压力容器设计和计算机计算

第七章压力容器的设计与计算机辅助设计

1

第一节引言

这一章我们主要学习压力容器设计的基本

方法，学习如何运用SW6-1998V2.0《过程设

备强度计算软件包》及PVCAD《计算机辅助设

计软件包》使我们能更进一步对所学知识全面

巩固和提局O

2

一、压力容器设计步骤及主要规程及标准

□设计步骤：工艺计算

机械计算一

□主要规程及标准：

"《压力容器安全技术监察规定》

［《钢制压力容器》

《钢制管壳式换热器》

《钢制塔式冬器》

3

二、压力容器设计中一些参数的定义

□1压力

□2.温度

□3.厚度

□4.载荷

□5,许用应力

□6,焊缝接头系数

□7.压力试验

4

1.压力

工作压力：指在正常工作情况下，容器顶部可能

达到的最高工作压力。

设计压力：指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条件,

其值不低于工作压力。

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。

当元件所承受的液柱静压力小于5%

设计压力时，可忽略不计。

试验压力：指在压力试验时，容器顶部的压力

5

2.温度

口设计温度：指容器在正常工作情况下，设定的元

件的温度（沿元件金属截面的温度平

均值）。设计温度和设计压力一起

作为设计载荷条件。

口试验温度：指压力试验时，壳体的金属温度。

6

3.厚度

计算厚度：指按各公式计算得到的厚度。需要时尚

应计入其他载荷所需厚度（见下面的载荷）

设计厚度：指计算厚度与腐蚀裕量之和

名义厚度：指设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整

至钢材标准规格的厚度，既标注在图样上的尺寸

有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差

7

4.载荷

□内压、外压或最大压差

□液体静压力

□容器的自重（包括内件和填料）

□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、地震载、雪载荷

□支座、底座圈、支耳及其他型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

8

5.许用应力

口钢材（除螺栓材料外）的许用应力选

取的依据可按表7-1;螺栓材料的许

用应力选取的依据可按表7-2

10

表7-1

许用应力

取下列各值中的最小值，MPa

...nnertntCTt

-4-A-rTTZxZX.A-r-nA/，6As

恢系训、1氏学室翎

Qn1A1A1<1n

D•,

（）（）（）（）U（）cy（）

冈I0.2)20.2

J.U1.3IQl.Dl.U

1）对奥氏体高合金钢受压元件，当设计显度低于蠕变温度范围，且允许有微量的永久变形

时，可适当提高许应力至0.9,（%）但不超过噌。此规定不适用于法兰或其他有

微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。

11

表7-2

螺栓直径许用应力Moa

材料热处理状态

mmRVFTS\\夕古VP-CE7/、/古

0’

s

<M22。7

幺孑1X1-1八31，1L、人

八小”7八、、rJ/、,

0

ivi/q〜IVIM

2.5

tt1

...-..,一()

V%,/

&Mzz

3.5

-t

低合金钢、%uo%)0

M24-M48调、m质ct-yn

氏体高合金钢3.01.5

f-K,

—cA(17/

7iVIDZ—

2.7

/~r'

(J

一V0*

、1V1ZZ

奥氏体商合金JiL6

固汰\t\

GJ-A(1u

vr'ltn,1

fvi24〜fvl4X

1.0c

12

表格中符号的意义

□%—钢材标准抗拉强度下限值

□。5（。0.2）一钢材标准常温屈服点（或0,2%屈服强度）一

□o；®2）一钢材在设计温度下的屈服点（或02%屈服强度）

□o，一钢材在设计温度下经10万小时断裂的持久强度

*的平均值

□O：—钢材在设计温度下经10万小时蠕变率为1%的

蠕变限

13

在设计中，如需计入复层材料的强度时,

其设计温度下的许用应力按下式确定：

S+s

bf=[°]111°I2

L」—一+^

□问,——设计温度下符合钢板的许用应力，MPa

□[o]；——设计温度下基层钢板的许用应力，MPa

□[o]；——设计温度下复层材料的许用应力，MPa

□81基层钢板的名义厚度，mm

□8基层材料的厚度，不计入腐蚀裕量，mm

2

14

6.焊接接头系数

□对容器来说，主要存在两种

对接焊缝，即纵向对接焊缝环府覆

与环向对接焊缝

□双面焊对接接头和相当于

双面焊的全焊透对接接头

□100%无损检测6=1.00

□局部无损检测小=0.85

□对于单面焊对接接头（沿

焊缝根部全长有紧贴基本

金属的垫板）

□100%无损检测巾=0.9

□局部无损检测巾=0.8

7.压力试验

□液压试验气压试验气密性试验

□压力试验的确定：

内压容器液压试验：0=1.25p号

p]

气压试验：p=

[。『

外压容器和真空容器液压试验：pt=L25p

气压试验：Pt=L15p

P「一试验压力，Mpa2一设计压力，MPa

16

容器在压力试验前还必须进行应力校核，校核

公式为：

oPt（Di+3）

23

—试验压力下圆筒的应力MPaDi—圆筒内直径mm

Pt一试验压力MPa5一圆筒的有效厚度mm

I应满足的条件：液压试验时，<o.9d）0J（\0V/.乙）/

气压试验时，。,40・9巾0,,（0。2）

°s（00.2）—圆筒材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服

强度），MPa

巾—圆筒的焊接接头系数

17

三、压力容器设计材料

□压力容器用钢材类型主要有钢板、钢管、锻件、

螺柱和螺母。

选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件，例

如：设计压力、设计温度、介质特性、和操作特

点等，从而选择钢材为焊接性能良好的钢材，同

时还要考虑到容器的制造工艺和经济合理性。

，下面我们谈谈这些类型的钢材在压力容器中使用

过程中的一些规定。

18

1.钢板

碳素沸腾钢，和碳素镇静钢适用范围

钢材名称使用压力MPa使用温度C使用厚度mm不付/日使，上用H场L7合人

Q235-A.F<060-250<12易燃介质中高或极唐盍性

0235-A<1o0~350<16液化石油4、高或核唐毒性

Q235-B<1.60-350《20高或极度毒性

Q235-C<2,50-400<30

19

在正火状态下碳素钢和低合金钢使用规定

20R（壳体）20R（其他受压元件）>SOrnrn

16MnR（壳体）>30mm16MnR（其他受压元件）>50mm

15MnVR>16mm

20

进行拉伸和夏比（V型缺口）冲击（常温或低温

-20℃以上）试验碳素钢和低合金钢使用规定

材料名称使用温度。C使用厚度mm

—

•£图席"尖大杜伟龄冷风必

”可，贝4人，=K贝口J+叫物^

—

多层包扎压力容器内筒钢板

—

用于壳体钢板所有厚度

20R<or>25

/nr,2Q

/nr\2Q

1SMnVNR<o℃>38

/r\℃

所有）干

所有厚度

<in℃

NUK、-1,U9>1O

i1AoAiv4inRi\、<-1U(}℃。//U

℃

15MnVR4in/ZU

x1nrx

15MnVNR、-1IJVz/NoUn

21

应逐张进行超声检测的碳素钢和低合金钢钢板

钢板名称钢板厚度nim质量等级

IH

Z7>VOR/DU

TTT

1OlVlIlK，、JanV111

1SMnVR>25in

15MnVNR>75ITT

1QMnMnNhRITT

ioiviiiiviunUn.，LJ111

13MnNiMoNbR>25III

16MnDR/>乙20VTTT

TTT

1iSJMMInINi1UORI\/Lv111

TTT

0QMn?DVR/>4on\j

09MnNiDRTTT

多层包扎压力容器内筒II

TT

调质状态供货钢板11

22

注意

□碳素钢和低合金钢钢板使用温度低于-20℃时，对使用

状态及最低冲击试验温度按相应标准

□高合金钢板一般用GB4237标准。当厚度大于4mm时

钢板需保证钢板表面缺陷的厚度不小于钢板的允许最小

厚度。对于厚度不大于41Tlm设计应注明钢板表面质量

□耐热用途的钢板按GB4238标准选用

□00C门8Ni5Mo3Si24冈板的伸长率（65）应不小于23%

23

注意

□不锈复合钢板除符合以下规定，还应符合GB8165和

GB4733的相应规定。

a.复合界面的结合剪切强度应不小于200MPa

b.复合界面的结合率指标及超声检测范围，应在图样或

相应技术文件中说明

c.基板和复材均为GB150所规定的碳素钢和低合金钢钢

板或锻件，复材也为GB150中的高合金钢钢板

d.复合钢板应在热处理后供货，基层的状态应符合

GB150规定

e.复合钢板使用范围应符合基材和复材使用范围的规定

24

2.钢管

□钢管的标准及许用应力按附录中规定

□当碳素钢及低合金钢钢管使用温度低于-20℃时，

其使用状态为正火状态。另外，钢管的工艺性能试

验（压扁、扩口等）要求，应根据钢管使用使用时

的加工工艺和各钢管标准中的相应规定提出。

25

3.锻件

a.锻件的标准及许用应力按附录中的规定

b.锻件的形状有筒形锻件、环形锻件、饼形锻件、碗

形锻件、长颈法兰锻件和条形锻件。

c.锻件按使用要求分成I,n,in,iv级,具体见下表

锻件级别检验项目才佥验数量

I«(HB)逐件检查

n拉伸（小。。八6、）同冶炼炉号、同炉热处理

、上的锻件组成一批，每批抽

in拉伸（%、%、总）检一件

超声检测逐件检查

拉伸（%、°0,2逐件检查

b、总）

超声检测逐件检查

26

3.锻件

□低温压力容器用低合金钢锻件最低为n级锻件

□锻件的使用技术要求可按JB4726《压力容器用碳

钢和低合金钢锻件》、JB4726-27《低温压力容器

用低合金钢锻件》以及JB4728《压力容器用不锈

钢锻件》

□当碳素钢及低合金钢锻件使用温度低于-20°C时，

其热处理状态及最低冲击试验见有关标准

27

4.螺柱和螺母

□螺柱的材料一般要求是强度高、韧性好、耐介质腐

蚀。

□低合金钢螺柱用毛坯，经调质热处理后做力学性能试

验

□为了避免螺栓与螺母咬死，螺母的硬度一般要比螺栓

低HB30

□低合金钢螺柱使用温度低于-20℃时应进行使用温度

下的低温冲击试验，其要求见有关标准

28

螺栓和螺母的组合可见下表

O螺栓用钢鼻螺母用钢钢材标准三使用温度范围℃

Q235-AQ235-AGB700>0-300

CGQCA、nrvoc\c\

Q233-A/4U~DUU

35—

___15__.GB699>-20〜350；

40MnB,40MnVB,40Cr35,40Mn,45GB3077>-20-400

30CrMoA30CrMoAGB699-100-500

40Mn,45GB3077>-20-400

35CrMoA

30CrMoA35CrMoAGB3077100-500

DJL4JLV1UVzASSCrMoA35CrMoVGB3077〉-20〜500

3()CrMoAGB3077>-20〜500

乙jmviuvr\

25Cr2MoAGB3077>-20-550

lCr5Mo-lCr5MoGB1221>-20-600

2Crl3lCrl32Crl3CR1990>?八〜45。

CUC-CN47A

^^IVxvzV2\GRU3J07/7/>-20-550

0Crl9Ni9—

0Crl9Ni9GB1220-196-700

0一、C_✓1r.Jl.7/N1.、iJ.lJ.2M.▼又o20k/VC_x±rlX7/N±1i±l±2MJ.o2GV_JRA-/1_L2J2J0\J-196-700

四、压力容器设计计算软件包

□SW6《过程设备强度计算软件包》，以下简称SW6-

98O该软件包是以国标GB150《钢制压力容器》；

GB151《钢制管壳式换热器》；GB12333《钢制球形

储罐》；JB4710《钢制塔式容器》；JBxxxx《钢制

卧式容器》及HG20582《钢制化工容器强度计算规

定》为编制依据。它的运行环境为WINDOWS系统，

此软件在运行过程中直观、方便、灵活。

□该软件包含了10个设备计算程序，每个设备计算程序

既可进行设备的整体计算，也可进行该设备中某一个

零部件的单独计算。

30

1.SW6-98在使用过程中有以下特点

□在数据输入时可随时退出程序运行

□程序运行时数据输入和运算可以任意交替进行

□对于结构数据的输入在界面上采取了图形提示一

□在一个设备计算程序中，各数据输入页面可方便的随

意切换

□计算结果可用两种形式输出。一种是屏幕显示，另一

种是通过WORD以表格形式打印输出或作为文件存放

31

2.SW6-98软件内容

□SW6-98软件有10个设备级计算程序，一个零部

件计算程序和一个用户材料数据库管理程序。每

个计算程序有对应的一组图标，只要点击图标就

能使某个程序运行。

□SW6-98对一种设备的输入数据文件都规定了一

个后缀名。

32

10个设备计算程序和一个零部件计算程序的后缀名见下表

输入数据文件输入数据文—

程序计算内容程序计算内容

一名后缀名：1件名后缀名

塔设备浮头式换执器

口tt/rnl彳J/、士、八、、口口efe

带夹套立式容器填函式换热器.efe

.rec

（带或不带搅拌）高压设备.hnv

rr1JL*口乂.T1?1T/八A•咕1

卧式谷盗.1h4t-1k球形储罐.sph

CCY7

»固一j定管巨板换入.执八、、器口口•±f±ixzv非圆形容器•11VV

U形管换热器,uex零部件.par

33

回A

UninstallU形管换热器非圆形容器浮头式换热器

D

高压设备固定营板换热立式容器零部件

器

回A

球罐塔器埴函式换热器卧式容器

用户数据库管

理

设备名和文件名输入

立式容器设计

确认退出帮助

I立式容器设计

I文档管理设备计算

下

豺

头

Q央

套UK

I开孔补强

出计算书

筒体数据输入和计算X

试验压力[MPa]:

压力试验类型：

<5-液压试验

外压圜筒数据I

r气压试险

确认|

「材料类型:

s板材r管材取消I

笥钵计算出计算书

「锻件帮助

筒体数据输入和计算X

设计压力(MPa):

设计温度(-C)：

液柱静压力(MPa):

筒体内径(mm):

筒体长度(mm):

腐蚀裕量(mm):

试验压力[MPa]:

简体名义厚度(mm):

压力试验类型：

纵向焊缝焊接接头系<5-液压试验

MT外压圜筒数据I

r气压试险

确认|

「材料类型:

s板材r管材取消I

笥钵计算出计算书

「锻件帮助

压圆筒设计数据输入

外压筒体计算长度L(mm)

仁Jz

加强圈数据|帮助

r设置加强圈

一丽取消

上封头数据输入

G板材「银件

封头形式：

C两遥无折边锥形封头

「楠国封头

「球形封头r大满有折边锥形封头

「平盖r小岗有折边锥形封头

「箧形封头r两端有折边锥形封头

「斜锥壳r球冠形封头出计算书

封头内曲面高度h

封头直边局度c(mm):

确认

取消

帮助

下一页确认取消帮助

顶圆半径R(mm)

过渡•T1半径r(mm)

直边图度c(mm)

确认

取消

帮助

搅拌轴设计参数输入(1)X

轴封形式:「介质类型:

电机功率

r单端面机械密封r液液相

设计转速

r双遥面机械密封r液固相

填料塞封

容器设计压力(MPa)rr气液相

容器内液体

-介质特性:--------r气体

重度(kg廊)

r一般物料

「轴计算类型：—r危险物料

6刚性轴

拢轴封处许用径向位移

r柔性轴计

#

其

平衡精度等级

轴G(mrn/s):

「轴支承情况：——

轴许用扭转角(・佃)：

s悬臂轴...|

下一页取消

「单跨粘...I

出刊■算书确认帮助

搅拌轴设计参数输入⑵

设计温度(-C)：

下一页

确认

取消

帮助

搅拌轴设计参数输入⑶□

「轴结构类基

麻A

r实心轴

邮B

r空心轴相

「轴承A类型:

r滚动轴承

滑动轴承

搅拌器类型:r

「锚式「直叶开启涡轮轴承B类型:a

滚动轴承

r框式门框式「斜叶开启涡轮r

滑动轴承

「推进式「弯叶开启涡轮r

r直叶桨式「直叶国盘涡轮

轴封至轴承间距X(mm):

「斜叶桨式「斜叶园盘涡轮

两轴承间距A(mm):

r三叶后掠式「弯叶@1盘涡轮

r两个以上不同类型搅拌器流体径向力系数K1

搅拌器数量搅拌器数据♦认

接管开孔补强数据输入和计算

己输入数据需进行补强计算的接管个数0

确认退出

数据嫡入AkH取消

接管补强计算出计算书

』k帮助

第1个接管设计数据输入(2)

接管开孔位置：「补强结构=

「补强国补强

6无补强结构

r整锻件补强

接管材料

接管焊接接头系数：

接管材料在设计温

度下的许用应力

接管材料在常温

下的许用应力

体法兰数据输入

设计压力［MPa］:

设计温度［-C］：

液柱静压力(MPa):

附加弯矩［N-mm］:

轴向拉伸载有

筒体内径［mm］

筒体壁厚［mm］:

筒体壁用附加量［mm］

「筒体材料类型：--------「法兰形式：----------------------------

6板材r管材r锻件r松式法兰⑴「整体法兰⑴

r松式法兰Q)r整体法兰(2)

筒体材料：二

「任意式法兰「反向法兰

筒体材料在设计温

度下的许用应力

简体材料在常温下____________・

］।一)算1出M计算书|

的许用应力［MPa］

下一页确认取消帮助

设计压力［MPa］:

设计温度［-C］：

液柱静压力(MPa):|

附加弯矩［N-mm］:

轴向拉伸载荷

筒体内径［mm］

筒体壁厚［mm］:

筒体壁厚附加量［mm］

「筒体材料类型：--------------法兰形式：-

G板材r管材r锻件r松式法兰⑴「整体法兰⑴

「松式法兰Q)「整体法兰(2)

筒体材料：

6任意式法兰「反向法兰

简体材料在设计温

度下的许用应力

n法共

筒体材料在常温下

的许用应力［MPa］卜4出为■算书

下一页确认取消帮助

任意式法兰结构数据输入

法兰村料

法兰材料在设计温

度下的许用应力

法兰材料在常温下

的许用应力

0筒体计宜结果,!□!

打印菜单

A义义入义入义丈★外压圆筒计算，乂乂臭，“去文乂”

计算条件:

计算压力：-523设计温度:200.00筒体内径：120口.加

腐蚀裕量：2,00负偏差：口.口。焊接接头系数：0.85

材料20R

筒体输入厚度：10.0。输入计算长度：1。口口.口。

计算结果：

钢板负偏差：0.00A值：0.000873B值：1口口.5569763

简体存用外压：0.65Q4应力核核:合格

水压试验值：1.2口。口圆筒应力：106,590,9*s:220.50压力试验合格

提示：

1,当筒体输入壁厚为：10.。0时允许计算长度为：3025.60

2,当输入计算长度为：1。口口.口口时筒体壁厚需要：8.00

e筒体计算结果ITlnlx|

打印菜单

臭&臭臭乂义文臭文外压圆筒计算义文“，*文义乂去，

计算条件:

计算压力：。23设计温度：200,00筒体内径：120口.口口

腐蚀裕量：2.口口负偏差：0.00焊接接头系数：0.85

材料20R

筒体输入厚度：1口.00输入计算长度：10。。.00

计算结果:J

钢板负偏差：0.00A值：0.000873B值：10口.5569763

箱体咨用外压：0.6594应力校核:合格

水压试验值：1.2000圆筒应力：106.590.9*^s:220.50压力试验合格

提示:

1,当筒体输入壁厚为：10.00时允许计算长度为：3025.60

2.当输入计算长度为：1口口。.口口时筒体壁厚需要：8.00

打印纸选择Fgg

「请选择计算书文字:------

螂更

r中文，筒明格式--------

确认

取消

「打印封面