GB150压力容器讲解

1、GB150T998钢制压力容器讲解一、概述1、标准适用的压力围GB1501998钢制压力容器设计压力P：0.135MPa；真空度：三0.02MPaJB473295钢制压力容器-分析设计标准设计压力P：0.1100MPa真空度：三0.02MPa/T47351997钢制焊接常压容器设计压力P：圆筒形容器：-0.02MPaWPWO.1MPa立式圆筒形储罐、圆筒形料仓-500PaWPW0.2000Pa矩形容器：连通大气JB47102000钢制塔式容器设计压力P：0.135MPa(对工作压力0.1MPa压塔器,P取0.1MPa)高度围h10m且h/D(直径)52、设计时应考虑的载荷压、外压或最大压差；液

2、体静压力(25%P)；需要时，还应考虑以下载荷容器的自重(件和填料)，以及正常工作条件下或压力试验状态下装物料的重力载荷；附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；风载荷、地震力、雪载荷；支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；连接管道和其他部件的作用力；温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；包括压力急剧波动的冲击载荷；冲击反力,如流体冲击引起的反力等；运输或吊装时的作用力。3、设计单位的职责设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。压力容器的设计总图应盖有压力容器设计资格印章。4容器围GB150管辖的容器围是指壳体及其连为整

3、体的受压零部件1)2)等4)容器与外部管道连接接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件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、裙座连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Pw1）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

4、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

5、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Smin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S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）厚度附加量的厚度。设计厚度Sd计算厚度与腐蚀裕量之和

6、名义厚度（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Se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）。（1、适用围P1第1.1、1.2、1.3、1.4条）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

7、来的特性，如强度、弹性、硬度、韧性及塑性等。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。常用的特性指标有屈服极限（ots）和强度极限（ob）。数值由拉伸试验获得。高温时还要考虑蠕变极限（otn）和持久极限（otD）。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（os/ob）。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。碳素钢的屈强

8、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（S）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，都希望金属材料具有良好的塑性。

9、一般碳钢、碳锰钢S216%，其它合金钢S214%。（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ob=0.36HB；轧制、正火或退火的中碳钢ob=0.35HB；硬度HBW250经热处理

10、的合金钢ob=0.34HB；硬度HB250400,经热处理的合金钢ob=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30HB。（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

11、状态及部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材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（10万小时）产生1%的变形时的应力；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（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

12、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

13、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Bmm/年0.050.050.130.130.2520.25C2mm0212223（2）应力腐蚀应力腐蚀是指金属在持久拉应力和腐蚀性环境联合作用下产生腐蚀裂纹,并使裂纹迅速扩展,从而可能出现的早期性破坏的腐蚀形式.几种常见的应力腐蚀环境:碳钢及低合金钢焊制化工容器对介质NaOH的应力腐蚀与介质浓度、温度有关。当NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积大于等于5%时，也应根据Na

14、OH溶液的浓度符合该要求。NaOH溶液浓度小于等于1%或NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积小于5%时，不受此限制。NaOH溶液NaOH溶液重量%2351015203040506070温度上限代）9088857670655448434038当超过以上围的碳钢、低合金钢材料需焊后进行消除应力热处理。b湿H2S应力腐蚀介质同时符合下列条件时，即为湿H2S应力腐蚀环境：温度小于等于（60+2P）l；P为压力，MPaH2S分压大于等于0.00035MPa即相当于常温在水中H2S溶解度大于等于10p.p.m；介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；PHV9或有氰化物（HCN）存在。C.液氨应力腐蚀环境当

15、容器接触的液氨介质同时符合下列各项条件时，即为液氨应力腐蚀环境：介质为液态氨，含水量不高（0.2%），且有可能受空气（O2或CO2）污染的场合；使用温度高于一51。对于应力腐蚀环境的容器除进行焊后消除应力热处理，在焊接要求、焊接接头硬度等方面都要提出具体要求。奥氏体不锈钢材料在氯化物溶液、高温水、高浓度NaOH等介质往往产生应力腐蚀。（3）氢腐蚀环境氢在常温常压下不会对铁碳合金引起氢蚀，当温度在20013001发生“氢脆”，金属在高温下与氢反应生成甲烷，甲烷气在晶界空隙引起裂纹，使材料的塑性降低，引起这种腐蚀有合成氨、合成甲醇、石油加氢等工业生产，设计温度大于等于2001与氢气氛相接触的压力容

16、器用钢应按纳尔逊曲线选材，并应留有201以上的温度安全裕度。满足于曲线的碳素钢和珠光体耐热钢在氢气氛中使用须经过焊后消除应力热处理。奥氏体不锈钢在氢分压围的氢气中使用都是满意的，焊后也无必要进行消除应力热处理。（4）晶间腐蚀可能引起晶间腐蚀环境必须是存在电解质的电化学腐蚀环境，奥氏体不锈钢晶间腐蚀的电解质主要是酸性介质。如：工业醋酸、甲酸、硝酸、草酸、盐酸、硫酸、磷酸等。防晶间腐蚀的措施：1）固熔化处理2）降低钢中碳含量3）添加稳定碳化物的元素（Nb.Ti.Ni）3材料的物理性能材料的主要物理性能包括：密度P、导热系数入、比热c、熔点tm、线膨胀系数a等。在不同的使用场合，对材料的物理性能有不

17、同的要求，如用于传热表面的材料要求有较高的导热系数。4制造工艺性能材料的工艺性能，选择不合适，会造成加工困难。压力容器应考虑的制造工艺性能有焊接性、锻造性、切削加工性、热处理性及冲压性等。对压力容器来说重要的是材料的焊接性,一般控制材料的含碳量小于0.25%。材料的含碳量越高，热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。奥氏体不锈钢的使用温度高于5251时，钢中含碳量应不小于0.04%。因为奥氏体不锈钢的使用温度5005501时，钢中含碳量太低，强度和抗氧化性会显著下降。（三）压力容器用钢1钢板（1）碳钢压力容器常用的是碳素结构钢，包括普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。a.普通碳

18、素结构钢普通碳素结构钢的技术要求，按碳素结构钢规定。质量分A、B、C、D四级，以脱氧方法不同又分沸腾钢、半镇静钢、镇静钢。镇静钢，是钢液在浇注前经过完全脱氧，凝固时不沸腾，故称镇静钢。这种钢锭无气泡，钢材质量较高。钢牌号由代表屈服强度的字母，屈服强度值，质量等级符号等部分组成如：Q215-AQ215-BQ235-AQ235-BQ235-CQ235-DQ255-A255-B钢板使用围GB700-88P(MPa)T代）5(mm)介质限制Q235-B（做常温冲击试验）1.6035020不得用于毒性为高度、极度危害介质Q235-C（做0C冲击试验）2.5035030Q235-D（做-IOC冲击试验）沸

19、腾钢，是在钢的冶炼过程中加入弱脱氧剂（锰铁）脱氧，因此在钢液中还保留相当数量的FeO,在浇注与凝固时，由于碳和FeO反应，钢液中不断析出CO,产生沸腾，故称为沸腾钢，如牌号Q235-A?F这种钢锭成材率高，但在钢锭有许多小气泡（该气泡在锻轧时能排除），且偏析较严重，因此，不能确保容器安全运行，避免和减少事故的发生，在各国压力容器设计规中都对其使用加以限制。半镇静钢介于沸腾钢与镇静钢之间，用“B”来代替“F”。优质碳素结构钢优质碳素结构钢与普通碳素结构钢相比：硫、磷含量较少，机械强度较高。按GB699-88优质碳素结构技术条件规定。压力容器用钢与锅炉用钢类同，首先要求保证足够的强度，还要有足够的

20、塑性，质地均匀等。因此，必须用杂质和有害气体容量较低的碳镇静钢。对于专业用钢符号，只需在优质碳素钢后面加字母“R”、“g”，如：20R、20go（2）低合金钢低合金钢是指钢中合金元素总含量在25%以下的钢种，与一般碳素钢相比，它的机械性能提高了，耐热性、耐腐蚀性、耐磨性都有所提高。因此，它在压力容器制造业中得到广泛的应用。压力容器用低合金高强度的钢的屈服强度围为294696MPaoa低合金钢中最常用的有：16MnR，它不仅硫、磷含量控制较严，更重要的是要求保证足够的冲击韧性，在钢材验收方面也比较严格。因此其使用压力不受限制。使用温度下限可达-20C，是目前应用极广的好材料。b.中温抗氢钢氢在常

21、温压下不会对铁碳合金引起显著的腐蚀，但当温度为200300C，压力高于30MPa则将产生极强的腐蚀作用，发生所谓“氢脆”现象。这种腐蚀常常是合成氢、合成甲醇、石油加氢等工业中设备破坏的主要原因。它们都在高温高压氢的环境中工作，会发生氢腐蚀破坏，氢渗入钢中与钢中渗碳体发生以应生成甲烷，使渗碳体脱碳变为铁素体。甲烷气集积于晶界的微空隙，形成局部高度应力集中而引起裂纹甚至鼓泡，渗碳体还原为铁素体时体积缩小约7%，由此产生组织间的应力，更促进裂纹发展，这时裂纹的扩展又给氢与碳的结合提供了条件，使钢完全脱碳而产生裂纹，这就是氢腐蚀的实质。它既可能发生在金属表面也可发生在金属部。因此，它是一种十分危险的晶

22、间型破坏。防止氢腐蚀的途径有:一是降低降低钢中碳的含量，例如采用微碳纯铁，可以完全消除氢腐蚀产生的根源；二是采用抗氢钢，在钢中加入钼、铬、钨、铌、钛等元素，形成稳定的铬、钼等碳化物，使氢与碳不能结合。我国生产的中温抗氢钢有：15CrMoR、14Cr1MoR等。低温用钢压力容器的破坏通常都有是由于压产生的机械应力达到容器材料的强度极限而发生的。但是，当温度降低到某一围后，容器壁的应力在没有达到屈服限，甚至低于许用应力的情况下也会发生破坏。相同的材料，相同规格的容器温度愈低，容器的爆破压力也愈低。这种现象称为低应力脆性破坏。产生容器低应力破坏的主要原因之一是由于钢材在低温下的冲击功值明显下降，因此

23、，低温用钢的质量在很大程度上取决于在使用温度下冲击功的大小。低温容器受压元件用钢必须是镇静钢，碳素钢和低合金钢板使用温度低于或等于-201时,其使用状态及最低冲击试验温度应符合GB150中4.2.8节表4-2的要求。在低温容器中的受压元件均必须进行低温夏比（V型缺口）冲击试验，钢材应按批进行冲击试验复验。（3）高合金钢高合金钢的合金元素总含量大于10%，其中奥氏体不锈钢在常温和低温下有很高的塑性和韧性，不具磁性。由于这种钢是单相的奥氏体组织，在许多介质中有很高的耐蚀性。其中铬是不锈耐酸钢抗氧化性耐蚀性的基本元素，合金中含碳量的增加将降低耐蚀性能，所以该含碳量0.080.12%左右为高碳级不锈钢

24、，钢号前以“1”表示。含碳量0.03C0.08%为低碳级不锈钢，钢号前以“0”表示。含碳量0.03%为超低碳级不锈钢，钢号前以“00”表示。奥氏体铬镍不锈钢压力容器在加工和使用过程中，在4004501下重复加热，并且持续时间较长时，就会产生晶间腐蚀而破坏。通常把上述温度称为危险温度。因此，在不锈钢焊接过程中，其焊缝热影响区产生晶间腐蚀危险特别大，这是由于在焊接后的冷却过程中，要通过危险温度的缘故。为此在不锈钢件焊接时，要求各连接件同时达到熔点。这对等厚板容易保证，而当两连接件相差较多时，就要注意将厚板削薄；容器壳体上的纵焊缝不允许与环焊缝十字交叉，必须将两条焊缝拉开一段距离该距离应大于名义厚度

25、的三倍，且不小于100mm。不锈钢的导热系数入是碳钢的1/31/4,而它的线膨胀系数a却是碳钢的1.5倍。因此,在焊接时必须注意，否则会引起很大的残余应力。压力容器常用的此类板材的钢号有：0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2；2.钢管选用钢管应根据容器的具体设计条件，尽量选用和容器相匹配的材料，和容器一样注意碳素钢、碳锰钢在高于4251温度下长期使用，钢中碳化物相的石墨化倾向，奥氏体不锈钢在特定条件下的晶间腐蚀倾向对于较高压力的接管或以增加壁厚作为开孔补强时，根据需要选用标准中壁厚较大的无缝钢管。换热管用钢管使用还应符合GB151的规定。3.锻件锻件按使用要求分为

26、I、II、III、W四个级别，每个级别的检验要求及指标要求按JB47264728-2000规定。用作圆筒和封头的筒形和碗形锻件及公称厚度大于300mm的低合金钢锻件应选用III级或W级。锻件的级别由设计单位确定，并应在图样上注明，如16MnII。4紧固件紧固件的使用温度围应符合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。表紧固件的使用温度围螺柱钢号螺母用钢钢号钢材标准使用温度围（。0其它限制Q235-A35Q215-AQ235-AGB700（使用状态,热轧）-19300适用于PVIO.OMpa容器密封要求高时，使用温度宜小于等于200140M

27、nB、40MnVB40Cr3540Mn35GB699（正火）-19400适用于P22.5Mpa容器及密封要求高时，使用温度宜小于等于400130CrMoA35CrMoA40MnGB699GB3077等于400125Cr2MoVA35CrMoA（调质）等于50011Cr5Mo0Cr18Ni9（固溶）-1940030CrMoAGB3077-195001Cr5Mo0Cr18Ni9-25370045适用于P22.5Mpa容器及密封要求高时，使用温度宜小于适用于P22.5Mpa容器及密封要求高时，使用温度宜小于GB1221-19600适用于高温密封GB1220GB12200Cr17Ni12Mo20Cr1

28、7Ni12Mo2（固溶）-2537005.焊接材料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

29、称为碱性焊条。采用碱性焊条焊接时，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

30、、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。P8第4.1.5、4.1.6、4.1.7、4.2条P11第4.4.2条、P14表4-1中在于16MnR厚度1618mm的选用问题P16表4-1中在于0Cr18Ni9中注4的问题说明三、压圆筒和压球壳P26第5.2条公式5-1中Pc1、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壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失

31、效，将应力限制在弹性围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒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围，认为圆筒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：oKot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

32、状态，材料就发生破坏。8maxW&第三强度理论（最大剪应力理论）材料的最大剪应力Tmax达到了极限应力，材料就发生破坏。Tmax=(o1-o3)Wot第四强度理论(剪切变形能理论)材料变形时，即部变形能量达到材料的极限值时，材料破坏。oe=V(o1-o3)2+(o1-o3)2+(o1-o3)2Wot3、应力计算(1)圆筒容器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，忽略了弯曲应力，这种应力称为薄膜应力。经向应力om=周向应力ot=式中P设计压力，MPa；D圆筒的中间直径或称中

33、径，mm；D=Di+6DO圆筒的外直径，mm；Di圆筒的直径，mm；6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ot是经向应力om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)。b、由于周向应力ot是经向应力om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/6成正比。(2)球形壳体球形容器在均匀压作用下，球形壳体经向应力和周向应力相等。即ot=om=ot=式中P设计压力，MPa；D球壳的中间

34、直径或称中径，mm；D=Di+6DO球壳的外直径，mm；Di球壳的直径，mm；6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。3、强度计算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o1=ot=Wot式中ot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

35、ot乘以一个焊接接头系数e,于是上述公式变成：otewote由上式计算厚度s=式中Pc计算压力，MPa；Di圆筒的直径，mm；ot设计温度下材料的许用应力，MPa；e焊接接头系数。上式适用于设计压力PW0.4ote的围(D0/Di=1.5)设计厚度8d=8+C2名义厚度6n=8+C2+C1+且6n6min+C2式中：C厚度附加量C=C1+C2mmC1钢板或钢管的厚度负偏差，mm；C2腐蚀裕量，mm钢板圆整量；8min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ot=MPa6e=6n-CmmC=C1+C2，mm计算所得的应力值，必须满足otote。最大允许工作压

36、力Pw=Mpa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o1=ot=om=上述公式中，如将D=Di+8代入并考虑了焊接接头系数e,如采用第一强度理论时，即得出wote所以可求出计算厚度85=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Ot=otMPa最大允许工作压力Pw=MPa3、设计参数的确定1）设计压力容器设计时，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压容器无安全泄放装置1.01.10倍工作压力；装有安全阀不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安全阀

37、开启压力取1.051.10倍工作压力）；装有爆破片取爆破片设计爆破压力加制造围上限；容器位于泵进口侧，且无安全泄放装置时取无安全泄放装置时的设计压力,且以0.1Mpa外压进行校核；真空容器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；夹套为压容器（真空）设计外压力按无夹套真空容器规定选取1夹套（压）设计压力按压容器规定选取；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的设计压力,且必须校核在夹套试验压力.外压下的稳定性。盛装液化石油气或混合液化石

38、油气的容器介质501饱和蒸汽压力低于异丁烷501的饱和蒸汽压力时（如丁烷、丁烯、丁二烯）0.79MPa介质501饱和蒸汽压力高于异丁烷501的饱和蒸汽压力时（如液态丙烷）1.77Mpa介质501饱和蒸汽压力高于丙烷501的饱和蒸汽压力时（如液态丙烯）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

39、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：压力容器设计压力P破片制造围上限）爆破片制造围爆破片最高标定爆破压力Psmax（Psmax=Pb+爆设计爆破压力Pb最低标定爆破片压力Psmin（Psmin=Pb-爆破片制造围下限）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）设计温度设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达

40、到的最高温度。在任何情况下元件金属的表面温度不得超过钢材的允许使用温度。当金属温度不可能通过传热计算或实测结果确定时，设计温度的选取：容器器壁与介质直接接触且有外保温（或保冷）时设计温度选取介质工作温度T设计温度IIITV-201介质最低工作温度介质工作温度减010C-20rT5.57.57.52525303034344050606080负偏差C1mm0.60.80.91.01.31.840501.11.2常用无缝钢管（不包括换热管）的厚度负偏差C1值钢管标准种类壁厚（mm）负偏差C1GB8163输送流体用无缝钢管冷拔1.010%热轧三2.512.5%GB9948石油裂化用无缝钢管冷拔1.01

41、0%热轧2010%GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管冷拔1314%3.010%热轧20GB5310高压锅炉用无缝钢管3热轧203）腐蚀裕量C2腐蚀裕量考虑的原则（1）与工作介质接触的筒体腐蚀裕量。（2）下列情况一般不考虑腐蚀裕量：a介质对不锈钢无腐蚀作用时（不锈钢、不锈复合钢板或有不锈钢堆焊层的元件）10%10%10%10%冷拔7.5%10%,且W0.32mm10%7.5%2310%10%10%,且W0.2mm封头、接管、人（手）孔及部构件等，均应考虑b可经常更换的非受压元件c有可靠的耐腐蚀衬里；d法兰的密封表面；e管壳式换热器的换热管；f管壳式换热器的拉杆、定距管、折流板和支持板等非

42、受压元件g用涂漆可以有效防止环境腐蚀的容器外表面及其外部构件（如支座、支腿、底板及托架等，但不包括裙座）。（3）腐蚀裕量一般应根据钢材在介质中的腐蚀速率和容器的设计寿命确定。对有使用经验者，可以按经验选取。4）容器的设计寿命除有特殊要求外，塔、反应器等主要容器一般不应少于15年，一般容器、换热器等不少于8年。腐蚀裕量的选取（1）容器筒体、封头的腐蚀裕量a介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制的容器，其腐蚀裕量不得小于1.0mm。b、除a以外的其他情况可按下表确定筒体、封头的腐蚀裕量。筒体、封头的腐蚀裕量腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/年）0.25腐蚀裕量（mm）0三1三

43、2三3注:表中的腐蚀速率系指均匀腐蚀。最大腐蚀裕量不应大于6mm，否则应采取防腐措施。（2）容器接管（包括人、手孔）的腐蚀裕量，一般情况下应取壳体的腐蚀裕量（3）筒体侧受力焊缝应取与筒体相同的腐蚀裕量。（4）容器各部分的介质腐蚀速率不同时，则可取不同腐蚀裕量。（5）两侧同时与介质接触的元件，应根据两侧不同的操作介质选取不同的腐蚀裕量，两者叠加作为总的腐蚀裕量。（6）容器地脚螺栓的腐蚀裕量可取3mm。4）最小厚度Smin当设计压力较低时，由压强度计算公式算的计算厚度S较小，往往不能满足制造、运输、安装等方面的刚度要求，因而对容器规定了最小厚度Smin对碳钢和低合金钢制容器,不小于3mm；对高合金

44、钢容器,不小于2mm；碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2/1000的塔器直径，且不小于4mm；对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于3mm；4管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB151管壳式换热器的相应规定。对于名义厚度取决于最小厚度且公称直径较大、厚度较薄的容器，为防止在制造、运输或安装时产生过大的变形，应根据具体情况采取临时的加固措施（如在容器的部设置临时支撑元件等）。复合钢板复层的最小厚度a为保证工作介质干净（不被铁离子污染）而采用的复合钢板，其复层厚度不应小于2mm；b为了防止工作介质的腐蚀而采用的复合钢板，其复层厚度不应小于3mm；不锈钢堆焊层在加工后的最小厚度为3mm。对有防腐蚀

45、衬里的碳钢或低合金钢制容器，其钢壳的最小厚度为5mm。5）许用应力材料许用应力是以材料的极限为应力o为基础，并选择合理的安全系数n后而得的。即。=极限应力/安全系数n材料的极限应力可以用各种不同方式表示，容器用的材料一般用强度极限、屈服极限或设计温度下持久极限otD及蠕变极限otn者说来表示。与这些极限应力相对应的安全系数也有不同的数值。材料许用应力的取法压力容器中受压元件的材料许用应力确定，通常是以材料常温下最低抗拉强度ob、设计温度下的屈服点ots除以各自的安全系数后所得的最小值，作为受压元件设计时的许用应力，即取以下最小值。o=ob/nb；ot=ots/ns当碳素钢或低合金钢的设计温度超

46、过380-4201，合金钢（如CrMo钢等）设计温度超过4501;奥氏体不锈钢的设计温度超过5501时，必须同时考虑高温持久强度或蠕变强度作为计算许用应力。ot=otD/ntD或ot=otn/nn材料的蠕变强度对于化工容器用的材料常以一定温度下，经过10万小时（约11年）产生1%的蠕变总变形，为该材料在某高温下的蠕变强度，以此蠕变强度作为计算许用应力的基准。这种确定应力的方法，是以限制容器产生一定量的塑性变形为依据的。材料的持久强度极限对于化工容器用的材料常以一定温度下，经过10万小时后产生的断裂应力作为设计用的持久强度极限。近年来还比较多地采用持久极限来代替蠕变极限作为确定许用应力的依据，这

47、是因为长期在高温下工作的材料通常出现小变形的断裂现象。例如碳钢在经过105小时后断裂时，其相对伸长率6不超过10%，而在变形大于4-5%时即有脆性断裂的危险性。采用持久极限可以直接反映出高温长期工作时对断裂的抗力。综上所述，在高温下许用应力系取下列四者中的最小值o=ob/nb；o=os/ns；或。=。ts/nso=otD/nDo=otn/nn式中ob、os材料在常温下的强度极限和屈服极限MPaotD材料在设计壁温下经10万小时断裂的持久极限MPaots材料在设计壁温下的屈服极限，亦可取产生残余变形达的条件屈服极限，MPa；otn材料在设计壁温下的蠕变极限，MPa；nb、ns、nD、nn分别为强

48、度极限、屈服极限、持久强度、蠕变极限的安全系数。o=ob/nb,ots/ns,otn/nn,或otD/nD,min安全系数n的选择安全系数是用以保证受压元件安全的系数。它的选择是设计中关键的问题，也是一个复杂的问题。它的大小与设计水平、材料质量、制造方法、检验标准以及设备操作状态等有着密切关系。近年来，随着科学技术发展和实践资料的积累，各国压力容器的安全系数都有所降低。容器的安全系数强度性能安全系数材料常温下最低抗拉强度ob常温或设计温度下的屈服点os或ots设计温度下经10万小时断裂的持久强度otD设计温度下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限平均值最小值nbnsnD碳素钢、低合金钢、铁素体高

49、合金钢三3三1.6三1.521.2521.0奥氏体高合金钢-三1.521.521.25otn三1.0注:当部件的设计温度不到蠕变温度围,且允许有微量的永久变形时,可适当提高许用应力,但不超过0.9。ts。此规定不适用于法兰或其他有微量永久变形就产生泄漏税或故障的场合。螺栓安全系数材料螺栓直径mm热处理状态设计温度下屈服点otS的oS设计温度下经10万小时断裂的持久强度oDt平均值的nDTOC o 1-5 h z碳素钢WM22M24M48热扎？正火1.72.5低合金钢马氏体高合金钢WM22M24M48三52调质2.53.02.71.5奥氏体高合金钢WM22M24M48固溶1.61.5球形贮罐在安

50、全系数上与圆筒容器有所不同,根据球形贮罐采用低合金钢及使用经验基础上，提出安全系数要考虑材料屈强比Y的因素，因为材料随着Y的增加其塑性储备会降低，应在安全系数上反映出来，故我国钢制球形储罐，取n=1/0.5（1.6-Y）（Y钢材的屈服极限与抗极限之比值）。6）焊接接头系数由于焊缝金属可能存在着未被发现的缺陷，夹渣、未焊透、裂纹、气孔等缺陷使焊接接头金属的强度降低。同时在焊接接头的热影响区往往形成粗大晶粒而使金属母材强度或塑性也有所降低，因此形成压力容器薄弱的区域。实践证明，许多容器破坏总是在其热影响区或焊缝开始的。所以在强度计算中要引用焊接接头系数以弥补焊接接头对容器强度的削弱焊接接头系数=焊

51、缝区材料强度/本体材料强度W1焊接接头系数大小与以下主要因素有关：焊接接头的结构形式：焊接接头设计是保证焊缝质量的重要条件。一般双面焊的对接焊缝以及相当于双面焊（氩弧焊打底单面焊双面成型）的对接焊缝，焊接接头能焊透焊缝质量容易保证，故焊接接头系数可取大些。单面焊不易保证焊透，带垫板的单面焊焊缝根部易形成初始裂纹，故焊接接头系数应取小些。焊接接头无损检测的长度比例。经过无损检查（包括射线透视和超声波探伤等）焊接接头质量有保证，无损检查比例越高（100%），缺陷愈少，焊接接头系数可取大些。7）公称直径和公称压力公称直径DN钢板卷制容器的公称直径是指径，它是一种经标准化后的尺寸，当工艺计算确定直径后

52、，还应取用与计算直径相近的公称直径作容器直径。这样，就便于与已经按公称直径制造的封头、法兰相配。加快设备制造速度，降低设备制造费用。若采用钢管作筒体时，容器的直径按钢管273、325、377、426mm等选取，此时容器公称直径系指钢管外径。公称压力PN把压力容器所承受的压力也分成若干压力等级，经过标准化后的压力数值称为公称压力，目前我国所制定的压力等级分为；0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10、16、20、22、32MPa。在容器设计中、选用容器零部件时，应按设计压力相近而又大些的公称压力取用。当容器零部件设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则就要按更高一级的公称压

53、力取用零部件。四、外压圆筒和外压球壳P27LP28图6T外压圆筒的计算长度1外压圆筒的稳定性承受外压的圆筒，强度计算方法与受压时相同，其周向力应力值为轴向应力的两倍，圆筒壁中产生的是压缩应力，而绝对值大小一样。这种压应力如果达到材料的屈服极限或强度极限时，将和承受压圆筒一样导致强度破坏。然而这种现象极为少见。通常外压圆筒壁的压缩应力还远小于材料的屈服限时，筒体突然失去原来的形状被压瘪或发生褶绉而失效（如图），在圆筒横断面上呈现有规则的永久性波形，其波形数n可为2、3、4。在外压作用下，筒体、球壳或封头突然发生失去原来形状的现象称之为失稳。外压容器稳定性是设计中主要考虑的问题。外压圆筒失稳以前，

54、筒壁中只是单纯的压应力状态。在失稳时，伴随着突然变形，在筒产生了以弯曲应力为的复杂的附加应力，这种变形与附加应力一直迅速发展到圆筒被压瘪。由此可见，外压容器的失稳，实质上是容器从一种平衡状态（形状及应力状态）向另一种新的平衡状态的突变。稳定安全系数m长、短圆筒的临界压力公式，是按理想状态（无初始不圆度）求得的。但实际上的圆筒有几何尺寸及形状误差，还有焊接结构形式等影响，这都会直接影响计算临界压力的准确性，此外，生产过程中操作压力的波动，使筒体实际外压力增高，并可能超过计算的临界压力值。为保证安全，必须使许用外压力低于临界外压力，即P=Pcr/m式中稳定安全系数m=3（圆筒体）2、圆筒的临界压力

55、及其计算1）临界压力及影响因素受外压作用的容器，当外压力低于某一特定的值时，壳体亦能发生变形，但当压力卸除后壳体可恢复原来的形状，这时壳体变形属于弹性变形围。当外压力继续增加到某一特定值，产生了不能恢复的永久变形，即失去了原来的稳定性。容器失稳时的压力称临界压力，以Per表示。容器在Per作用下容器壁应力称临界应力。临界压力值受若干因素影响，如受容器筒体几何尺寸及几何形状的影响，除此之外，载荷的均匀和对称性、筒体材料及边界条件等也有一定影响。a.影响因素S/D两个圆筒形外压容器，当其他条件（材料、直径D、长度L）一定,而厚度不同时，当L/D相同，/D大者临界压力高，其原因是筒壁较厚抗弯曲的能力

56、强；b.影响因素L/D当8/D相同，而长度L不同，L/D小者临界压力高，其原因是筒身较短圆筒的封头对筒壁起着一定支撑作用。筒体的几何形状（如不圆度）误差会降低筒壁临界压力，加速筒体的失稳。不圆度定义为e=Dmax-Dmin，式中Dmax、Dmin分别为筒体直径的最大值和最小值。筒体材料的弹性模数E值大，抵抗变形能力强，临界压力就高。由于各种钢材E值相差较小，若选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，并不能明显地提高筒体的临界压力，却使容器成本提高，因而是不恰当的。要提高容器的临界压力，即增加稳定性，只有从几何尺寸上来考虑。2）长圆筒、短圆筒及刚性圆筒承受外压的圆筒形壳体，按不同的几何尺寸失稳时

57、的不同形式（波形数不同），将圆筒分为长圆筒、短圆筒及刚性圆筒等三种。长圆筒是指筒体的L/D值较大，筒体两端边界的支撑作用可以忽略，筒体失稳时Per仅与8/D有关，而与L/D无关。长圆筒失稳时波形数n为2。短圆筒是指筒体两端边界的支撑作用不可忽略，筒体失稳时Per与L/D及8/D均有关。短圆筒失稳时波形数n2的整数。刚性圆筒是指L/D较小，而8/D较大，筒体的刚性较好，破坏的原因是圆筒壁的压缩应力超过了材料的屈服限，并非是发生了失稳。对刚性圆筒只考虑强度要求。由上所述，圆筒的“长”和“短”是指相对于直径来说的。长、短圆筒以及刚性圆筒的临界压力是各不相同的，有其各自的计算方法。3）圆筒体临界压力的

58、计算长圆筒临界压力Per=2.19E（E圆筒材料在设计温度下的弹性模数由上式可见，长圆筒临界压力仅与筒体8e/D及E有关。式仅限于弹性围使用，即失稳时应力应低于屈服强度。短圆筒临界压力Per=2.6E刚性圆筒由临界压力引起的临界应力为Qer=PerD/28e外压短而厚的刚性圆筒，其破坏是由于圆筒壁的压缩应力超过材料设计温度下的屈服极限不存在稳定性问题。强度校核公式为0=Wot式中e焊接接头系数，外压圆筒取=1；长、短及刚性圆筒都是承受横向均匀外压力的情况。因容器均有封头，所以除受横向外压力外，同时还受有轴向压力，但轴向压缩对筒体失稳影响很小，工程上仅按承受横向均匀外压计算临界压力（室外高塔设计

59、除外）。4）圆筒的临界长度从前面已知，长短圆筒的区别是受端盖支撑的影响。当8e/D相同时，短圆筒的临界压力较称圆筒大，随着短圆筒长度的增加，端盖对筒体支撑作用减弱，当短圆筒的长度增大到某一值时，端盖对筒体的支撑作用完全消失，这时短圆筒的临界压力与长圆筒临界压力相等，该短圆筒的长度称为临界长度，用Lcr表示。2.19E(=2.6E得Lcr=1.17DVD/8e临界长度是长、短圆筒的分界线，也是计算临界压力选择公式的的依据。当实际圆筒计算长度LLcr属长圆筒，若LVLcr则属短圆筒。外压圆筒的计算与6e/DO(D0为圆筒外直径)有关/D020.04时，筒壁应力达屈服极限前不可能被压瘪，此条件下任何

60、6e/D0值均按刚性圆筒计算。计算长度圆筒的计算长度指筒体外部或部两刚性构件之间的最大距离，筒体外部焊接的角钢加强圈筒体部挡板或塔盘均可视为刚性构件；在两个刚性构件中，其中一个是凸型封头时，取计算长度L=L+h+hi(hi为凸型封头凸面高度)，凸型封头刚性大对圆筒体有一定支撑作用，可以提高临界压力。在较薄板制造的筒体上焊接一定数量的加强圈，可使计算长度L降低，提高临界压力。3、外压圆筒的计算图算法进行设计。由临界压力计算式并以圆筒外径D0代替D可得长圆筒临界压力Pcr=2.19E(短圆筒临界压力Pcr=2.6E圆筒在Pcr作用下，产生的环向临界应力为ocr=PcrD0/26e应变ecr=ocr