培讲稿压力容器基础知识

1、 讲授内容压力容器设压力容器设计计text1text2text3text4压压压力容器的界定及压力容器的界定及分类分类压力容器压力管道设压力容器压力管道设计许可规则计许可规则盛装压力介质的密闭容器盛装压力介质的密闭容器(pressure vessel)盛装气体或者液体、承载一定压力的密闭容器盛装气体或者液体、承载一定压力的密闭容器新新容规容规适用压力容器本体和安全附件适用压力容器本体和安全附件压力容器与外部管道或者装置连接的第道环向坡口面、压力容器与外部管道或者装置连接的第道环向坡口面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一法兰螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一法兰密封面、专用

2、连接件或者管件连接的第一个密封面密封面、专用连接件或者管件连接的第一个密封面压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件非受压元件与压力容器的连接焊缝非受压元件与压力容器的连接焊缝压力容器本体中的主要受压元件包括：压力容器本体中的主要受压元件包括：壳体、封头（端盖）；壳体、封头（端盖）；膨胀节；膨胀节；设备法兰；设备法兰；球罐的球壳板；球罐的球壳板；换热器的管板和换热管；换热器的管板和换热管；m36以上（以上（含含m36 ）的设备主螺栓；）的设备主螺栓；公称直径大于等于公称直径大于等于250mm的接管的管法兰。的接管的管法兰。压力容器的安全附件包括：压力容器的安全附件包

3、括：直接连接在压力容器上的安全阀；直接连接在压力容器上的安全阀；爆破片装置；爆破片装置；紧急切断装置；紧急切断装置；压力表；压力表；液位表；液位表；测温仪表等。测温仪表等。压力容器特种设备安全监特种设备安全监察条例察条例最高工作压力最高工作压力0.1mpa (表压），表压），且压力与容积的乘积且压力与容积的乘积2.5mpa.l的的气体、液体和最高工作温度气体、液体和最高工作温度标准沸标准沸点的液体的固定式和移动式容器点的液体的固定式和移动式容器盛装公称工作压力盛装公称工作压力0.2mpa（表压）（表压），且压力与容积的乘积，且压力与容积的乘积1.0mpa.l的的气体、液体和标准沸气体、液体和标

4、准沸60点液体的点液体的气瓶、氧舱等气瓶、氧舱等固定式压力容器安全技术监察规程适用范围n 12工作压力与容积的工作压力与容积的乘积乘积2.5mpa.l 3是指安装在固定位置使用的压力容器。是指安装在固定位置使用的压力容器。（注（注-）压力容器gb150-2011版中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准 gb 150.1150.42011 固定式压力容器固定式压力容器 stationary pressure vessels （征求意见稿）（征求意见稿） 2011-00-00发布发布 2011-00-00实施实施国家质量监督检验检疫总局国家质量监督检验检疫总局 发布发布gb150-2011版

5、换热容器 a1a2a3a4d1d2234按设计压力分分类1压力容器分类-定义:容器内部压力小于外部压力时，称外压容器。 其中内部压力小于一个绝对大气压（压力容器的压力分级绝压、表压、真空度压力容器分类-生产过程中的作用原理划分 （1）反应压力容器（代号r） （2）换热压力容器（代号e） （3）分离压力容器（代号s） （4）储存压力容器（c，其中一球罐代号b）压力容器分类按新按新容规容规压力容器的分类：压力容器的分类：类容器类容器类容器(3)介质分组介质分组 压力容器的介质分为两组压力容器的介质分为两组,包括气体、液化气体或包括气体、液化气体或者介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。者介

6、质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。 1)第一组介质第一组介质:毒性程度为极度危害、高度危害的化毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质学介质,易爆易爆介质，液化气体。介质，液化气体。 2)第二组介质第二组介质:由除第一组以外的介质组成由除第一组以外的介质组成,如毒性程如毒性程度为中度危害以下的化学介质度为中度危害以下的化学介质,包括水蒸气、氮气等包括水蒸气、氮气等（毒毒性程度为中度及中度以下的、无性程度为中度及中度以下的、无毒或非易爆介毒或非易爆介质质）。）。 pv=2.5p=10p=0.1p=1.6v=25 p=10p=1.6p=0.1v=25pv=2.5 容器分类 按结构形式按容规

7、按壁温按结构材料按压力容器品种外压容器 内压容器按压力等级根据给定的工艺尺寸和工作条件考虑到制造和安装检修要求对压力容器的各个元件正确地选择结构、材料全面地进行载荷分析和应力、变形分析选择合理的结构型式，确定合适的强度尺寸,并给出有关制造和检验的技术条件压力容器的设计压力容器设计方法分：常规设计（规则设计）和分析设计（sad）。 一台容器总体采用规则设计，局部参照分析设计进行压力容器受压元件分析计算时，不需有分析设计许可资格。 但局部采用应力分析的强度计算、校核时，许用应力仍取规则设计的材料许用应力。设计条件要求委托方以正式书面形式向设计单位提出。设计条件的内容至包含以下内容：（1）操作参数（

8、工作压力、工作温度、液位高度、接管载荷等）；（2）压力容器使用地及自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）；（3）介质组分与特性；（4）预期使用年限：委托方提出要求，设计者与委托方协商（工况、选材、安全性、经济性等确定）；（5）几何参数和管口方位；（6）设计需要的其他必要条件（选材、防腐蚀、表面处理、特殊试验、安装运输等）。. 压力容器设计的基本要求总体要求:满足使用条件下, 保证安全可靠，尽量做到经济合理。具体要求:1. 对设备的操作条件和载荷进行正确的估计；2. 对容器元件的的总体应力、局部应力和温差应力，以及可能产生的失效形式等进行全面分析和评估,并采用不同的设计方法；3.

9、根据容器的操作条件和作用，正确选择材料和合理的结构设计；4. 必须遵守我国的有关标准、规范和制造技术条件；对于重要容器，还应进行全面的技术经济分析。. 2 各项结构上的要求各项结构上的要求 各项结构上的要求 各项结构上的要求 各项结构上的要求 各项结构上的要求 材料消耗量 容器及设备应在结构上保证最少的材料消耗量，材料消耗量少不仅可节省投资，而且给设备的运输和安装都带来方便。各项结构上的要求 制造方便 容器及设备在结构上应当有良好的工艺性，便于制造且能保证质量。设计时应尽量采用标准设计和标准零部件，因为化工设备多数是单件生产的。需要制作产品焊接试件的压力容器的条件（4.3.1）（各项结构上的要

10、求 操作、运输和维修方便 容器及设备的结构应考虑到操作的方便。 容器和设备的尺寸和形状应考虑运输的方便。. 3 压力容器设计总图主要内容至少应当注明以下内容：（） 压力容器的名称、类别，设计、制造所依据的主要法规、标准；（）工作条件，包括工作压力、工作温度、介质毒性和爆炸危害程度等；（）设计条件：包括设计压力、设计温度、腐蚀裕量、焊接接头系数、装量系数、设备最大质量等；（）主要受压元件的材料牌号与标准；（）主要特性参数，如压力容器容积、换热设备的换热面积与程数等；（）特殊制造要求、. 3 压力容器设计总图主要内容（）热处理要求；（）无损检测要求；（）压力容器设计使用年限是设计的目标值，要满足用

11、户要求，但并不是保证值，更不是报废年限，应根据实际情况，检测结果，失效模式，可能高于或低于设计年限；（）耐压试验和泄漏试验要求；（）预防腐蚀要求（）安全阀、爆破片等安全附件的规格和要求；（）压力容器的名牌的位置；（）包装、运输、现场组焊和安装要求。，. 4压力容器设计总图的特殊要求 下列情况的特殊要求： (1) 多腔压力容器分别注明各腔的试验压力、并注明共用件允许的压力差值，以及试验步骤和试验的要求；（2）装有触媒的反应器和装有充填物的大型压力容器，应注明使用过程中定期检查的要求；（3）由于结构原因不能进行内部检查的，应注明计算壁厚、使用中定期进行检查（测厚）要求；（4）不能进行耐压试验压力容

12、器，应注明计算壁厚和制造、使用的特殊要求；（5）有隔热衬里的压力容器，注明防止受压元件超温的技术要求。n（）要求保温保冷的压力容器，提出保温保冷措施。.6 装设安全阀、爆破装置的压力容器 新容规3.4.1条规定，设计文件还应当包括压力容器安全泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积计算书，无法计算时，设计单位应当会同设计委托单位或使用单位，协商选用超压泄放装置。安全阀、爆破装置的开启压力 对超压泄放装置的开启压力，原则上不得超过设计压力，但对注明有最高允许工作压力的容器，可允许超压泄放装置的开启压力不高于该容器的最高允许工作压力。 最高允许工作压力的计算依据？要气密性试验的压力容器的开启压力 如果设

13、计时提出气密性试验的要求，则设计者应当给出该压力容器的最高允许工作压力。 因为进行气密性试验时，一般应当将安全附件装配完毕，而超压泄放装置的动作压力一般不得高于设计压力，但气密性试验压力是一倍的设计压力，故就难以完成该试验。有了最高允许工作压力，可采用比设计压力更高的压力作为安全阀的动作压力（不得高于最高点允许工作压力），以保证气密性试验的进行。.7 对不开设检查孔的压力容器的要求 2.8 内压薄壁压力容器的强度计算0z薄壁圆筒体n第一强度理论 称最大主应力理论。设三向主应力为，n其强度条件为n式中 容器元件的许用应力；n 相当应力，表示材料承载时的三向应力与材料简单拉伸试验时相当的应力。n

14、此理论适用于脆性材料，但在压力容器（广泛使用塑性材料）设计中，由于长期积累了很多使用经验，其形式又较简单，故仍得到普遍使用。 1231 eqeqn 薄壁圆筒体n第三强度理论 称最大剪应力理论。其强度条件为： 即由此得 此理论适用于塑性材料。如 和 同号，而 时，由此理论所得结果与第一强度理论相同。max 131()2213()eq1230z 应力计算公式 （1）圆筒体 由无力矩理论知 轴向应力 环向应力 由第一强度理论的: 式中 p 设计压力，mpa; r 筒体平均半径，mm； d 筒体平均直径，mm； 筒体计算厚度，mm； 设计温度下材料的许用应力，mpa（或n/mm2）。 t12pd24p

15、d1 2tpd薄壁圆筒体受内压时的各向应力 薄壁圆筒体上述公式由静力平衡条件得出的。cipdf214idf1244iccinidpp dd薄壁圆筒体n（ldpfic2lf222cipd t2 cictpd (1) 2citcp dp 上式即为gbl50钢制压力容器中圆筒厚度计算公式（5-1），是采用由第一强度理论推导出的中径公式。 该式适用范围： ，相当于内外径之比k 0.4tpc 2.8.2 薄壁圆筒体的名义厚度1224prpd4 citcp dp 由此，按第一强度理论可得球形容器的计算公式为： 当球形容器承受内压 p 时，其薄膜应力为 ： 、压力容器用材及要求n 压力容器用材主要包括钢板、

16、钢管、锻钢、棒料和焊接材料。常用钢材分类方法有五种：n1.按化学成份：碳素钢、低合金钢和高合金钢；n2.按品质：优质钢、高级优质和特级优质钢；n3.按冶炼方法：如镇静钢、精炼钢等；n4.按金相组织：如退火、正火、调质和固溶状态等；n5.按用途：结构钢、特殊性能钢、专用钢。.1 材料的力学性能冷弯性能冷弯性能硬度硬度塑性塑性强度强度断裂韧性断裂韧性材料的力学性能压力容器用材要求压力容器用材要求容规容规要求压力容器的选材应当考虑材料的要求压力容器的选材应当考虑材料的力学性能、力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。物理性能、化学性能和工艺性能。强度 强度是材料抵抗外力作用避免引起破坏的能力，因而是

17、设计中决定许用应力数值的依据，常用的有拉伸、压缩及弯曲的强度极限。、如抗拉强度b (rm)和屈服强度s(rel) ，高温时还要考虑蠕变极限n及持久强度d。屈服强度与抗拉强度极限之比值即屈强比，反映了材料承受外载能力的裕度。塑性 塑性是反映材料可塑性能的指标，表征材料可变形的能力。在稳定性计算或动载荷情况下，它是设计的主要依据。其中压力容器用钢要有良好的塑性,这方面的参数有延伸率a、断面收缩率z、和冲击韧性akv等。作为压力容器用钢，一般要求a51520，akv值在常温下在1860 j。硬 度说明材料的耐磨性和切削加工的可能性。硬度较高，材料的耐磨性能较好；硬度和材料强度还的一定关系，只要知道材

18、料的硬度值，就能大概判断其强度值。金属材料中常用的硬度单位是布氏硬度hb、洛氏硬度hrc和维氏硬度hv.冷弯性能 冷弯性能是材料抵抗弯曲时断裂能力的标志，它间接反映了材料的塑性。断裂韧性 断裂韧性是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。对于中低强度的压力容器用钢和低温用钢，目前较普遍采用应力强度因子kic和临界裂纹张开位移（cod）值c来评定，超过kic 或c则认为脆性裂纹扩展。.2 化学性能-耐腐蚀性能 是指材料在使用工艺条件（介质、温度、压力等）下，抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。材料受到腐蚀后，其重量、壁厚、力学性能、组织结构及电极电位都可能发生蜕化。腐蚀分均匀腐蚀和非均匀性腐蚀，常规的强度计算中只考

19、虑均匀腐蚀的壁厚附加量，而非均匀性腐蚀主要是指点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀及腐蚀疲劳等，对于这一类腐蚀，靠正确的选择耐蚀材料和防护措施来保证。.3 物理性能 物理性能也是选材要考虑的。如高温容器要用熔点高的材料，熔点高的材料再结晶软化温度较高；要进行换热的容器要用导热系数高的材料。压力容器用钢要考虑的物理性能参数通常是弹性模量e、重度 、熔点tm 、比热c、导热系数、线膨胀系数 等。.4 工艺性能 压力容器选材除考虑上述因素外，由于制造中都要进行钢板弯卷、冲压和焊接，因此容器用钢必须要有良好的冷、热加工性能和焊接性能。所以，对压力容器中用于焊接的碳素钢、低合金钢，其磷硫含量允许较高，对压

20、力容器专用的碳素钢、低合金钢的硫磷含量要求没有变，而对大于等于540mpa的高强钢、低温用钢的磷硫含量要求均有不同程度的提高。( (一一) ) 用于焊接的碳素钢和低合金钢钢材，其含碳量不应用于焊接的碳素钢和低合金钢钢材，其含碳量不应当大于当大于0.250.25， p0.03p0.03、s0.0s0.0。 ( (二二) )压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢钢材（钢板、压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢钢材（钢板、钢管和钢锻件），其磷、硫含量应当符合以下要求：钢管和钢锻件），其磷、硫含量应当符合以下要求：（1 1）、碳素钢和低合金钢，）、碳素钢和低合金钢，p0.030p0.030、s0.020s0

21、.020；（2 2）、钢材标准抗拉强度下限值大于等于）、钢材标准抗拉强度下限值大于等于540mpa 540mpa 的钢材，的钢材，p0.025p0.025、s0.015s0.015；（3 3）、用于设计温度低于零下）、用于设计温度低于零下-20-20并且钢材标准抗拉强度下限值并且钢材标准抗拉强度下限值小于小于540mpa 540mpa 的钢材，的钢材，p0.025p0.025、s0.012s0.012；（4 4）、用于设计温度低于零下）、用于设计温度低于零下-20-20并且钢材标准抗拉强度下限值并且钢材标准抗拉强度下限值大于等于大于等于540mpa 540mpa 的钢材，的钢材，p0.020p

22、0.020、s0.010s0.010。.6 低合金钢 低合金钢是在碳素钢的基础上，加入一种或数钟合金元素（总量不超过5）,以提高钢材的强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等性能。如:q345r，平均含碳量为0.16（0.120.20）, 该钢号中含有锰元素,其平均含mn量小于1.6。p、s含量按容规要求。 锰能有效地提高强度,降低冷脆转变温度,对韧性有好的影响。低合金钢是压力容器的主要结构材料。 .7 新容规第4.9.3条规定，有耐腐蚀、防腐蚀要求的压力容器，设计图样上要提出防腐蚀处理要求，如奥氏体不锈钢压力容器有晶间腐蚀介质时，在图样上提出抗晶间腐蚀检验或处理要求。奥氏体不锈钢压力容器的热处理主要指

23、1100的固溶处理或875的稳定化处理。 稳定化处理：加热到 875保温2小时空冷，使碳化物充分析出，铬元素也得到充分扩散，从而进入二次稳定区。 固溶处理：加热到1100，保温一定时间后快速冷却，使析出的碳化物重新分解溶入奥氏体内，经淬火进入一次稳定区。.8 高温用钢 在高温下使用的钢材，既要有高温化学稳定性，又要有高温强度。 钢材当温度高于300时，在表面出现可见的氧化皮。这是因为铁元素与氧会生成feo、fe2o3、fe3o4。 q245、q345 475 475600，12crmo、15crmo、1cr5mo（管材） 12cr2mo1v r、 14crmo1r（板材） 600700， 1c

24、r19ni9ti 600700，0cr25ni20 gb150中材料的使用温度即为能查出其许用应力的温度。.9 低温用钢gb150附录c中交将设计温度低于或等于-20下压力容器称为低温压力容器，低温容器使用的钢材称为低温用钢。 低温钢主要考虑低温脆性问题,其中低温冲击韧性要求严格。在尽可能降低钢中的碳、磷、硫等杂质含量，以提高钢在低温下的抗开裂能力。当温度不低于-40,推荐使用正火状态的16mndr；如-196低温下，铁素体钢的韧性明显下降，为了提高钢的低温韧性，要求使用奥氏体不锈钢0cr18ni10ti，该钢种在使用温度-196 时，可不做冲击试验。 铝、钛有色金属可用到-269 。 管材、

25、锻材、螺栓用钢不在这里讲了。部分碳素钢低合金钢钢板的使用温度下限钢号使用状态厚度mm冲击试验温度q245r控轧20-20正火150-20q345r控轧30-20正火200-20q370r正火1060-2013mnnimor正火加回火30150-2016mndr正火，正火加回火660-4060120-3015mnnidr正火，正火加回火660-4515mnninbdr正火，正火加回火1050-5009mnnidr正火，正火加回火6120-7008ni3dr正火，正火加回火，调质6100-10006ni9dr调质640-196“低温低应力工况”系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于或等于-20，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于50mpa。这时若其设计温度加50后，高于 -20，则可不按低温容器设计。低温压力容器焊接接头检验要求：（）100%；（）局部无损检测长度不得少于各条焊接接头长度的50%，且不少于250mm。 本规则适用于特种设备安全监察条例规定范