压力容器设计

压力容器设计

压力容器的设计必须考虑以下问题：安全、满足使用要求、经济、有

可制造性。

一、适用范围

考虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点）

确定该设备应遵循的标准。

若同时需要满足儿个标准时，应按较严格的执行。

《GB150-1998》

适用

1.设计压力W35Mpa的压力容器；（应力分析、验证性实验

分析、用可比的已投入使用的结构进行进行对比经验设

计）

2.设计温度范围按钢材允许的使用温度确定；

不适用

1.直接用火焰加热的容器；

2.核能装置中的容器；

3.旋转或往复运动的机械设备（如泵、压缩机、涡轮机、

液压缸等）中自成整体或作为部件的受压器室；

4.经常搬运的容器；

5.设计压力低于0.1Mpa的容器；

6.真空度低于0.02Mpa的容器；

7.内直径小于150mm的容器；

8.要求作疲劳分析的容器；

已有其他行业标准的容器。如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中

的某些专用容器和搪玻璃容器。

《固定式压力容器安全技术监察规程》

适用

1.工作压力大于等于O.IMpa（不含液柱静压力）；

2.工作压力与容积的乘积大于或等于2.5Mpa.L

（内直径大于等于150mm，且容积大于等于0.025m3;）

3.盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度大于或者

等于其标准沸点的液体。

（其中，超高压容器应当符合《超高压容器安全技术监察规

程》的规定，非金属压力容器应当符合《非金属压力容器安

全技术监察规》的规定，简单压力容器应当符合《简单压力

容器安全技术监察规》的规定。

注：

1.容积，是指压力容器的几何容积，即由设计图样的尺寸计

算并且圆整。一般应当扣除永久连接在压力容器内部的内

件的体积。

2.容器内介质为最高工作温度低于其标准沸点的液体时，如

果气相空间的容积与工作压力的乘积大于或等于2.5

Mpa.L时，也属于本规程的适用范围。

不适用范围

1.移动式压力容器、气瓶、氧舱；

2.锅炉安全技术监察规程适用范围内的余热锅炉；

3.正常运行工作压力小于0.1Mpa的容器（包括在进料或者

出料过程中需要瞬时承受压力大于或者等于0.1Mpa的容

器）

4.旋转或者往复运动的机械设备中自成整体或者作为部件的

受压气室（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）

可拆卸垫片式板式热交换器（包括半焊式板式热交换器）、

空冷式热交换器、冷却排管。

《GB151-1999》适用范围

1.公称直径DNW2600mm；

2.公称压力W35Mpa的压力容器；

3.设计温度范围按金属材料允许的使用温度确定。

不适用范围

1.直接受火焰加热的换热器及废热锅炉；

2.受核辐射的换热器；

3.要求作疲劳分析的换热器；

4.已有其他行业标准管辖的换热器。如制冷、制糖、造

纸、饮料等行业中的某些专用换热器。

《GB12337-1998》适用范围

1.设计压力W4Mpa的橘瓣式或混合式支柱支撑的球罐;

2.设计温度范围按钢材允许的使用温度确定。

不适用范围

1.受核辐射的球罐；

2.经受相对运动（如车载或船载）的球罐；

3.公称容积小于50m3的球罐；

4.要求作疲劳分析的球罐；

5.双壳结构的球罐。

《JB/T4710-2005》适用范围

1.设计压力W35Mpa的压力容器；高度H大于10米、

且高度H与平均直径(公称直径)D之比大于5的裙座自

支撑钢制塔式容器；

不适用范围

1.带有拉牵装置的塔式容器；

2.由操作平台联成一体的排塔或塔群

3.带有夹套的塔式容器。

二、设计参数的确定

压力

1.Pw------最高工作压力

(a)承受内压的压力容器，指在正常使用过程中，顶部可

能出现的最高压力。

(b)承受外压的压力容器，指在正常使用过程中，可能出

现的最高压力差：对夹套容器指夹套顶部可能出现的最高

压力差。

2.P--------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。

3.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。但元件所承受的液柱静压力小于5%设计

压力时，可忽略不计。

即Pc=P+液柱静压力

注：GB12337-98《钢制球形储罐》中要求，所有液柱静压力都计入

计算压力。

4.Pz--------安全阀的开启压

(a)固定压力容器上只安装1个安全阀时，安全阀的开启压力Pz不应

大于压力容器的设计压力P,如果安装多个安全阀时，其中一个安全

阀的开启压力Pz不应大于压力容器的设计压力，其余安全阀的开启

压力可适当提高，但不得超过设计压力的L05倍。即PzWP,

(b)移动式压力容器安全阀的开启压力应为罐体设计压力的

1.05〜1.10倍,安全阀的额定排放压力不得高于罐体设计压力的1.2倍,

回座压力不应低于开启压力的0.8倍。

5.PT------------试验压力

[<r]

(a)内压容器：1.液压试验PT=1.25p商

2.气压试验PT=1.15p而7()固

(b)外压容器：1.液压试验PT=1.25p

2.气压试验PT=1.15p(l.lp)

注:1.容器铭牌上规定有最大允许工作时，公式中应以最大

允许工作压力代替设计压力Po

2.容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)

所用材料不同时，应取各元件材料的得比值中的最小者

温度

1.t——设计温度

指压力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。

注：1.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。对于0℃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。

2.容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分

的设计温度。

2.tw——工作温度

指压力容器在正常工作情况下，介质可能达到的最高温度。

3.金属温度——指沿元件金属截面的温度的平均值。

注：元件的金属温度可用传热计算求得，或在已使用的同

类容器上测定，或按内部介质温度确定。

4.试验温度--指压力试验时，壳体的金属温度。

注：1.《容规》规定，碳素钢、16MnR和正火15MnVR

(07MnCrMoVR)制压力容器在液压试验时，液体温度

不得低于5℃；其他低合金钢制压力容器(不包括低温球

罐)，液体温度不得低于15℃。

2.铁素体钢制低温压力容器在液压试验时，液体温度应

高于壳体材料和焊接接头两者夏比冲击试验的规定温度

的高值再加20℃o

厚度

1.§------计算厚度

指按各章公式计算得到的厚度。需要时尚应计入其他载荷所需厚度。

2.5c——设计厚度

指计算厚度与腐蚀裕量C2之和。

即5c=6+C2

3.6n——名义厚度

指计算厚度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，即标注在图样上的厚度。

即6n=6c+Cl+圆整值

=6+Cl+C2+圆整值

4.6e——有效厚度

指名义厚度5n减去腐蚀裕量C2和钢材厚度负偏差C1,

即8e=8n-Cl-C2

5.C------------钢板厚度附加量

指钢板厚度负便差C1与腐蚀裕量C2之和，

即C=C1+C2

注：1.钢板或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。

2.容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。

3.GB150规定：壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：

对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm:；对高合金钢制容器，不

小于2mmo

4.GB151规定：筒体成形后的最小厚度（包括1mm的腐蚀裕量）

对碳素钢和低合金钢制容器

公称直径400-<700>700-^1000>1000-^1500>1500-^2000>2000-^2600

浮头式,U形管式810121416

固定式管板68101214

对高合金钢制容器

公称直径400〜<500>500^^700>700-^1000>1000^^1500>1500^^2000>2000-^2600

最小厚度3.54.5681012

JB/T4710规定：塔壳成形后的最小厚度（不包括腐蚀裕量）

a.对碳素钢、低合金钢制塔式塔式容器为2Di/1000,且不小于

3mm;

b.对高合金钢制塔式容器，不小于2mm。

c.介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制压力

容器，腐蚀裕量不小于1mm。

d.对碳钢、低合金钢制裙座壳取腐蚀裕量C2不小于2mm；

e.地脚螺栓腐蚀裕量C2不小于3mm

f.钢板或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。

GB12337规定：

1.球壳板最小宽度应不小于500mm,

2.支柱底板的腐蚀裕量Cb一般取3mm,

3.地脚螺栓的腐蚀裕量CB一般取3mm,

4.拉杆的腐蚀裕量CT一般取2mm,

三.总图的主要内容

压力容器的设计总图上，至少应注明以下内容：

(1)压力容器名称、类别，设计、制造所依据的主要法规、标准;

(2)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；

(3)设计条件，包括设计温度、设计载荷(包括压力在内的所有

应当考虑的载荷)、介质(组分)、腐蚀裕量、焊接接头系数、

自然条件等，对存储液化气体的储罐应当注明装量系数，对

有应力腐蚀倾向的储存容器应当注明腐蚀介质的限定含量；

(4)主要受压元件材料牌号与标准；

(5)主要特性参数(如压力容器容积、换热器换热面积与程数等);

(6)压力容器设计使用年限(疲劳容器标明循环次数)；

(7)特殊制造要求；

(8)热处理要求；

(9)无损检测要求；

(10)耐压试验和泄漏试验要求；

(11)预防腐蚀的要求；

(12)安全附件的规格和订购特殊要求(工艺系统已考虑的除

外)；

(13)压力容器铭牌的位置；

(14)包装、运输、现场组焊和安装要求。

注：下列情况对设计总图的特殊要求：

1.多腔压力容器分别注明各腔的试验压力，有特殊要求时注明共用

元件两侧允许的压力差值，以及试验步骤和试验要求。

2.装有触媒的压力容器和装有充填物的压力容器，注明使用过程中

定期检验的要求；

3.由于结构原因不能进行内部检验的压力容器，注名计算厚度、使

用中定期检验的技术要求；

4.不能进行耐压试验的压力容器，注名计算厚度和制造与使用的特

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措施；

6.要求保温或者保冷的压力容器，提出保温或者保冷措施。

四、无损检测

1.凡符合下列条件之一的容器及受压元件，需采用图样规定的方法，对其A、B类

焊接接头，进行100%RT或UT检测：

GB150

I,钢材厚度8s>30mm的碳素钢、16MnR;

2.钢材厚度6s>25mm的15MnVR>15MnV>20MnMo和奥氏

体不锈钢；

3.标准抗拉强度下限值。b>540Mpa的钢材，

4.钢材厚度6s>16mm的12CrMo、15CrMoR、15CrMo;其他任

意厚的Cr-Mo低合金钢；

5.进行气压试验的容器；

6.图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器；

7.图样规定须100%检测的容器；

8.多层包扎压力容器内筒的A类焊接接头；

9.热套压力容器各单层圆筒的A类焊接接头

GB12337-1998

1.钢材厚度8s>30mm的碳素钢和16MnR钢制球罐；

2.钢材厚度6s>25mm的15MnVR和任意厚的15MnVNR钢制

球罐；

3.材料标准抗拉强度下限值。b>540Mpa的钢制球罐；

4.进行气压试验的球罐；

5.图样注明盛装易燃和毒性为极度危害和高度危害物料的球

罐；

6.图样注明须100%检测的球罐。

注：对于进行100%RT或UT检测的焊接接头，是否需采用UT

或RT进行复测，以及复测的长度，由设计者在图样上予以

规定。

GB151-1999

5.拼接管板的对接接头；

6.设备法兰拼接接头；

7.设计温度低于-40℃；

8.设计温度低于-20高于-40℃,接头厚度大于25mm。

9.满足150的规定。

.《容规》

1.GB150及GB151等标准中规定进行100%检测的压力容器；

2.第三类压力容器；

3.第二类压力容器中易燃介质的反应压力容器和储存压力容器;

4.设计压力大于5.0Mpa的压力容器；

5.设计压力大于等于0.6Mpa的管壳式余热锅炉；

6.设计选用焊缝系数为1.0的压力容器（无缝管制筒体除外）；

7.疲劳分析设计的压力容器；

8.采用电渣焊的压力容器；

9.使用后无法进行内、外部检验或耐压试验的压力容器；

10.符合下列之一的铝、铜、银、钛及其合金制压力容器：

①介质为易燃或毒性程度为极度、高度、中度危害的；

②采用气压试验的；

③设计压力大于等于1.6Mpa的。

注：1.压力容器壁厚大于38mm（或小于等于38mm,但大于

20且使用材料抗拉强度规定值下限大于等于540Mpa）

时，除进行100%检测外，还应进行20%原检测长度的附

加局部检测。

2.拼接封头（不含先成形后组焊的拼接封头）、拼接管板的

对接接头、拼接补强圈的对接接头。

2.用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢钢板，凡符合下列

条件之一的，应逐张进行UT检测：

GB150

1.厚度大于30mm的20R和16MnR,质量等级应不低于m级；

2.厚度大于25mm的15MnVR、15MnNbR、18MnMoNbR、

13MnNiMoNbR和Cr-Mo(15CrMoR\14CrlMoR)钢板，质量等

级应不低于m级；

3.厚度大于20mm的16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR,质量

等级应不低于HI级；

4.多层包扎压力容器的内筒钢板，质量等级应不低于H级；

5.调质状态供货的钢板，质量等级应不低于II级；

《容规》

2.盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器；

3.盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于lOOmg/L的压力

容器；

4.最高工作压力大于等于lOMpa的压力容器；

5.GB150第4章和附录C、GB151《管壳式换热器》、GB12337

《钢制球形储罐》及其他国家标准和行业标准中规定进行超

声检测的钢板。

6.移动式压力容器；

GB150附录C：壳体的钢板厚度大于20mm的低温压力容器

用钢板。

GB12337《钢制球罐》

1.钢材厚度5s>30mm的碳素钢、16MnR;

2.钢材厚度8s>25mm的15MnVR、15MnVNR；

3.钢材厚度6s>20mm的16MnDR、09Mn2VDR；

4.调质状态供货的钢板；

5.上下极板和与支柱连接的赤道板.

3.接管（凸缘）与壳体体之间的接头设计以及夹套压力容器接头的设

计有下列情况之一的应采用全焊透形式：

《容规》

1.介质为易燃或毒性为极度危害和高度危害的压力容器；

2.做气压试验的压力容器；

3.第三类压力容器；

4.低温压力容器；

5.按疲劳准则设计的压力容器；

6.直接受火焰加热的压力容器；

7.移动式压力容器。

《GB150》：接管（凸缘）名义厚度21/2壳体厚度，且焊脚

高度26。

《GB150》还规定：（1）低温压力容器；

（2）承受疲劳载荷的压力容器

（3）钢材的标准抗拉强度下限值

>540Mpa的容器

接管与壳体插入式连接符合上术条件时，接管内径边角

处应倒圆，圆角半径一般取接管名义厚度/4或19两者

中的较小者。

五.焊后应进行整体热处理的压力容器：

《容规》

1.采用电渣焊接的铁素体类材料或焊接线能量较大的立焊

焊接的压力容器受压元件，应在焊后进行细化晶粒的正火

处理.

2.常温下盛装混合液化石油气的压力容器（储存容器或移动

式压力容器罐体）应进行焊后热处理.

3.旋压封头应在旋压后进行消除应力热处理（采用奥氏体不

锈钢材料的旋压封头除外）.

:注:1.高压容器、中压反应容器和储存容器、盛装混合液化石

油气的卧式储罐、移动式压力容器应采用炉内整体热处理,

其他压力容器应采用整体热处理，大型容器可采用分段热

处理,其重叠热处理部分的长度应不小于1500mm,炉外部

分应采取保温措施.局部热处理应包括整条焊缝，焊缝每侧

加热宽度不小于木材厚度的2倍，接管与壳体相焊时加热

宽度不小于两者厚度（取较大值）的6倍.

2.热处理装置（炉）应配有自动记录曲线的测温仪表，并保

证加热区内最高与最低温度之差不大于65℃（球形储

罐除外）.

《GB150-1998》

容器及其受压元件符合下列条件之一者，应进行焊后热处理：

1.碳素钢、07MnCrMoVR、15MnNbR厚度大于32mm（如焊

前预热100℃以上时，厚度大于38）；

2.16MnR和16Mn厚度大于30mm（如焊前预热100℃以上

时,厚度大于34）；

3.15MnVR和15MnV厚度大于28mm（如焊前预热100℃

以上时，厚度大于32）；

4.任意厚度的18MnMoNbR>13MnNiMoNbR>15CrMoR.

14CrlMoR\12CrMolR>20MnMo、20MnMoNb、15CrMo、

12Cr2Mol、lCr5Mo；

5.对于钢材厚度6s不同的焊接接头，上述厚度按薄者考虑;对

于异种钢材相焊的焊接接头，按热处理严者确定；

6.图样注明有应力腐蚀的容器，如盛装液化石汕气\液氨等

的容器；

7.图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器；

8除图样另有规定，奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处

理；

9.冷成形或中温成形的受压元件，凡符合下列条件之一者应

于成形后进行热处理：

(1)碳素钢、16MnR的厚度2圆筒内径的3%；

(2)其他低合金钢的厚度2圆筒内径的2.5%；

(GB12337)

若球罐不进行焊后整体热处理，制造单位应对下列组焊

件进行消除应力热处理：

(1)与人孔、接管焊接的极板；

(2)当赤道板厚度大于20mm，且支柱与赤道板连接焊缝

的焊脚大于12mm时，与支柱焊接的赤道板。

1.碳素钢和碳镒钢在高于425c高温下长期使用时，应注意什么

问题？

答：GB150-1998规定，碳素钢和碳镒钢在高于425c高温下长

期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。因为碳素钢和碳

镒钢在上述情况下，钢中的渗碳体会产生分解，

FeC3Fe+C（石墨），而这一分解及石墨化最终会使钢中的珠光

体部分或全部消失，使材料的强度及塑性均下降，而冲击值下降

尤甚，钢材明显变脆。

2.奥氏体钢的使用温度高于525℃时，应注意什么问题？

答：GB150规定，奥氏体钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳

量应不小于0.04%,这是因为奥氏体钢在使用温度高于500〜

550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降。因此，

一般规定超低碳（CW0.03%）奥氏体不锈钢的使用范围，18-9

型材料用到400℃左右，18-12-2型材料用到450C左右，使用温

度超过650C时，国外对于304、316L型材料一般要求用H级，

即含碳量要稍高一些，主要也是考虑腐蚀，而且耐热及有热强性。

3.什么是奥氏体不锈钢的敏化范围？

答：奥氏体不锈钢在400〜850℃范围内缓慢冷却时，保持足够

的时间在晶界上有高铭的碳化物Cr23C6析出并沉积，造成碳化

物邻近部分贫铭在腐蚀介质中，引起晶间腐蚀倾向，这一温度范

围称为敏化范围。

4.什么叫固溶处理？它对奥氏体不锈钢性能有何作用？

将合金加热至高温（1100C）单相区恒温保持，使过剩相充分溶

解到固溶体中后快速冷却，以得到饱和固溶体的工艺称固溶热处

理。通过固溶处理铭银不锈钢将高温组织在室温下固定下来获得

被碳过饱和的奥氏体，以改善铭锲不锈钢的耐腐蚀性。此外，它

还能提高铭银不锈钢的塑性和韧性。

5.什么叫退火？

将组织偏离平衡状态的金属或合金，加热到适当温度，保持一定

时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷），以达到接近平衡状态组织

的热处理工艺，称为退火。

1）完全退火把工件加热到1148C以上20〜30C,保温一定

时间，然后缓慢冷却下来的热处理。即加热到1148c时二次渗

碳体（FesCu）转变为奥氏体。主要用于亚共析钢和共析钢的锻

件、轧件和铸件的退火。通过重结晶退火使晶粒细化组织均匀和

消除残余应力用以提高钢件性能。

2）球化退火把工件加热到727c以上20〜30C,保温一定

时间，然后缓慢冷却下来的热处理。使钢中碳化物呈球状化而进

行的退火。主要用于过共析钢。

3）去应力退火①为了消除焊接接头中的内应力和冷作硬化，

提高接头抗脆断的能力。②在低合金接头中改善焊缝及热影响区

的碳化物，提高接头高温持久强度。③稳定结构的形状，消除焊

件在焊后机械加工和使用过程的崎变。④促使焊缝金属中氢完全

的扩散，从而提高焊缝的抗裂性和韧性。对于压力容器用钢去应

力退火的温度在600〜680℃,而铸铁件在500〜550℃,保温后

在炉内缓慢冷却。一般可消除残余应力50〜80%。

6.什么叫正火？

把工件加热到900℃以上30〜50℃,保温一定时间，在自由流通

的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火的作用和

退火。但是，