培训讲稿压力容器基础知识

2011年压力容器设计、校核、审核人员培训班

压力容器基础知识方德明教授浙江工业大学2011年6月31日

2011-6-311讲授内容压力容器设计TEXT1TEXT2TEXT3TEXT4压力容器用材及要求压力容器的界定及分类压力容器压力管道设计许可规则2011-6-312

《特种设备安全监察条例》第一条规定：特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内机动车辆。

压力容器是最重要的特种设备之一。

2011-6-313压力容器设计、制造、安装维修和检验实行许可规则，使用实行登记制度。

设计是保证压力容器质量和安全运行的第一个重要阶段。2011-6-3141、压力容器的界定及分类1.1压力容器定义盛装压力介质的密闭容器(PressureVessel)

盛装气体或者液体、承载一定压力的密闭容器新《容规》适用压力容器本体和安全附件2011-6-315压力容器与外部管道或者装置连接的第道环向坡口面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一法兰密封面、专用连接件或者管件连接的第一个密封面

压力容器本体界定在下述范围内：压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件非受压元件与压力容器的连接焊缝2011-6-316

2011-6-317

压力容器的安全附件包括：直接连接在压力容器上的安全阀；爆破片装置；紧急切断装置；压力表；液位表；测温仪表等。2011-6-318压力容器特种设备安全监察条例最高工作压力≥0.1MPa(表压），且压力与容积的乘积≥2.5MPa.L的气体、液体和最高工作温度≥标准沸点的液体的固定式和移动式容器盛装公称工作压力≥0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积≥1.0MPa.L的气体、液体和标准沸≤60℃点液体的气瓶、氧舱等1.２压力容器界定2011-6-319

1工作压力Pw≥0.1MPa（不含液体静压力），超高压容器也界定在引范围内。2工作压力与容积的乘积≥2.5MPa.L

。3盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或等于其标准沸点的液体。注1-３注1-２注1-４是指安装在固定位置使用的压力容器。（注１-１）2011-6-3110压力容器GB150-98适用范围真空0.02MPa~0.1MPa的容器设计压力在0.1MPa~35MPa的容器内直径≧150mm的单独静止的容器2011-6-3111GB150-2011版2011-6-3112GB150-2011版2011-6-3113换热容器GB151适用范围固定管板式、浮头式、U形管式和填料式换热器公称压力PN≤35MPa的容器公称直径DN≤

2600mmDN与PN乘积不大于1.75×1042011-6-3114根据DSGR1001-2008<压力容器压力管道设计许可规则>分级（2008年４月30日实施）压力容器第二类压力容器第一类压力容器超高压高压第三类中、低压非金属压力容器A1A2A3A4D1D2球形储罐1.３压力容器分级、分类2011-6-3115压力容器分类按压力容器的设计压力（P）可分为内压容器和外压容器。内压容器低压容器（代号L）0.1≤P＜1.6MPa中压容器（代号M）1.6≤P＜10MPa2高压容器（代号H）10≤P＜100MPa3超高压容器（代号U）P≥100MPa4按设计压力分分类12011-6-3116压力容器分类-外压容器定义:容器内部压力小于外部压力时，称外压容器。

其中内部压力小于一个绝对大气压（0.1MPa）的外压容器，又叫真空容器。

2011-6-3117压力容器的压力分级2011-6-3118绝压、表压、真空度2011-6-3119压力容器分类-生产过程中

的作用原理划分2011-6-3120压力容器分类Ⅰ类容器Ⅱ类容器Ⅲ类容器2011-6-3121压力容器分类时考虑的因素(1)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。(2)容积指压力容器的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算(不考虑制造公差)并且圆整。应当扣除永久连接在容器内部的内件的体积。永久连接是指需要通过破坏方式分开的连接。2011-6-3122容积：

（1）在判定容器是否适用《新容规》时，若气液两相介质的最高工作温度≥标准沸点，则计算PV时，要计入液相空间（即整个容器容积），如果液相介质的最高工作温度＜其标准沸点，PV中不计入液相空间（即只考虑气相空间容积）。（2）在进行容器类别划分时，计算PV值的容积时，应当取该容器（压力腔）的整个容积，不是仅考虑气相空间。2011-6-3123(3)介质分组压力容器的介质分为两组,包括气体、液化气体或者介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

1)第一组介质:毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质,易爆介质，液化气体。

2)第二组介质:由除第一组以外的介质组成,如毒性程度为中度危害以下的化学介质,包括水蒸气、氮气等（毒性程度为中度及中度以下的、无毒或非易爆介质）。

2011-6-3124(1)

第一组介质压力容器类别划分图

PV=2.5P=10P=0.1P=1.6V=252011-6-3125(2)第二组介质压力容器类别划分图

P=10P=1.6P=0.1V=25PV=2.52011-6-3126注１：同腔多种介质容器分类一个压力腔内有多种介质时,按组别高的介质分类。注２：介质含量极小容器分类当某一危害性物质在介质中含量极小时,应当按其危害程度及其含量综合考虑,由压力容器设计单位决定介质组别。注３：特殊情况分类

(1)坐标点位于图1或者图2的分类线上时,按较高的类别划分其类别。

(2)先按HG20660查，查不到再按GB5044查，两个标准中没有明确规定的介质,应当按化学性质、危害程度及其含量综合考虑,由压力容器设计单位决定介质组别。

2011-6-31272011-6-3128注意：判断一个压力容器是否属于《容规》管辖的范围时，用的是“工作压力”，进一步划分容器类别时，用的是“设计压力”。

若容器的工作压力不于0.1MPa，但其设计压力大于0.1MPa，如何处理？

2011-6-3129容器分类

二类容器三类容器一类容器反应压力容器换热压力容器分离压力容器储运压力容器低温压力容器高温压力容器常温压力容器非金属容器金属容器单层容器多层容器衬里容器夹套容器

按结构形式按容规按壁温按结构材料按压力容器品种外压容器内压容器外压容器和真空容器低压容器中压容器高压容器按压力等级超高压容器2011-6-3130２、压力容器设计根据给定的工艺尺寸和工作条件考虑到制造和安装检修要求对压力容器的各个元件正确地选择结构、材料全面地进行载荷分析和应力、变形分析选择合理的结构型式，确定合适的强度尺寸,并给出有关制造和检验的技术条件压力容器的设计压力容器设计方法分：常规设计（规则设计）和分析设计（SAD）。2011-6-3131

一台容器总体采用规则设计，局部参照分析设计进行压力容器受压元件分析计算时，不需有分析设计许可资格。

但局部采用应力分析的强度计算、校核时，许用应力仍取规则设计的材料许用应力。2011-6-3132设计条件—要求委托方以正式书面形式向设计单位提出。设计条件的内容至包含以下内容：（1）操作参数（工作压力、工作温度、液位高度、接管载荷等）；（2）压力容器使用地及自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）；（3）介质组分与特性；（4）预期使用年限：委托方提出要求，设计者与委托方协商（工况、选材、安全性、经济性等确定）；（5）几何参数和管口方位；（6）设计需要的其他必要条件（选材、防腐蚀、表面处理、特殊试验、安装运输等）。2011-6-3133２.１压力容器设计的基本要求2011-6-3134２.2

各项结构上的要求结构要求BFCEAGD强度耐久性刚度操作运输方便制造方便材料消耗量密封性2011-6-3135各项结构上的要求◆强度（按SW6计算软件计算）

所有零部件都应有足够的强度，否则就不能保证生产的安全运行。2011-6-3136各项结构上的要求◆

刚度刚度即构件在外力作用下保持原来形状的能力。有时容器及设备的设计主要决定于刚度而不是决定于强度。例如承受低压、外压的容器，往往在强度足够，不发生破裂的情况下，首先失去自身原形而被压扁。GB150中条：壳体加工成形后不包括腐蚀裕的最小厚度：

a)对碳素钢、低合金钢制压力容器，不小于3mm;b)对高合金钢制容器，不小于2mm。2011-6-3137各项结构上的要求

◆

耐久性（使用年限）设备的耐久性则主要决定于腐蚀，在某些情况下还决定于容器及设备的疲劳、蠕变、振动及断裂韧性等。设计设备时的使用年限不宜定得过长。一般压力容器12～15，高压设备一般设计年限为20～25年，因为高压设备外壳成本很高，通常只更换内件，而仍保留和使用原来的外壳。2011-6-3138各项结构上的要求◆

密封性密封性能是化工容器及设备中的一个十分重要的问题，物料中很多是易燃、易爆或有毒介质，容器或设备内的物料如果泄漏出来，后果非常严重。2011-6-3139各项结构上的要求2011-6-3140各项结构上的要求◆制造方便

容器及设备在结构上应当有良好的工艺性，便于制造且能保证质量。设计时应尽量采用标准设计和标准零部件，因为化工设备多数是单件生产的。2011-6-3141需要制作产品焊接试件的压力容器的条件（）（１）碳钢、低合金钢制低温压力容器；（２）材料标准抗拉强度下限值≥540MPa的低金钢制压力容器；（３）需经过热处理改善或者恢复力学性能的钢制压力容器；（４）设计图样注明盛装毒性程度为极度或高度危害的压力容器；（５）设计图样和本规程引用标准要求制备产品焊试件的压力容器。

2011-6-3142各项结构上的要求◆操作、运输和维修方便容器及设备的结构应考虑到操作的方便。容器和设备的尺寸和形状应考虑运输的方便。2011-6-3143２.3压力容器设计总图主要内容

至少应当注明以下内容：（１）压力容器的名称、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：包括设计压力、设计温度、腐蚀裕量、焊接接头系数、装量系数、设备最大质量等；（４）主要受压元件的材料牌号与标准；（５）主要特性参数，如压力容器容积、换热设备的换热面积与程数等；（６）特殊制造要求、2011-6-3144２.3压力容器设计总图主要内容（７）热处理要求；（８）无损检测要求；（９）压力容器设计使用年限—是设计的目标值，要满足用户要求，但并不是保证值，更不是报废年限，应根据实际情况，检测结果，失效模式，可能高于或低于设计年限；（１０）耐压试验和泄漏试验要求；（１１）预防腐蚀要求（１２）安全阀、爆破片等安全附件的规格和要求；（１３）压力容器的名牌的位置；（１４）包装、运输、现场组焊和安装要求。，2011-6-3145２.4压力容器设计总图的特殊要求2011-6-3146

压力容器的设计应当充分考虑节能降耗的要求。设计人员应当准确进行设计计算和壁厚圆整，没有充分的理由，不得随意增加压力容器设计壁厚；对换热容器，应当进行优化设计，提高换热效率；对有保温保冷要求的压力容器，要在设计文件中提出有效的保温保冷要求和措施。２.5节能要求2011-6-3147计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度冲压成形后的最小厚度最小壁厚（不包括腐蚀裕量）除考虑强度要求外，还应当考虑制造、运输、安装等因素的影响。封头壁厚计算中的焊接接头系数取法问题讨论（整张钢板和拼接钢板压制的封头）。封头的壁厚2011-6-3148２.6装设安全阀、爆破装置的压力容器

新《容规条规定，设计文件还应当包括压力容器安全泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积计算书，无法计算时，设计单位应当会同设计委托单位或使用单位，协商选用超压泄放装置。2011-6-3149安全阀、爆破装置的开启压力

对超压泄放装置的开启压力，原则上不得超过设计压力，但对注明有最高允许工作压力的容器，可允许超压泄放装置的开启压力不高于该容器的最高允许工作压力。

最高允许工作压力的计算依据？2011-6-3150要气密性试验的压力容器的开启压力

如果设计时提出气密性试验的要求，则设计者应当给出该压力容器的最高允许工作压力。因为进行气密性试验时，一般应当将安全附件装配完毕，而超压泄放装置的动作压力一般不得高于设计压力，但气密性试验压力是一倍的设计压力，故就难以完成该试验。有了最高允许工作压力，可采用比设计压力更高的压力作为安全阀的动作压力（不得高于最高点允许工作压力），以保证气密性试验的进行。2011-6-3151２.7对不开设检查孔的压力容器的要求2011-6-31522.8

内压薄壁压力容器的强度计算2.8.1薄壁圆筒体计算厚度

对于薄壁容器，通常是按弹性失效准则来判定容器元件的强度。即将应力强度限制在弹性阶段，认为对于薄壳，一般假设法向应力，故为两向容器元件中出现屈服，即达到了最高承载能力。应力状态。根据弹性失效准则，保证容器元件安全工作的强度条件由不同的强度理论给出。

2011-6-3153薄壁圆筒体第一强度理论称最大主应力理论。设三向主应力为，其强度条件为式中——容器元件的许用应力；

——相当应力，表示材料承载时的三向应力与材料简单拉伸试验时相当的应力。此理论适用于脆性材料，但在压力容器（广泛使用塑性材料）设计中，由于长期积累了很多使用经验，其形式又较简单，故仍得到普遍使用。2011-6-3154

薄壁圆筒体第三强度理论称最大剪应力理论。其强度条件为：即由此得此理论适用于塑性材料。如和同号，而时，由此理论所得结果与第一强度理论相同。2011-6-3155

应力计算公式（1）圆筒体由无力矩理论知轴向应力环向应力

由第一强度理论的:式中

p——设计压力，MPa;R——筒体平均半径，mm；

D——筒体平均直径，mm；

δ——筒体计算厚度，mm；

——设计温度下材料的许用应力，MPa（或N/mm2）。薄壁圆筒体2011-6-3156薄壁圆筒体受内压时的各向应力D＝Di+δ

2011-6-3157

薄壁圆筒体

上述公式由静力平衡条件得出的。（1）Pc的圆筒轴向压力：周向的横截面积：

轴向应力：

2011-6-3158

薄壁圆筒体

（2）Pc径向应力的合力：截面积

环向应力

环向应力时

内径公式2011-6-3159

由于设备的公称直径为内径，故计算时采用内径Di，则壁厚较大时，采用中径D＝Di+δ；并考虑到由于焊缝的存在可能使简体强度减弱，而引入焊接接头系数，则由上式可得计算厚度：

2011-6-3160

上式即为GBl50《钢制压力容器》中圆筒厚度计算公式（5-1），是采用由第一强度理论推导出的中径公式。该式适用范围：，相当于内外径之比K≤1.5。薄壁圆筒体2011-6-3161

将上述计算厚度δ加上腐蚀裕量C2，即得圆筒的设计厚度，然后再加上钢材厚度负偏差C1，并向上圆整到钢材标准规格的厚度，即名义厚度δn，也就是图样上标注的厚度。对一壳体的其它受压元件如球壳和封头等，在求得计算厚度后，也应同样再求得设计厚度，并圆整到名义厚度。2.8.2

薄壁圆筒体的名义厚度2011-6-31622.8.3球壳的设计由此，按第一强度理论可得球形容器的计算公式为：当球形容器承受内压p时，其薄膜应力为：

2011-6-3163３、压力容器用材及要求2011-6-3164３.1材料的力学性能冷弯性能硬度塑性强度断裂韧性材料的力学性能压力容器用材要求

《容规》要求压力容器的选材应当考虑材料的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。2011-6-3165强度

强度是材料抵抗外力作用避免引起破坏的能力，因而是设计中决定许用应力数值的依据，常用的有拉伸、压缩及弯曲的强度极限。、如抗拉强度σb(Rm)和屈服强度σs(Rel)

，高温时还要考虑蠕变极限σn及持久强度σD。屈服强度与抗拉强度极限之比值即屈强比，反映了材料承受外载能力的裕度。2011-6-3166塑性

塑性是反映材料可塑性能的指标，表征材料可变形的能力。在稳定性计算或动载荷情况下，它是设计的主要依据。其中压力容器用钢要有良好的塑性,这方面的参数有延伸率A、断面收缩率Z、和冲击韧性Akv等。作为压力容器用钢，一般要求A5＝15～20％，Akv值在常温下在18～60J。2011-6-3167硬度说明材料的耐磨性和切削加工的可能性。硬度较高，材料的耐磨性能较好；硬度和材料强度还的一定关系，只要知道材料的硬度值，就能大概判断其强度值。金属材料中常用的硬度单位是布氏硬度HB、洛氏硬度HRC和维氏硬度HV.2011-6-3168冷弯性能

冷弯性能是材料抵抗弯曲时断裂能力的标志，它间接反映了材料的塑性。2011-6-3169

断裂韧性

断裂韧性是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。对于中低强度的压力容器用钢和低温用钢，目前较普遍采用应力强度因子KIC和临界裂纹张开位移（COD）值δC来评定，超过KIC

或δC则认为脆性裂纹扩展。2011-6-3170３.2化学性能--耐腐蚀性能

是指材料在使用工艺条件（介质、温度、压力等）下，抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。材料受到腐蚀后，其重量、壁厚、力学性能、组织结构及电极电位都可能发生蜕化。腐蚀分均匀腐蚀和非均匀性腐蚀，常规的强度计算中只考虑均匀腐蚀的壁厚附加量，而非均匀性腐蚀主要是指点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀及腐蚀疲劳等，对于这一类腐蚀，靠正确的选择耐蚀材料和防护措施来保证。2011-6-3171３.3

物理性能

物理性能也是选材要考虑的。如高温容器要用熔点高的材料，熔点高的材料再结晶软化温度较高；要进行换热的容器要用导热系数高的材料。压力容器用钢要考虑的物理性能参数通常是弹性模量E、重度γ、熔点Tm

、比热C、导热系数λ、线膨胀系数α等。2011-6-3172３.4工艺性能

压力容器选材除考虑上述因素外，由于制造中都要进行钢板弯卷、冲压和焊接，因此容器用钢必须要有良好的冷、热加工性能和焊接性能。所以，对压力容器中用于焊接的碳素钢、低合金钢，其磷硫含量允许较高，对压力容器专用的碳素钢、低合金钢的硫磷含量要求没有变，而对大于等于540MPa的高强钢、低温用钢的磷硫含量要求均有不同程度的提高。2011-6-3173３.5新《容规》2.3条对化学成分的要求(一)用于焊接的碳素钢和低合金钢钢材，其含碳量不应当大于0.25％，P≤0.03５％、S≤0.0３５％。(二)压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢钢材（钢板、钢管和钢锻件），其磷、硫含量应当符合以下要求：2011-6-3174（1）、碳素钢和低合金钢，P≤0.030％、S≤0.020％；（2）、钢材标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的钢材，P≤0.025％、S≤0.015％；（3）、用于设计温度低于零下-20℃并且钢材标准抗拉强度下限值小于540MPa的钢材，P≤0.025％、S≤0.012％；（4）、用于设计温度低于零下-20℃并且钢材标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的钢材，P≤0.020％、S≤0.010％。2011-6-3175３.6低合金钢低合金钢是在碳素钢的基础上，加入一种或数钟合金元素（总量不超过5％）,以提高钢材的强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等性能。如:Q345R，平均含碳量为0.16％（0.12～0.20％）,该钢号中含有锰元素,其平均含Mn量小于1.6％。P、S含量按《容规》要求。锰能有效地提高强度,降低冷脆转变温度,对韧性有好的影响。低合金钢是压力容器的主要结构材料。2011-6-3176P、S含量对压力容器用钢的危害

S主要以FeS和MnS形式存在于焊缝中，硫会以熔点988℃Fe+FeS和熔点为940℃的FeO+FeS的低熔点共晶物，从而促生热裂纹，并使韧性下降。

P在焊缝中主要以Fe2P和Fe3P形式存在，使钢材韧性下降，特别是低温韧性下降。熔点为880℃的Ni+Ni3P低熔点共晶物，也是热裂纹的促生元素。2011-6-3177３.7不锈钢

不锈钢是指在大气中和酸性介质中具有不生锈和耐腐蚀性的高合金钢。常用的不锈钢按化学成分不同可分为：铬、铬镍、铬镍钼钢、铬锰钢等，而其中又以应用奥氏体铬镍钢和铬钼钢居多。铬、铬钢会产生晶间腐蚀和应力腐蚀。c＞0.08％为高碳级不锈钢，如1Cr19Ni9c≤0.08％为低碳级不锈钢，如06Cr17Ni12Mo2(S31608-316)c≤0.03％为超低碳级不锈钢，如022Cr17Ni12Mo2(S31603-316L)00Cr17Ni14Mo2c≤0.01％为超纯级不锈钢，钢号前以“000”表示

2011-6-3178不锈钢2011-6-3179３.8高温用钢

在高温下使用的钢材，既要有高温化学稳定性，又要有高温强度。钢材当温度高于300℃时，在表面出现可见的氧化皮。这是因为铁元素与氧会生成FeO、Fe2O3、Fe3O4。

Q245、Q345≤475℃

＞475℃~600℃，12CrMo、15CrMo、1Cr5Mo（管材）12Cr2Mo1V

R、14CrMo1R（板材）

＞600℃~700℃，1Cr19Ni9Ti

＞600℃~700℃，0Cr25Ni20GB150中材料的使用温度即为能查出其许用应力的温度。2011-6-3180３.9