-1所示，只有当圆筒—锥壳的交线是支撑线时，即该

连接处的惯性矩满足GB150-1998中7.2.5.3条规定所需惯矩的要求时，该交线

才能作为外压元件计算长度的一条界线。

当圆筒—锥壳的交线不是支撑线时，即

该连接处的惯性矩不能满足所需惯性矩的要求时，则该交线不能为外压元件计算

长度的界线，如图3-2所示。

图中L范围以内的外压元件，如图中所示的大、小

圆筒和锥壳，其外压计算长度均为L，并应按各自的直径和相应的厚度进行外压

计算。

此外，锥壳（含折边锥壳）的厚度还不得小于相连接圆筒的厚度。

3-28常见的液化石油气储罐容器封头有哪几种？

各有何优缺点？

答：

常见的液化石油气储罐容器封头有半球形封头、碟形封头、椭圆形封头、球冠形封头、锥形

封头、平盖等。

从受力情况看，依次为：

半球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥形、

平盖最差。

从制造上看，平盖最易，其次为锥形、球冠形、碟形、椭圆形、半球

形。

锥形封头受力不佳，但有利于流体均匀分布和排料，使用也较多。

3-29GB150-1998对碟形封头球面部分的内半径和封头转角内半径有何要求？

答：

碟形封头球面部分的内半径应取不大于封头的内直径，通常取倍的封头

内直径，封头转角内半径应不小于封头内直径的10％，且不得小于3倍的名义

厚度δn。

3-30受内压的碟形封头和椭圆形封头的形状系数是什么？

答：

碟形封头的形状系数M按下式计算：

式中Ri为球面部分内半径，r为转角

内半径。

液化石油气汽车槽车椭圆形封头的形状系数K按下式计算：

式中Di为封头内直径，hi为

封头曲面深度。

标准椭圆形封头K=1。

3-31GB150-1998中受内压碟形封头计算厚度的公式是什么？

答：

计算厚度公式：

δ=M*pc*Ri/（2[σ]tφ）

式中M为碟形封头形状系数。

3-32GB150-1998对碟形封头的有效厚度有何限制？

答：

对于Ri=、r=Di的碟形封头，其有效厚度应不小于封头内直径的

％，其他碟形封头的有效厚度应不小于％。

但当确定封头厚度时已考

虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。

3-33GB150-1998中受内压液化石油气汽车槽车椭圆形封头计算厚度的公式是什么？

答：

计算厚度公式：

δ=pc*Di/（2[σ]tφ）

式中K为椭圆形封头形状系数。

3-34GB150-1998对椭圆形封头的有效厚度有何限制？

答：

标准椭圆形封头（K=1）的有效厚度应不小于封头内直径的％，其他椭

圆形封头的有效厚度应不小于％。

但当确定封头厚度时已考虑了内压下的

弹性失稳问题，可不受此限制。

3-35GB150-1998中受内压（凹面受压）球冠形端封头的计算厚度公式是什么？

答：

计算厚度公式：

δ=Q*pc*Di/（2[σ]tφ-pc）

式中Q为系数，由GB150-1998中图7-5查取。

3-36GB150-1998对受外压（凸面受压）球冠形端封头计算厚度的确定是如何规

定的？

答：

封头的计算厚度按下列两种方法确定，取其较大值：

1．按以下步骤确定外压球壳的有效厚度：

a）假设δn，令δe＝δn－C，定出

Ro/δe；b）用下式计算系数A：

c）根据所用材料选用GB150-1998中图6-3～

6-10，在图的下方找出系数A，若A值落在设计温度材料线的右方，则过此点垂

直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点水

平方向右移，在图的右方得到系数B，并按下式计算许用外压力[p]：

若所得A

值落在设计温度下材料线的左方，则用下式计算许用外压力[p]：

d）[p]应大于

或等于Pc，否则须再假设名义厚度δn，重复上述计算，直到[p]大于且接近Pc

为止。

2．按受内压（凹面受压）球冠形端封头的计算厚度公式计算封头的计算厚度。

3-37GB150-1998对两侧受压的球冠形中间封头计算厚度的确定是如何规定的？

答：

1．当不能保证在任何情况下封头两侧的压力都同时作用时，应分别按下列

两种情况计算，取较大值：

a）只考虑封头凹面侧受压，封头计算厚度按受内压

（凹面受压）球冠形端封头的计算厚度公式计算，其中Q值由GB150-1998中图

7-6查取；b）只考虑封头凸面侧受压，封头计算厚度按上述a）中公式计算，

但其中Q值由GB150-1998中图7-7查取。

此外还不应小于按GB150-1998中

（本教材3-36题第一种方法）确定的有效厚度。

2．当能够保证在任何情况下

封头两侧的压力同时作用时，可以按封头两侧的压力差进行计算：

a）当压力差

的作用使封头凹面受压时，封头计算厚度按上述第1种情况a）的方法计算；b）

当压力差的作用使封头凸面侧受压时，封头计算厚度按上述第1种情况b）的方

法计算。

3-38GB150-1998对锥壳的设计范围有何限制？

对其几何形状有何要求？

答：

仅适用于锥壳半顶角α≤600的轴对称无折边锥壳或折边锥壳。

对其几何形

状有如下要求：

1．对于锥壳大端，当锥壳半顶角α≤300时，可以采用无折边

结构；当α＞300时，应采用带过渡段的折边结构，否则应按应力分析方法进行

设计。

2．大端折边锥壳的过渡段转角半径r应不小于锥壳大端内直径Di的10

％，且不小于该过渡段厚度的3倍。

3．对于锥壳小端，当锥壳半顶角α≤450

时，可以采用无折边结构；当α＞450时，应采用带过渡段的折边结构。

4．小

端折边锥壳的过渡段转角半径rs应不小于锥壳小端内直径Dis的5％，且不小

于该过渡段厚度的3倍。

5．锥壳与圆筒的连接应采用全焊透结构。

3-39当锥形封头的锥壳半顶角α＞600时，GB150-1998对其厚度计算是如何规

定的？

答：

当锥壳半顶角α＞600时，锥形封头的厚度可按平盖计算，也可以用应力分

析方法确定。

3-40GB150-1998中受内压锥壳计算厚度的公式是什么？

其中DC的含义为何？

答：

受内压锥壳厚度的计算式为：

δ=[pc*Dc/（2[σ]tφ-pc）]*（1/cosα）

式中DC的含义是：

当锥壳由同一半顶角的几个不同厚度的锥壳段组成时，锥壳

段的直径是逐段变化的，各锥壳段的厚度均按此式计算，式中的Dc分别为各锥

壳段大端内直径。

3-41受内压无折边锥壳大、小端若需增加厚度予以加强时，GB150-1998对此有

何要求？

加强段厚度如何计算？

答：

若需要增加厚度予以加强时，则应在锥壳与圆筒之间设置加强段，锥壳加强

段与圆筒加强段应具有相同的厚度。

受内压无折边锥壳大端加强段的厚度按下式

计算：

δr=Q*pc*Di/（2[σ]tφ-pc）

式中Q为应力增值系数，由GB150-1998中图7-12查取。