2011年壓力容器設計、校核、審核人員培訓班

壓力容器基礎知識方德明教授浙江工業大學2011年6月31日

2011-6-311講授內容壓力容器設計TEXT1TEXT2TEXT3TEXT4壓力容器用材及要求壓力容器的界定及分類壓力容器壓力管道設計許可規則2011-6-312

《特種設備安全監察條例》第一條規定：特種設備是指涉及生命安全、危險性較大的鍋爐、壓力容器（含氣瓶）、壓力管道、電梯、起重機、客運索道、大型游樂設施、場（廠）內機動車輛。

壓力容器是最重要的特種設備之一。

2011-6-313壓力容器設計、制造、安裝維修和檢驗實行許可規則，使用實行登記制度。

設計是保證壓力容器質量和安全運行的第一個重要階段。2011-6-3141、壓力容器的界定及分類1.1壓力容器定義盛裝壓力介質的密閉容器(PressureVessel)

盛裝氣體或者液體、承載一定壓力的密閉容器新《容規》適用壓力容器本體和安全附件2011-6-315壓力容器與外部管道或者裝置連接的第道環向坡口面、螺紋連接的第一個螺紋接頭端面、法蘭連接的第一法蘭密封面、專用連接件或者管件連接的第一個密封面

壓力容器本體界定在下述范圍內：壓力容器開孔部分的承壓蓋及其緊固件非受壓元件與壓力容器的連接焊縫2011-6-316

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壓力容器的安全附件包括：直接連接在壓力容器上的安全閥；爆破片裝置；緊急切斷裝置；壓力表；液位表；測溫儀表等。2011-6-318壓力容器特種設備安全監察條例最高工作壓力≥0.1MPa(表壓），且壓力與容積的乘積≥2.5MPa.L的氣體、液體和最高工作溫度≥標準沸點的液體的固定式和移動式容器盛裝公稱工作壓力≥0.2MPa（表壓），且壓力與容積的乘積≥1.0MPa.L的氣體、液體和標準沸≤60℃點液體的氣瓶、氧艙等1.２壓力容器界定2011-6-319

1工作壓力Pw≥0.1MPa（不含液體靜壓力），超高壓容器也界定在引范圍內。2工作壓力與容積的乘積≥2.5MPa.L

。3盛裝介質為氣體、液化氣體以及介質最高工作溫度高于或等于其標準沸點的液體。注1-３注1-２注1-４是指安裝在固定位置使用的壓力容器。（注１-１）2011-6-3110壓力容器GB150-98適用范圍真空0.02MPa~0.1MPa的容器設計壓力在0.1MPa~35MPa的容器內直徑≧150mm的單獨靜止的容器2011-6-3111GB150-2011版2011-6-3112GB150-2011版2011-6-3113換熱容器GB151適用范圍固定管板式、浮頭式、U形管式和填料式換熱器公稱壓力PN≤35MPa的容器公稱直徑DN≤

2600mmDN與PN乘積不大于1.75×1042011-6-3114根據DSGR1001-2008<壓力容器壓力管道設計許可規則>分級（2008年４月30日實施）壓力容器第二類壓力容器第一類壓力容器超高壓高壓第三類中、低壓非金屬壓力容器A1A2A3A4D1D2球形儲罐1.３壓力容器分級、分類2011-6-3115壓力容器分類按壓力容器的設計壓力（P）可分為內壓容器和外壓容器。內壓容器低壓容器（代號L）0.1≤P＜1.6MPa中壓容器（代號M）1.6≤P＜10MPa2高壓容器（代號H）10≤P＜100MPa3超高壓容器（代號U）P≥100MPa4按設計壓力分分類12011-6-3116壓力容器分類-外壓容器定義:容器內部壓力小于外部壓力時，稱外壓容器。

其中內部壓力小于一個絕對大氣壓（0.1MPa）的外壓容器，又叫真空容器。

2011-6-3117壓力容器的壓力分級2011-6-3118絕壓、表壓、真空度2011-6-3119壓力容器分類-生產過程中

的作用原理劃分2011-6-3120壓力容器分類Ⅰ類容器Ⅱ類容器Ⅲ類容器2011-6-3121壓力容器分類時考慮的因素(1)設計壓力指設定的容器頂部的最高壓力,與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件,其值不低于工作壓力。(2)容積指壓力容器的幾何容積，即由設計圖樣標注的尺寸計算(不考慮制造公差)并且圓整。應當扣除永久連接在容器內部的內件的體積。永久連接是指需要通過破壞方式分開的連接。2011-6-3122容積：

（1）在判定容器是否適用《新容規》時，若氣液兩相介質的最高工作溫度≥標準沸點，則計算PV時，要計入液相空間（即整個容器容積），如果液相介質的最高工作溫度＜其標準沸點，PV中不計入液相空間（即只考慮氣相空間容積）。（2）在進行容器類別劃分時，計算PV值的容積時，應當取該容器（壓力腔）的整個容積，不是僅考慮氣相空間。2011-6-3123(3)介質分組壓力容器的介質分為兩組,包括氣體、液化氣體或者介質最高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體。

1)第一組介質:毒性程度為極度危害、高度危害的化學介質,易爆介質，液化氣體。

2)第二組介質:由除第一組以外的介質組成,如毒性程度為中度危害以下的化學介質,包括水蒸氣、氮氣等（毒性程度為中度及中度以下的、無毒或非易爆介質）。

2011-6-3124(1)

第一組介質壓力容器類別劃分圖

PV=2.5P=10P=0.1P=1.6V=252011-6-3125(2)第二組介質壓力容器類別劃分圖

P=10P=1.6P=0.1V=25PV=2.52011-6-3126注１：同腔多種介質容器分類一個壓力腔內有多種介質時,按組別高的介質分類。注２：介質含量極小容器分類當某一危害性物質在介質中含量極小時,應當按其危害程度及其含量綜合考慮,由壓力容器設計單位決定介質組別。注３：特殊情況分類

(1)坐標點位于圖1或者圖2的分類線上時,按較高的類別劃分其類別。

(2)先按HG20660查，查不到再按GB5044查，兩個標準中沒有明確規定的介質,應當按化學性質、危害程度及其含量綜合考慮,由壓力容器設計單位決定介質組別。

2011-6-31272011-6-3128注意：判斷一個壓力容器是否屬于《容規》管轄的范圍時，用的是“工作壓力”，進一步劃分容器類別時，用的是“設計壓力”。

若容器的工作壓力不于0.1MPa，但其設計壓力大于0.1MPa，如何處理？

2011-6-3129容器分類

二類容器三類容器一類容器反應壓力容器換熱壓力容器分離壓力容器儲運壓力容器低溫壓力容器高溫壓力容器常溫壓力容器非金屬容器金屬容器單層容器多層容器襯里容器夾套容器

按結構形式按容規按壁溫按結構材料按壓力容器品種外壓容器內壓容器外壓容器和真空容器低壓容器中壓容器高壓容器按壓力等級超高壓容器2011-6-3130２、壓力容器設計根據給定的工藝尺寸和工作條件考慮到制造和安裝檢修要求對壓力容器的各個元件正確地選擇結構、材料全面地進行載荷分析和應力、變形分析選擇合理的結構型式，確定合適的強度尺寸,并給出有關制造和檢驗的技術條件壓力容器的設計壓力容器設計方法分：常規設計（規則設計）和分析設計（SAD）。2011-6-3131

一臺容器總體采用規則設計，局部參照分析設計進行壓力容器受壓元件分析計算時，不需有分析設計許可資格。

但局部采用應力分析的強度計算、校核時，許用應力仍取規則設計的材料許用應力。2011-6-3132設計條件—要求委托方以正式書面形式向設計單位提出。設計條件的內容至包含以下內容：（1）操作參數（工作壓力、工作溫度、液位高度、接管載荷等）；（2）壓力容器使用地及自然條件（包括環境溫度、抗震設防烈度、風和雪載荷等）；（3）介質組分與特性；（4）預期使用年限：委托方提出要求，設計者與委托方協商（工況、選材、安全性、經濟性等確定）；（5）幾何參數和管口方位；（6）設計需要的其他必要條件（選材、防腐蝕、表面處理、特殊試驗、安裝運輸等）。2011-6-3133２.１壓力容器設計的基本要求2011-6-3134２.2

各項結構上的要求結構要求BFCEAGD強度耐久性剛度操作運輸方便制造方便材料消耗量密封性2011-6-3135各項結構上的要求◆強度（按SW6計算軟件計算）

所有零部件都應有足夠的強度，否則就不能保證生產的安全運行。2011-6-3136各項結構上的要求◆

剛度剛度即構件在外力作用下保持原來形狀的能力。有時容器及設備的設計主要決定于剛度而不是決定于強度。例如承受低壓、外壓的容器，往往在強度足夠，不發生破裂的情況下，首先失去自身原形而被壓扁。GB150中條：殼體加工成形后不包括腐蝕裕的最小厚度：

a)對碳素鋼、低合金鋼制壓力容器，不小于3mm;b)對高合金鋼制容器，不小于2mm。2011-6-3137各項結構上的要求

◆

耐久性（使用年限）設備的耐久性則主要決定于腐蝕，在某些情況下還決定于容器及設備的疲勞、蠕變、振動及斷裂韌性等。設計設備時的使用年限不宜定得過長。一般壓力容器12～15，高壓設備一般設計年限為20～25年，因為高壓設備外殼成本很高，通常只更換內件，而仍保留和使用原來的外殼。2011-6-3138各項結構上的要求◆

密封性密封性能是化工容器及設備中的一個十分重要的問題，物料中很多是易燃、易爆或有毒介質，容器或設備內的物料如果泄漏出來，后果非常嚴重。2011-6-3139各項結構上的要求2011-6-3140各項結構上的要求◆制造方便

容器及設備在結構上應當有良好的工藝性，便于制造且能保證質量。設計時應盡量采用標準設計和標準零部件，因為化工設備多數是單件生產的。2011-6-3141需要制作產品焊接試件的壓力容器的條件（）（１）碳鋼、低合金鋼制低溫壓力容器；（２）材料標準抗拉強度下限值≥540MPa的低金鋼制壓力容器；（３）需經過熱處理改善或者恢復力學性能的鋼制壓力容器；（４）設計圖樣注明盛裝毒性程度為極度或高度危害的壓力容器；（５）設計圖樣和本規程引用標準要求制備產品焊試件的壓力容器。

2011-6-3142各項結構上的要求◆操作、運輸和維修方便容器及設備的結構應考慮到操作的方便。容器和設備的尺寸和形狀應考慮運輸的方便。2011-6-3143２.3壓力容器設計總圖主要內容

至少應當注明以下內容：（１）壓力容器的名稱、類別，設計、制造所依據的主要法規、標準；（２）工作條件，包括工作壓力、工作溫度、介質毒性和爆炸危害程度等；（３）設計條件：包括設計壓力、設計溫度、腐蝕裕量、焊接接頭系數、裝量系數、設備最大質量等；（４）主要受壓元件的材料牌號與標準；（５）主要特性參數，如壓力容器容積、換熱設備的換熱面積與程數等；（６）特殊制造要求、2011-6-3144２.3壓力容器設計總圖主要內容（７）熱處理要求；（８）無損檢測要求；（９）壓力容器設計使用年限—是設計的目標值，要滿足用戶要求，但并不是保證值，更不是報廢年限，應根據實際情況，檢測結果，失效模式，可能高于或低于設計年限；（１０）耐壓試驗和泄漏試驗要求；（１１）預防腐蝕要求（１２）安全閥、爆破片等安全附件的規格和要求；（１３）壓力容器的名牌的位置；（１４）包裝、運輸、現場組焊和安裝要求。，2011-6-3145２.4壓力容器設計總圖的特殊要求2011-6-3146

壓力容器的設計應當充分考慮節能降耗的要求。設計人員應當準確進行設計計算和壁厚圓整，沒有充分的理由，不得隨意增加壓力容器設計壁厚；對換熱容器，應當進行優化設計，提高換熱效率；對有保溫保冷要求的壓力容器，要在設計文件中提出有效的保溫保冷要求和措施。２.5節能要求2011-6-3147計算厚度設計厚度名義厚度有效厚度沖壓成形后的最小厚度最小壁厚（不包括腐蝕裕量）除考慮強度要求外，還應當考慮制造、運輸、安裝等因素的影響。封頭壁厚計算中的焊接接頭系數取法問題討論（整張鋼板和拼接鋼板壓制的封頭）。封頭的壁厚2011-6-3148２.6裝設安全閥、爆破裝置的壓力容器

新《容規條規定，設計文件還應當包括壓力容器安全泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積計算書，無法計算時，設計單位應當會同設計委托單位或使用單位，協商選用超壓泄放裝置。2011-6-3149安全閥、爆破裝置的開啟壓力

對超壓泄放裝置的開啟壓力，原則上不得超過設計壓力，但對注明有最高允許工作壓力的容器，可允許超壓泄放裝置的開啟壓力不高于該容器的最高允許工作壓力。

最高允許工作壓力的計算依據？2011-6-3150要氣密性試驗的壓力容器的開啟壓力

如果設計時提出氣密性試驗的要求，則設計者應當給出該壓力容器的最高允許工作壓力。因為進行氣密性試驗時，一般應當將安全附件裝配完畢，而超壓泄放裝置的動作壓力一般不得高于設計壓力，但氣密性試驗壓力是一倍的設計壓力，故就難以完成該試驗。有了最高允許工作壓力，可采用比設計壓力更高的壓力作為安全閥的動作壓力（不得高于最高點允許工作壓力），以保證氣密性試驗的進行。2011-6-3151２.7對不開設檢查孔的壓力容器的要求2011-6-31522.8

內壓薄壁壓力容器的強度計算2.8.1薄壁圓筒體計算厚度

對于薄壁容器，通常是按彈性失效準則來判定容器元件的強度。即將應力強度限制在彈性階段，認為對于薄殼，一般假設法向應力，故為兩向容器元件中出現屈服，即達到了最高承載能力。應力狀態。根據彈性失效準則，保證容器元件安全工作的強度條件由不同的強度理論給出。

2011-6-3153薄壁圓筒體第一強度理論稱最大主應力理論。設三向主應力為，其強度條件為式中——容器元件的許用應力；

——相當應力，表示材料承載時的三向應力與材料簡單拉伸試驗時相當的應力。此理論適用于脆性材料，但在壓力容器（廣泛使用塑性材料）設計中，由于長期積累了很多使用經驗，其形式又較簡單，故仍得到普遍使用。2011-6-3154

薄壁圓筒體第三強度理論稱最大剪應力理論。其強度條件為：即由此得此理論適用于塑性材料。如和同號，而時，由此理論所得結果與第一強度理論相同。2011-6-3155

應力計算公式（1）圓筒體由無力矩理論知軸向應力環向應力

由第一強度理論的:式中

p——設計壓力，MPa;R——筒體平均半徑，mm；

D——筒體平均直徑，mm；

δ——筒體計算厚度，mm；

——設計溫度下材料的許用應力，MPa（或N/mm2）。薄壁圓筒體2011-6-3156薄壁圓筒體受內壓時的各向應力D＝Di+δ

2011-6-3157

薄壁圓筒體

上述公式由靜力平衡條件得出的。（1）Pc的圓筒軸向壓力：周向的橫截面積：

軸向應力：

2011-6-3158

薄壁圓筒體

（2）Pc徑向應力的合力：截面積

環向應力

環向應力時

內徑公式2011-6-3159

由于設備的公稱直徑為內徑，故計算時采用內徑Di，則壁厚較大時，采用中徑D＝Di+δ；并考慮到由于焊縫的存在可能使簡體強度減弱，而引入焊接接頭系數，則由上式可得計算厚度：

2011-6-3160

上式即為GBl50《鋼制壓力容器》中圓筒厚度計算公式（5-1），是采用由第一強度理論推導出的中徑公式。該式適用范圍：，相當于內外徑之比K≤1.5。薄壁圓筒體2011-6-3161

將上述計算厚度δ加上腐蝕裕量C2，即得圓筒的設計厚度，然后再加上鋼材厚度負偏差C1，并向上圓整到鋼材標準規格的厚度，即名義厚度δn，也就是圖樣上標注的厚度。對一殼體的其它受壓元件如球殼和封頭等，在求得計算厚度后，也應同樣再求得設計厚度，并圓整到名義厚度。2.8.2

薄壁圓筒體的名義厚度2011-6-31622.8.3球殼的設計由此，按第一強度理論可得球形容器的計算公式為：當球形容器承受內壓p時，其薄膜應力為：

2011-6-3163３、壓力容器用材及要求2011-6-3164３.1材料的力學性能冷彎性能硬度塑性強度斷裂韌性材料的力學性能壓力容器用材要求

《容規》要求壓力容器的選材應當考慮材料的力學性能、物理性能、化學性能和工藝性能。2011-6-3165強度

強度是材料抵抗外力作用避免引起破壞的能力，因而是設計中決定許用應力數值的依據，常用的有拉伸、壓縮及彎曲的強度極限。、如抗拉強度σb(Rm)和屈服強度σs(Rel)

，高溫時還要考慮蠕變極限σn及持久強度σD。屈服強度與抗拉強度極限之比值即屈強比，反映了材料承受外載能力的裕度。2011-6-3166塑性

塑性是反映材料可塑性能的指標，表征材料可變形的能力。在穩定性計算或動載荷情況下，它是設計的主要依據。其中壓力容器用鋼要有良好的塑性,這方面的參數有延伸率A、斷面收縮率Z、和沖擊韌性Akv等。作為壓力容器用鋼，一般要求A5＝15～20％，Akv值在常溫下在18～60J。2011-6-3167硬度說明材料的耐磨性和切削加工的可能性。硬度較高，材料的耐磨性能較好；硬度和材料強度還的一定關系，只要知道材料的硬度值，就能大概判斷其強度值。金屬材料中常用的硬度單位是布氏硬度HB、洛氏硬度HRC和維氏硬度HV.2011-6-3168冷彎性能

冷彎性能是材料抵抗彎曲時斷裂能力的標志，它間接反映了材料的塑性。2011-6-3169

斷裂韌性

斷裂韌性是反映材料對裂紋擴展的抵抗能力。對于中低強度的壓力容器用鋼和低溫用鋼，目前較普遍采用應力強度因子KIC和臨界裂紋張開位移（COD）值δC來評定，超過KIC

或δC則認為脆性裂紋擴展。2011-6-3170３.2化學性能--耐腐蝕性能

是指材料在使用工藝條件（介質、溫度、壓力等）下，抵抗腐蝕性介質侵蝕的能力。材料受到腐蝕后，其重量、壁厚、力學性能、組織結構及電極電位都可能發生蛻化。腐蝕分均勻腐蝕和非均勻性腐蝕，常規的強度計算中只考慮均勻腐蝕的壁厚附加量，而非均勻性腐蝕主要是指點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、氫腐蝕及腐蝕疲勞等，對于這一類腐蝕，靠正確的選擇耐蝕材料和防護措施來保證。2011-6-3171３.3

物理性能

物理性能也是選材要考慮的。如高溫容器要用熔點高的材料，熔點高的材料再結晶軟化溫度較高；要進行換熱的容器要用導熱系數高的材料。壓力容器用鋼要考慮的物理性能參數通常是彈性模量E、重度γ、熔點Tm

、比熱C、導熱系數λ、線膨脹系數α等。2011-6-3172３.4工藝性能

壓力容器選材除考慮上述因素外，由于制造中都要進行鋼板彎卷、沖壓和焊接，因此容器用鋼必須要有良好的冷、熱加工性能和焊接性能。所以，對壓力容器中用于焊接的碳素鋼、低合金鋼，其磷硫含量允許較高，對壓力容器專用的碳素鋼、低合金鋼的硫磷含量要求沒有變，而對大于等于540MPa的高強鋼、低溫用鋼的磷硫含量要求均有不同程度的提高。2011-6-3173３.5新《容規》2.3條對化學成分的要求(一)用于焊接的碳素鋼和低合金鋼鋼材，其含碳量不應當大于0.25％，P≤0.03５％、S≤0.0３５％。(二)壓力容器專用鋼中的碳素鋼和低合金鋼鋼材（鋼板、鋼管和鋼鍛件），其磷、硫含量應當符合以下要求：2011-6-3174（1）、碳素鋼和低合金鋼，P≤0.030％、S≤0.020％；（2）、鋼材標準抗拉強度下限值大于等于540MPa的鋼材，P≤0.025％、S≤0.015％；（3）、用于設計溫度低于零下-20℃并且鋼材標準抗拉強度下限值小于540MPa的鋼材，P≤0.025％、S≤0.012％；（4）、用于設計溫度低于零下-20℃并且鋼材標準抗拉強度下限值大于等于540MPa的鋼材，P≤0.020％、S≤0.010％。2011-6-3175３.6低合金鋼低合金鋼是在碳素鋼的基礎上，加入一種或數鐘合金元素（總量不超過5％）,以提高鋼材的強度、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等性能。如:Q345R，平均含碳量為0.16％（0.12～0.20％）,該鋼號中含有錳元素,其平均含Mn量小于1.6％。P、S含量按《容規》要求。錳能有效地提高強度,降低冷脆轉變溫度,對韌性有好的影響。低合金鋼是壓力容器的主要結構材料。2011-6-3176P、S含量對壓力容器用鋼的危害

S主要以FeS和MnS形式存在于焊縫中，硫會以熔點988℃Fe+FeS和熔點為940℃的FeO+FeS的低熔點共晶物，從而促生熱裂紋，并使韌性下降。

P在焊縫中主要以Fe2P和Fe3P形式存在，使鋼材韌性下降，特別是低溫韌性下降。熔點為880℃的Ni+Ni3P低熔點共晶物，也是熱裂紋的促生元素。2011-6-3177３.7不銹鋼

不銹鋼是指在大氣中和酸性介質中具有不生銹和耐腐蝕性的高合金鋼。常用的不銹鋼按化學成分不同可分為：鉻、鉻鎳、鉻鎳鉬鋼、鉻錳鋼等，而其中又以應用奧氏體鉻鎳鋼和鉻鉬鋼居多。鉻、鉻鋼會產生晶間腐蝕和應力腐蝕。c＞0.08％為高碳級不銹鋼，如1Cr19Ni9c≤0.08％為低碳級不銹鋼，如06Cr17Ni12Mo2(S31608-316)c≤0.03％為超低碳級不銹鋼，如022Cr17Ni12Mo2(S31603-316L)00Cr17Ni14Mo2c≤0.01％為超純級不銹鋼，鋼號前以“000”表示

2011-6-3178不銹鋼2011-6-3179３.8高溫用鋼

在高溫下使用的鋼材，既要有高溫化學穩定性，又要有高溫強度。鋼材當溫度高于300℃時，在表面出現可見的氧化皮。這是因為鐵元素與氧會生成FeO、Fe2O3、Fe3O4。

Q245、Q345≤475℃

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

R、14CrMo1R（板材）

＞600℃~700℃，1Cr19Ni9Ti

＞600℃~700℃，0Cr25Ni20GB150中材料的使用溫度即為能查出其許用應力的溫度。2011-6-3180３.9