压力容器基础知识

压力容器设计基础

压力容器设计基础

一.概述

1、标准适用的压力范围

GB150-1998《钢制压力容器》设计压力P：0.1-35MPa

真空度：>0.02MPa

GB151-1999《管壳式换热器》设计压力P：0.1-35MPa

真空度：>0.02MPa

公称压力PNW35MPa,公称直径DNW2600mm

PN・DNH.75x104

JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》设计压力P：0.1~1

00MPa

真空度：>0.02MPa

JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》设计压力P：

圆筒形容器：-0.02MPa<P<0.1MPa

立式圆筒形储罐、圆筒形料仓-500Pa<P<0.2000Pa

矩形容器：连通大气

GB12337-1998《钢制球形储罐》设计压力PW4MPa,公称容积V2

50M3

JB4710-2000《钢制塔式容器》设计压力P：0.1〜35MPa

（对工作压力<0.1MPa内压塔器,P取0.1MPa）

高度范围h>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；

2）液体静压力伫5%P）；

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

4）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

⑴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。

⑵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6min

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6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6d

计算厚度与腐蚀裕量之和

名义厚度（即图样厚度）6n

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6e

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

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）o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）o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0.6~0.

7O碳素钢的屈强比一般为0.6左右，低合金高强度钢为0.65~0.75,

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（6）及断面收缩率（ip）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。一般碳钢、碳镒钢任16%,其它合金钢814%。

（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HB<250经热处理的合金钢ob=0.34HB;

硬度HB250-400,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30HBo

（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.

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

Bmm/年<0.050.05-0.130.13~0.25>0.25

C2mm0>1>2>3

(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:

a.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溶液在其与煌类的混合物中体积大于等于5%

时、也应根据NaOH溶液的浓度符合该要求。NaOH溶液浓度小于

等于1%或NaOH溶液在其与烧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

(℃)9088857670655448434038

当超过以上范围的碳钢、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：

①温度小于等于(60+2P)℃；

P为压力，MPa

②H2s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；

③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；

④PH<9或有氟化物(HCN)存在。

C.液氨应力腐蚀环境

当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：

①介质为液态氨，含水量不高（W0.2%），且有可能受空气（02或CO

2）污染的场合；

②使用温度高于-5℃。

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200℃~300℃

发生“氢脆”，金属在高温下与氢反应生成甲烷，甲烷气在晶界空隙内

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200C与氢气氛相接触的压力容器用钢应按纳尔

逊曲线选材，并应留有20℃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范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%o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525C时，钢中含碳量应不小于0.0

4%0因为奥氏体不锈钢的使用温度500~550℃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。

这种钢锭内无气泡，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-A25

5-B

钢板使用范围

GB700-88P

（MPa）T

（℃）6

（mm）介质限制

Q235-B（做常温冲击试验）<1.60-350<20不得用于毒性

为高度、极度危害介质

Q235-C（做0℃冲击试验）<2.50-350<30

Q235-D（做-10℃冲击试验）

沸腾钢，是在钢的冶炼过程中加入弱脱氧剂（镒铁）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-AF

这种钢锭成材率高，但在钢锭内有许多小气泡（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范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”。

b.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2~5%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范围为294~696MPa。

a.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

氢在常温压下不会对铁碳合金引起显著的腐蚀，但当温度为200~

300℃,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反应生成甲烷，使渗碳体脱碳变为

铁素体。甲烷气集积于晶界的微空隙内，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内部。因此，它是一种十分危险

的晶间型破坏。

防止氢腐蚀的途径有：

一是降低钢中碳的含量，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，在钢中加入铝、铭、鸽、锯、钛等元

素，形成稳定的铭、铝等碳化物，使氢与碳不能结合。我国生产的中

温抗氢钢有：15CrMoR>14Cr1MoR等。

c.低温用钢

压力容器的破坏通常都是由于内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，当温度降低到某一范围后，容器壁内的

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，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-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度应符合GB150

中428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。其中锅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0.08~'0.12%左右为高碳级不锈钢，钢号前以“1”表示。含碳量0.

03<C<0.08%为低碳级不锈钢，钢号前以“O”表示。含碳量W0.03%为

超低碳级不锈钢，钢号前以“00”表示。

奥氏体辂银不锈钢压力容器在加工和使用过程中，在400~450c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的三倍，且不小于100m

m0

不锈钢的导热系数人是碳钢的1/3~1/4,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：OCh8Ni9、OCr18Ni10Ti>OC

r17Ni12Mo2；

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、碳镒钢在高于425C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I、II、III、IV四个级别，每个级别的检验要

求及指标要求按JB4726~4728-94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HI级或W级。

a）筒形锻件（L>D）,t为公称厚度

b）环形锻件（L&D）,1■和t中的小者为公称厚度

c）饼形锻件（t4D）,t为公称厚度

d）碗形锻件（HMD）,t1和t2中的小者为公称厚度

e）长颈法兰锻件（HMD）t1和t2中的小者为公称厚度

f）条形锻件（L>D）,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16MnRH。

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。

表紧固件的使用温度范围

螺柱

钢号螺母用钢

钢号钢材

标准使用温度范围（℃）其它限制

Q235-A

35Q215-A

Q235-AGB700

（使用状态，热轧）-19-300适用于P〈10.0Mpa容器.密封要求高

时,使用温度宜小于等于200℃

40MnB、

40MnVB

40Cr35

40Mn

35GB699

（正火）-19~400适用于P>2.5Mpa容器及密封要求高时，使用温

度宜小于等于400℃

30CrMoA

35CrMoA

40Mn

45

GB699

GB3077-19-400适用于P>2.5Mpa容器及密封要求高时，使用

温度宜小于等于400℃

25Cr2MoVA30CrMoA

35CrMoAGB3077

（调质）-19~500适用于P>2.5Mpa容器及密封要求高时，使用温

度宜小于等于500℃

1Cr5Mo1Cr5MoGB1221-19-600适用于高温密封

0Cr18Ni90Cr18Ni9GB1220

（固溶）-253-700

0Cr17Ni12Mo20Cr17Ni12Mo2GB1220

（固溶）-253-700

5.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、氧化铁型以及镒型等类焊条称为酸性焊条。而不含

铁或镒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

容器还要求焊条含铀量不得大于0.05%。

焊材选用

相同钢号相焊，碳素钢、碳镒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，一般采用铭银含

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体即

失效，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：o1<[o]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<[E]

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)<[o]t

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。

oe=4[(o1-o3)2+(o1-o3)2+(o1-o3)2]<[o]t

3、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，忽略了弯曲应力，

这种应力称为薄膜应力。

经向应力0m=

周向应力ot=

式中P——设计压力，MPa；

D——圆筒的中间宜径或称中径，mm；D==Di+6

DO-----圆筒的外直径，mm；

Di——圆筒的内直径，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，环向应力作用于环向截面(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/G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

ot=om==at==

式中P——设计压力，MPa；

D——球壳的中间直径或称中径，mm；D==Di+6

DO——球壳的外直径，mm；

Di——球壳的内直径，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

a1=ot=<[o]t

式中t一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

[o]t乘以一个焊接接头系数(P，于是上述公式变成：

加tcp

w[o]t(p

由上式计算厚度6=

式中Pc——计算压力，MPa；

Di——圆筒的内直径，mm；

[o]t——设计温度下材料的许用应力，MPa；

(P——焊接接头系数。

上式适用于设计压力P<0.4[o]t(p的范围。(D0/Di=1.5)

设计厚度6d=6+C2

名义厚度6n=6+C2+C1+A

且6n>6min+C2

式中：C——厚度附加量C=C1+C2mm

C1-----钢板或钢管的厚度负偏差，mm；

C2-----腐蚀裕量，mm

△——钢板圆整量；

5min-----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=MPa

be=6n-Cmm

C=C1+C2,mm

计算所得的应力值，必须满足ot<[a]tq）o

最大允许工作压力[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（p,如采用第

一强度理论时，即得出

舸t（p

所以可求出计算厚度G

6=

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=<[a]t（pMPa

最大允许工作压力

[Pw]=MPa

3、设计参数的确定

1）设计压力

容器设计时一，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（安全阀开启

压力取1.05~1.10倍工作压力）；

装有爆破片取爆破片设计爆破压力加制造范围上限；

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

倍最大内外压力差或OJMPa两者中的小值；

无安全泄放装置设计外压力取0.1Mpa；

夹套内为内压容器（真空）设计外压力按无夹套真空容器规定

选取1

夹套（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℃的饱和蒸汽压力时（如丁

烷、丁烯、丁二烯）0.79MPa

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）1.77Mpa

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）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

1.05~1.10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=Pb+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=Pb-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

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

a.设计温度选取

介质工作温度

T设计温度

III

T<-20℃介质最低工作温度介质工作温度减0~10℃

-20℃<T<15℃介质最低工作温度介质工作温度减5~10℃

T>15℃介质最高工作温度介质工作温度加15~30℃

注：当最高（低）工作温度不明确时，按表中的n确定。

b.容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件（如加热盘管、电热

元件等）间接加热时，设计温度取最高工作温度。

c.容器器壁两侧与不同温度介质直接接触而可能出现单一介质接触

时，应以较高一侧的工作温度为基准确定设计温度，当任一介质温度

低于-20。。时，则应以该侧的工作温度为基准确定最低设计温度。

d.安装在室外无保温的容器，当最低设计温度受地区环境温度控制

时，可按以下规定选取：

（1）盛装压缩气体的储罐，最低设计温度取环境温度减3C；

（2）盛装液体体积占容积1/4以上的储罐，最低设计温度取环境温

度。

注：环境温度取容器安装地区历年来“月平均最低气温”的最低值，

e.对裙座等室外钢结构，应以环境温度作为设计温度。

3）厚度附加量

厚度附加量C=C1+C2mm

式中：C1-----钢板或钢管的厚度负偏差，mm；

C2----腐蚀裕量，mm。

厚度负偏差C1

钢板或钢管的厚度负偏差C1应按相应钢材标准的规定选取，当钢

板的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的6%时，负偏

差可忽略不计。

常用钢板厚度负偏差

钢板标准GB6654-1996GB3531-1996

钢板厚度（mm）全部厚度

负偏差C1（mm）0.25（取C1=0mm）

钢板标准GB3274-88GB3280-92GB4237-92GB4238-92

钢板厚度

mm>5.5

-7.5>7.5

-25>25-30>30-34>34-40>40-50>50-60>60

~80

负偏差C1mm0.60.80.91.01.11.21.31.8

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C1

GB8163《输送流体用无缝钢管》冷拔>1.010%10%

热轧>2.512.5%

GB9948《石油裂化用无缝钢管》冷拔>1.010%

热轧<2012.5%

>2010%

GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》冷拔>1~31

4%

>3.010%

热轧<1512.5%12.5%

>1515%12.5%

GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》冷拔>1.510%

热轧3~2012.5%

>2010%

GB5310《高压锅炉用无缝钢管》冷拔2~310%10%

>310%7.5%

热轧<3.510%,且WO.32mm10%,且WO.2mm

3.5-2010%10%

>2010%7.5%

3）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、封头、接管、人（手）孔及内部构

件等，均应考虑腐蚀裕量。

（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）；

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）<0.050.05-0.130.13~0.25>0.25

腐蚀裕量（mm）0>1>2>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）筒体内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6min

当设计压力较低时，由内压强度计算公式算的计算厚度8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6min

1.对碳钢和低合金钢制容器，不小于3mm；

2.对高合金钢容器,不小于2mm；

3.碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2/1000的塔器内直

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（如在容器的内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3mmo

对有防腐蚀衬里的碳钢或低合金钢制容器，其钢壳的最小厚度为5

mm。

5）许用应力

材料许用应力是以材料的极限应力。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atD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;[o]t=ots/ns

当碳素钢或低合金钢的设计温度超过380-420。。，合金钢（如Cr—M

o钢等）设计温度超过450C；奥氏体不锈钢的设计温度超过550c

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。

[o]t=otD/ntD或[o]t=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1

0万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；

[cr]=os/ns；或[o]=ots/ns

[o]=otD/nD[o]=otn/nn

式中ob、as——材料在常温下的强度极限和屈服极限MPa

otD——材料在设计壁温下经10万小时断裂的持久极限MPa

ots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；

atn——材料在设计壁温下的蠕变极限，MPa；

nb、ns、nD、nn——分别为强度极限、屈服极限、持久强度、

蠕变极限的安全系数。

⑹={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

otn

平均值最小值

nbnsnD

碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢>3>1.6>1.5>1.25>

1.0

奥氏体高合金钢->1.5>1.5>1.25>1.0

注:当部件的设计温度不到蠕变温度范围，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0.9ots。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HS的。

S设计温度下经10万小时断裂的持久强度oDt平均值的nD

碳素钢<M22

M24-M48热扎•正火1.7

2.5

低合金钢马氏体高合金钢<M22

M24-M48

>52调质2.5

3.0

2.71.5

奥氏体高合金钢<M22

M24〜M48固溶1.6

1.5

球形贮罐在安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（P=焊缝区材料强度/本体材料强度W1

焊接接头系数大小与以下主要因素有关：

a.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（僦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。

b.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，焊接接头系数中可取大些。

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内径，它是一种经标准化后的尺寸，当

工艺计算确定直径后，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

一级的公称压力取用零部件。

8）压力试验

容器制成或检修后，在投入运转之前要检查容器的宏观强度（主要是

焊缝的强度）和密闭性，因而要进行压力试验，试验合格后才能进行

运转。

对需作焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完毕并经热处理后进行

压力试验。如果容器压力试验后，需进行补焊或补焊后又经热处理，

则必须重新进行压力试验，一般根据容器的特点选用液压或气压试

验，并根据介质的特点决定是否进行致密性试验。

压力试验

a.液压试验液压试验逐步地增压到试验压力为止。保压时间一般不

少于30分钟。然后将压力降至规定试验压力的80%,并保持足够长

的时间以对所有焊缝和连接部位进行检查。试验液体一般采用水，需

要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。试验时液体的温度应低

于其闪点或沸点。奥氏体不锈钢制容器用水进行液压试验后应将水渍

去除干净。当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过2

5mg/Lo以防止氯离子d对奥氏体不锈钢的应力腐蚀。

碳素钢、16MnR和正火15MnVR钢制容器液压试验时，液体温度不

得低于5℃；其他低合金钢制容器，液压试验时液体温度不得低于1

5℃0如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应

提高试验液体温度。

当设计温度大小或等于100℃时，有些钢材由于板厚增加等原因机械

性能已开始下降,机械性能的下降使得材料许用应力也显著降低。这

时在常温条件下进行液压试验时，必须提高液压试验压力，乘以系数

[a]/[a]t.

b.气压试验一般设备的试压都应首先要求作液压试验，因为液压试

验尤其是水压试验既安全，又经济。而气压危险性大，故只有不适合

于做液压试验的容器，例如，由于结构或支承原因，或生产时装入贵

重催化剂要求烘干的容器，或在操作过程中不允许存在有微量残留液

体的容器，可在设计图样规定采用气压试验。气压试验所用气体，应

为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体。具有易燃介质的在用压

力容器，必须进行彻底的清洗和置换，否则严禁用空气作为试验介质。

碳素钢和低合金钢制压力容器的试验用气体温度不得低于15℃；其

他材料制压力容器，其试验用气体温度应符合设计图样规定。

试验时压力应缓慢升压，升压至规定试验压力的10%,保压5分钟,

并对所有焊缝和连接部位进行初次检查；如无泄漏可继续升压到规定

试验压力的50%；如无异常现象，其后按每级为规定试验压力的1

0%,逐级升压到试验压力，应根据容积大小保压10-30分钟；然后

降至设计压力，保压进行检查，其保压时间不少于30分钟。检查期

间压力应保持不变。不得采用连续加压以维持试验压力不变的做法。

不得在压力下紧固螺栓。经肥皂液或其他检漏液检查无漏气，无可见

的异常变形即为合格。若有渗漏经返修后再按上述规定重新试验。

为了保证安全，气压试验前必须全面检查容器质量，对容器的焊缝应

进行100%探伤，试验时应有必要的防护措施，

试验压力PT

(1)内压容器

液压试验PT=1.25P

气压试验PT=1.15P

式中：P——设计压力，MPa；

[c]——试验温度下的材料许用应力，MPa

[a]t——设计温度下的材料许用应力，MPa

容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件)所用材料不同时，

应取各元件材料的[司/[o]t比值中最小者。

(2)外压容器和真空容器

外压容器和真空容器按内压容器进行试验

液压试验压力PTPT=1.25p

气压试验压力PTPT=1.15p

式中：P——设计外压力，MPa

(3)夹套容器

对于带夹套的容器，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力。当

内筒设计压力为正值时，按内压确定试验压力。当内筒设计压力为负

值时节，按外压进行液压试验。在内筒液压试验合格后，再焊接夹套。

并对夹套进行压力试验，在确定了试验压力后，必须校核内筒在该试

验外压力作用下的稳定性。如果不能满足稳定要求，则应规定在作夹

套的液压试验时，必须同时在内筒保持一定压力，以使整个试验过程

(包括升压、保压和卸压)中的任一时间内，夹套和内筒的压力差不

超过设计压差。图样上应注明这一要求，以及试验压力和允许压差。

对立式容器卧置进行液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力加

液柱静压力。

应力校核

由于试验压力大于设计压力，故试验时容器内应力势必要增大。所以

在试验前必须对容器在试验条件下产生的应力进行校核。校核时所取

的壁厚度。同时还应计入液柱静压力。

液压试验时，圆筒的薄膜应力校核式

oT=<0.9as(p(o0.2)

气压试验时圆筒的薄膜应力校核式

oT=<0.8oscp(o0.2)

式中Di——圆筒的内直径，mm；

PT——试验压力，MPa；

6e------圆筒的有效厚度，mm；

(P一圆筒的焊接接头系数。

液压试验时，球形容器的薄膜应力校核。

oT=<0.9os(p(a0.2)

气压试验时，球形容器的薄膜应力校核

oT=<0.9os(p(o0.2)

式中Di——球形容器的内直径，mm

PT——试验压力，MPa；

6e-----球形容器的有效厚度，mm；

(P------球形容器的焊接接头系数。

致密性试验

致密性试验有气密性试验或煤油渗漏试验。

(1)气密性试验

气密性试验的目的在于检查容器连接部位的密封性能和焊缝可能发

生的渗漏。因为气体检漏的灵敏度高，因此对密封性要求很高的容器,

如盛装介质毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许微量池漏的压

力容器，必须进行气密性试验。

气密性试验应在液压试验合格后进行。容器全部安装上安全附件、阀

门、压力表和液面计等后方可进行。气密性试验所用气体应为干燥、

洁净的空气、氮气或其他惰性气体。具有易燃介质的在用压力容器，

必须进行彻底的清洗和置换，否则严禁用空气作为试验介质。

碳素钢和低合金钢制压力容器，其试验用气体的温度应不低于5℃0

其他材料制压力容器设计者可根据材料决定。

气密性试验压力一般取PT=1.0P

式中：P——设计压力，MPa

试验压力应缓慢上升，达到规定试验压力后保压10分钟，然后降至

设计压力，对所有焊缝和连接部位进行泄漏检查。小型容器亦可浸入

水中检查。如有泄漏，修补后重新进行液压试验和气密性试验。

对已作气压试验的容器是否需再进行气密性试验应在设计图样上注

明。

对于壳程压力低于管程压力的列管式换热器，如果不能采用提高壳程

试验压力等于管程试验压力的方法，来检查管子与管板连接的严密性

时，则壳程、管程按各自要求试验压力试压。然后壳程再以1.05倍

壳程设计压力的含氨体积约1%的压缩空气或低压纯氨渗透试验。

（2）煤油渗漏试验

将焊缝能够检查的一面清理干净，涂以白粉浆，晾干后在焊缝另一面

涂以煤油，使表面得到足够的浸润，经半小时后白粉上没有油渍为合

格。

四、应力分类及限制

1.设计方法

常规设计压力容器设计基本上是采用传统的设计方法一“常规设

计”。常规设计是基于弹性失效准则，认为容器内某一最大应力点一

旦达到屈服限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。在分析方法

上它是以板壳薄膜理论的简化为基础的，不考虑边缘应力、局部应力

及温差应力，也不考虑交变载荷引起的疲劳问题，所有类型的应力均

采用统一的许用应力值，为了保证安全，通常采用较高的安全系数。

分析设计“分析设计”从设计思想上来说，就是放弃了传统的弹性失

效准则，采用弹塑性或弹性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑

性区，采用这个准则，可以合理地放松对计算应力的过严限制，适当

地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。

2.应力分类

(1)一次应力一次应力是平衡压力与其它机械载荷所必须的应力，

它是维持结构各部分平衡需要的，一次应力没有“自限性”，所引起的

塑性流动是不可限制的，不能靠本身的屈服变形来限制其大小，当塑

性区扩展到极限状态，即使载荷不在增加，结构仍产生不可限制的塑

性流动，直至破坏。

一次应力分为

一次总体薄膜应力Pm

一次弯曲应力Pb

局部薄膜应力PL

二次应力Q

二次应力是满足元件间的约束及结构自身变形连续要求所需的应力，

它是同一次应力一起满足变形的相互协调，在材料有足够的延性条件

下，当二次应力处的局部材料发生屈服而进入塑性状态时，使弹性约

束得到缓解，二次应力不再上升，原来不同的变形得到协调，结果二

次应力自动限制，这就是二次应力的自限性。

二次应力还具有局部性，在连接处具有较高的峰值，但其作用范围不

大随离开边缘的距离增大而迅速衰减。例如离圆筒与封头连接处为2.

5^R6时弯曲应力已降低到应力峰值的5%o

属于二次应力的如封头与筒体连接处的总体不连结构在内压作用下

由于边缘剪力和弯矩在筒体或封头上所应起的弯曲应力(边缘应力)，

换热器在管壳上的温差应力(热应力)均属二次应力。

3.边缘应力的基本概念

当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后，各自产生

的变形是不一致的，称为变形不连续。但们们是连成一体的，两连接

处附近接处附近将相互产生约束，除内压产生的膨胀外，还会产生附

加的弯曲变形。与弯曲相对应，壳壁内将产生弯矩和剪力，对薄壁壳

体来说，由此产生的弯曲应力有时比薄膜应力大得多，两连接件刚度

相差越大，产生的应力也将越大。在实际结构中，成以圆筒与平盖连

接时的边缘应力为最大。该应力由于只发生在两连接件的边界处，所

以称为边缘效应力或称为不连续应力。

1)边缘应力的特性

由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：

(1)局限性

(2)自限性

2)设计中对边缘应力的考虑

(1)由于边缘应力具有局限性，设计中可以在结构上只作局部处

理，例如改变连接处的结构，保证边缘焊接的质量，降低边缘区的残

余应力，避免边缘区附加的局部应力集中（如应避免在边缘区开孔。）

（2）只要是塑性材料，即使边缘区应力超过材料的屈服极限，邻

近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形的发展，使容器仍处于安定状

态（安定性理论）。故大多数塑性材料所制成的容器，如低碳钢、奥

氏体不锈钢。当受静载荷时,除在结构上需作某些处理外，一般并不

对边缘应力作特殊考虑。

（3）在下列情况下应考虑边缘应力

a.塑性较差的高强度钢制压力容器

b.低温下操作的铁素体制的