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1、压力容器设计基础 压力容器的概念 u压力容器 v盛装压力介质的密闭容器 v尺寸容积形状，压力和温度条件，介质，制造材料 u涉及压力容器的基本法规和标准 v特种设备安全监察条例，国务院，2003.6.1 v压力容器安全技术监察规程，国家质监总局，2000.1.1 v压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则，2003.1.1 v锅炉压力容器制造监督管理办法，2003.1.1 vGB150钢制压力容器 vJB4732钢制压力容器分析设计标准 vJB/T4735钢制焊接常压容器 vGB151管壳式换热器 压力容器的概念 u压力容器的划定范围 v受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零
2、部件 ，如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等 v非受压元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，不 承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，开云APP 开云官网入口如支座、吊耳、垫板 等 vGB150和容规明确规定了压力容器的范围，是指壳体及其连为 整体的受压零部件（受压元件） 压力容器的概念 u压力容器的分类 v根据生产过程作用原理：反应压力容器（R），换热压力容器（E） ，分离压力容器（S），储存压力容器（C，其中球罐B） v根据设计压力p等级：低压（0.1MPap60，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜 理论不适应的。 大端30采用无折边结构； 30带折边 小端45采用无折边结构； 45带
3、折边 2 2、受压元件、受压元件封头封头 2）应力分析 大端 轴向力T2分解成沿母线和垂直与轴线 大端径向收缩，产生径向弯 曲应力，并使周向应力与压力作用 产生周向应力，方向相反而相对减 小，所以大端以一次轴向拉伸应力 +二次轴向弯曲应力为强度控制条 件 2 2、受压元件、受压元件封头封头 2）应力分析 小端 轴向力T1分解成母线 和垂直于轴线 小端径向张大，产生周向应 力。此周向应力与压力作用产生周 向应力方向一致，相互叠加，所以 小端以一次周向应力+由边界力引 起周向应力为强度条件控制值 2 2、受压
4、元件、受压元件封头封头 3）计算公式 锥壳厚度 由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增设加强段，由GB150 图7-11、7-13判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用 ，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。 大端厚度： 小端厚度： Q应力增值系数，体现边界应力作用。 通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。 2 2、受压元件、受压元件封头封头 2.2 封头 2.2.4平盖 平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算： K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-7。 比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知： 挠度反映板的刚度
5、；应力则反映强度。 所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从 强度和刚度要求，周边固支比周边简支的为好。 主要内容主要内容 u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰 u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 3.1 失稳 外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失 稳和轴向失稳。 周向失稳 断面由园形变成波形 轴向失稳 轴线、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳） 周向压缩应力引起周向压缩应力引起 轴向压缩应力轴向压缩应力 引起引起 3 3、外压元件（园筒和球壳）、
6、外压元件（园筒和球壳） 3.2 外压容器的设计 外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。 外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。 为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力P大于或等于计算压力 Pc.园筒稳定安全系数取3.0，球壳稳定安全系数取14.52。 1）周向失稳计算 外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法，根据壳体直径（或半径），计 算长度，假设壁厚(e)和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入 公式得到许用外压力P，使PPc ；否则重新计算直至合格为止。 2）轴向失稳计算 由园筒或管子的半径，壁厚e和所用材料牌号，用图表查取系数，代入 公式得B值，使计算压力Pc
7、小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩 应力取设计温度下材料许用应力和B值的较小值。 3 3、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳） 3.3 防止外压园筒失稳措施 防止外压园筒失稳措施主要有： 1）增加园筒壁厚； 2）缩短园筒的计算长度； 3）设置加强圈。 加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合惯 性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可 采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的1/2，内部不少 于1/3。 主要内容主要内容 u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰 u6、低温压力容器（附录C） u7
8、、超压泄放装置（附录B） 4 4、开孔补强、开孔补强 4.1 适用范围 在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的a/b2。 筒体 Di1500或凸形封头 d1/2Di(且筒体d520mm) 筒体 Di1500或锥形封头 d1/3Di(且筒体d1000mm) 开孔不仅削弱容器强度，也造成局部应力集中，是 造成容器破坏重要因素，所以开孔补强是压力容器 设计重要组成部分。 4 4、开孔补强、开孔补强 4.2 开孔补强形式与作用 1）型式 两种开孔补强型式整体补强和局部补强（补强圈） 整体补强 增加壳体厚度（经济性差） 厚壁管（推荐） 整体补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管） GB150 P222
9、图J5 a），b） 局部补强 补强圈（推荐） 2）作用 内压容器对开孔截面拉伸强度补偿。 外压容器对开孔截面压缩稳定性补偿，防止失稳。 4 4、开孔补强、开孔补强 4.3 开孔补强的规定 1）不另行补强的最大开孔直径 应满足GB150 P75 8.3规定 2）采用补强圈补强要求 b540MPa ; 1.5n; n38mm 3）整体补强要求 下列情况之一，应采用整体补强（增加壳体厚度或采用补强锻件 与壳体相焊）。HG20583 钢制化工容器结构规定。 b540MPa 1.5n n38mm Pd4.0MPa Td350 介质为极度，高度危害介质 4 4、开孔补强、开孔补强 4.4 开孔补强方法 1
10、）等面积补强法（d1/2Di） 原则：有效补强面积大于或等于开孔失去面积 式中为开孔处计算厚度，开云APP 开云官网入口 注意：对椭圆封头和碟形封头中心部位和边缘部位是不同的。 4 4、开孔补强、开孔补强 4.4 开孔补强方法 2）压力面积补强法（0.8Did0.5Di） 原则：有效承压面积上作用力许用应力 当壳体、接管、补强圈材料不同时，上述可表达为： 0、1、2分别为壳体、接管、补强圈材料的许用应力，Mpa A0、A1、A2分别为有效补强范围内壳体、接管和补强圈横截面积 ，mm2 P 设计压力，Mpa； AP为补强有效范围内压力作用面积，mm2 详见 HG 20581 钢制化工容器强度计算规定 主要内容主要内容
11、u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰 u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 5 5、法兰、法兰 5.1 法兰分类 1）按垫片 窄面法兰 垫片在螺栓孔内侧（一般采用窄面法兰） 宽面法兰 垫片在螺栓孔两侧 2）按整体性程度 松式法兰 法兰与筒体未连成整体，如活套法兰、螺纹法兰 整体法兰 法兰环、锥颈与筒体连成整体，如长颈法兰 任意式法兰 如平焊法兰（JB4700中，甲、乙型平焊法兰） 3）按密封面型式 突面法兰 由一对平面组成 凹凸面法兰 由一对相配合的凹面和凸面组成 榫槽法兰 由一对相配合的榫面和槽面组成 环面法兰 由一对相配
12、合的环面组成 5 5、法兰、法兰 按密封面形式 法兰示意图 5 5、法兰、法兰 5.2 垫片 1）垫片种类 非金属垫片 橡胶板、橡胶石棉板、聚四氟乙烯、膨胀石墨等 金属垫片 纯铝、紫铜、软钢、不锈钢等，用于压力、温度较高场合 金属包垫片 柔性石墨、石棉板为芯材，外包铜、铝、不锈钢、镀锌铁皮 常用于中、低压和较高温度场合。 缠绕垫片 由金属薄带（0Cr13、0Cr18Ni9、08F）和填充带 （石墨、柔性石墨、聚四氟乙烯）相间缠绕而成， 适用较高压力和温度范围。 5 5、法兰、法兰 5.2 垫片 2）垫片压紧力 预紧状态下最小压紧力 操作工况下最小压紧力 式中，m垫片系数，垫片操作时，为保持密封
13、需要施加于垫片单位 有效密封面积上的最小压紧力与内压力比值，即 2是系数，m是垫片材料的一个特性， y垫片比压力，垫片在预紧时，为了消除法兰密封面与垫片接触面 间的缝隙，需施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力。 垫片合理设计，应使垫片在预紧和操作状态下所需压紧力尽可能小 。 5、法兰 5.3 法兰设计 1）法兰密封要求 法兰是通过紧固螺栓（螺柱）压紧垫片来实现密封，所以法兰设计要 防止泄漏，既要保证强度，也要有足够刚性，以保持良好密封性。 影响法兰密封因素： a）操作条件，P、T、介质 b）螺栓的预紧力 c）垫片的性能，应考虑垫片材料对温度及其介质相容性。 d）法兰密封面形式 e）法兰刚度
14、 5 5、法兰、法兰 5.3 法兰设计 2）螺栓 螺栓载荷 预紧状态： 操作状态： 螺栓面积 预紧时 操作时 取两者大值作为确定螺栓截面积依据。 在螺栓面积A已定情况下，选用小直径螺栓，个数多；选用大直径螺 栓，个数少，为保证扳手在周向和径向间距要求，应选取合适螺栓直径， 使螺栓中心圆直径最小。螺栓中心圆直径增大，使螺栓预紧力增大，承受 弯距增大，不利于密封。 5 5、法兰、法兰 5.3 法兰设计 3）法兰 法兰强度设计的理论有多种，我国法兰设计规范的依据是弹性分析理 论，即控制法兰中应力在弹性范围内，以保证法兰的密封要求。（Waters 法） 工程上法兰设计主要是对法兰轴向应力H，径向应力r
15、和周向应力 和组合应力的校核。 即 ， 5 5、法兰、法兰 5.3 法兰设计 4）法兰设计的合理性 a）选择垫片时，尽可能选择所需压紧力小的垫片，即m、y小的垫片。 b）尽可能缩小螺栓中心圆直径，减小法兰力矩的力臂，有利密封； c）合理设计法兰锥颈（1）和法兰环（f），既保证强度，又有足够 刚度，即调整1、 f使法兰的各计算应力尽可能接近相应许用应 力，趋满应力状态。 主要内容主要内容 u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰 u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 6 6、低温压力容器（附录、低温压力容器（附录C C） 设计温度
16、低于或等于-20的钢制压力容器（室外安装无 保温的容器，最低设计温度应考虑地区环境温度影响） 各国对低温压力容器划分温度界限： 受环境温度影响，壳体的金属温度低于或等于-20时， 也应遵循低温压力容器规定。 美国日本、德国法国英国 20mm钢板逐张超探 对不同使用温度，进行低温冲击 2）对焊接和无损探伤要求 全焊透结构 无损探伤比例为50和100 100RT或UT检测的容器，其对接接头、T形接头、角焊接缝需进行 100MT或PT检测。 焊缝表面不得有咬边 3）焊后热处理 钢板厚度16mm的碳素钢和低合金钢制容器或受压元件，应进行 焊后热处理。 主要内容主要内容 u1、总论 u2、受压元件 u3
17、、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰 u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 7 7、超压泄放装置（附录、超压泄放装置（附录B B） 压力容器在运行中由于外界因素影响和工艺过程失控， 造成超压或超温，容器有可能发生破裂或爆炸等安全事故， 超压泄放装置就是在容器一旦超压时会自动泄放，避免事故 发生。 7.1 对泄压装置要求 1）动作压力能在设定压力及允许误差范围内 2）泄放能力大于或等于容器安全泄放量 3）有可靠密封，能保证容器正常工作 4）在有效使用期限内能可靠工作 超压泄放装置有安全阀、爆破片、及安全阀和爆破片组合。 7 7、超压泄放装置（附录、超压泄放装
18、置（附录B B） 7.2 采用爆破片条件 符合下列条件之一，必须采用爆破片 1）压力快速增长 2）对密封要求高 3）介质粘稠、有腐蚀性或对阀门有磨损的介质 4）其他安全阀不能适用的场合 7.3 安全阀、爆破片动作压力和容器设计压力关系 安全阀动作压力 爆破片爆破压力 7 7、超压泄放装置（附录、超压泄放装置（附录B B） 当采用安全阀与爆 破片组合装置时，其中 一个泄放装置的动作压 力应不大于设计压力， 另一个泄放装置的动作 压力可提高，但不得超 过设计压力的4% 。 （安全阀动作压力不 大于设计压力；爆破片 的动作压力不超过设计 压力的4）。 安全阀最高开启压力安全阀最高开启压力 7 7、超压泄放装置（附录、超压泄放装置（附录B B） 7.4 泄放装置的设计 泄放装置设计主要是泄放能力（安全泄放量）计算和排放面积确定。 7.5 泄放装置的使用 1）气体泄放装置应在容器顶部或气体管道上; 液体泄放装置应在正常液位下方。安全阀应处在垂直位置； 2）容器与泄放装置之间一般不能设置截止阀； 3）泄放装置应有足够泄放能力和强度； 4）安全阀应定期检验（一般每年检验一次）； 爆破片应定期更换（一般23年更换一次）。 谢谢 谢！谢！
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