1、中国石油和化学工业协会培训中心,GB150 规范设计讲解,1,固定式压力容器 第3 部分：设计 GB 150.32010,1 内压圆筒和内压球壳 2 外压圆筒和外压球壳 3 封头 4 开孔和开孔补强 5 法兰,2,前言,本部分代替GB1501998钢制压力容器第5章、第9章、附录D、附录G 和附录J。主要变化如下：1、对应于原 GB 1501998 第5 章内压圆筒和内压球壳，本部分第3章增加了按外径进行壁厚设计计算的相应公式；2、参照 ASME锅炉压力容器规范第卷和EN13445非火焰受火压力容器标准相关基本受压元件的设计方法，增加了偏心锥壳和低压平封头等元件的设计计算方法；3、增加附录B
2、“钢带错绕筒体设计”。,3,内压圆筒和内压球壳,一、内压圆筒的五种厚度适用范围： 1、 计算厚度 式中： Pc计算压力，MPa；Di圆筒内径，mm；材料使用温度下的许用应力，MPa；焊接接头系数。,4,若考虑到材料被腐蚀及其影响强度的其他因素所需的壁厚附加量C， C壁厚附加量，mm；CC1C2。 式中：C1钢板负偏差，mm；C2腐蚀余量，mm。,5,2、圆筒设计厚度: 3、圆筒的名义厚度:将上式圆整至国家钢板标准厚度。 4、圆筒的有效厚度：,6,容器最小壁厚： 规定容器的最小壁厚是为了满足制造、运输及安装过程中刚度要求，根据工程经验所规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚。 碳素钢和低合金钢制造的容器
3、，最小壁厚不小于3mm； 高合金钢制容器，（如不锈钢制造的容器），最小壁厚不小于2mm。,7,圆筒的计算应力按下式计算t值应小于或等于t。 多层包扎圆筒及套合圆筒的t值按下式计算：公式中i=1.0，o =1.0。,8,设计温度下圆筒的最大允许工作压力按下式计算球壳计算本节公式的适用范围为 。设计温度下球壳的计算厚度按下式计算。,9,球壳的计算应力按下式计算t值应小于或等于t。 设计温度下球壳的最大允许工作压力按下式计算,10,外压圆筒和外压球壳,1、计算长度的确定圆筒计算长度，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，见图示。,11,外压圆筒的计算长度,12,外压圆筒和外压球壳,2、 的圆筒和管子(1
4、) 外压应变系数A 值的确定a） 根据 和 由图4-2 或表4-2 查取外压应变系数 A 值；b） 若 值大于50，则用 =50 查图，若 值小于 0.05，则用 =0.05 查图。(2) 外压应力系数B 值的确定a） 按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图，再按对应的外压应力系数B 曲线图，由A 值查取B 值；b） 若 A 值超出设计温度下曲线的最大值，则取对应温度下曲线的右端点的纵坐标值为B 值；,13,c）若 A 值小于设计温度下曲线的最小值，则按下式计算B 值.,（3） 许用外压力p确定 根据B 值，按下式计算许用外压力p计算得到的p应大于或等于pc，否则须调整设计参数
5、，重复上述计算，直到满足设计要求。,14,外压圆筒和外压球壳,3、 的圆筒和管子(1) 外压应变系数A 值的确定a）对 的圆筒和管子，用相同的步骤得到系数A 值；b）对 的圆筒和管子，按下式计算系数A 值：系数 A0.1 时，取A=0.1；(2) 外压应力系数B 值的确定a） 按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图，再按对应的外压应力系数B 曲线图，由A 值查取B 值；,15,外压圆筒和外压球壳,b）若 A 值超出设计温度下曲线的最大值，则取对应温度下曲线的右端点的纵坐标值为B 值；,c）若 A 值小于设计温度下曲线的最小值，则按下式计算B 值.,（3） 许用外压力p确定按下式
6、计算许用外压力p式中： 应力，取以下两值中的较小值：,16,外压圆筒和外压球壳,计算得到的p应大于或等于pc，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。,17,外压圆筒和外压球壳,4、外压球壳的计算 (1) 外压应变系数A 值的确定(2) 外压应力系数B 值的确定a） 按所用材料，查表4-1 确定对应的外压应力系数B 曲线 图，再按对应的外压应力系数B 曲线图，由A 值查取B 值；b） 若 A 值超出设计温度下曲线的最大值，则取对应温度下曲线的右端点的纵坐标值为B 值；c） 若 A 值落在设计温度下曲线的最小值，则按下式计算B 值,18,外压圆筒和外压球壳,（3） 许用外压力p确定按
7、下式计算许用外压力p计算得到的p应大于或等于pc，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。5、 外压圆筒加强圈的设计 （1） 加强圈的计算 a 计算惯性矩选定加强圈材料与截面尺寸，计算其横截面积As 和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is；Is值的计算可计入在加强圈中心线两侧有效宽度各为 的壳体；,19,外压圆筒和外压球壳,若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒有效宽度相重叠，则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧按一半计算。b 外压应力系数B 值的确定c 外压应变系数A 值的确定a） 按所用材料，查表4-1 确定对应的外压应力系数B 曲线图，再按对应的外压应力系数B 曲线
8、图，由B 值查取A 值；b） 若 B 值超出设计温度下曲线的最大值，则取对应温度下曲线的右端点的横坐标值为A 值；c） 若 B 值小于设计温度下曲线的最小值，则按式计算A 值,20,外压圆筒和外压球壳,d 所需的惯性矩I 确定 用式（4-9）计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩：Is 应大于或等于I，否则须另选一具有较大惯性矩的加强圈，重复上述步骤，直到Is大于且接近I 为止。(2) 加强圈的设置可参照GB150-1998规定。,21,本章规定的设计方法适用于受内压或外压的凸形封头、平盖、锥形封头（含偏心锥壳）、变径段、紧缩口。还规定了必要的拉撑结构设计方法。凸形封头包括椭圆形封头、碟形封头、球
9、冠形封头和半球形封头，其中半球形封头按球壳计算。,封头,22,1 椭圆形封头 （1） 椭圆形封头一般采用长短轴比值为2的标准型。 （2）受内压（凹面受压）椭圆形封头K椭圆形封头形状系数， 其值列于表：,封头,23,的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%， 的 椭圆形封头的有效厚度应不小于0.30%。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。 椭圆形封头的最大允许工作压力按下式计算：,封头,24,（3） 受外压（凸面受压）椭圆形封头凸面受压椭圆形封头的厚度计算应采用外压球壳设计方法，其中Ro 为椭圆形封头的当量球壳外半径，K1由椭圆形长短轴比值决定的系数，见表
10、,封头,25,2 碟形封头 （1） 碟形封头球面部分的内半径应不大于封头的内直径，通常取0.9 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nh。 （2）受内压（凹面受压）碟形封头封头计算厚度按下式计算：,封头,26,封头,式中：Ri碟形封头球面部分内半径，mm；Ro碟形封头外半径，（Ro=Ri+nh），mm；M碟形封头形状系数，,27,封头,对于 的碟形封头，其有效厚度应不小于封头 内直径的0.15%，其他碟形封头的有效厚度应不小于0.30%。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。碟形封头的最大允许工作压力：（3） 受外压（凸面
11、受压）碟形封头凸面受压碟形封头的厚度计算应采用外压球壳设计方法，其中Ro 为碟形封头球面部分外半径。,28,（4）球冠形封头球冠形封头在大多数情况下，用作容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端部封头。其结构形式如图所示。,29,封头,a 球冠形封头的计算厚度h当受内压（凹面受压）时，按内压球壳计算；当受外压（凸面受压）时，按外压球壳计算。对于中间封头，应考虑封头两侧最苛刻的压力组合工况。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。b 球冠形端封头加强段厚度封头加强段的计算厚度按下式计算：,Q系数，由图5-5 查取。,30,封头,31,封头,若圆筒的计算厚度
12、小于球冠形封头加强段厚度，应在圆筒端部设置加强段过渡连接。圆筒加强段计算厚度一般取封头加强段计算厚度，封头加强段长度和圆筒加强段长度均应不小于 。c 球冠形中间封头加强段厚度应考虑封头两侧最苛刻的压力组合工况计算球冠形中间封头加强段厚度。计算厚度按式确定。最苛刻的压力组合工况使得凹面单侧受压，Q 值由图5-6 查取。,32,封头,33,封头,最苛刻的压力组合工况使得凸面单侧受压，Q 值由图5-7 查取。,34,封头,若圆筒的计算厚度小于球冠形中间封头加强段厚度，应在连接 处设置圆筒加强段过渡连接。圆筒加强段计算厚度一般取封头加强段计算厚度，封头加强段长度和两侧圆筒加强段长度均应不小于 。,35
13、, 锥形封头的结构形式 有两种形式：无折边锥壳（a）与（b）；折边锥壳（c）,锥形封头厚度计算,36,锥形封头和椭圆形、半球形封头相比强度较差。在工业生产中，但当操作介质含有固体颗粒或当介质粘度很大时，采用锥形封头有利于出料，亦有利于流体的均匀分布。此外，顶角较小的锥壳还可用来改变流体的流速，因此，锥形封头仍得到广泛应用。,37,1 无折边锥壳厚度 锥壳的计算厚度按下式计算(2-25) 式中： 锥壳的计算厚度，mm；Pc 计算压力，MPa； 同前；Dc 锥壳计算内直径，为锥壳段大端内直径。 锥壳半顶角，。,38,2 锥壳大端无折边锥壳大端与圆筒连接时，按下述步骤确定连接处的大端的厚度， 按图2
14、-13确定是否需要在连接处进行加强。,39,图2-13 确定锥壳大端与圆筒连接处的加强图,40, 当确定不需要加强时，大端锥壳的厚度按式（2-25）计算： 当需要增加厚度予以加强时，则应在锥壳与筒体之间设置加强段，锥壳加强段与圆筒加强段具有相同的厚度，按式 （2-26）计算：（2-26）,41,式中：Q 应力增值系数，由图2-14查取。Di锥壳与筒体连接处的筒体内径。在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度L1应不小于 ；圆筒加强段的长度L应不小于 。,42,图2-14 锥壳大端连接处的Q值图,注:曲线系按最大应力强度(主要为轴向弯曲应力)绘制,控制值为3 t,43
15、,3 锥壳小端无折边锥壳小端与圆筒连接时,按下述步骤确定连接处的锥壳小端的厚度。 按图2-15确定是否在连接处进行加强。,44,注：曲线系按连接处每侧0.25 范围内的薄膜应力强度（由平均环向拉应力和平均径向压应力计算所得）绘制，控制值为1.1 t图2-15 确定锥壳小端连接处的加强图,45, 无需加强时，锥壳小端锥壳厚度按式（2-25）确定。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，按式（2-27）计算：（2-27）式中：Q 应力增值系数，由图2-15查取。,46,在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度L1应
16、不小于 ；圆筒加强段的长度L应不小于 。,47,注：曲线系按连接处每侧0.25 范围内的薄膜应力强度（由平均环向拉应力和平均径向压应力计算所得）绘制，控制值为1.1 t。图2-15 锥壳小端连接处的Q值图,48, 无折边锥形封头的厚度当无折边锥壳的大端或小端，或大、小端同时具有加强段时，锥壳厚度应分别按段进行计算： 锥壳厚度（2-25） 大端与筒体连接处增强厚度（2-26）,49, 小端与筒体连接处增强厚度（2-27） 若考虑只由一种厚度组成时，则应取上述各部分厚度中的最大值作为无折边锥壳的厚度。,50,4 折边锥形封头的厚度有折边的锥形封头由锥壳、过渡区和高度h的直段边组成。过渡区的作用是减
17、小边缘应力，设计的直段边h是为了使封头和筒体连接焊接接头不出现在边缘应力区。一般，ri/Di10%，h为2540mm。 锥壳大端大端的壁厚应同时计算过渡段厚度和与其相连接的锥壳厚度，取二者大值。,51, 过渡段厚度（2-28） 式中：Di 连接筒体内直径，K 系数。K系数由表2-3所示。,52,表2-3 系数K值,53, 过渡段与相连接处的锥壳厚度（2-29）式中：f 系数其值列于表2-4。,54,55, 锥壳小端当锥壳半顶角 45时， 小端无折边，采用（2-25）式计算 若小端有折边，其小端过渡段厚度按（2-27）式计算,56,当 45时，小端过渡段厚度按式（2-27）计算， 此时，Q值按图
18、2-16查取。,57,注：曲线系按过渡区的薄膜应力强度绘制，控制值为1.1 t。图2-16 锥壳小端带过渡段连接的Q值图,58,与过渡段相接的锥壳和圆筒的加强段厚度应与过渡段厚度相同。锥壳加强段的长度L1应不小于 ；圆筒加强段的长度L应不小于 。在任何情况下，加强段的厚度不得小于与其连接处的锥壳厚度。,59, 折边锥壳的厚度当锥壳大端、小端同时具有过渡段时 按（2-25）式计算锥壳厚度 按（2-28）式、（2-29）式分别计算相接处锥壳厚 度：,60, 若采用一种厚度时，则取（2-25）式，（2-28） 式，（2-29）式计算结果时的大值。,61,四、平盖计算圆形平盖厚度在实际工程中，可把圆形
19、平盖简化为受均匀分布横向载荷的圆平板，最大拉应力公式由下式计算：应用第一强度理论，结合实际工程经验，设计公式为:,62,各种形式封头的比较选用什么样形式的封头，主要根据设计对象的要求。在满足工艺要求的前提下，应当考虑封头的技术经济指标。各类封头的特点如下：几何方面 为了节省钢板，要求封头单位容积的表面积越小越好，除平盖和锥形封头外，上述各类凸形封头中，半球形封头单位容积的表面积最小，标准椭圆形封头和碟形封头的单位容积的表面积比半球形大，无折边球形封头最大。,63,力学方面 为了节省材料，要求封头在相同直径（指和筒体相连接的平行圆直径）、同一材料和相同压力作用下厚度最小。对此，半球形封头最好，它
20、的厚度最小；标准椭圆形封头次之；碟形封头再次之；平盖封头最差，它要求的厚度最大。制造方面 要求封头制造容易，半球形封头由于深度大，制造比较困难，标准椭圆形封头和其它凸形封头制造较易，而平板封头制造最容易。综合以上结果，标准椭圆形封头几何形状和受力状态都比较好，制造难度又不大，因此，这种型式的封头在化工生产上得到了广泛的应用。,64,2.2.5 容器压力试验,容器制成或检修后在投入生产之前应进行压力试验，以检查容器的宏观强度和渗漏情况，试验的项目和要求应在图样中注明。是否能够承受规定的工作压力？是否会发生过大变形？在规定的工作压力下，焊缝等处是否会发生局部渗漏？压力试验可以选用液压和气压。由于气
21、压试验的危害性大，故一般都采用液压试验，只有不易做液压试验的容器才采用气压。,65,1.液压试验 试验介质及其要求试验介质，一般用水。试验的环境和水温必须高于材料的脆性转变温度。对于碳素钢和16MnR钢制容器，试验介质温度不得低于5 。对于低合金钢容器，水压实验时，介质温度不低于15 。（不包括低温容器）,66,试验压力内压容器Pt1.25P （2-36）式中： Pt试验压力，MPa；P 设计压力，MPa；且不小于P+0.1，MPa。,67,对设计温度t200的内压容器，其试验压力 为（2-37） 式中： 设计温度下材料的许用应力，MPa；试验温度下材料的许用应力，MPa。当 1.8时，取 1
22、.8。,68,试验方法液压试验时，压力应缓慢上升，达到规定试验压力时，保持30分钟，然后将压力降至规定试验压力的80，并保持足够长时间以便对所有焊缝和连接部位进行检查。实验结果以无渗漏和无可见的残余变形为合格。,69,试验应力校核水压试验时，容器内产生的最大薄膜应力不应超过所用材料在试验温度下屈服强度的90。校核时所取试验压力应计入所校该点处的液柱静压力。校核公式为MPa式中 液压试验温度下材料的屈服极限，MPa。,70,2.气压实验对于不适合做液压实验的容器，例如由于工艺要求，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，才允许用气压实验。凡采用气压实验的容器其焊缝需进行1
23、00的无损探伤，且应增加实验场所的安全措施，并在有关安全部门的监督下进行。,71,试验介质及其要求 干燥气体； 洁净的空气、氮气、惰性气体。 试验温度 对于碳素钢和低合金钢容器，介质温度不小于15 其他钢种容器，试验温度按图样技术条件选定。,72,实验压力 PT1.15P （2-39） 对于设计温度200 时PT1.15P （2-40）试验应力校核公式同液压试验公式。,73,气压试验方法试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力0.1P，且不超过0.05MPa，保压5分钟，检查焊接接头部位。若存在泄漏，修复，重新进行水压实验。合格后，方可重新进行气压实验。,74,初次检查合格后，再继续缓慢升压至规定试验压力的0.5P，其后按每级升压0.1P的级差至规定的试验压力，保压10分钟后，将压力降至0.87P，并保持足够长的时间后进行泄漏检查。如有泄漏，修复后重复上述步骤。,75,3.气密性实验容器进行耐压试验合格后，方可进行气密性实验。试验压力、试验介质和试验要求按图样要求，设计图样必须予以明确，否则不予以执行。试验时的方法试验压力缓缓上升，达到规定的试验压力后保压10分钟，然后降至设计压力，对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。小型容器可浸入水中检查。如有泄漏，修补后重新进行耐压试验和气密性实验。,76,77,
