1、1压力容器设计压力容器设计培训培训2 一范围、引用标准、总论一范围、引用标准、总论标准的适用范围（标准的适用范围（1.11.11.21.2节）节）适用的压力范围适用的压力范围 设计压力设计压力P P：0.10.135 MPa 35 MPa 真空度：真空度：0.02 MPa0.02 MPa -.-.-.-.-0.1 -0.02 0.1 35MPa 真空容器真空容器 常压容器常压容器 压力容器压力容器 GB150 JB/T4735 GB150GB150 JB/T4735 GB150GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器上海化工研究院王鲁上海化工研究院王鲁3容规与GB150的适用情况介绍4适用
2、的温度范围：钢材允许的使用温度。适用的温度范围：钢材允许的使用温度。碳素钢和碳锰钢在高于碳素钢和碳锰钢在高于425425温度下长期使用时温度下长期使用时应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向.奥氏体钢的使用温度高于奥氏体钢的使用温度高于525525时时,钢中含碳量应不钢中含碳量应不小于小于0.04%0.04%2 2.不适用范围不适用范围 （1.31.3节）节）3.3.对超出标准范围的容器的处理办法（对超出标准范围的容器的处理办法（1.41.4节）节）-包括有限元法在内的应力分析；包括有限元法在内的应力分析；-验证性实验分析（如实验应力分析、验证性液压验证性实验分析（如实验
3、应力分析、验证性液压 试验）；试验）；-用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。5 4.4.引用标准；引用标准；5.5.总论：总论：（1 1）GB150GB150管辖范围：（管辖范围：（3.3.13.3.1节节3.3.43.3.4节节容器壳体及与其连为整体的受压零部件容器壳体及与其连为整体的受压零部件 1 1）容器与外部管道连接）容器与外部管道连接 焊缝连接第一道环向焊缝端面焊缝连接第一道环向焊缝端面 法兰连接第一个法兰密封面法兰连接第一个法兰密封面 螺纹连接第一个螺纹接头端面螺纹连接第一个螺纹接头端面 专用连接件第一个密封面专用连接件第一个密封面6
4、2 2）接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件）接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件3 3）非受压元件与受压元件焊接接头（如支座、垫板、吊）非受压元件与受压元件焊接接头（如支座、垫板、吊耳等）耳等）4 4）连接在容器上的超压泄放装置）连接在容器上的超压泄放装置 （2 2）定义：（）定义：（3.43.4节）节）1)1)压压 力力 除注明者外，压力均为表压力。除注明者外，压力均为表压力。压力（压力（6 6个压力）个压力）:P Pw w工作压力；工作压力；P Pd d-设计压力；设计压力；P Pc c计算压力；计算压力；P Pt t试验压力；试验压力；P Pwmaxwmax最大允许工作压力；最大允
5、许工作压力；Pz Pz 安全泄放装置动作压力安全泄放装置动作压力 P Pw wP Pz z(1.05-1.1)P(1.05-1.1)Pw w P Pd d P Pz z 7v设计压力同计算压力的区别设计压力同计算压力的区别 （1 1）定义不同。）定义不同。（2 2）性质不同。）性质不同。（3 3）取值依据不同。）取值依据不同。（4 4）用途不同。）用途不同。（5 5）对于矩形等非圆形截面的压力容器，计算压力应）对于矩形等非圆形截面的压力容器，计算压力应取其水压试验时的压力，即检验和使用过程中的最大承载取其水压试验时的压力，即检验和使用过程中的最大承载压力。（与设计压力没有直接关系。）压力。（与
6、设计压力没有直接关系。）（6 6）设计压力出现在压力容器总图或装配图的技术特）设计压力出现在压力容器总图或装配图的技术特性表和压力容器产品铭牌；而计算压力只出现在压力容器性表和压力容器产品铭牌；而计算压力只出现在压力容器的计算书。的计算书。v关于最大允许工作压力关于最大允许工作压力 最大允许工作压力定义为：在设计温度下，容器顶部最大允许工作压力定义为：在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器各部分壳体所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器各部分壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。的有效厚度计算所得，且取最小值。8v2)温温 度度T Tw w 在正常工况下元件的金属温度，
7、实际工程中，往往以在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往以介质的温度表示工作温度。介质的温度表示工作温度。T Tt t 压力试验时元件的金属温度，工程中也往往以试验介压力试验时元件的金属温度，工程中也往往以试验介质温度来表示试验温度。质温度来表示试验温度。T Td d 在正常工况下，元件的金属截面的平均温度，由于金在正常工况下，元件的金属截面的平均温度，由于金属壁面温度计算很麻烦，一般取介质温度加或减属壁面温度计算很麻烦，一般取介质温度加或减10-10-2020得到。得到。关于设计温度关于设计温度:设计温度指容器在正常工作的情况下，设定的受压设计温度指容器在正常工作的情况下，设定的受压元
8、件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。它元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。它与设计压力一起作为设计载荷条件。不过，有别于设计与设计压力一起作为设计载荷条件。不过，有别于设计压力是整台容器的载荷条件；设计温度是具体受压元件压力是整台容器的载荷条件；设计温度是具体受压元件的载荷条件。的载荷条件。9v 总图或装配图的技术特性表及产品铭牌上标示的设计温总图或装配图的技术特性表及产品铭牌上标示的设计温 度是壳体设计温度的最高值或最低值，可以视为与设计度是壳体设计温度的最高值或最低值，可以视为与设计 压力对应的整台容器的设计载荷条件。压力对应的整台容器的设计载荷条件。工作温度、设计温度的
9、表达工作温度、设计温度的表达 工作温度、设计温度分别为介质温度和设定的元件金属工作温度、设计温度分别为介质温度和设定的元件金属温度。应当以具体数值标示。温度。应当以具体数值标示。（3 3）载荷：经常性载荷；选择性载荷；（）载荷：经常性载荷；选择性载荷；（3.5.43.5.4节）节）（4 4）厚度：厚度的定义：计算厚度；设计厚度；名义厚度；）厚度：厚度的定义：计算厚度；设计厚度；名义厚度；有效厚度等；有效厚度等；（3.4.83.4.8节）节）10壁厚（壁厚（6 6个厚度）个厚度）c c 计算厚度，由计算公式得到保证容器强度，刚度和稳计算厚度，由计算公式得到保证容器强度，刚度和稳定的厚度定的厚度d
10、 d 设计厚度，设计厚度，d d=c c+C+C2 2（腐蚀裕量）（腐蚀裕量）n n 名义厚度，名义厚度，n n=d d+C+C1 1（钢材负偏差）（钢材负偏差）+（圆整量）（圆整量）e e 有效厚度，有效厚度，e e=n n-C-C1 1-C-C2 2=c c+minmin 设计要求的成形后最小厚度，设计要求的成形后最小厚度，minminn n-C-C1 1 坯坯 坯料厚度坯料厚度坯坯=d d+C+C1 1+C+C3 3（其中：（其中：C C3 3 制造减簿量，主要考虑材料（黑色，有色）、制造减簿量，主要考虑材料（黑色，有色）、工艺（模压，旋压；冷压，热压），所以工艺（模压，旋压；冷压，热压
11、），所以C C3 3值一般由制值一般由制造厂定。）造厂定。）1112 1.“1.“在设计图样上注明计算厚度在设计图样上注明计算厚度”的讨论的讨论:1)1)对卧式容器不开检查孔时，应取卧式容器计算所采用的有对卧式容器不开检查孔时，应取卧式容器计算所采用的有效厚度和按效厚度和按“中径公式中径公式”计算得到的厚度两者中的较大值。计算得到的厚度两者中的较大值。2)2)对于有开孔补强计算的容器应当考虑补强这一因素。即根对于有开孔补强计算的容器应当考虑补强这一因素。即根据圆筒、封头是否参与补强，若参与补强的话，则据圆筒、封头是否参与补强，若参与补强的话，则“计算厚计算厚度度”尚应加上参与补强金属（尚应加上
12、参与补强金属（A1A1）所要求的厚度）所要求的厚度.此时，如此时，如采用等面积补强法，采用等面积补强法，“计算厚度计算厚度”应采用如下形式：应采用如下形式：2=A1/2=A1/（B-dB-d）-2-2（nt-Cnt-C）(1-fr)+1(1-fr)+1 式中：式中：A1-A1-壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mmmm2 2 1-1-按按GB150-1998GB150-1998各章计算的厚度；各章计算的厚度；mmmm 2-2-容规容规笫笫4747条要求的计算厚度；条要求的计算厚度；mmmm 此时，笫一项为壳体参与补强所需厚度，笫二项为此时，笫一项为壳体
13、参与补强所需厚度，笫二项为GB150-1998GB150-1998中各章公式所要求的厚度。显然，如果少了笫一中各章公式所要求的厚度。显然，如果少了笫一项就会迼成局部不安全。项就会迼成局部不安全。13 3)3)受外压的容器壳体和封头的计算厚度。受外压的容器壳体和封头的计算厚度。在在GB150-1998GB150-1998笫六章笫六章“外压圆筒和外压球壳外压圆筒和外压球壳”中，只有中，只有名义厚度名义厚度nn和有效厚度和有效厚度e,e,并没有直接出现外压壳体的计并没有直接出现外压壳体的计算厚度算厚度。此时，计算厚度。此时，计算厚度应按照相应外压壳体的计算方应按照相应外压壳体的计算方法得出的法得出的
14、P=PP=PC C (P:(P:许用外压力；许用外压力；P PC C ：计算外压力：计算外压力 )时时的有效厚度。如果是外压容器的开孔补强问题，则更增加了的有效厚度。如果是外压容器的开孔补强问题，则更增加了判断的难度。判断的难度。2.2.对对“标注封头成型后的最小厚度标注封头成型后的最小厚度”的讨论。的讨论。JB/T4746-2002JB/T4746-2002钢制压力容器用封头钢制压力容器用封头6.3.106.3.10规定规定:“对于按规则设计的封头对于按规则设计的封头,成型封头实测的最小厚度不得小成型封头实测的最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差C1
15、,C1,但是，当设计图样但是，当设计图样标注了封头成型后的最小厚度，可按实测的最小厚度不小于标注了封头成型后的最小厚度，可按实测的最小厚度不小于图样标注的最小厚度验收。对于按分析设计的封头，实测的图样标注的最小厚度验收。对于按分析设计的封头，实测的最小厚度不得小于封头设计厚度最小厚度不得小于封头设计厚度14 厚度负偏差厚度负偏差C C1 1 腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2 C C2 2=N=Nf fdCdC2 2 N Nf f设计寿命。单位：年设计寿命。单位：年;dC dC2 2腐蚀速率腐蚀速率;单位：毫米单位：毫米/年年 腐蚀裕量考虑的原则腐蚀裕量考虑的原则 腐蚀裕量的选取腐蚀裕量的选取 腐蚀
16、程度腐蚀程度不腐蚀不腐蚀轻微腐轻微腐蚀蚀腐蚀腐蚀重腐蚀重腐蚀 腐蚀速率腐蚀速率 （年）（年）.05.050.05-0.05-0.130.130.130.13-0.250.250.25 0.25 腐蚀裕量（）腐蚀裕量（）0 01 1 223315（5 5）壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度；）壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度；（3.5.63.5.6节）节）1 1）.对碳钢和低合金钢制容器对碳钢和低合金钢制容器,不小于不小于3mm3mm；2 2）.对高合金钢容器对高合金钢容器,不小于不小于2mm2mm；3 3）.碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为
17、2/10002/1000的的塔器内直径塔器内直径,且不小于且不小于4mm;4mm;对不锈钢制塔式容器的最小厚度对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于不小于3mm3mm；4 4）.管壳式换热器壳体的最小厚度应符合管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB151GB151管壳式换管壳式换热器热器的相应规定。的相应规定。5)5)复合钢板复层的最小厚度复合钢板复层的最小厚度 a.a.为保证工作介质干净（不被铁离子污染）而采用的复为保证工作介质干净（不被铁离子污染）而采用的复合钢板，其复层厚度不应小于合钢板，其复层厚度不应小于2mm2mm；b.b.为了防止工作介质的腐蚀而采用的复合钢板，其复层为了防止工作介质的腐
18、蚀而采用的复合钢板，其复层厚度不应小于厚度不应小于3mm3mm；不锈钢堆焊层在加工后的最小厚度为不锈钢堆焊层在加工后的最小厚度为3mm3mm。6)6)对有防腐蚀衬里的碳钢或低合金钢制容器，其钢壳的最对有防腐蚀衬里的碳钢或低合金钢制容器，其钢壳的最小厚度为小厚度为5mm5mm。16 6 6）焊接接头系数：（）焊接接头系数：（3.73.7节）节）焊接接头系数焊接接头系数=焊缝区材料强度焊缝区材料强度/本体材料强度本体材料强度11 焊接接头系数大小与以下主要因素有关：焊接接头系数大小与以下主要因素有关：a.a.焊接接头的结构形式焊接接头的结构形式 b.b.焊接接头无损检测的长度比例焊接接头无损检测的
19、长度比例（7 7）压力试验：液压试验、气压试验（）压力试验：液压试验、气压试验（3.83.8节）；节）；a.a.液压试验液压试验 试验温度试验温度 试验压力试验压力 b.b.气压试验气压试验 试验温度试验温度 试验压力试验压力17 设计中应注意：设计中应注意：1 1）对于带夹套的容器对于带夹套的容器 2 2）直立设备卧置进行液压试验）直立设备卧置进行液压试验 3 3）奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验）奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验 4 4）碳素钢、）碳素钢、Q345RQ345R、和正火、和正火15MVR15MVR钢制容器液压试验钢制容器液压试验 5)5)若容器各元件（圆筒、封头、
20、接管、法兰及紧固件等）若容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）所用的材料不同时所用的材料不同时 6 6）重叠管壳式热交换器）重叠管壳式热交换器 7 7）容器在液压试验后，如进行修补，则应按该焊缝的原检）容器在液压试验后，如进行修补，则应按该焊缝的原检 测内容检测合格后，再次进行液压试验。测内容检测合格后，再次进行液压试验。8 8）对设计图样要求做气压试验，并经检查合格的压力容器）对设计图样要求做气压试验，并经检查合格的压力容器 是否需再做气是否需再做气密性密性试验，应在设计图样上规定。试验，应在设计图样上规定。18v液压试验时，圆筒的薄膜应力校核式液压试验时，圆筒的薄膜应力校核式eeD
21、iPT2)(T=0.9s(0.2)气压试验时气压试验时,圆筒的薄膜应力校核式圆筒的薄膜应力校核式T=eeDiPT2)(0.8s(0.2)（8 8）致密性试验）致密性试验 致密性试验有气密性试验或煤油渗漏试验。致密性试验有气密性试验或煤油渗漏试验。致密性试验压力一般取致密性试验压力一般取 P PT T=1.0P=1.0P(空气或氮气空气或氮气)19 （9 9）现场组装大型容器的耐压试验：（）现场组装大型容器的耐压试验：（3.93.9节）节）对不能按对不能按3.83.8的规定作出压力试验的容器的规定作出压力试验的容器,设计单位应提设计单位应提出确保容器安全运行的措施出确保容器安全运行的措施,经设计
22、单位技术负责人批准经设计单位技术负责人批准,并在图样上注明并在图样上注明.v关于压力试验的免除关于压力试验的免除 压力试验一旦免除，应当采取相应的措施来保证压力容压力试验一旦免除，应当采取相应的措施来保证压力容器的安全质量。器的安全质量。一般性的措施除了在图样中注明计算厚度和设计使用寿一般性的措施除了在图样中注明计算厚度和设计使用寿命外，还有：命外，还有：（1 1）提高对压力容器材料的要求，包括化学成分、力）提高对压力容器材料的要求，包括化学成分、力学性能和检验要求。学性能和检验要求。（2 2）提高结构设计要求：尽量采用全焊透接头，尽量）提高结构设计要求：尽量采用全焊透接头，尽量避免几何不连续
23、。避免几何不连续。（3 3）提高无损检测的比例和级别。）提高无损检测的比例和级别。（4 4）提高容器超压泄放的能力。）提高容器超压泄放的能力。20v二内压园筒和内压球壳：二内压园筒和内压球壳：v失效准则失效准则 容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破；因此容器强度失效准则的三种观点：塑性变形、爆破；因此容器强度失效准则的三种观点：v弹性失效弹性失效 弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体壳体即失效，将应力限
24、制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。的最大极限。v塑性失效塑性失效 它将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服它将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。v爆破失效爆破失效 它认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便它认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，
25、即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限容器承载的最大极限21v四个强度理论四个强度理论:第一强度理论（最大主应力理论）第一强度理论（最大主应力理论）认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力1 1达到了极达到了极 限应力，材料就发生破坏。限应力，材料就发生破坏。强度条件：强度条件：1 1 t t 第二强度理论（最大变形理论）第二强度理论（最大变形理论）认为材料的最大的应变达到了极限状态，材料就发生破认为材料的最大的应变达到了极限状态，材料就发生破 坏。坏。强度条件：强度条件
26、：maxmax 第三强度理论（最大剪应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）材料的最大剪应力材料的最大剪应力maxmax达到了极限应力，材料就发生达到了极限应力，材料就发生破坏。破坏。强度条件：强度条件：max=1/2max=1/2（1 1-3 3）t t22第四强度理论（剪切变形能理论）第四强度理论（剪切变形能理论）材料变形时，即内部变形能量达到材料的极限值时，材材料变形时，即内部变形能量达到材料的极限值时，材料料就发生就发生破坏。破坏。强度条件：强度条件：e=1/2(e=1/2(1 1-2 2)2 2+(+(2 2-3 3)2 2+(+(3 3-1 1)2 2 t t v薄壁圆筒容器在工程
27、中采用无力矩理论来进行应力计算，薄壁圆筒容器在工程中采用无力矩理论来进行应力计算，在内压在内压P P作用下，筒壁承受轴向应力和切向应力（薄膜应作用下，筒壁承受轴向应力和切向应力（薄膜应力）作用。由于壳体壁厚较薄，且不考虑壳体与其它连接力）作用。由于壳体壁厚较薄，且不考虑壳体与其它连接处的局部应力，忽略了弯曲应力，处的局部应力，忽略了弯曲应力，这种应力称为薄膜应这种应力称为薄膜应力。力。234PD2PD 轴向应力轴向应力 zz=切向应力切向应力 t=t=按第一强度理论条件得按第一强度理论条件得 1=t=2PD t 242)(iDPt t 由上式由上式 计算厚度计算厚度:=:=CticPDP2 上
28、式适用于设计压力上式适用于设计压力P0.4t的范围。的范围。相当于相当于K1.51.5 这是以这是以K1.2 K1.2 薄壁容器内径公式导出，认为应力是均薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。随壁厚增加匀分布。随壁厚增加K K值增大，应力分布不均匀程度加大，值增大，应力分布不均匀程度加大，当当K=1.5K=1.5时，由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低时，由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低23%23%，误差较大；当采用（，误差较大；当采用（Di+Di+）替代）替代DiDi内径后，则其应内径后，则其应力仅相差力仅相差3.8%3.8%，这样扩大了公式应用范围（，这样扩大了公式应用范围
29、（K1.5K1.5），误），误差在工程允许范围内。差在工程允许范围内。25(2)(2)内压球壳内压球壳4PD 球形容器在均匀内压作用下，球形壳体轴向应力和切向球形容器在均匀内压作用下，球形壳体轴向应力和切向应力相等。即应力相等。即 1 1 =z z=t t=上述公式中，如将上述公式中，如将D=Di+代入并考虑了焊接接头系数代入并考虑了焊接接头系数，如采用第一强度理论时，即得出如采用第一强度理论时，即得出eeDiP4)(t=PcPcDit 4mm;P0.6t26（3 3）设计参数的确定）设计参数的确定1）设计压力）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容器设计时，必须考虑在工
30、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况下的工作压力来确定设计压力。对内压容器对内压容器:无安全泄放装置无安全泄放装置 时时:Pd=(1.01.1)PW；装有安全阀装有安全阀 时时:不低于不低于(等于或稍大于等于或稍大于)安全阀开启压力安全阀开启压力(安全安全阀开启压力取阀开启压力取1.051.10倍工作压力倍工作压力)装有爆破片装有爆破片 时时:取爆破片设计爆破压力加制造范围上限；取爆破片设计爆破压力加制造范围上限；27 对真空容器对真空容器:无夹套真空容器无夹套真空容器:有
31、安全泄放装置设计外压力取有安全泄放装置设计外压力取1.251.25倍最大内外压力差或倍最大内外压力差或0.1MPa0.1MPa两者中的小值；无安全泄放装两者中的小值；无安全泄放装置设计外压力取置设计外压力取0.1Mpa0.1Mpa；夹套内为内压夹套内为内压:容器容器(真空真空)设计外压力按无夹套真空容设计外压力按无夹套真空容器规定选取器规定选取;夹套夹套(内压内压)设计内压力按内压容器规定选取；设计内压力按内压容器规定选取；外外 压压 容容 器器 :设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最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大内外压力差 28 盛装液化石油气或混合液
32、化石油气的容器盛装液化石油气或混合液化石油气的容器:介质介质5050饱和蒸汽压力低于异丁烷饱和蒸汽压力低于异丁烷5050的饱和蒸汽压力的饱和蒸汽压力时时(如丁烷、丁烯、丁二烯如丁烷、丁烯、丁二烯):设计压力取设计压力取0.79MPa0.79MPa.介质介质5050饱和蒸汽压力高于异丁烷饱和蒸汽压力高于异丁烷5050的饱和蒸汽压力的饱和蒸汽压力时时(如液态丙烷如液态丙烷)1.77Mpa)1.77Mpa.介质介质5050饱和蒸汽压力高于丙烷饱和蒸汽压力高于丙烷5050的饱和蒸汽压力时的饱和蒸汽压力时(如液态丙烯如液态丙烯)2.16MPa)2.16MPa 2 2）设计温度）设计温度 设计温度不得低于
33、元件金属在工作状态可能达到的最高温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。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。用温度。29 当金属温度不可能通过传热计算或实测结果确定时，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：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）时容器器壁与介质直接接触且有外保温（或保冷）时 a.a.设计温度选取设计温度选取介质工作温度介质工作温度T T设设 计计 温温 度度T T-20-20介质最低工作温介质最低工作温度度介质工作温度减介质工作温度减0 0
34、 1010-20T15-20T15介质最低工作温介质最低工作温度度介质工作温度减介质工作温度减5 5 1010T T1515介质最高工作温介质最高工作温度度介质工作温度加介质工作温度加1515 3030注：当最高（低）工作温度不明确时，按表中的注：当最高（低）工作温度不明确时，按表中的确定。确定。30 b.b.容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件（如加热容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件（如加热盘管、电热元件等）间接加热时，设计温度取最高工作温度。盘管、电热元件等）间接加热时，设计温度取最高工作温度。c.c.容器器壁两侧与不同温度介质直接接触而可能出现单一容器器壁两侧与不同温度介质直
35、接接触而可能出现单一介质接触时，应以较高一侧的工作温度为基准确定设计温度，介质接触时，应以较高一侧的工作温度为基准确定设计温度，当任一介质温度低于当任一介质温度低于-20-20时，则应以该侧的工作温度为基时，则应以该侧的工作温度为基准确定最低设计温度。准确定最低设计温度。d.d.安装在室外无保温的容器，当最低设计温度受地区环境安装在室外无保温的容器，当最低设计温度受地区环境温度控制时，可按以下规定选取：温度控制时，可按以下规定选取：（1 1）盛装压缩气体的储罐，最低设计温度取环境温度减）盛装压缩气体的储罐，最低设计温度取环境温度减33；（2 2）盛装液体体积占容积）盛装液体体积占容积1/41/
36、4以上的储罐，最低设计温度取环以上的储罐，最低设计温度取环境温度。境温度。注：环境温度取容器安装地区历年来注：环境温度取容器安装地区历年来“月平均最低气温月平均最低气温”的最低值，的最低值，e.e.对裙座等室外钢结构，应以环境温度作为设计温度。对裙座等室外钢结构，应以环境温度作为设计温度。31 （4 4）边缘应力：）边缘应力：1 1）边缘应力的产生）边缘应力的产生 当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后，各自产生的变形是不一致的，相互产生约束后，各自产生的变形是不一致的，相互产生约束.称为变称为变形不连续形不连续,这时，除内压产生的膨胀外
37、，还会产生附加的这时，除内压产生的膨胀外，还会产生附加的弯曲变形。与弯曲相对应，壳壁内将产生弯矩和剪力，对弯曲变形。与弯曲相对应，壳壁内将产生弯矩和剪力，对薄壁壳体来说，由此产生的弯曲应力有时比薄膜应力大得薄壁壳体来说，由此产生的弯曲应力有时比薄膜应力大得多，两连接件刚度相差越大，产生的应力也将越大多，两连接件刚度相差越大，产生的应力也将越大.在实际结构中，以圆筒与平盖连接时的边缘应力为最在实际结构中，以圆筒与平盖连接时的边缘应力为最大。该应力由于只发生在两连接件的边界处，所以称为边大。该应力由于只发生在两连接件的边界处，所以称为边缘应力或称为不连续应力缘应力或称为不连续应力。2)边缘应力的特
38、点：边缘应力的特点：由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：-局限性局限性-自限性自限性323）设计中对边缘应力的考虑：）设计中对边缘应力的考虑：由于边缘应力具有局限性，设计中可以在结构上只作局由于边缘应力具有局限性，设计中可以在结构上只作局部处理，例如改变连接处的结构，保证边缘焊接的质量，部处理，例如改变连接处的结构，保证边缘焊接的质量，降低边缘区的残余应力，避免边缘区附加的局部应力集中降低边缘区的残余应力，避免边缘区附加的局部应力集中（如应避免在边缘区开孔。）（如应避免在边缘区开孔。）只要是塑性材料，即使边缘区应力超过材料的屈服极限，
39、只要是塑性材料，即使边缘区应力超过材料的屈服极限，邻近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形的发展，使容器邻近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形的发展，使容器仍处于安定状态（安定性理论）。故大多数塑性材料所制仍处于安定状态（安定性理论）。故大多数塑性材料所制成的容器，如低碳钢、奥氏体不锈钢。当受静载荷时，除成的容器，如低碳钢、奥氏体不锈钢。当受静载荷时，除在结构上需作某些处理外，一般并不对边缘应力作特殊考在结构上需作某些处理外，一般并不对边缘应力作特殊考虑。虑。在下列情况下应考虑边缘应力在下列情况下应考虑边缘应力 a)塑性较差的高强度钢制压力容器塑性较差的高强度钢制压力容器 b)低温下操作的铁素体制的
40、重要压力容器低温下操作的铁素体制的重要压力容器 c)受疲劳载荷作用的压力容器受疲劳载荷作用的压力容器 d)受核幅射作用的压力容器受核幅射作用的压力容器33 这些压力容器，若不注意控制边缘应力，在边缘高应这些压力容器，若不注意控制边缘应力，在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲劳。因此必须正确计算边缘力区有可能导致脆性破坏或疲劳。因此必须正确计算边缘应力并按应力并按JB4732-95JB4732-95钢制压力容器钢制压力容器-分析设计分析设计进行设进行设计计.（5 5）压力容器的应力分析设计：）压力容器的应力分析设计：1 1常规设计常规设计 ：压力容器设计基本上是采用传统的设计：压力容器设计基本上
41、是采用传统的设计方法方法“常规设计常规设计”。常规设计是基于弹性失效准则，认。常规设计是基于弹性失效准则，认为容器内某一最大应力点一旦达到屈服限，进入塑性，丧为容器内某一最大应力点一旦达到屈服限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效失了纯弹性状态即为失效.2.分析设计：分析设计：“分析设计分析设计”从设计思想上来说，就是放从设计思想上来说，就是放弃了传统的弹性失效准则，采用弹塑性或弹性失效准则，允弃了传统的弹性失效准则，采用弹塑性或弹性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，采用这个准则，可以合理许结构出现可控制的局部塑性区，采用这个准则，可以合理地放松对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应
42、力值，地放松对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性但又严格地保证了结构的安全性。34 3 3应力分类应力分类 1 1）一次应力）一次应力P P 一次应力分为一次应力分为 一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力Pm Pm 一次弯曲应力一次弯曲应力PbPb 一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力PLPL 2 2）二次应力）二次应力Q Q 3 3）峰值应力）峰值应力F F 4 4应力的限制条件应力的限制条件 Pmt Pmt PL1.5t (PL1.5t (极限载荷设计法极限载荷设计法)Pb+PL1.5t Pb+PL1.5t ；Pm+PL1.5tPm+PL1.5t P Pb b
43、+P+PL L+Q3+Q3t t ；35 P Pm m+P+PL L+Q3+Q3t t（安定性准则）（安定性准则）P+Q+FSa P+Q+FSa（许用应力幅）（许用应力幅）极限载荷设计法是指：只有结构整体屈服了，才是最终极限载荷设计法是指：只有结构整体屈服了，才是最终达到失效的状态，即塑性失效观点。达到失效的状态，即塑性失效观点。安定性准则：安定性准则是指：结构在载荷、温度等安定性准则：安定性准则是指：结构在载荷、温度等反复变化中，不会导致塑性的连续循环，即只有在笫一次反复变化中，不会导致塑性的连续循环，即只有在笫一次加载过程中出现一定量的塑性变形，以后循环中（反复加加载过程中出现一定量的塑性
44、变形，以后循环中（反复加载）不再出现塑性，仍处于弹性循环中，即称载）不再出现塑性，仍处于弹性循环中，即称“安定安定”。如果，仍出现塑性，并有塑性循环出现，称为如果，仍出现塑性，并有塑性循环出现，称为“不安定不安定”。（假定材料为理想的弹（假定材料为理想的弹-塑性体）塑性体）36 三三.外压园筒及外压球壳：外压园筒及外压球壳：1 1概述：概述：承受外压的圆筒，其失效方式有二种：一是因强度不足承受外压的圆筒，其失效方式有二种：一是因强度不足而导致破坏，另一是因为刚度不足而引起失稳。而导致破坏，另一是因为刚度不足而引起失稳。所谓失稳，是指容器所受的外压达到某种极限时（即：所谓失稳，是指容器所受的外压
45、达到某种极限时（即：达到临界压力达到临界压力PCrPCr时）容器突然失去原来的形状，而出现有时）容器突然失去原来的形状，而出现有规则的波形，在卸去外压后，仍不能恢复原来的形状。规则的波形，在卸去外压后，仍不能恢复原来的形状。外压圆筒失稳可分为：周向失稳和轴向失稳二种形式。外压圆筒失稳可分为：周向失稳和轴向失稳二种形式。对轴向失稳，主要表现在卧式容器与直立设备，失稳时对轴向失稳，主要表现在卧式容器与直立设备，失稳时 的临界压力与园筒长度无关。的临界压力与园筒长度无关。对周向失稳，失稳时，如出现三个以上的波形（对周向失稳，失稳时，如出现三个以上的波形（n3）谓之谓之“短园筒短园筒”，如出现二个波形
46、（，如出现二个波形（n=2）谓之）谓之“长园长园筒筒”。3738 既然外压圆筒有周向失稳和强度破坏二种可能，究竟哪既然外压圆筒有周向失稳和强度破坏二种可能，究竟哪个在先？与圆筒的个在先？与圆筒的“厚厚”“”“薄薄”有关：有关：a a当为薄壁圆筒时，（当为薄壁圆筒时，（e/De/DO O0.050.05即即D DO O/e20/e20）总是）总是失稳在先，所以，从设计角度失稳在先，所以，从设计角度:只需进行稳定性设计，而不只需进行稳定性设计，而不必进行强度设计必进行强度设计.b b当为厚壁圆筒时，（当为厚壁圆筒时，（e/De/DO O0.050.05即即D DO O/e20/e20）则周）则周向
47、失稳和强度失效，哪个在先并无定论，所以，从设计角度，向失稳和强度失效，哪个在先并无定论，所以，从设计角度，则同时考虑稳定性和强度二个方面。则同时考虑稳定性和强度二个方面。c c外压球壳也是如此，但通常球壳外压球壳也是如此，但通常球壳e/De/DO O0.050.05，所以，所以，从设计角度，只需考虑其稳定性从设计角度，只需考虑其稳定性。稳定安全系数稳定安全系数m(m(园筒稳定安全系数取园筒稳定安全系数取3.03.0，球壳稳定安全，球壳稳定安全系数取系数取14.52)14.52)。为保证安全，必须使许用外压力为保证安全，必须使许用外压力PP低于外压力，即低于外压力，即:P=Pcr/m P(P=P
48、cr/m P(设计外压设计外压)39 2 2圆筒的临界压力及其计算圆筒的临界压力及其计算 容器失稳时的压力称临界压力，以容器失稳时的压力称临界压力，以P Pcrcr表示。表示。圆筒体临界压力的计算：圆筒体临界压力的计算：长圆筒临界压力长圆筒临界压力 Pcr=2.2E(Pcr=2.2E(3)Doe 短圆筒临界压力短圆筒临界压力Pcr=2.59EDoLDoe5.2)(40 圆筒的临界长度圆筒的临界长度:3)Doe2.2E(=2.59EDoLDoe5.2)(得得 ：Lcr=1.17D D/eLcr=1.17D D/e 临界长度是长、短圆筒的分界线，也是计算临界压力选择临界长度是长、短圆筒的分界线，也
49、是计算临界压力选择公式的的依据。当实际圆筒计算长度公式的的依据。当实际圆筒计算长度L LLcrLcr属长圆筒，若属长圆筒，若L LLcrLcr则属短圆筒。然后，分别计算其临界压力，再除以稳则属短圆筒。然后，分别计算其临界压力，再除以稳定安全系数确定许用压力。定安全系数确定许用压力。L L：计算长度（：计算长度（GB150-1998 P.28 GB150-1998 P.28 图图6-16-1）41 薄壁外压球壳的临界压力式：薄壁外压球壳的临界压力式：从薄壁壳体的稳定性理论可以导得：从薄壁壳体的稳定性理论可以导得：Pcr=1.21EPcr=1.21E（/R/R）2 2 从设计角度，从设计角度，Ri
50、R RiR e 并取球壳的稳定系数并取球壳的稳定系数m=14.52m=14.52 所以所以,许用外压力许用外压力 :P=Pcr/m=1.21(e/Ri)P=Pcr/m=1.21(e/Ri)2 2/14.52=0.0833E(e/Ri)/14.52=0.0833E(e/Ri)2 2 1)1)外压园筒外压管子：（外压园筒外压管子：（6.2.16.2.1节）节）3.GB150-19983.GB150-1998的设计方法：的设计方法：a a）D0/e20D0/e20的园筒和管子；是薄壁圆筒，周向失稳的园筒和管子；是薄壁圆筒，周向失稳在先，所以只校核周向失稳。在先，所以只校核周向失稳。b b）D0/e2
