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压力容器设计基本知识（讲稿）北 京 二零零六年三月制订 目录55一 基本概念11 压力容器设计应遵循的法规和规程12 标准和法规（规程）的关系。13 压力容器的含义（定义）14 压力容器设计标准简述15 D1级和D2级压力容器说明二GB150-1998钢制压力容器1范围2标准3总论31 设计单位的资格和职责33 GB150管辖的容器范围34 定义及含义35 设计参数选用的一般规定36 许用应力37 焊接接头系数38 压力试验和试验压力4对材料的要求 41 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43 钢管44 钢锻件4. 5 焊接材料 46 采用国外钢材的要求 47 钢材的代用规定 48 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52 内压圆筒计算53 球壳计算6外压圆筒和外压球壳的设计61 受均匀外压的圆筒（和外压管子）62 外压球壳63 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介64 外压圆筒加强圈的计算7封头的设计和计算71 封头标准72 椭圆形封头7. 3 碟形封头74 球冠形封头75 锥壳8开孔和开孔补强81 开孔的作用82 开检查孔的要求83 开孔的形状和尺寸限制84 补强要求85 有效补强范围及补强面积86 多个开孔的补强9 法兰连接 91 简介92 法兰连接密封原理9. 3 法兰密封面的常用型式及优缺点94 法兰型式95 法兰连接计算要点96 管法兰连接10压力容器的制造、检验和验收101 制造许可102 材料验收及加工成形 10. 3 焊接104 D类压力容器热处理105 试板和试样108 无损检测10. 9 液压试验1010 容器出厂证明文件。11安全附件和超压泄放装置111 安全附件112 超压泄放装置113 压力容器的安全泄放量114 安全阀GB151-1999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 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11 几何概念12 薄壁壳体的基本假设2 薄壁圆筒的应力分析21 轴向应力的计算22 环向应力的计算3 旋转薄壁容器的应力分析31 薄壁壳体的一般方程式32 经向应力1和环向应力2的计算4应用举例41 圆筒形壳体42 球壳43 椭球壳（椭圆封头）44 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 （讲稿）一基本概念11 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（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（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，此规则自2003年1月1日起实施。12 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。13 压力容器的含义（定义）根据条例第八十八条中的规定，压力容器用语的含义是：“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力大于或等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPaL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移动式容器；盛装公称工作压力大于或等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPaL的气体液化气体和标准沸点等于或者低于60液体的气瓶；氧舱等。”14 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HG20580HG205851998， 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。15 D1级和D2级压力容器说明 根据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， 压力容器设计类别和级别的划分是：（一）A类、（二）C类、（三）D类和（四）SAD类。其中D类又分：D1级和D2级。1D1级 系指第一类压力容器2D2级 系指第二类低、中压容器第一类和第二类的具体划分见容规第6条的规定。注：压力等级的划分是：按容器的设计压力P的大小，其中：（一） 低压（代号L）0.1MPa P 1.6MPa（二） 中压（代号M）1.6MPa P 10MPa二 GB150-1998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范围GB150-1998钢制压力容器规定了“钢制压力容器的设计、制造、检验和验收要求”。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35MPa；适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度而定。对于D类压力容器，设计压力范围应小于10MPa。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GB150第2章中，列了45个引用标准。从2004年4月1日起尚应实施下列标准：JB/T4736-2002 补强圈 JB/T4746-2002 钢制压力容器用封头JB/T4747-2002 压力容器用钢焊条订货技术条件JB/T4711-2003 压力容器涂敷与运输包装3总论 在“总论”一章中，对下列的8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。31条例对设计单位的规定条例第十一条规定：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；（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。32 GB150-1998对设计单位的资格和职责规定资格 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 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。33 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。331 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；332 接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件。333 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。334 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。34 定义及含义341 压力 除注明者外，均指表压力。342 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。343 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PPW。344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PCP；345 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。346 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。347 试验温度 指压力试验时，壳体金属的温度。348 各种厚度3481 计算厚度 指按厚度计算公式计算得到的厚度。3482 设计厚度d 指计算厚度（）与腐蚀裕量（C2）之和。即d = +C2, 因此d 3483 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）3484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+ C3e=+ C3=n-（C1+C2）d =+ C235 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。351 设计压力（P）的确定 1)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（1.051.1）PW.当 PW0.18MPa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：PP 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=（1.01.1）Pw,并以 P=-0.1MPa进行外压校核。2）外压、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=1.25P 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）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。352 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。353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。354 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354条中的内容）。355 厚度附加量 厚度附加量C由钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分组成。 C = C1 + C2钢材厚度负偏差C1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C2 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”。356 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。36 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 7 焊接接头和焊接接头系数371 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。372 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。38 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 8。1 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/L3811内压容器液压试验 PT = 1.25P /t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， MPat - 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）， MPa3812 外压和真空容器，以内压进行液压试验： PT= 1.25 P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 8。2 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= 1.15 P/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 = 1.15 P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。38，3 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。41 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C0.25%。 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：P0.030%；S0.020%. 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P0.O30%，硫S0.020%。，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 + Si24 + Mn6 + Ni40 + Cr5 + Mo4 + V14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牌号等级 化学成分 %力学性能MPa冲击性能 C Mn Si S P sb温度0C冲击功JQ235-A0.14-0.220.3-0.65 0.30.050.045235375-500Q235-B0.12-0.200.3-0.70.045 2027Q235-CO.180.35-0.60.040.04 0注：Q235-A未提供冲击功。42 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 P1.6MPa； 钢板使用温度为03500C；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 P2.5MPa,钢板使用温度为04000C。用于壳体时，钢板厚度不大于30mm20R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-194750C；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-194750C。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：OCr17Ni12Mo2，0Cr18Ni12Mo2Ti00Cr17Ni14Mo2; 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。43 钢管431 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432 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。44 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。4.5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；46 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。47 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。48 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 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，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，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，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。52 内压圆筒计算1）设计温度下的计算厚度按下式计算： 公式适用范围：Pc0.4t 或 Do/Di1.5 式中：- 圆筒的计算厚度 mm；Pc 计算压力，MPa； Di 圆筒内直径，mm； t 设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa； 焊接接头系数。2）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) 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 L1 = P D L1 = 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：D2 =1/4 D2 P；2= P D/4径向应力3= P ，可见1=22，并远大于3 ，故采用1 = P D/2，即：= P D/21 ，令D=Di+， P = pc代入，1以t代入，则得到 ： 。4）如已知n、 Pc、 Di；则圆筒体的计算应力t为： 式中tt 式中：e为有效厚度。5）设计温度下，筒体的最大允许工作压力Pw为： 53 球壳计算1）设计温度下的计算厚度公式：2）设计温度下，球壳计算应力公式： 式中tt3）设计温度下，球壳的最大允许工作压力公式： ；6外压圆筒和外压球壳的设计 许多化工石油用的容器，由于工艺原因需要在外压或真空下操作，如真空罐和真空蒸餾塔，有的容器带有夹套，夹套内是带压蒸汽，使内筒受到外部压力。通常，内压低于外压的容器，称为外压容器。 外压容器的最高工作压力是指容器在正常使用过程中可能出现的最大压力差值。对夹套容器，指夹套顶部可能出现的最大压力差值。 确定外压容器的设计压力时，应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差。确定真空容器壳体的厚度时，设计压力按受外压考虑。当装有真空泄放阀，以及相类似的安全控制装置时，设计压力=1.25P，或0.1MPa的低值，P为内外压力差。未装安全控制装置时，取0.1 MPa。容器工作中失效的状态有：强度失效，刚度失效和稳定失效三种。 强度失效：容器在载荷作用下，发生过量变形或破裂。如内压容器的破坏； 刚度失效：容器发生过量的弹性变形，导致丧失正常的承受能力。如容器不能满足最小厚度要求导致刚度不足而失效； 稳定失效：容器在载荷作用下，形状突然发生改变，导致丧失工作能力。如外压容器的失稳破坏。 外压容器设计时，必须考虑到上述三种失效的可能性，才能确保容器的安全使用。 在满足刚度要求的情况下，外压容器的破坏有两种形式，即强度不足引起的破坏和失稳引起的破坏两种。因此，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之前发生，故稳定性计算是外压容器设计中的主要考虑的问题。6 1受均匀外压的圆筒（和外压管子） 在GB150第6章中，外压圆筒和外压管子所需的有效厚度e用查图计算法