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压力容器基本知识压力容器基本知识 目录目录 一 一 基本概念基本概念 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 1 3 压力容器的含义 定义 1 4 压力容器设计标准简述 1 5 D1 级和 D2 级压力容器说明 二 GB150 1998 GB150 1998 钢制压力容器钢制压力容器 1 范围 2 标准 3 总论 3 1 设计单位的资格和职责 3 3 GB150 管辖的容器范围 3 4 定义及含义 3 5 设计参数选用的一般规定 3 6 许用应力 3 7 焊接接头系数 3 8 压力试验和试验压力 4 对材料的要求 4 1 选择压力容器用钢应考虑的因素 4 2 D 类压力容器受压元件用钢板 4 3 钢管 4 4 钢锻件 4 5 焊接材料 4 6 采用国外钢材的要求 4 7 钢材的代用规定 4 8 特殊工作环境下的选材 5 内压圆筒和内压球体的计算 5 1 内压圆筒和内压球体计算的理论基础 5 2 内压圆筒计算 5 3 球壳计算 6 外压圆筒和外压球壳的设计 6 1 受均匀外压的圆筒 和外压管子 6 2 外压球壳 6 3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介 6 4 外压圆筒加强圈的计算 7 封头的设计和计算 7 1 封头标准 7 2 椭圆形封头 7 3 碟形封头 7 4 球冠形封头 7 5 锥壳 8 开孔和开孔补强 8 1 开孔的作用 8 2 开检查孔的要求 8 3 开孔的形状和尺寸限制 8 4 补强要求 8 5 有效补强范围及补强面积 8 6 多个开孔的补强 9 法兰连接 9 1 简介 9 2 法兰连接密封原理 9 3 法兰密封面的常用型式及优缺点 9 4 法兰型式 9 5 法兰连接计算要点 9 6 管法兰连接 10 压力容器的制造 检验和验收 10 1 制造许可 10 2 材料验收及加工成形 10 3 焊接 10 4 D 类压力容器热处理 10 5 试板和试样 10 8 无损检测 10 9 液压试验 10 10 容器出厂证明文件 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 GB151 1999 管壳式换热器管壳式换热器 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 附录附录 受内压薄壁容器的应力分析目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 1 和环向应力 2 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压力容器设计基本知识 一 基本概念一 基本概念 1 1 1 1 压力容器设计应遵循的法规和规程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 1 2 2 标准和法规 规程 的关系 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 1 3 3 压力容器的含义 定义 压力容器的含义 定义 根据根据 条例条例 第八十八条中的规定 压力容器用语的含义是 第八十八条中的规定 压力容器用语的含义是 压力容器 压力容器 是指盛装气体或者液体 承载一定压力的密闭设备 其范围规定为最高工作压是指盛装气体或者液体 承载一定压力的密闭设备 其范围规定为最高工作压 力大于或等于力大于或等于 0 1MPa0 1MPa 表压 且压力与容积的乘积大于或等于 表压 且压力与容积的乘积大于或等于 2 5MPa L2 5MPa L 的的 气体 液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和气体 液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和 移动式容器 盛装公称工作压力大于或等于移动式容器 盛装公称工作压力大于或等于 0 2MPa0 2MPa 表压 且压力与容积的 表压 且压力与容积的 乘积大于或等于乘积大于或等于 1 0MPa L1 0MPa L 的气体液化气体和标准沸点等于或者低于的气体液化气体和标准沸点等于或者低于 60 60 液体液体 的气瓶 氧舱等 的气瓶 氧舱等 1 1 4 4 压力容器设计标准简述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 1 5 5 D1D1 级和级和 D2D2 级压力容器说明级压力容器说明 根据根据 压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则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 第三条规定 压力压力 容器设计类别和级别的划分是 一 容器设计类别和级别的划分是 一 A A 类 二 类 二 C C 类 三 类 三 D D 类和 四 类和 四 SADSAD 类 其中类 其中 D D 类又分 类又分 D1D1 级和级和 D2D2 级 级 1 1 D1D1 级级 系指第一类压力容器系指第一类压力容器 2 2 D2D2 级级 系指第二类低 中压容器系指第二类低 中压容器 第一类和第二类的具体划分见第一类和第二类的具体划分见 容规容规 第第 6 6 条的规定 条的规定 注 压力等级的划分是 按容器的设计压力注 压力等级的划分是 按容器的设计压力 P P 的大小 其中 的大小 其中 一 一 低压 代号低压 代号 L L 0 1MPa 0 1MPa P P 1 6MPa1 6MPa 二 二 中压 代号中压 代号 M M 1 6MPa 1 6MPa P P 10MPa10MPa 二二 GB150 1998 GB150 1998 钢制压力容器钢制压力容器 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 范围 引用标准 总论 材料 内压圆筒和内 压球壳 外压圆筒和外压球壳 封头 开孔和开孔补强 法兰 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 1 范围 范围 GB150 1998 GB150 1998 钢制压力容器钢制压力容器 规定了规定了 钢制压力容器的设计 制造 检验钢制压力容器的设计 制造 检验 和验收要求和验收要求 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 35MPa35MPa 适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度而定 适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度而定 对于对于 D D 类压力容器 设计压力范围应小于类压力容器 设计压力范围应小于 10MPa10MPa 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 150 mm 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 2 标准 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 在标准一经被引用 即构成该标准的条文 在 GB150GB150 第第 2 2 章中 列了章中 列了 4545 个引用个引用 标准 从标准 从 20042004 年年 4 4 月月 1 1 日起尚应实施下列标准 日起尚应实施下列标准 JB T4736 2002JB T4736 2002 补强圈补强圈 JB T4746 2002JB T4746 2002 钢制压力容器用封头钢制压力容器用封头 JB T4747 2002JB T4747 2002 压力容器用钢焊条订货技术条件压力容器用钢焊条订货技术条件 JB T4711 2003JB T4711 2003 压力容器涂敷与运输包装压力容器涂敷与运输包装 3 3 总论 总论 在在 总论总论 一章中 对下列的一章中 对下列的 8 8 个方面作了规定 个方面作了规定 标准与相关法规和规章的关系 设计和制造压力容器单位的资格和职责 容器的范围 压力 温度和厚度的定义 设计参数选用的一般规定 材料许用应力确定的依据和取值的规定 焊接接头系数的确定 压力试验 液压试验和气密性试验 和试验压力的规定 3 3 1 1 条例条例 对设计单位的规定对设计单位的规定 条例条例 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 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 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 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 3 3 2 2 GB150 1998GB150 1998 对设计单位的资格和职责规定对设计单位的资格和职责规定 资格资格 容器的设计单位必须具备健全的质量管理体系 应持有压力容器设计容器的设计单位必须具备健全的质量管理体系 应持有压力容器设计 单位批准书 压力容器的设计必须接受国家质检总局相关安全监察机构的监察 单位批准书 压力容器的设计必须接受国家质检总局相关安全监察机构的监察 职责职责 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 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 3 3 管辖的容器范围划定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 3 4 4 定义及含义定义及含义 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 指按厚度计算公式计算得到的厚度 3 4 8 2 设计厚度 d 指计算厚度 与腐蚀裕量 C2 之和 即 d C2 因此 d 3 4 8 3 名义厚度 n 指设计厚度 d 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 n d C1 3 4 8 4 有效厚度 e 指名义厚度 n 减去腐蚀裕量 C2 和钢材厚度 负偏 C1 e n C1 C2 n C1 C2 n C 厚度附加量 注 如设定圆整量为 C3 各厚度的关系为 n C1 C2 C3 e C3 n C1 C2 d C2 3 3 5 5 设计的一般规定设计的一般规定 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 3 5 5 1 1 设计压力 设计压力 P P 的确定 的确定 1 1 内压容器内压容器 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 容器上装有爆破片 P P b P 式中 P b为设计爆破压力 其其值等于最低标定爆破压力 Ps min 加上所 选爆破片爆破范围的下限 取绝对值 p 为爆破片制造范围上限 最低标定爆破压力 Ps min 和上下限查表 B2 和表 B3 容器上无安全阀 但出口管线有安全阀 P P z h h 为容器到安 全阀的压力降 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 2 外压 外压 真空容器及夹套容器 按外压设计 真空容器及夹套容器 按外压设计 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 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 25 P 式中 P 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 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 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 考虑 3 3 盛装液化气体的容器 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 3 5 5 2 2 设计温度的确定设计温度的确定 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 3 5 5 3 3 有不同工况的容器有不同工况的容器 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 3 5 5 4 4 载荷载荷 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 3 5 5 5 5 厚度附加量厚度附加量 厚度附加量厚度附加量 C C 由钢材厚度负偏差 C1 和腐蚀裕量 C2 两部分组成 C C C1C1 C2C2 钢材厚度负偏差钢材厚度负偏差 C1C1 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 腐蚀裕量腐蚀裕量 C2C2 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 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 非均匀腐蚀 金属表面各部分具有不同速度的连续性破坏 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 应力腐蚀 由侵蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀 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 1 mm 3 3 5 5 6 6 最小厚度最小厚度 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 3 mm b 对高合金钢制容器 不小于 2 mm 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 4 mm 3 3 6 6 许用应力许用应力 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 b 和屈服点 s 或 0 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 b 和屈服点 s 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 材料的性能稳定性存在偏差 估算载荷状态及数值偏差 计算方法 的精确程度 制造工艺及允许偏差 检验手段及严格程度 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 3 7 7 焊接接头和焊接接头系数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 第二类压力容器中 易燃介质的反应容器或储存容器 设计压力大于 5 0MPa 的压力容器 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 盛装高度和极度危害介质的压力容器 耐压试验为气压试验的压力容器 使用后无法进行内部检验或耐压试验的压力容器 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 所有的 T 型焊接接头 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 被补强圈支座垫板等其他元件所覆盖的焊接接头 拼接封头和拼接管板的焊接接头 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 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 1 00 局部无损检测 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 0 9 局部无损检测 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 3 8 8 压力试验和试验压力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 3 8 8 1 1 液压试验液压试验 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 L 3 3 8 8 1 1 1 1 内压容器内压容器 液压试验 PT 1 25P t 式中式中P 设计压力 MPa PT 试验压力 MPa 容器元件材料在试验温度下的许用应力 MPa 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 应符合如下规定 s 0 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 MPa 3 3 8 8 1 1 2 2 外压和真空容器 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 无滲漏 无可见的变形 试验过程中 无异常的响声 3 3 8 8 2 2 气压试验气压试验 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 t 设计校核结果 应满足如 下要求 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 3 8 8 3 3 气密性试验 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 4 对材料的要求 对材料的要求 GB150 在压力容器用钢的要求方面含三部分 即 正文第 4 章 材料 附录 A 标准的附录 材料的补充规定 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 4 1 1 选择压力容器用钢应考虑的因素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 目前 由于平炉冶炼时间长 占地面积大 生产效率低 此法逐步被淘汰 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 硫含量将逐步降低 要求的磷 硫含量为 P 0 030 S 0 020 3 GB150 中对材料的修改情况是 2002 年起 取消 Q235 A F 和 Q235 A 钢板在受压元件中的应用 制造许可 中规定 对用于焊接接构的压力容器用钢磷 硫含量 磷 P 0 O30 硫 S 0 020 并规定钢的含碳量应不大于 0 25 且按下式计算 的碳当量 Ceq 不大于 0 45 Ceq C Si 24 Mn 6 Ni 40 Cr 5 Mo 4 V 14 沸腾钢不允许用于制造压力容器的受压元件 4 Q235 钢板 在图样的材料明细表中不得只标 Q235 应根据设计须要在尾 部带上 A 或 B 或 C Q235 钢板的具体数据见下表 Q235 热轧厚钢板 板厚 16mm 的化学成分和力学性能表 化学成分 力学性能 MPa 冲击性能牌号 等级 C Mn Si S P s b 温度 0C 冲击功 J Q235 A0 14 0 220 3 0 650 05 Q235 B0 12 0 200 3 0 70 045 0 045 20 Q235 C O 180 35 0 6 0 3 0 040 04 235 375 500 0 27 注 Q235 A 未提供冲击功 4 2 D 类压力容器受压元件用钢板 在 D 类压力容器中 主要使用 GB150 的表 4 1 钢板许用应力 列入的下 列钢板 1 碳素钢板 使用 Q235 B Q235 C 和 20R 钢板 Q235 B 钢板 GB912 和 GB3274 的适用范围 容器设计压力 P 1 6MPa 钢 板使用温度为 0 3500C 用于壳体时 钢板厚度不大于 20mm 不得用于毒性为 高度或极度危害介质的压力容器 在表 4 1 中所列许用应力值 已乘质量系数 0 9 Q235 C 钢板 GB912 和 GB3274 的适用范围 容器设计压力 P 2 5MPa 钢 板使用温度为 0 4000C 用于壳体时 钢板厚度不大于 30mm 20R 钢板 GB6654 的应用 用作壳体时 适宜厚度不超过 30mm 使用温度 建议为 19 4750C 为避免增加试验项目 当使用温度低于 00C 时 建议使用 厚度小于 25mm 使用温度低于 100C 时 建议使用厚度小于 12mm 2 低合金钢板 使用 16MnR GB6654 和 16MnDR GB3531 钢板 16MnR 钢板 常温使用时的厚度不宜超过 30mm 使用温度建议为 19 4750C 使用温度低于 00C 时 建议使用厚度小于 35mm 使用温度低于 100C 时 建议 使用厚度小于 20mm 以避免增加试验项目 16MnDR 钢板 使用的最高温度为 3500C 厚度不宜超过 35mm 对于有经验的设计单位 也可选用 GB6654 中的 15MnNbR 和 15CrMoR GB3531 中的 15MnNbDR 和 09MnNiDR 3 高合金钢板 经常使用奥氏体不锈钢板 GB4237 用于清洁美观的压力容器用钢板有 0Cr18Ni9 用于抗氧化性介质腐蚀的不锈钢有 00Cr19Ni10 和 0Cr18Ni10 用于抗醋酸介质腐蚀用的不锈钢有 OCr17Ni12Mo2 0Cr18Ni12Mo2Ti 00Cr17Ni14Mo2 0Cr19Ni13Mo3 00Cr19Ni13Mo3 说明 抗腐蚀原理 铬镍奥氏体不锈钢是指上述钢号经固熔热处理而具 有均一的奥氏体钢 这种钢在氧化性介质中具有良好的抗腐蚀性 高的塑性和 韧性 这种钢的耐腐蚀的基理通常用钢生成氧化膜的理论来解释 即钢在空气 中或在氧化性介质中 其表面氧化 生成緻密的氧化薄膜 它阻止内部进一步 氧化 或受介质的侵蚀 这种现象称钝化现象 钝化膜的生成与不锈钢的表面 的质量有关 机械损伤破坏的氧化膜会重新生成 但很缓慢 清洁表面后可再 度产生氧化膜 钢表面的残余氧化皮 砂眼 起鳞 氧化膜难以生成 会造成 局部腐蚀 抛光表面 经磨光和酸洗的表面 可加速氧化膜的形成 提高抗腐 蚀性 不锈钢晶间腐蚀 晶间腐蚀是钢的晶体边界受到腐蚀的一种破坏形式 这 种腐蚀沿着晶界快速传播到金属内部 晶间腐蚀特别危险 因为肉眼不容易发 现 由于这种腐蚀的结果 材料的机械强度丧失达到很大的数值 晶间腐蚀的 倾向 主要决定于钢的含碳量 其原因是 当钢加热到不太高的温度 600 8000C 时 由于富铬的碳化物在晶界上析出 使固溶体晶界上贫铬 结果 晶 界未能钝化 使其耐腐蚀性变差 解决的办法是 a 采用钢在 1080 11500C 的 固溶处理 使碳重新溶入奥氏体固溶体 b 将钢中碳含量降低至 0 03 c 加 入形成稳定碳化物的元素钛或铌到钢中 加钛量应 5C 但含钛的不锈钢的加 热温度不应超过 11000C 以免碳化钛重新溶入固溶体中 重新产生碳化铬而发 生贫铬现象 4 4 3 3 钢管钢管 4 3 1 钢管的标准及许用应力按 GB150 的表 4 3 钢管许用应力的规定 D 类压力容器常用的碳素钢和低合金钢钢管牌号有 10 20 20G 16Mn 10 和 20 钢管 依据标准为 GB8163 87 输送流体用无缝钢管 20G 和 16Mn 钢管 依据标准为 GB6479 化肥设备用高压无缝钢管 常用的不锈钢管 0Cr18Ni9 00Cr19Ni10 和 0Cr18Ni10Ti 依据标准为 GB13296 91 锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管 GB T14796 94 流体输送用不锈钢无缝钢管 4 3 2 关于不锈钢焊接钢管在压力容器中的使用问题 在附录 A 的 A4 2 中有明确规定 对奥氏体不锈钢焊接钢管 见 A4 2 1 应遵循 GB12771 91 流体输送用不 锈钢焊接钢管 的规定 具体要求是 壁厚允许偏差为 12 5 钢管的弯曲度 不大于 1 55mm m 逐根进行蜗流或射线 对大直径管 及水压试验合格 检测标准按 JB T4730 2005 1 承压设备无损检测 中的相关部分 水压试验 压力为容器设计压力的 2 倍 保压时间为 10 秒 管壁无渗漏现象 奥氏体不锈钢焊接钢管的使用范围规定如下 容器使用温度定为 0Cr18Ni9 00Cr19Ni10 和 0Cr18Ni10Ti 等钢号的相应允许使用温度 容器设 计压力不大于 6 4MPa 管壁厚不大于 8mm 不得用于毒性程度为极度危害的介 质 焊接接头系数为 0 85 即按相同钢号的许用应力乘以 0 85 的焊接接头系 数 4 4 4 4 钢锻件钢锻件 钢锻件的标准及许用应力按 GB150 表 4 5 的规定 钢锻件的标准和常用钢 锻件为 JB4726 2000 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件 中的 20 35 和 16Mn JB4727 2000 低温压力容器碳素钢和低合金钢锻件 中的 16MnD JB4728 2000 压力容器用不锈钢锻件 中的 0Cr18Ni9 00Cr19Ni10 和 0Cr18Ni10 4 54 5 焊接材料焊接材料 压力容器受压元件焊接选用的焊条 焊接材料 的參考原则是 满足力学性能的要求 保持等强度 考虑满足冲击韧性和伸长率的要求 化学成分相当 根据工程重要性 危险性 焊接位置 刚性大小 施焊条件 焊接经验选 择焊条 考虑经济性和容易获得 碳钢和低合金钢之间焊接 一般要求所选用的焊材焊成的焊接接头 其强度 不低于强度较低的一侧母材标准抗拉强度下限值 而接头的韧性和塑性应不低 于强度较高而塑性韧性较差的母材 首次选用的焊接材料 应按 JB4708 2000 钢制压力容器焊接工艺评定 和 JB T4709 2000 钢制压力容器焊接规程 的规定 压力容器用焊条定货时 应 按 JB T 4747 2002 压力容器用焊条订货技术条件 焊接材料的标准有 GB T5117 1995 碳钢焊条 GB T5118 1995 低合金钢焊条 GB T983 1995 不锈钢焊条 GB T984 2001 堆焊焊条 GB T14957 1994 熔化焊用钢丝 GB T14958 1994 气体保护焊用钢丝 GB T8110 1995 气体保护电弧焊用碳钢 低合金钢焊丝 GB4241 84 焊接用不锈钢盘条 GB4242 84 焊接用不锈钢丝 GB4343 84 惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝 YB T5091 1993 惰性气体保护焊用不锈钢棒及钢丝 YB T5092 1996 焊接用不锈钢丝 GB T5293 1999 埋弧焊用碳素钢焊丝和焊剂 GB T12470 1999 埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂 4 4 6 6 采用国外钢材的要求采用国外钢材的要求 采用国外的钢材 应是国外相应压力容器最新标准所允许使用的钢材 其使 用范围不应超出该标准的规定 同时也不应超过 GB150 第 4 章材料相近钢材的 规定 4 4 7 7 一些钢材的代用规定一些钢材的代用规定 1 钢材的代用的一般原则是 代用材料应与被代用的钢材具有相同或相近 的化学成分 交货状态 检验项目 性能指标和检验率以及尺寸公差和外形质 量等 2 代用图样规定的钢材时 应取得原设计单位的同意 3 钢板代用 GB712 88 船体用结构钢 中的 A 级钢板 可代用 Q235 A 不得作受压元 件 B 级钢板在钢厂按标准要求进行冲击试验合格后 可代用 Q235 C 钢板 未作冲击试验的钢板 则只能代用 Q235 B 钢板 GB713 1997 锅炉用碳素钢和低合金钢钢板 中的 20g 钢板可代用 Q235 C 钢板 4 钢管代用 GB3087 82 低中压锅炉用无缝钢管 中的 10 和 20 钢管 可代用 GB8163 1999 输送流体用无缝钢管 中相应的钢管 4 4 8 8 特殊工作环境下的选材特殊工作环境下的选材 关于介质处于 NaOH 湿 H2S 应力腐蚀时的选材问题 可见 容规 126 页 关 于 压力容器选材与介质 的说明 5 5 内压圆筒和内压球体的计算 内压圆筒和内压球体的计算 5 15 1 内压圆筒和内压球体计算的理论基础内压圆筒和内压球体计算的理论基础 1 强度理论 内压容器的破坏有四种强度理论 比较为人们接受的有第一 第三和第四强度理论 第一强度理论即最大主应力理论第一强度理论即最大主应力理论 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 材料则发生断裂破坏 其当量应力强度为 S 1 第三强度理论即最大剪应力理论第三强度理论即最大剪应力理论 它认为引起材料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 材料则发生屈服破坏 其当量应力强度为 S 1 3 第四强度理论即最大应变能理论第四强度理论即最大应变能理论 它认为引起材料屈服破坏的主要因素是 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应变能 材料即发生屈服破坏 其当量应力强度为 2 GB150 1998 标准中计算公式主要以第一强度理论为基础 结果比较接近 并采用平面应力状态 忽略第三向应力 如果考虑第三向的应力 则是第三 强度理论 5 5 2 2 内压圆筒计算内压圆筒计算 1 1 设计温度下的计算厚度按下式计算 设计温度下的计算厚度按下式计算 公式适用范围 公式适用范围 Pc 0 4Pc 0 4 t t 或或 Do Di 1 5Do Di 1 5 式中 式中 圆筒的计算厚度圆筒的计算厚度 mmmm PcPc 计算压力 计算压力 MPaMPa DiDi 圆筒内直径 圆筒内直径 mmmm t t 设计温度下圆筒材料的许用应力 设计温度下圆筒材料的许用应力 MPaMPa 焊接接头系数 焊接接头系数 2 2 公式来源 公式来源 用第一强度理论 以圆筒平均直径为基准计算的环向应力 考虑了圆筒内壁 上最大主应力与平均拉应力的差值进行了修正 并考虑了纵向焊缝 A 类焊接 接头 在强度方面相对于母材的削弱 公式中应力的推导是根据薄膜应力理论 3 3 公式推导 公式推导 设直径 D 筒体受内压力为 P 的作用 圆筒上的任一小单元上受三个主应力环 向应力 1 轴向应力 2和径向应力 3的作用 求应力时 可通过中心轴线 沿纵向将圆筒切成两部分 去除一部分以应力代替 根据力平衡理论 在纵向 截面厚度产生内应力 1 其合力与外部作用的压力作用平衡 设圆筒直径为 D 长度为 L 厚度为 按平衡关系则有 2 L 1 P D L 1 P D 2 沿垂直主轴线的截面将圆筒体切开 在圆形横截面上的应力为 2 产生平 衡的条件为 D 2 1 4 D2P 2 P D 4 径向应力 3 P 可见 1 2 2 并远大于 3 故采用 1 P D 2 即 P D 2 1 令 D Di P pc代入 1以 t代入 则得到 4 4 如已知 如已知 n n P Pc c DiDi 则圆筒体的计算应力 则圆筒体的计算应力 t t为 为 式中式中 t t t t 式中 式中 e e 为有效厚度 为有效厚度 5 5 设计温度下 筒体的最大允许工作压力 设计温度下 筒体的最大允许工作压力 Pw Pw 为 为 5 5 3 3 球壳计算球壳计算 1 1 设计温度下的计算厚度公式 设计温度下的计算厚度公式 2 2 设计温度下 球壳计算应力公式 设计温度下 球壳计算应力公式 式中式中 t t t t 3 3 设计温度下 球壳的最大允许工作压力公