1、一概述压力容器审核人员培训班讲稿压力容器设计基础1、标准适用的压力范围 GB1501998钢制压力容器设计压力 P：0.135 MPa 真空度：0.02 MPa GB1511999管壳式换热器设计压力 P：0.135 MPa 真空度：0.02 MPa 公称压力 PN35 MPa，公称直径 DN2600mm PN DN1.75104 JB473295 钢制压力容器 -分析设计标准设计压力 P：0.1100 MPa 真空度：0.02 MPa JBT47351997钢制焊接常压容器设计压力 P： 圆筒形容器：-0.02 MPaP0.1 MPa 立式圆筒形储罐、圆筒形料仓 -500PaP0.2000
2、Pa 矩形容器： 连通大气 GB12337 1998钢制球形储罐设计压力 P4MPa,公称容积 V50M3JB47102000 钢制塔式容器 设计压力 P：0.135MPa (对工作压力10m 且 h/D(直径)5 2.设计时应考虑的载荷 1) 内压、外压或最大压差1 2) 液体静压力(5%P) ； 压力容器审核人员培训班讲稿需要时，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
3、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。3、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) 压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。3) 压力容器的设计总图应盖有压力容器设计资格印章。4容器范围 GB150 管辖的容器范围是指壳体及其连为整体的受压零部件 1)容器与外部管道连接 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焊接接头。接头以外的元件，如加强圈、支座、裙座等2 压力容器审核人员培训班讲稿4) 连
4、接在容器上的仪表等附件。直接连接在容器上的超压泄放装置。5.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 在指定
5、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减去除压力外的其他载荷所需厚度后，计算得到的最大允许工作压力（且减去元件相应的液柱静压力）中的最小值。 最大允许工作压力可作为确定保护容器的安全泄放装置动作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。 安全阀的开启压力 Pz 3 压力容器审核人员培训班讲稿安全阀阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。 爆破片的标定爆破压力 Pb 爆破片铭牌上标的爆破压力。 (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
6、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min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 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4 度附加量的厚度。设计厚度d压力容器审核人员培训班讲稿计算厚度与腐蚀裕量之和 名义厚度（
7、即图样厚度）n 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e 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）。二.材料 (一 )选材的基本原则 选择压力容器用材，须根据容器的使用条件（如温度、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等）、制造工艺、材料的焊接性能及经济合理性选择具有适宜的机械性能、耐腐蚀性能、物理性能等的材料。注意在同一工程中应尽量注意用材统一,具体的选材过程中必须仔细考虑如下因素： （二）材料的基本性能材料的基本性1 机械性能 金属的机械性能是指金属材料在外力作用下表现出来的特性，如强度、弹性、硬度、韧性
8、及塑性等。也可称为“力学性能” 。金属材料就是用其在为同受力条件下所表现出来的不同特性指标，来衡量金属材料的机械性能。 （1） 机械强度 强度是材料抵抗外力作用不致破坏的性能特性。常用5 压力容器审核人员培训班讲稿的特性指标有屈服极限（ ts）和强度极限（ b）。数值由拉伸试验获得。高温时还要考虑蠕变极限（ tn）和持久极限（ tD）。 b s 压力容器用材要求材料不仅具有高的屈服极限，而且具有一定的屈强比（ s/b）。屈强比反映了材料承受外载能力的能力,屈强比愈小，结构零件的可靠性愈高，万一超载，由于塑性变形的产生而使金属材料的强度提高而不致立刻破坏。压力容器用材的屈强比一般为 0.60.7
9、。碳素钢的屈强比一般为 0.6 左右，低合金高强度钢为 0.650.75，合金结构钢为 0.85 (2)塑性 材料的塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。材料的塑性是用延伸率（）及断面收缩率（）来表示。它们的数值由拉伸试验获得。 一般情况下，塑性材料的延伸率和断面收缩率较大，而脆性材料则较小。金属材料的塑性指标在压力容器设计具有重要的意义。首先，塑性良好的材料可以顺利地进行某些成型工艺，如冷冲压、冷弯曲等。其次，良好的塑性使零件在使用时万一超载，也能由于塑性变形使用权材料强度提高而避免突然袭击断裂。压力容器的主要零部件都是承压的，无论从制造工艺的要求不是从使用安全的要求，都希
10、望金属材料具有良好的塑性。一般碳6 压力容器审核人员培训班讲稿钢、碳锰钢16%,其它合金钢14%。 （3）硬度 所谓硬度是指金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，也可以说是材料对局部塑性的抗力。硬度可采用不同的方法在不同的仪器上测定，其所得的硬度指标也各不相同。最常用的硬度指标为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC ）、和维氏硬度（ HV），其数值可以互相换算。 硬度是金属材料的重要性能之一。一般情况下，材料的硬度高，其耐磨性也较好。材料的硬度与强度之间也有一定的关系（因为硬度是反映材料局部塑性变形的抗力），根据经验，硬度与抗拉强度有如下近似关系： 轧制、正火或退火的低碳钢 b =0.36HB; 轧
11、制、正火或退火的中碳钢 b =0.35HB; 硬度 HB250 经热处理的合金钢 b =0.34HB; 硬度 HB250400，经热处理的合金钢 b =0.33HB; 由于测定硬度方便，在生产中常用测定硬度的方法来估算钢材的强度。对焊接接头，也常用测定热影响区硬度的方法来确定其淬硬程度。 换热管与管板的连接采用胀接时，换热管材料的硬度值一般须低于管板材料的硬度值。 螺栓和螺母匹配使用，一般螺栓材料的硬度值须高于螺母HB。 （4）韧性 韧性是指材料抵抗冲击载荷的性能指标, 材料韧性用冲击功 AKV来衡量,冲击功 AKV是指材料受到冲击负荷的作用下，产生断裂时所消耗能量大小的特性，即冲击试样所消耗
12、的功，其单位为 J。 由于冲击功 AKV是金属材料各项机械性能标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材7 压力容器审核人员培训班讲稿料脆性转变和断裂特性的重要指标，所以对压力容器用钢来说，尤其是低温压力容器冲击功是一项重要的性能指标。 （5）温度对材料机械性能的影响 材料的屈服极限、强度极限和弹性模量随温度的升高而降低。如果设备的操作温度较高，则必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。 如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的。材料蠕变极限指在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内(10万小时)产生 1%的变形时的
13、应力 ;持久极限是材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内(10 万小时)引起断裂时的应力在实际试验中，常常用较短时间的试验结果来外推长时间的性能，但一般限制外推时间不得大于试验时间的 10 倍。持久强度是高温元件设计选材的重要依据，是 GB150 中确定许用应力的强度指标之一 8 压力容器审核人员培训班讲稿低温情况下，通常塑性金属材料往往以脆性方式破坏。引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因素非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度，加工后的残余应力、结构缺陷以及材料的使用温度。 目前各国标准规范均以夏比 v 型缺口冲击试验来检验材料对脆性破坏的敏感性。 2 耐腐蚀性能耐腐蚀性能是
14、金属材料抵抗介质腐蚀的能力。压力容器中处理的介质大多数具有腐蚀性的，在设计中必须根据操作介质来选择耐腐蚀材料。 引起材料腐蚀的因素多种多样，工程中常将常见的腐蚀情况分为：均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、磨蚀等。 （1） 均匀腐蚀 均匀腐蚀是在整个金属表面均匀地发生腐蚀，这种腐蚀相对其它形式 的腐蚀其危害最小。GB150 中 C2只考虑 均匀腐蚀 C2=KB其中 B设计寿命(年) K腐蚀速率(mm/ 年 )一般分为 不腐蚀 轻微腐蚀 腐蚀 重腐蚀 B mm/年 D）,t 为公称厚度 b)环形锻件（LD ） ,L 和 t 中的小者为公称厚度 c)饼形锻件（tD）,t 为公称厚度 d)碗形
15、锻件（HD），t1 和 t2 中的小者为公称厚度 e)长颈法兰锻件（HD）t1 和 t2 中的小者为公称厚度 f)条形锻件（LD）,D 为公称厚度 锻件的级别由设计单位确定，并应在图样上注明，如 16MnR。 4紧固件紧固件的使用温度范围应符合 GB150 表 4-10,螺栓的硬度应比螺母稍高（HB30 ），可通过选用不同钢材或不同热处理而获得。 17 压力容器审核人员培训班讲稿表 紧固件的使用温度范围 螺母用钢 螺柱 钢号 钢号 Q235-A Q215-A 35 Q235-A 40MnB、 35 40MnVB 40Mn 40Cr 35 30CrMoA 40Mn 钢材 标准 GB700 ( 使
16、 用 状态,热轧) GB699 (正火) GB699 使用温度范围（）-19300 -19400 其 它 限 制 适用于 P 10.0Mpa 容器.密封要求高时,使用温度宜小于等于 200 适用于 P2.5Mpa 容器及密封要求高时,使用温度宜小于等于 400 适用于 P2.5Mpa 容器及密35CrMoA 45 25Cr2Mo 30CrMoA VA 35CrMoA GB3077 -19400 GB3077 (调质) -19500 封要求高时,使用温度宜小于等于 400 适用于 P2.5Mpa 容器及密封要求高时,使用温度宜小于等于 500 1Cr5Mo 1Cr5Mo GB1221 0Cr18
17、Ni GB1220 -19600 适用于高温密封 9 0Cr17Ni12Mo2 0Cr18Ni9 0Cr17Ni12Mo2 (固溶) -253700 GB1220 (固溶) -253700 5.焊接材钢制压力容器的溶化焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、等离子弧焊、气体保护焊和电渣焊。焊接方法在条件允许的条件下首先选用自动焊。 手工焊焊条是由焊条芯和药皮两部分组成。焊条芯起导电和填充焊缝金属的作用，它的化学成分和非金属夹杂物的多少将直接影响焊缝质量。药皮则用于保证焊接顺利进行并使焊缝。 一定的化学成分和机械性能，是决定焊缝金属质量的主要因素之一。焊条药皮类型较多，但大致可分为酸性焊条和碱性焊条两
18、大类。药皮中不采用强碱性氧化物而熔渣中含有较多强酸性氧化物的钛型、钛钙型、钛铁18 压力容器审核人员培训班讲稿矿型 、氧化铁型以及锰型等类焊条称为酸性焊条。而不含铁或锰等氧化物的低氢型焊条称为碱性焊条。采用碱性焊条焊接时，大理石分解成 CaO 和大量的二氧化碳作为保护气体，与酸性焊条相比较，保护气体中氢很少，因此又称为低氢焊条。酸性焊条由于氧化性强，对合金元素损量大，脱氢、脱硫、脱磷能力弱，故其焊缝的综合机械性能较差，尤其塑性、韧性低，抗裂性差；但对铁锈、油污的敏感性小，不易产生气孔。碱性焊条则与此正相反，故对焊接二类、三类容器不宜用酸性焊条，应选用低氢碱性焊条。对焊后需热处理的容器还要求焊条
19、含钒量不得大于 0.05%。 焊材选用 相同钢号相焊，碳素钢、碳锰低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且不应超过母材标准规定的抗拉强度的上限。高合金钢的焊缝金属应保证力学和耐腐蚀性能。 不同钢号相焊，碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学，一般采用与强度级别较低的母材相匹配的焊接材料。碳素钢、低合金钢与奥氏体高合金钢的焊缝金属应保证抗裂性能和力学性能，一般采用铬镍含量较奥氏体高合金钢母材高的焊接材料。三内压圆筒体和内压球壳 1、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： 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
20、体即失19 压力容器审核人员培训班讲稿效，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。 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。 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。 2、弹性实效准则下的四个强度理论 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 1达到了极限应力，材料就发生破坏。 强度条件：
21、1 t 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。 max 第三强度理论（最大剪应力理论） 材料的最大剪应力 max达到了极限应力，材料就发生破坏。 max =1(1-3) 1 t2 2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。 e=1 (1-3)2+(1-3)2+(1-3)2 t23、应力计算20 （1）圆筒容器圆筒容压力容器审核人员培训班讲稿薄壁圆筒容器在工程中采用无力矩理论来进行应力计算，在内压P 作用下，筒壁承受径向应力和环向应力（薄膜应力）作用。由于壳体壁厚较薄，且不考虑壳体与其它连接处的局部应力，
22、忽略了弯曲应力， 这种应力称为薄膜应力。 PD经向应力 m=4PD周向应力 t=2式中 P设计压力， MPa； D圆筒的中间直径或称中径， mm；D= DoDi= Di + 2D0圆筒的外直径， mm； Di圆筒的内直径， mm； 圆筒的计算厚度，mm ； 由上述公式可以得出以下结论： a、圆筒体上周向应力 t是经向应力 m的两倍 ，而周向应力作用于纵向截面 ，环向应力所作用与环纵向截面（见下图）。 21 压力容器审核人员培训班讲稿b、由于周向应力 t是经向应力 m的两倍，由此可知，周向应力所作用的纵向截面是危险截面。这里可以说明为什么在焊接接头分类里，圆筒体的纵焊缝为 A 类焊接接头，环焊缝
23、为 B 类焊接接头；在筒体上开椭圆形人孔时使长轴垂直与筒体轴线。 C、应力与 D/成正比。 (2)球形壳体球形容器在均匀内压作用下，球形壳体经向应力和周向应力相等。即 径向应力 4mPD周向应力 2式中 P设计压力， MPa； D球壳的中间直径或称中径， mm；D= i= Di + 20D0球壳的外直径， mm； Di球壳的内直径， mm； 球壳的计算厚度，mm ； 从以上可以看出球形壳体的最大应力是圆筒体最大应力的两倍。 22 3、强度计算压力容器审核人员培训班讲稿圆筒强度计算公式中，是根据第一强度理论推导而得。若用第三强度理论推导，其强度条件形成结果是一样的。 按第一强度理论条件得 1=t
24、= t2PD式中 t设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa。 焊缝部位可能存在着夹渣、气孔、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷，同时由于焊接加热过程中，对焊缝两侧的热影响产生许多不利因素，如焊接热影响区被淬硬，塑性下降、焊接内应力的产生等，都会使焊缝金属或母材的机械性能降低。因此在设计时应将设计温度下圆筒材料的许用应力 t 乘以一个焊接接头系数，于是上述公式变成： 2PDI由上式 计算厚度 式中 Pc计算压力，MPa； Di圆筒的内直径， mm； t设计温度下材料的许用应力，MPa； 焊接接头系数。 上式适用于设计压力 P0.4t的范围。（ D0/Di=1.5） 设计厚度d=+C2 23 压力容器审核人
25、员培训班讲稿名义厚度 n=+C2+C1+ 且 nmin+ C2 式中：C 厚度附加量 C=C1+C2 mm C1钢板或钢管的厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm 钢板圆整量； min筒体最小厚度。如果已知圆筒尺寸，可校核在设计压力作用下圆筒壁厚的应力 应力校核式 t=ee2iDPCe =n- C mm C= C1+C2， mm MPa 最大允许工作压力球形壳体由于球形容器经向应力和周向应力相等，因此其最大应力 PD1=t=m=4上述公式中，如将 D=Di+代入并考虑了焊接接头系数 ，如采用第一强度理论时，即得出 P(Di e4e所以可求出计算厚度 ) t 24 =压力容器审核人员培训班讲稿P
26、cDi4tPc如果已知球壳尺寸，可校核在设计压力 P 作用下球壳壁的计算应力 应力校核式 t= Pc(Di e4e最大允许工作压力 ) t MPa 3 设计参数的1）设计压力 Di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。 表 设计压力选取 设 计 压 力 内压容器 无安全泄放装置 装有安全阀 装有爆破片 容器位于泵进口侧，且无安全泄放装置时 1.01.10 倍工作压力； 不低于(等于或稍大于) 安全阀开启压力(安全阀开启压力取 1.051.10 倍工作压力) ； 取爆破片设计爆破压力加制造范围上限； 取
27、无 安 全 泄 放 装 置 时 的 设 计 压 力 , 且 以0.1Mpa 外压进行校核； 真空容无 夹 套真 空 容器 有安全泄放装置 设计外压力取 1.25 倍最大内外压力差或0.1MPa 两者中的小值； 无安全泄放装置 设计外压力取 0.1Mpa； 25 器 夹 套 内为内压 压力容器审核人员培训班讲稿容器(真空 ) 设计外压力按无夹套真空容器规定选取 1夹套(内压 ) 设计内压力按内压容器规定选取外 压 容 器 设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最大内外压力差 注：1.容器的计算外压力应为设计外压力加上夹套内的设计内压力,且必须校核在 夹套试验压力.外压下的稳定性。 盛装液化
28、石油气或混合液化石油气的容器 介质 50饱和蒸汽压力低于异丁烷 50的饱和蒸汽0.79MPa 压力时(如丁烷、丁烯、丁二烯) 介质 50饱和蒸汽压力高于异丁烷 50的饱和蒸汽压力时(如液态丙烷 ) 介质 50饱和蒸汽压力高于丙烷 50的饱和蒸汽压力时(如液态丙烯 ) 1.77Mpa 2.1MPa 对装有安全阀的压力容器，容器的设计压力、工作压力、试验压力与安全阀的排放压力、开启压力之间的关系示意如下： 压力容器 安全阀 试验压力 排放压力 计算压力 设计压力 开启压力 工作压力 其中：安全阀排放压力阀瓣达到规定开启高度时的进口压力； 安全阀开启压力（整定压力）阀瓣开始离开阀座，介质呈连续26
29、压力容器审核人员培训班讲稿排出状态时，在安全阀进口测得的压力。 考虑到安全阀阀瓣启动动作的滞后，使容器不能马上泄压，因此容器设计压力一般不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力，开启压力为1.051.10 倍工作压力。 （1） 对装有爆破片的压力容器容器的设计压力、工作压力及爆破片的爆破压力之间的关系示意如下： 压力容器 爆破片 设计压力 P 最高标定爆破压力 Psmax（Psmax=P b+爆破片制造范围上限） 爆破片制造范围 设计爆破压力 Pb最低标定爆破片压力 Psmin（Psmin=P b爆破片制造范围下限） 工作压力 PW 其中：标定爆破压力爆破片铭牌上标志的爆破压力 设计爆破压力爆破片在指定温度下的爆破压力。 最低标定爆破压力 Psmin 的大小与爆破片型式和工作压力有关 2）设计温度27
