【正文】 壓力容器設(shè)計(jì)基本知識(shí)及鋼制壓力容器設(shè)計(jì)一．基本概念1．1 壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的法規(guī)和規(guī)程 1）《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》（本文簡稱《條例》），是國務(wù)院2003年3月11日公布的條例，條例自2003年6月1日起施行。原《鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例》同時(shí)廢止。 2）《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（本文簡稱《容規(guī)》），此《容規(guī)》自2000年1月1日起正式實(shí)施。在安全監(jiān)察中，包括的七個(gè)環(huán)節(jié)是：設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、檢驗(yàn)、改造和修理。此規(guī)程與《條例》有不一致之處，應(yīng)按《條例》的內(nèi)容修改。 3）《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)單位資格許可與管理規(guī)則》，此規(guī)則自2003年1月1日起實(shí)施。1．2 標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)（規(guī)程）的關(guān)系?！度菀?guī)》第4條規(guī)定，壓力容器的設(shè)計(jì)、制造（組焊）、安裝、使用、檢修、修理和改造，均應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行本規(guī)程的規(guī)定；第5條規(guī)定：本規(guī)程是壓力容器質(zhì)量監(jiān)督和安全監(jiān)察的基本要求，有關(guān)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、部門規(guī)章、企事業(yè)單位規(guī)定等，如果與本規(guī)程的規(guī)定相抵觸時(shí)，應(yīng)以本規(guī)程為準(zhǔn)。：容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收除必須符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，還應(yīng)遵守國家頒布的有關(guān)法令、法規(guī)和規(guī)章。 因此，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)或規(guī)程有不一致時(shí)，應(yīng)按法規(guī)（和規(guī)程）的規(guī)定執(zhí)行。1．3 壓力容器的含義（定義）根據(jù)《條例》第八十八條中的規(guī)定，壓力容器用語的含義是：“壓力容器，是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，（表壓），L的氣體、液化氣體和最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體的固定式容器和移動(dòng)式容器；（表壓），L的氣體液化氣體和標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)等于或者低于60℃液體的氣瓶；氧艙等?！?．4 壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)簡述我國壓力容器專業(yè)性的具有一定規(guī)模的壓力容器的設(shè)計(jì)和制造，起于五十年代初期。1980年起，壓力容器設(shè)計(jì)方面依據(jù)為：《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定》和《鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定》。GB1501998《鋼制壓力容器》是強(qiáng)制性的壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼制壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收作出具體的規(guī)定。是壓力容器的基本標(biāo)準(zhǔn)。，按壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T47351997《鋼制焊接常壓容器》的規(guī)定。臥式容器和立式容器的設(shè)計(jì)尚應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB47102000《鋼制塔式容器》和JB47312005《鋼制臥式容器》的規(guī)定。GB1511999《管殼式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)，是用鋼、鋁、銅、鈦和鎳等材料制造的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)制造和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)?；ば袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG20580～HG20585–1998， 是針對(duì)化工設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)鋼制壓力容器設(shè)計(jì)和制造方面提出更詳細(xì)的規(guī)定，有關(guān)設(shè)計(jì)方面的標(biāo)準(zhǔn)是： HG205801998 《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定》 HG205811998 《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》 HG205821998 《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》 HG205831998 《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》 其它配套標(biāo)準(zhǔn)如零部件如封頭、法蘭、支座、加固圈等標(biāo)準(zhǔn)，材料標(biāo)準(zhǔn)、焊接標(biāo)準(zhǔn)等已日趨完備。1．5 D1級(jí)和D2級(jí)壓力容器說明 根據(jù)《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)單位資格許可與管理規(guī)則》第三條規(guī)定， 壓力容器設(shè)計(jì)類別和級(jí)別的劃分是：（一）A類、（二）C類、（三）D類和（四）SAD類。其中D類又分：D1級(jí)和D2級(jí)。1．D1級(jí) 系指第一類壓力容器2．D2級(jí) 系指第二類低、中壓容器第一類和第二類的具體劃分見《容規(guī)》第6條的規(guī)定。注：壓力等級(jí)的劃分是：按容器的設(shè)計(jì)壓力P的大小，其中：（一） 低壓（代號(hào)L）≤ P ＜（二） 中壓（代號(hào)M）≤ P ＜10MPa二 GB1501998《鋼制壓力容器》 GB1501998《鋼制壓力容器》（簡稱GB150），包括正文十章和八個(gè)附錄。 十章正文目次是：①范圍；②引用標(biāo)準(zhǔn)；③總論；④材料；⑤內(nèi)壓圓筒和內(nèi)壓球殼；⑥外壓圓筒和外壓球殼；⑦封頭；⑧開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)；⑨法蘭；⑩制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收。 八個(gè)附錄中，屬于標(biāo)準(zhǔn)的附錄有：附錄A 材料的補(bǔ)充規(guī)定；附錄B 超壓泄放裝置；附錄C 低溫壓力容器；附錄D 非圓形截面容器。屬于提示的附錄有：附錄F 鋼材的高溫性能；附錄G 密封結(jié)構(gòu)；附錄H 材料的指導(dǎo)性規(guī)定；附錄J 焊接結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的附錄E 產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗(yàn)，已被新發(fā)布的JB47442000《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能試驗(yàn)》所代替。1．范圍GB1501998《鋼制壓力容器》規(guī)定了“鋼制壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收要求”。即是說：GB150是碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼制的壓力容器，在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收的整個(gè)過程中，必須遵守的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定適用的壓力容器的設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍是：容器的設(shè)計(jì)壓力不大于35MPa；適用的設(shè)計(jì)溫度范圍按鋼材允許的使用溫度而定。對(duì)于D類壓力容器，設(shè)計(jì)壓力范圍應(yīng)小于10MPa。，還規(guī)定出不屬該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的各類壓力容器，其中有：直接用火焰加熱的容器；核能裝置中的容器；經(jīng)常搬運(yùn)的容器； 的容器；；要求作疲勞分析的容器；內(nèi)直徑小于150 mm的容器；此外，還有旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備中自成整體的受壓器室，以及已有其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的容器，諸如制冷、制糖、造紙、飲料和搪玻璃容器等。2．標(biāo)準(zhǔn) 在GB150所列的引用標(biāo)準(zhǔn)中包括GB 、GB/T、JB 和JB/T四種代號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)分為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和推薦性標(biāo)準(zhǔn)（推薦性標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)采用，即具有強(qiáng)制性的性質(zhì)）。GB/T是推薦性的國家標(biāo)準(zhǔn)，JB是機(jī)械工業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JB/T是機(jī)械工業(yè)推薦性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而JB或JB/T中排號(hào)為4XXX號(hào)碼的，規(guī)定為壓力容器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。例如：國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)：GB66541996《壓力容器用鋼板》； GB423792《不銹鋼熱軋鋼板》國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)：GB/T22994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》；GB/T180492《一般公差 線性尺寸的未注公差》壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JB47082000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》；JB/T47092000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)被引用，即構(gòu)成該標(biāo)準(zhǔn)的條文。在GB150第2章中，列了45個(gè)引用標(biāo)準(zhǔn)。從2004年4月1日起尚應(yīng)實(shí)施下列標(biāo)準(zhǔn)：JB/T47362002 《補(bǔ)強(qiáng)圈》JB/T47462002 《鋼制壓力容器用封頭》JB/T47472002 《壓力容器用鋼焊條訂貨技術(shù)條件》JB/T47112003 《壓力容器涂敷與運(yùn)輸包裝》3．總論 在“總論”一章中，對(duì)下列的8個(gè)方面作了規(guī)定：①標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)法規(guī)和規(guī)章的關(guān)系；②設(shè)計(jì)和制造壓力容器單位的資格和職責(zé)；③容器的范圍；④壓力、溫度和厚度的定義；⑤設(shè)計(jì)參數(shù)選用的一般規(guī)定；⑥材料許用應(yīng)力確定的依據(jù)和取值的規(guī)定；⑦焊接接頭系數(shù)的確定；⑧壓力試驗(yàn)（液壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)）和試驗(yàn)壓力的規(guī)定。3．1《條例》對(duì)設(shè)計(jì)單位的規(guī)定《條例》第十一條規(guī)定：壓力容器的設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)經(jīng)國務(wù)院特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門許可，方可從事壓力容器的設(shè)計(jì)活動(dòng)。（一）有與壓力容器設(shè)計(jì)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)、審核人員；（二）有與壓力容器設(shè)計(jì)相適應(yīng)的健全的管理制度和責(zé)任制度。3．2 GB1501998對(duì)設(shè)計(jì)單位的資格和職責(zé)規(guī)定資格 容器的設(shè)計(jì)單位必須具備健全的質(zhì)量管理體系，應(yīng)持有壓力容器設(shè)計(jì)單位批準(zhǔn)書，壓力容器的設(shè)計(jì)必須接受國家質(zhì)檢總局相關(guān)安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)的監(jiān)察。職責(zé) 應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)文件的正確性和完整性負(fù)責(zé)。容器的設(shè)計(jì)文件至少應(yīng)包括設(shè)計(jì)計(jì)算書和設(shè)計(jì)圖樣。容器設(shè)計(jì)總圖應(yīng)蓋有容器設(shè)計(jì)資格印章。3．3 管轄的容器范圍劃定GB150管轄的容器，其范圍包括殼體及與其連為整體的受壓零部件，且劃定在下列范圍內(nèi)。3．3．1 容器與外部管道連接：焊接連接的第一道環(huán)向接頭坡口端面；螺紋連接的第一個(gè)螺紋接頭端面；法蘭連接的第一個(gè)法蘭密封面；3．3．2 接管、人孔、手孔等的承壓封頭、平蓋及其緊固件。3．3．3 非受壓元件與受壓元件的焊接接頭。接頭以外的元件，如加強(qiáng)圈、支座、裙座等。3．3．4 超壓泄放裝置和儀表附件。 。3．4 定義及含義3．4．1 壓力 除注明者外，均指表壓力。3．4．2 工作壓力（PW） 指在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。3．4．3 設(shè)計(jì)壓力（P） 指設(shè)定容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不得低于工作壓力。即P≥PW。3．4．4 計(jì)算壓力（PC） 指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。故PC≥P；3．4．5 試驗(yàn)壓力（Pt） 指壓力試驗(yàn)時(shí)，容器頂部的壓力。注：試驗(yàn)用壓力表口設(shè)計(jì)位置應(yīng)位于容器頂部。3．4．6 設(shè)計(jì)溫度 指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件。3．4．7 試驗(yàn)溫度 指壓力試驗(yàn)時(shí)，殼體金屬的溫度。3．4．8 各種厚度3．4．8．1 計(jì)算厚度δ 指按厚度計(jì)算公式計(jì)算得到的厚度。3．4．8．2 設(shè)計(jì)厚度δd 指計(jì)算厚度（δ）與腐蝕裕量（C2）之和。即 δd = δ+C2, 因此δd ≥ δ3．4．8．3 名義厚度δn 指設(shè)計(jì)厚度（δd ）加上鋼材厚度負(fù)偏差（C1）后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。即標(biāo)在圖樣上的厚度。 δn≥（δd + C1）3．4．8．4有效厚度δe 指名義厚度（δn）減去腐蝕裕量（C2）和鋼材厚度負(fù)偏（C1）。δe =δnC1C2=δn（C1+C2）=δnC（厚度附加量） 注：如設(shè)定圓整量為C3，各厚度的關(guān)系為： δn=δ+ C1+ C2+ C3 δe=δ+ C3=δn（C1+C2） δd =δ+ C23．5 設(shè)計(jì)的一般規(guī)定設(shè)計(jì)的一般規(guī)定，是對(duì)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、載荷、壁厚附加量和最小厚度選用等的規(guī)定。3．5．1 設(shè)計(jì)壓力（P）的確定 1)內(nèi)壓容器①容器上裝有超壓泄放裝置（安全閥）時(shí)，容器的設(shè)計(jì)壓力確定的步驟如下：確定安全閥的開啟壓力PZ ,取PZ≤（～） PW＜，可適當(dāng)提高PZ相對(duì)于PW 的比值。再令P≥ PZ 。②容器上裝有爆破片：P = P b + ΔP 式中：P b為設(shè)計(jì)爆破壓力，其其值等于最低標(biāo)定爆破壓力Ps min加上所選爆破片爆破范圍的下限（取絕對(duì)值）；Δp 為爆破片制造范圍上限。最低標(biāo)定爆破壓力Ps min和上下限查表B2和表B3。③容器上無安全閥，但出口管線有安全閥：P≥P z +Δh. Δh為容器到安全閥的壓力降。④容器的壓力源如與泵直接連接，則可有下列情況：容器位于泵的出口側(cè)，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)取下述情況中的大值，泵正常入口壓力+正常工作揚(yáng)程；泵最大入口壓力+正常工作揚(yáng)程；泵正常入口壓力+出口全關(guān)閉時(shí)的揚(yáng)程。容器位于泵（壓力源）的進(jìn)口側(cè)，且無安全泄放裝置時(shí)，取P=（～）Pw,并以 P=。2）外壓、真空容器及夾套容器（按外壓設(shè)計(jì)）①確定外壓容器的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，應(yīng)考慮在正常情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。②確定真空容器的殼體厚度時(shí)，設(shè)計(jì)壓力按承受外壓考慮。當(dāng)裝有真空泄放閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力P= 式中ΔP為最大內(nèi)外壓力差，或 P=。未裝真空泄放閥時(shí)，取P=。③夾套容器：帶內(nèi)壓夾套的真空容器：內(nèi)筒為真空，設(shè)計(jì)壓力=真空設(shè)計(jì)的外壓力（按②條）+夾套內(nèi)壓力。夾套按內(nèi)壓計(jì)算。帶真空夾套的內(nèi)壓容器（即夾套為負(fù)壓，內(nèi)筒為正壓）：內(nèi)筒的設(shè)計(jì)壓力=內(nèi)筒的壓力+，并核對(duì)在夾套試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性；夾套按②考慮。3）盛裝液化氣體的容器對(duì)盛裝液化氣體的容器，在規(guī)定的充裝系數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。設(shè)計(jì)壓力按《容規(guī)》第34條的規(guī)定。常見介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力按《容規(guī)》第36條中表33的規(guī)定。由于液化氣體多屬有毒或易燃性質(zhì)，且設(shè)計(jì)壓力多數(shù)為中壓，因此應(yīng)注意設(shè)計(jì)的范圍，分辨容器的類別。3．5．2 設(shè)計(jì)溫度的確定 設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度。在任何狀況下，元件金屬表面的溫度不得超過金屬的允許使用溫度。對(duì)于00C以下的金屬溫度，設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。3．5．3有不同工況的容器 對(duì)有不同工況的容器，應(yīng)按最苛刻的工況設(shè)計(jì)，并在圖樣或相應(yīng)技術(shù)文件中注明各工況的壓力和溫度值。3．5．4 載荷 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的載荷有：內(nèi)壓、外壓或最大壓力差；液體靜壓力；根據(jù)容器的具況，還可能考慮自重，內(nèi)件重和附屬設(shè)備等等的影響（詳見GB15O的3．5．4條中的內(nèi)容）。3．5．5 厚度附加量 厚度附加量C由鋼材厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2兩部分組成。 C = C1 + C2鋼材厚度負(fù)偏差C1按鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；，且不超過名義厚度的6%時(shí)，厚度負(fù)偏差C1可忽略不計(jì)。如選用GB66541996《壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)，其厚度負(fù)偏差C1可忽略不計(jì)。腐蝕裕量C2 為防止容器元件由于腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)至厚度的削弱減薄，應(yīng)考慮腐蝕裕量。對(duì)有腐蝕或磨損的零件，應(yīng)根據(jù)預(yù)期的容器壽命和介質(zhì)對(duì)鋼材的腐蝕速率而定。 注：腐蝕分類：①均勻腐蝕 金屬表面出現(xiàn)各部分的腐蝕速度大致相同的連續(xù)腐蝕；②非均勻腐蝕 金屬表面各部分具有不同速度的連續(xù)性破壞；③局部腐蝕 局部發(fā)生腐蝕，如點(diǎn)蝕（呈一個(gè)個(gè)的點(diǎn)狀）和斑點(diǎn)腐蝕（呈一個(gè)個(gè)的斑點(diǎn)狀）；④應(yīng)力腐蝕 由侵蝕介質(zhì)和應(yīng)力同時(shí)作用下所導(dǎo)致的腐蝕；⑤晶間腐蝕 是金屬晶粒界面的腐蝕。標(biāo)準(zhǔn)中的材料的腐蝕速率，是對(duì)于均勻腐蝕而言，亦即鋼材表面的腐蝕速率（毫米/年）各處基本相同。腐蝕裕量C2 = 腐蝕速率 X 設(shè)計(jì)使用年限 （毫米/年 X 年 = 毫米）在考慮腐蝕的同時(shí)，也應(yīng)考慮容器可能發(fā)生的機(jī)械磨損。此外，由于金屬所處的介質(zhì)情況（如介質(zhì)的腐蝕性、濃度和溫度）不同，腐蝕程度不同，因此，采用不同的腐蝕裕量。GB150中規(guī)定“介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣的碳素鋼或低合金鋼制容器，腐蝕裕量不少于1 mm”。3．5．6 最小厚度 容器在較低