3－设计要求锅炉及压力容器规范

设计要求（课程3）ASME规范第VIII-1卷－压力容器2课程概况VIII-1卷的设计方法确定设计参数的责任接头形式和要求射线探伤厚度方面的考虑封头设计管接头厚度计算开孔补强VIII-1卷的设计方法4VIII-1卷的设计要求根据：所采用的制造方法；所使用的材料。5使用条件的要求用户必须说明使用条件的类型、以及其它有关情况，否则，可能造成制造厂不能满足规范对特定使用条件提出的有关要求。6设计公式如果规范公式适合于具体一个元件的计算，那么，该公式的运用是强制性的。7使用条件的类型VIII-1卷提到使用条件有以下5个：有毒介质低温非受火蒸汽锅炉直接受火容器其它（UW-2中未提到的容器）8设计载荷VIII-1卷列出了以下几类载荷，在设计时都必须考虑到：压力温度梯度容器和介质的重量叠加载荷（如：静压头）局部应力*循环和动载荷（如：疲劳考虑）风载*地震载荷**如果存在的话。注：VIII-1提供的设计法则仅适合于压力载荷的计算，对于其它载荷，任何适用的工程方法都可使用。9确定设计参数的责任在“ASME体系”里涉及到的几个单位之间存在着接口，为每个单位规定了职责或要做的工作。每个单位负责进行他们自己的工作，ASME持证单位仅负责确保符合ASME规范的所有相关要求。10用户的责任用户应向制造厂提供以下数据，以便使所设计的容器满足预期的使用条件：设计压力和温度载荷腐蚀余量使用要求附加的PWHT或RTVIII-1卷容器的设计可以由用户或其设计代理、ASME持证单位或其分供方进行，但是，给容器打钢印的ASME持证单位必须对设计符合ASME规范的要求负责。VIII-1卷对设计人员的资格没有要求。接头形式及要求12接头类别（JointCategory）接头类别是按接头在容器上的位置定义的。注：D类接头可以是角接接头，也可以是对接接头。平封头上拼接焊缝为A类接头。13焊接接头除类别外，规范还用类型（Type）来描述接头。Type是焊接接头结构的定义。Type1 Type2 Type3Type4 Type5 Type614关于接头类型的限制接头类型Type环缝纵缝厚度直径注厚度注1所有所有所有2所有，但

5/8”对于Offset所有所有

3/8in对于球封头3

5/8”

24”O.D.不允许4

5/8”所有

3/8”5封头

1/2”

24”O.D不允许用于球封头不允许夹套壳体

5/8”所有6凸面受压封头所有所有封头

24”O.D.15特殊容器

UW-2(a)有毒介质当容器按有毒介质设计时，所有的焊接接头必须100%RT。各类接头必须是：A类 Type1B类 Type1或2C类 Type1或2，但允许Fig.UW-13.5所示的焊接结构。（见UW-2(c)(a)）D类 全焊透16特殊容器

UW-2(b)低温下列情况属于低温容器：按UG-68，碳钢、低合金钢容器的MDMT小于-55

F（-48

C）；高合金钢容器，按UHA-51要求对母材或焊缝金属进行冲击试验。各类接头必须是：A类 Type1（对于某些奥氏体不锈钢及其焊缝，可以使用

Type1或2）B类 Type1或2C类 全焊透（法兰必须采用全焊透连接，不使用平焊法兰）。D类 全焊透，但以下情况可采用不焊透结构：UHA-51(d)(1)(a)和(b)、UHA-51(d)(2)(a)的材料，MDMT

-320

F。UHA-51(d)(1)(c)和UHA-51(d)(2)(b)的材料，MDMT

-50

F。17特殊容器

UW-2(c)非受火蒸汽锅炉非受火蒸汽锅炉（如：废热锅炉）的设计压力超过50psi（0.34MPa）时，各类接头必须是：A类 Type1B类 Type1或2C类 无限制D类 无限制18特殊容器

UW-2(d)直接受火容器压力容器或部件直接承受燃料（固体、液体或气体）燃烧火焰，其制造不属SectionI、III、或IV的范围，此类容器上的各类焊缝必须是：A类 Type1B类（t>5/8”） Type1或2C类 无限制D类 无限制射线探伤20RT的类型100%抽检无射线探伤要求21要求RTUW-11(a)(1)规定，用于有毒介质的壳体和封头，其上面的所有对接焊缝必须做RT检查。UW-11(a)(2)规定，除了容器的使用条件要求进行RT外，对接焊缝的厚度超过一定的尺寸时，也要求RT检查，如TableUCS-57、还有UHA-57要求对所有Type1接头作RT检查。22可选RT当规范没有规定要作RT时，RT检验的程度由设计者选择，并取决于所期望的焊缝系数和/或质量系数。见UW-11和12。23UW-12焊缝系数当规范没有规定RT时，RT便成为设计的选项。设计者可以通过选择附加的RT，以使用较高的焊缝系数。按UW-12，这一选项可以运用在整台容器上，也可以运用在具体一部分焊缝上。几个定义：应力乘数：“E”是应力乘数，它可以是焊缝系数，也可以是质量系数。除UW-11(a)(5)外，应力乘数运用于接头，而不是容器筒节。设计者可按每个接头来使用应力乘数。质量系数：对于不符合UW-11(a)(5)(b)RT抽检的无缝部件，应使用应力乘数0.85。注意：焊制管必须符合此要求，也就是说，除了SectionIIPartD中已对许用应力运用了15%应力降低系数外，还要运用质量系数0.85。焊缝增量：一个焊工在一台容器上焊接的50ft.（15m）焊缝，如果是多台一致的容器，此焊缝增量可以是一台或多台容器上的焊缝。焊缝增量的定义见UW-52，目的在于规定一张抽检RT片子代表的焊缝长度，一张抽检片子必须包括每一焊工焊接的焊缝。24UW-11(a)100%RT以下焊缝必须按UW-51对其全长进行RT检查：筒节或封头上的所有A类和D类对接焊缝，当接头或部件取UW-12(a)允许的焊缝系数进行设计时，应作全长RT检查。接管、及与容器相连的压力腔壳体（CommunicatingChamber）上的对接焊缝，当其超过NPS10或1-1/8in.厚度时，应作全长RT检查。与A类对接焊缝相交、或连接无缝筒体或封头的B类或C类对接焊缝，至少应满足按UW-52的RT抽检要求。本条要求的RT抽检不可用来满足运用于其它焊缝增量的RT抽检要求。符合此要求的容器应打上RT2钢印。注：要满足打RT1钢印的要求，上述焊缝须进行全长RT探伤。25UW-11(b)RT抽查如果筒体或封头的设计使用UW-12(b)允许的焊缝系数时，其上的焊缝应按UW-52进行RT检查。RT抽检是质量控制检验的一种手段，抽检的范围应包括：每50ft（15m）焊缝增量或不足此增量的焊缝长度抽检6in.（150mm）长；每59ft（15m）焊缝增量必须包括足够数量的抽检，以检查每个焊工的工作质量；RT抽检的部位由AI选定；满足其它条款而要求的RT不得用来满足此条的抽检要求；UW-51(a)的要求同样适合RT抽检（RT-3）。厚度方面的考虑27UG-16(b)壳体和封头成形后的允许最小厚度，不管是什么材料形式，去除腐蚀余量后应为1/16”（1.6mm）。以下情况例外：1)对于板式换热器的换热板不适用。2)对于壳-管式换热器中的管子不适用。非受火蒸汽锅炉的壳体和封头的去除腐蚀余量后的最小厚度为1/4”（3.2mm）。用于压缩空气的壳体和封头，如用UCS材料制成，去除腐蚀余量后，其最小厚度应为3/32”（2.4mm）。28UG-16(c)板材钢厂负偏差为订购厚度的6%，但最大不超过0.01”（0.25mm）。29UG-16(d)管子负偏差：如果管子按公称厚度订购，除按UG-37和UG-40计算管接头壁厚补强面积要求外，都应考虑到壁厚的制造负偏差。大多数情况下，管子的负偏差为12.5%。30UG-16(e)腐蚀余量：用于计算公式中的尺寸不包括腐蚀余量。31UG-23最大许用应力

UG-23(a)最大许用应力应从SectionIIPartD中的有关表里（如表1A或1B）查取，应在考虑承载条件下金属预期保持的温度下取值。32UG-23最大许用应力

UG-23(b)最大许用纵向压应力应取以下较小值：最大许用拉应力；按UG-23(b)(2)确定的B值。33UG-23最大许用应力

UG-23(c)由UG-22所列载荷同时作用产生的最大总体一次薄膜应力不超过SectionIIPartD中的最大许用应力值。对于产生弯曲应力的载荷，最大一次薄膜应力加上一次弯曲应力不超过SectionIIPartD中的最大许用应力的1.5倍。34UG-23最大许用应力

UG-23(d)地震或风载与UG-22所列的其它载荷组合作用下，总体一次薄膜应力不应超过UG-23(a)、(b)、(c)允许的最大许用应力值。35环向应力和纵向应力对于无缝的薄壁圆形筒体，环向应力基本上是纵向应力的2倍。在大多数情况下，计算厚度时，UG-27中的环向应力公式起确定作用，但也有少数情况，纵向应力起确定作用，如：非常高的立式容器在风载和地震载荷作用下、鞍座支撑的卧式长容器。应该注意，如果圆形筒体既有环缝、又有纵缝，UG-27纵向应力公式只有在环焊缝的焊缝系数小于0.5时、或当附加载荷（UG-22）使得纵向弯曲或拉伸与内压一起作用时，才起确定作用。36内压下壳体厚度计算公式

圆形筒体－环向应力（纵向焊缝）用内径表示（t≤或P≤0.385SE）用外径表示（t≤或P≤0.385SE）或UG-27(c)(1)或1-1(a)(1)37内压下壳体厚度计算公式

圆形筒体－纵向应力（环向焊缝）用内径表示（）或或UG-27(c)(2)38内压下壳体厚度计算公式

用管子制成的筒体－UG-31UG-31允许用管子制造筒体，并可用UG-27给出的公式计算厚度。在订购管子时，必须注意，管子材料有无缝和电阻焊管(ERW)两种，如SA-53-b，它们的许用应力是不一样的。39内压下壳体厚度计算公式

球体壳用内径表示用外径表示或UG-27(d)或1-1(a)(2)40内压下壳体厚度计算公式

符号t –

壳体的最小要求厚度P –

设计内压R –

内径(Ri)R –

外径S –

最大许用应力E –

圆筒或球体壳的焊缝系数、孔桥系数，取较低值。41流体静压头对压力容器设计的影响UG-22载荷较高立式容器(塔器)、或低设计压力的容器要考虑的因素。如果流体静压头仅在水压试验时存在，设计时可不必考虑流体静压头，可以有以下选择：在水平位置进行水压试验，以使静水压头降为最低。用气压试验代替水压试验。计算水压试验中静压头引起的附加应力。水压试验压力没有上限，见UG-99(d)，但是，如果容器发生明显的永久变形，AI有权拒收容器。静压头引起的附加压力：P(f)=H

式中：P(f) =静压头引起的附加压力。H =流体柱的高度。

=流体密度。42厚壁圆筒的计算公式

Appendix1–

其它设计计算公式如果t>R/2或P>0.385SE，考虑环向应力(纵向焊缝)，见1-2，当“P”

已知，求t时：式中：如果“t”

已知，求P时：式中：封头设计44封头形式半球形封头椭圆封头碟形封头锥壳折边锥壳平封头球凸形封头(螺栓连接封头)45ASME规范条文UG-32和附录1-4，凹面受压(受内压)成形封头和锥壳，即非螺栓连接成形封头如：半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥壳和折边锥壳。注意：CodeCase2260给出了设计封头的另一方法。UG-33，凸面受压(受外压)成形封头。附录1-5，内压下锥壳封头和过渡段与圆形筒体连接处的补强计算。UG-34，无拉撑平封头和平封盖(圆形或非圆形、焊接、螺栓连接、螺纹连接等形式的平封盖、盲法兰等)。UG-35，其它类型的封盖。如：附录1-6，球凸形封头；UG-35(b)，快开式封盖。UG-47，拉撑面或有拉撑平封头。46典型封头的主要尺寸（见Fig.1-4）t=成形后封头的最小要求厚度。D=封头直边的内径；椭圆封头的内表面长轴长度；锥壳封头考虑点处垂直于轴线的内直径。Do=外径(与内径相似)。h=椭圆封头短轴长度的1/2。L=碟形封头和半球形封头球或冠的内半径。r=转角内半径。

=锥壳中心夹角的1/2。Di=折边锥壳封头转角与锥壳相切处与轴线相垂直的内直径。=D–2r(1-cos

)P=设计内压472:1标准椭圆封头短轴是长轴的一半：可以作为近似2:1标准椭圆封头（见UG-32(d)）：转角半径r=0.17D；球冠半径L=0.90D。UG-32(d)给出了最小要求厚度或MAWP的计算公式：或48其它椭圆封头对于非2:1的椭圆封头，附录1-4(c)给出了计算公式：或49碟形封头标准碟形封头L =Do=直边的外径；r =6%L=球冠内半径的6% =6%Do =直边外径的6%；此标准碟形封头的厚度和压力计算公式(UG-32(e))：对于最低抗拉强度超过80,000psi的材料，碟形封头的计算应使用室温下许用应力S=20,000psi，并按最大许用应力随温度降低成比例降低的许用应力。或50非标准碟形封头附录1-4(d)给出了非标准碟形封头的计算公式：式中：

或51UG-32(j)对于任何无拉撑封头，其球冠内半径L不得大于直边的外直径D0。对于碟形封头，内转角半径不小于封头直边外直径的6%，但决不得小于封头厚度的3倍。MaximumL=直边外径D0Minimumr=直边外径D0的6%，但不小于封头厚度的3倍。对L给出最大值是限制封头的平度，增大L使封头更接近平板。对r给出最小值是控制曲率，曲率越小，曲面的变化越陡。使用较大的r是为了减缓这一变化。52斜坡过度UG-31(l)所有厚度大于筒体的成形封头，如采用对接焊缝连接，应具有足够长的直边，以满足Fig.UW-13.1中关于3:1坡度和中心线对中偏差的要求。所有厚度小于或等于筒体厚度的封头，如采用对接焊缝连接，可不必具有整体直边。当带有直边，其厚度应不小于相同直径无缝筒体的要求厚度，即直边部位应按无缝筒体对待。53斜坡过度Fig.UW-13.154斜坡过度Fig.UW-13.155厚度要求UG-32(a)和UG-32(b)对于成形封头(椭圆封头、碟形封头、半球形封头和折边锥壳)，要求的厚度是指成形后最薄处的厚度。通常使用较厚的板材，以补偿成形操作过程中可能引起的减薄(见脚注18)。无拉撑椭圆封头或碟形封头的厚度不得小于无缝半球形封头的要求厚度除于封头与筒体的焊缝系数。56半球形封头UG-32(f)当半球形封头的厚度不超过0.356L、或P不超过0.665SE，则：对于厚壁球壳，见附录1-3的公式。薄壁半球形封头的材料利用率最高，承受相同内压壁厚最薄。由于环向和纵向应力相等，因此最大限度地利用了材料。一般来说，半球形封头的厚度大约是圆形筒体厚度的一半。或57平封盖UG-34无拉撑平封头、封盖、盲法兰。圆形和非圆形平封盖。焊接和螺栓连接。计算公式是根据平板的弹性、小变形理论推导得出。边界条件或边缘的影响用系数C来表示。对于焊接平封盖，C系数里包含了一个0.667的系数，使许用应力增加到1.5S(即弯曲许用应力)。对于螺栓连接平封头，考虑的因素是变形，使用较小的许用应力可减少泄漏的可能性。58平封头的计算公式无拉撑圆形焊接平封盖螺栓连接圆形平封盖无拉撑正方形、矩形、椭圆形、长圆形、或其它形状的非圆形焊接平封头无拉撑正方形、矩形、椭圆形、长圆形、或其它形状的非圆形螺栓连接平封头式中：符号定义d=直径或短径，按Fig.UG-34所示测量。C=与连接方法有关的系数，对焊接平封头，它包含有使弯曲许用应力增加到1.5S的系数。P=设计压力S=最大许用应力，从许用应力表查得。E=焊缝系数，对于UW-3(a)(1)定义的A类焊缝，从表UW-12查得。Z=非圆形封盖的系数。W=按附录2确定的螺栓总载荷。hg=垫圈力臂L=非圆形螺栓连接封盖的螺栓孔中心圆周长。59平封头的类型60角接焊接接头UW-13(e)

Fig.UW-13.2，典型无拉撑平封盖61角接焊接接头UW-13(e)

Fig.UW-13.2，典型无拉撑平封盖62不允许的角接接头这些焊缝的共同特点是它们不能承受弯矩，这一点非常重要，因为封盖的主要载荷是通过弯曲来传递的。63ASMEB16.5法兰符合ASMEB16.5和UG-11(a)(2)的钢制圆形盲法兰，当属Fig.UG-34中的(j)和(k)的类型，可以按ASMEB16.5中表2的压力-温度等级使用。管接头厚度计算65UG-45管接头厚度对于管接头厚度有以下考虑：UG-22载荷所要求的厚度（如：内压、外压、外载荷等）。管接头的厚度相对于壳体或封头的厚度。管子标准壁厚。当有腐蚀余量，而且管接头的厚度由UG-45(b)(4)决定，则必须使用比标准壁厚大的管子。UG-45(a)是关于人孔、手孔和其它检查孔的管接头厚度，计算只需考虑UG-22的载荷即可。开孔补强67开孔的形状圆形筒体或锥壳、封头上的开孔最好采用圆形、椭圆或长圆形状，但规范并不限制使用其它形状的封头。当长圆或椭圆的开孔长、短径之比大于2:1，横跨短径的补强面积应增加，以防止由于扭矩产生的变形。68UG-36(b)开孔的尺寸对于壳体内径

60”(1250mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/2，最大不超过20”(508mm)。对于壳体内径

60”(1250mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/3，最大不超过40”(1000mm)。如果开孔超过上述限制，除要满足UG-36至UG-43的要求外，还须满足附录1-7的补充要求。成形封头和球形壳上经过正确补强的开孔无尺寸限制。当开孔的尺寸大于与封头相连的壳体直径的1/2时，可以使用锥壳过渡段来代替补强。见UG-36(b)(2)(a-d)。69UG-36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除补强计算容器上的开孔如果不承受压力的快速波动，在满足以下要求的情况下，开孔除自身结构的补强外，不须另外补强。对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于：3-1/2in.(89mm)–

壳体或封头的厚度

3/8in.(10mm)；2-3/8in.(60mm)–

壳体或封头的厚度

3/8in.(10mm)。对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8in.(60mm).70任何两个未加补强的开孔，其中心距不得小于两孔直径之和。三个或三个以上开孔群中任意两个未加补强的开孔孔心距不得小于：

(1+1.5cosθ)(d1+d2)

对于圆形筒体和锥壳；

2.5(d1+d2)

对于具有双曲率的壳体和封头。UG-36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除补强计算71UG-36(d)开孔可以开在焊缝上，见UW-14。72

UG-39(a)平封头上开孔免除补强单个开孔，其尺寸不超过UG-36(c)(3)(a)和(b)的限制、并且封头直径或短径的1/4时，可免除补强计算。73要求的补强面积UG-37在内压或外压下要求的补强面积（筒体和封头）

(c) 内压设计。对于承受内压的筒体或封头，在任何通过开孔的给定平面内所要求的总补强截面积A应不小于：(d) 外压设计。承受外压的单壁容器，所要求的开孔补强面积仅为上述c)要求的50%即可，式中的tr是根据外压下容器厚度计算要求确定的要求壁厚。多层容器每层上所要求的开孔补强面积，当壳体承受外压时，应符合上述1)；当壳体承受内压时，应符合上述c)，不论连接到一层或多层壳体的共同接管是否采用焊接方式。(e) 内、外压设计。 承受内、外压的容器，所要求的补强面积应符合上述c)对于承受内压的要求，同时还应符合上述d)对于承受外压的要求。(f) 对于所要求的补强面积和可供补强的面积，Fig.UG-37.1给出了详细的计算公式。74提供补强可供补强有五个方面：A1：壳体上富余厚度提供的补强面积A2：延伸到壳体外侧的管接头富余厚度提供的补强面积A3：延伸到壳体内侧的管接头富余厚度提供的补强面积A4：焊缝提供的补强面积A5：补强圈提供的补强面积75腐蚀余量按UG-36(c)(1)，腐蚀余量不能用于提供补强。按UG-16(e)，用于计算公式的所有符号代表腐蚀后的尺寸。76UG-40补强区域与容器壁相平行的方向，取以下较大值：d–开孔腐蚀后的直径Rn+t+tn与管接头壁相平行的方向，取以下较小值：2.5t2.5tn+te式中：Rn=开孔腐蚀后的半径tn =管接头扣除负偏差后的壁厚t =容器的壁厚te =加强圈的厚度77补强的强度（UG-41）如果补强材料（加强圈、焊缝金属、等）的许用应力大于容器材料的许用应力，不考虑由于较高应力值带来的附加强度。如果补强材料的应力值低于容器材料，所提供的补强面积应按两应力的比值成反比例增加。强度降低系数：fr=Sn/Sv式中：Sn =补强材料的许用应力

Sv =容器材料的许用应力以下举例说明fr的使用：A=dtrF+2tntrF(1-fr1)对于安放式管接头，fr1=1.0A=dtrF78UG-39平封头上单孔要求的补强面积UG-39(b)(1)：标准孔对于单个开孔，其直径不超过封头直径或短径的1/2（见UG-34）：A=0.5dt+ttn(1–fr1)式中：d = 圆形开孔扣除腐蚀余量后的直径（见UG-37关于非径向开孔的定义）t = 平封头或平封盖的最小要求厚度。 或按UG-34计算增加封头的厚度[UG-39(d)(1)]。79UG-39(c)：大开孔 对于具有开孔直径大于封头直径1/2的平封头，应按以下要求设计：UG-39(c)(1)：按附录14-20（具有大、单个、圆形、位于中心开孔的整体[圆形]平封头），使用附录2的有关系数（采用环状垫圈的螺栓法兰设计要求）。UG-39(c)(2)：给