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压力容器设计基础

一．概述

1、标准适用的压力范围

GB150－1998《钢制压力容器》设计压力P：0.1～35 MPa 真空度：≥0.02 MPa GB151－1999《管壳式换热器》设计压力P：0.1～35 MPa

真空度：≥0.02 MPa

公称压力PN≤35 MPa，公称直径DN≤2600mm PN?DN≤1.75×104

JB4732－95《钢制压力容器-分析设计标准》设计压力P：0.1～100 MPa

真空度：≥0.02 MPa JB／T4735－1997《钢制焊接常压容器》设计压力P：

圆筒形容器：-0.02 MPa≤P≤0.1 MPa

立式圆筒形储罐、圆筒形料仓 -500Pa≤P≤0.2000 Pa 矩形容器： 连通大气

GB12337－1998《钢制球形储罐》设计压力P≤4MPa,公称容积V≥50M3 JB4710－2000《钢制塔式容器》设计压力P：0.1～35MPa

(对工作压力<0.1MPa内压塔器,P取 0.1MPa) 高度范围 h>10m 且h/D(直径)>5

2.设计时应考虑的载荷 1) 内压、外压或最大压差；

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2) 液体静压力(≥5%P)； 需要时，还应考虑以下载荷

3) 容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；

4) 附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷； 5) 风载荷、地震力、雪载荷；

6) 支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力； 7) 连接管道和其他部件的作用力； 8) 温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力； 9) 包括压力急剧波动的冲击载荷；

10) 冲击反力,如流体冲击引起的反力等； 11) 运输或吊装时的作用力。 3、设计单位的职责

1) 设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。 2) 压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。 3) 压力容器的设计总图应盖有压力容器设计资格印章。 4．容器范围

GB150管辖的容器范围是指壳体及其连为整体的受压零部件 1) 容器与外部管道连接

2) 接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件

3) 非受压元件与受压元件的焊接接头。接头以外的元件，如加强圈、支座、裙座等

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4) 连接在容器上的仪表等附件。直接连接在容器上的超压泄放装置。 5.定义

(1)压力 除注明者外，压力均为表压力。

工作压力Pw

1)内压容器 在正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。 2)真空容器 在正常工作情况下，容器可能出现的最大真空度。 3)外压容器 在正常工作情况下，容器可能出现的最大内外压力差。 设计压力Pd

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的条件，其值不低于工作压力。 计算压力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。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。 最大允许工作压力[Pw]

在指定温度下，压力容器安装后顶部所允许的最大工作压力。该压力应是按容器各受压元件的有效厚度减去除压力外的其他载荷所需厚度后，计算得到的最大允许工作压力（且减去元件相应的液柱静压力）中的最小值。

最大允许工作压力可作为确定保护容器的安全泄放装置动作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。 安全阀的开启压力Pz

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安全阀阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。

爆破片的标定爆破压力Pb 爆破片铭牌上标的爆破压力。 (2)温 度

金属温度 、工作温度 、设计温度、试验温度 (3)厚度

最小厚度δmin、计算厚度δ、设计厚度δd、计算厚度与腐蚀裕量之和、名义厚度（即图样厚度）δn、有效厚度δe

名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）。

二、材料

(一)选材的基本原则

选择压力容器用材，须根据容器的使用条件（如温度、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等）、制造工艺、材料的焊接性能及经济合理性选择具有适宜的机械性能、耐腐蚀性能、物理性能等的材料 （二）材料的基本性能

1． 机械性能

（1） 机械强度 强度是材料抵抗外力作用不致破坏的性能特性。屈服 极限（ζts）和强度极限（ζb）。高温时还要考虑蠕变极限（ζtn）和持久 极限（ζtD）。

(2)塑性 材料的塑性是用延伸率（δ）及断面收缩率（ψ）来表示。它们的数值由拉伸试验获得。

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（3）硬度 所谓硬度是指金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，也可以说是材料对局部塑性的抗力。硬度可采用不同的方法在不同的仪器上测定，其所得的硬度指标也各不相同。最常用的硬度指标为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、和维氏硬度（HV），其数值可以互相换算。

换热管与管板的连接采用胀接时，换热管材料的硬度值一般须低于管板材料的硬度值。

螺栓和螺母匹配使用，一般螺栓材料的硬度值须高于螺母３０HB。 （4）韧性 韧性是指材料抵抗冲击载荷的性能指标, 材料韧性用冲击功AKV来衡量,冲击功AKV是指材料受到冲击负荷的作用下，产生断裂时所消耗能量大小的特性，即冲击试样所消耗的功，其单位为J。

由于冲击功AKV是金属材料各项机械性能标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标，所以对压力容器用钢来说，尤其是低温压力容器冲击功是一项重要的性能指标。 （5）温度对材料机械性能的影响

材料的屈服极限、强度极限和弹性模量随温度的升高而降低。如果设备的操作温度较高，则必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。

如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的。材料蠕变极限指在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内(10万小时)产生1%的变形时的应力;持久极限是材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内(10万小时)引起断裂时的应力．在实际试验

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中，常常用较短时间的试验结果来外推长时间的性能，但一般限制外推时间不得大于试验时间的10倍。持久强度是高温元件设计选材的重要依据，是GB150中确定许用应力的强度指标之一．

低温情况下，通常塑性金属材料往往以脆性方式破坏。引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因素非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度，加工后的残余应力、结构缺陷以及材料的使用温度。

目前各国标准规范均以夏比v型缺口冲击试验来检验材料对脆性破坏的敏感性。

2． 耐腐蚀性能

耐腐蚀性能是金属材料抵抗介质腐蚀的能力。压力容器中处理的介质大多数具有腐蚀性的，在设计中必须根据操作介质来选择耐腐蚀材料。

引起材料腐蚀的因素多种多样，工程中常将常见的腐蚀情况分为：均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、磨蚀等。

（1） 均匀腐蚀

均匀腐蚀是在整个金属表面均匀地发生腐蚀，这种腐蚀相对其它形式 的腐蚀其危害最小。GB150中C2只考虑均匀腐蚀 C2=KB 其中B—设计寿命(年) K—腐蚀速率(mm/ 年 )一般分为 不腐蚀 轻微腐蚀 腐蚀 重腐蚀 B mm/年 <0.05 0.05~0.13 0.13~0.25 ≥0.25 C2 mm 0 ≥1 ≥2 ≥3

（2） 应力腐蚀

应力腐蚀是指金属在持久拉应力和腐蚀性环境联合作用下产生腐蚀

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裂纹,并使裂纹迅速扩展,从而可能出现的早期性破坏的腐蚀形式. 几种常见的应力腐蚀环境:

a.碳钢及低合金钢焊制化工容器对介质NaOH的应力腐蚀与介质浓度、温度有关。当NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积大于等于5%时，也应根据NaOH溶液的浓度符合该要求。NaOH溶液浓度小于等于1%或NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积小于5%时，不受此限制。

NaOH溶液

NaOH溶液 2 3 5 10 15 20 30 40 50 60 70 重量% 温度上限 90 88 85 76 70 65 54 48 43 40 38 （℃） 当超过以上范围的碳钢、低合金钢材料需焊后进行消除应力热处理。 b.湿H2S应力腐蚀

介质同时符合下列条件时，即为湿H2S应力腐蚀环境： ①温度小于等于（60+2P）℃； P为压力，MPa

②H2S分压大于等于0.00035MPa即相当于常温在水中H2S溶解度大于等于10p.p.m；

③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下； ④PH＜9或有氰化物(HCN)存在。 C.液氨应力腐蚀环境

当容器接触的液氨介质同时符合下列各项条件时，即为液氨应力腐蚀环境：

①介质为液态氨，含水量不高（≤0.2%）,且有可能受空气(O2或CO2)

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污染的场合；

②使用温度高于－5℃。

对于应力腐蚀环境的容器除进行焊后消除应力热处理，在焊接要求、 焊接接头硬度等方面都要提出具体要求。

奥氏体不锈钢材料在氯化物溶液、高温水、高浓度NaOH等介质往往产生应力腐蚀。

（3）氢腐蚀环境

氢在常温常压下不会对铁碳合金引起氢蚀，当温度在200℃~300℃发生“氢脆”，金属在高温下与氢反应生成甲烷，甲烷气在晶界空隙内引起裂纹，使材料的塑性降低，引起这种腐蚀有合成氨、合成甲醇、石油加氢等工业生产，

设计温度大于等于200℃与氢气氛相接触的压力容器用钢应按纳尔逊曲线选材，并应留有20℃以上的温度安全裕度。满足于曲线的碳素钢和珠光体耐热钢在氢气氛中使用须经过焊后消除应力热处理。 奥氏体不锈钢在氢分压范围的氢气中使用都是满意的，焊后也无必要进行消除应力热处理。 （4）晶间腐蚀

可能引起晶间腐蚀环境必须是存在电解质的电化学腐蚀环境，奥氏体不锈钢晶间腐蚀的电解质主要是酸性介质。如：工业醋酸、甲酸、硝酸、草酸、盐酸、硫酸、磷酸等。

防晶间腐蚀的措施：1）固熔化处理2）降低钢中碳含量3）添加稳定碳化物的元素 （Nb. Ti. Ni）

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3． 材料的物理性能

材料的主要物理性能包括：密度ρ、导热系数λ、比热c、熔点tm、线膨胀系数α等。在不同的使用场合，对材料的物理性能有不同的要求，如用于传热表面的材料要求有较高的导热系数。

4．制造工艺性能

材料的工艺性能，选择不合适，会造成加工困难。压力容器应考虑的制造工艺性能有焊接性、锻造性、切削加工性、热处理性及冲压性等。对

压力容器来说重要的是材料的焊接性,一般控制材料的含碳量小于0.25%。 材料的含碳量越高，热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。

奥氏体不锈钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%。因为奥氏体不锈钢的使用温度500~550℃时，钢中含碳量太低，强度和抗氧化性会显著下降。

（三）压力容器用钢 1．钢板 （1）碳钢

压力容器常用的是碳素结构钢，包括普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

a.普通碳素结构钢 钢板使用范围

P T δ 介质限制 (MPa) (℃) (mm) Q235-B（做常温冲击试验） ≤1.6 0~350 ≤20 不得用于毒性为高GB700-88

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度、极度危害介质 Q235-C（做0℃冲击试验） ≤2.5 0~350 ≤30 Q235-D（做-10℃冲击试验）

b.优质碳素结构钢 (2)低合金钢

a.低合金钢中最常用的有：16MnR， b.中温抗氢钢 防止氢腐蚀的途径有:

一是降低钢中碳的含量，例如采用微碳纯铁，可以完全消除氢腐蚀产生的根源；二是采用抗氢钢，在钢中加入钼、铬、钨、铌、钛等元素，形成稳定的铬、钼等碳化物，使氢与碳不能结合。我国生产的中温抗氢钢有：15CrMoR、14Cr1MoR等。 c.低温用钢

(3)高合金钢 2.钢管

器一样注意碳素钢、碳锰钢在高于425℃温度下长期使用，钢中碳化物相的石墨化倾向，奥氏体不锈钢在特定条件下的晶间腐蚀倾向

3.锻件

锻件按使用要求分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别，每个级别的检验要求及指标要求按JB4726~4728-94规定。用作圆筒和封头的筒形和碗形锻件及公称厚度大于300mm的低合金钢锻件应选用Ⅲ级或Ⅳ级。

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按第一强度理论条件得 ζ1=ζt=

PD≤[ζ] t 2?式中[ζ] t——设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa。

焊缝部位可能存在着夹渣、气孔、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷，同时由于焊接加热过程中，对焊缝两侧的热影响产生许多不利因素，如焊接热影响区被淬硬，塑性下降、焊接内应力的产生等，都会使焊缝金属或母材的机械性能降低。因此在设计时应将设计温度下圆筒材料的许用应力 [ζ] t 乘以一个焊接接头系数θ，于是上述公式变成：

PD≤[ζ]tθ 2?P(Di??) ≤[ζ]tθ 2?由上式 计算厚度 δ=

2?????PCtPcDi

式中 Pc——计算压力，MPa； Di——圆筒的内直径，mm；

[ζ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa； θ——焊接接头系数。

上式适用于设计压力P≤0.4[ζ]tθ的范围。（D0/Di=1.5） 设计厚度 δd=δ+C2

名义厚度 δn=δ+C2+C1+△ 且δn≥δ

min

+ C2

式中：C——厚度附加量C=C1+C2 mm

C1——钢板或钢管的厚度负偏差，mm；

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C2——腐蚀裕量，mm

△——钢板圆整量； δ

min

——筒体最小厚度。

如果已知圆筒尺寸，可校核在设计压力作用下圆筒壁厚的应力

应力校核式 ζt=

Pc(Di??e) MPa 2?eδe =δn- C mm C= C1+C2，mm

计算所得的应力值，必须满足ζt≤[ζ]tθ。

2?e[?]t?最大允许工作压力 [Pw]= Mpa

Di??e球形壳体

由于球形容器经向应力和周向应力相等，因此其最大应力 ζ1 =ζ

t

= ζm =

PD

4?上述公式中，如将D=Di+δ代入并考虑了焊接接头系数θ，如采用第一强度理论时，即得出

P(Di??e)≤[ζ]tθ 4?e所以可求出计算厚度δ δ=

PcDi

4[?]t??Pc如果已知球壳尺寸，可校核在设计压力P作用下球壳壁的计算应力 应力校核式

ζt=

Pc(Di??e)≤[ζ]tθ MPa 4?e17

最大允许工作压力

4?e[?]t?[Pw]= MPa

Di??e 3、设计参数的确定

1） 设计压力

容器设计时，必须考虑在工作情况下可能达到的工作压力和对应的工作温度两者组合中的各种工况，并以最苛刻工况下的工作压力来确定设计压力。 表 设计压力选取 设 计 压 力 无安全泄放装置 1.0~1.10倍工作压力； 装有安全阀 不低于(等于或稍大于)安全阀开启压力(安全阀开启压力取1.05~1.10倍工作压内力)； 压容装有爆破片 取爆破片设计爆破压力加制造范围上限； 器 容器位于泵进口侧，且无取无安全泄放装置时的设计压力,且以安全泄放装置时 0.1Mpa外压进行校核； 设计外压力取1.25倍最大内外压力差或无夹套有安全泄放装置 0.1MPa两者中的小值； 真真空容无安全泄放装置 设计外压力取0.1Mpa； 空器 容容器(真空) 设计外压力按无夹套真空容器规定选取1 夹套内器 夹套(内压) 设计内压力按内压容器规定选取； 为内压 外 压 容 器 设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最大内外压力差 注：1.容器的计算外压力应为设计外压力加上夹套内的设计内压力,且必须校核在 夹套试验压力.外压下的稳定性。

盛装液化石油气或混合液化石油气的容器

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介质50℃饱和蒸汽压力低于异丁烷50℃的饱和蒸汽压力时(如丁烷、丁烯、丁二烯) 介质50℃饱和蒸汽压力高于异丁烷50℃的饱和蒸汽压力时(如液态丙烷) 介质50℃饱和蒸汽压力高于丙烷50℃的饱和蒸汽压力时(如液态丙烯)

0.79MPa 1.77Mpa 2.1MPa 对装有安全阀的压力容器，容器的设计压力、工作压力、试验压力与安全阀的排放压力、开启压力之间的关系示意如下：

压力容器 安全阀 试验压力 排放压力 计算压力 设计压力 开启压力 工作压力 其中：安全阀排放压力——阀瓣达到规定开启高度时的进口压力；

安全阀开启压力（整定压力）——阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。

考虑到安全阀阀瓣启动动作的滞后，使容器不能马上泄压，因此容器设计压力一般不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力，开启压力为1.05~1.10倍工作压力。

（1） 对装有爆破片的压力容器容器的设计压力、工作压力及爆破片的

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爆破压力之间的关系示意如下：

压力容器 爆破片

设计压力P 最高标定爆破压力Psmax（Psmax=Pb+爆破片

制造范围上限）

爆破片制造范围 设计爆破压力Pb

最低标定爆破片压力Psmin（Psmin=Pb –爆

破片制造范围下限）

工作压力PW

其中：标定爆破压力——爆破片铭牌上标志的爆破压力

设计爆破压力——爆破片在指定温度下的爆破压力。 最低标定爆破压力Psmin的大小与爆破片型式和工作压力有关

2）设计温度

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。 在任何情况下元件金属的表面温度不得超过钢材的允许使用温度。 当金属温度不可能通过传热计算或实测结果确定时，设计温度的选取： 容器器壁与介质直接接触且有外保温（或保冷）时 a.设计温度选取

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