压力容器安全系数许用应力
确定压力容器安全系数原则
确定压力容器安全系数原则作者：王鹏来源：《价值工程》2014年第15期摘要：压力容器安全系数直接受材料参数的影响，这就要求在选用材料许用应力值时，要在考虑抗拉强度的基础上，考虑屈服强度；奥氏体不锈钢应变能力、强化能力、韧性都比较强，为了把这些特性充分的发挥出来，应该特别考虑它的许用应力值；伴随着科学技术的成熟，对一次次实验的总结，既能保证压力容器的安全，又能够在此基础上节约材料，降低成本，压力容器安全系数有降低趋势，这是理论与实际相结合的结果。
Abstract： The pressure vessel safety coefficient is directly affected by material parameters，which requires consideration of yield strength as well as tensile strength when choosing the material's allowable stress value. Austenitic stainless steel has strong strain capacity， strengthening ability and toughness. In order to put these characteristics fully play out， its allowable stress value should BE especially considered. With the maturity of science and technology and author's experience， it can not only ensure the safety of pressure vessels， but also could save material， and reduce costs. Pressure vessel safety coefficient has a lower trend， which is the result of integrating theory with practice.关键词：压力容器；安全系数；许用应力值；抗拉强度；屈服强度Key words： pressure vessel；safety coefficient；allowable stress value；tensile strength；yield strength中图分类号：[X933.4] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）15-0070-02压力容器已经渗透到了工业领域，并和人们的生活息息相关，是不可被破坏的，如果遭受到了破坏，后果将不堪设想。
压力容器的强度计算
第11章压力容器的强度计算本章重点要讲解内容：（1）理解内压容器设计时主要设计参数（容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等）的意义及其确定原则；（2）掌握五种厚度（计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互关系以及计算方法；能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差；（3）掌握内压圆筒的厚度设计；（4）掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算。
（5）熟悉内压容器强度校核的思路和过程。
第一节设计参数的确定1、我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150－98 “钢制压力容器”国家标准。
该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则，应用解析法进行应力计算，比较简便。
JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。
其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的ASME标准思路相似。
2、容器直径（diameter of vessel）考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。
对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。
表1 压力容器的公称直径（mm）如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。
表2 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）3、设计压力（design pressure）（1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力）✧工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同；②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力（the maximum allowable working pressure）。
③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。
GB150.1-2011《压力容器.通用要求》-新GB150宣贯教材
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.1.2 GB 150.2.《压力容器 第2部分：材料》
本标准的第2部分由七章正文、二个规范性附
录和二个资料性附录构成。
3.1.3 GB 150.3《压力容器 第3部分：设计》
本标准的第3部分由由七章正文、三个规范性
附录和二个资料性附录构成。 3.1.4 GB 150.4《压力容器 第4部分：制造、检验 和验收》 本标准的第4部分由十三章正文构成。
g) 搪玻璃容器和制冷空调行业中另有同家标准或行业标准的
容器，
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.2.2 标准所考虑的失效模式
失效模式与设计规范中所考虑的设计载荷和
使用工况有密切的联系，表1给出了世界各国标
准中所考虑的载荷条件对比分析：
GB150.1《压力容器 通用要求》
(1)以失效模式为依据的设计方法
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.2 标准的设计准则
3.2.1 适用范围
3.2.1.1 标准使用参数适用范围 (1)设计压力的适用范围 (2)设计温度适用范围： 3.2.1.2 结构形式适用范围 3.2.1.3 标准管辖区域适用范围
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.2.1.3 本标准的不适用范围：
新规范在弹塑性分析中明确规定要采用
Mises屈服条件。与此相统一，弹性应力分析的
控制参数也改为米赛斯等效应力，而且弹塑性
分析中的应变参数也选为米赛斯等效应变。
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.2.4 安全系数
压力容器安全系数在我国安全技术规范中指的是“ 确定材料许用应力的系数”，事实上，在标准的制定中
ISO 16528[5]综合世界主要工业国家的技术 标准规定，参照欧洲标准的内容，针对锅炉和 压力容器常见的失效形式，在标准中将其归为 三大类、14种失效模式，明确了针对失效模式的 设计技术应用理念。
压力容器应力分析与安全设计
钢制压力容器 用材料许用应 力的取值方法
碳素钢或低合金钢>420℃，铬钼合金钢>450℃， 奥氏体不锈钢>550℃时，同时考虑基于高温蠕变极限
或持久强度
的许用应力
即
或
压力容器应力分析与安全设计
表9-2 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法
材料
许用应力 取下列各值中的最小值/MPa
压力容器应力分析与安全设计
3. 对边缘应力的处理
若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险 性。 正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不 按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对 于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。
压力容器应力分析与安全设计
第二节 压力容器的安全设计
压力容器设计是保障压力容器安全的首要环 节。压力容器设计从安全角度包括强度安全设计和 结构安全设计，两者都离不开正确选材，不同材料 的容器的承载能力与结构可靠程度是不同的。
碳素钢、低合金 钢、铁素体高合
金钢
奥氏体高合金钢
压力容器应力分析与安全设计
4、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受削弱的程度。
焊缝缺陷
夹渣、未熔透、 裂纹、气孔等
焊缝热影响区晶粒粗大
薄弱环节
母材强度或塑性降低
影响因素
接头形式 无损检测要求及长度比例
压力容器应力分析与安全设计
焊缝系数的大小与材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接 结构、坡 口型式、焊接方法、焊缝无损检测长度比例以及焊前 预热处理及焊后热处理等因素有关。目前我国《钢制压力容器》 中的焊缝系数主要依据焊缝结构、坡口型式、无损检测的要求等 确定。焊缝系数的选择见下表。
GB 150.1~4-2011《压力容器》许用应力查询
500
525
550
207 203 203 200 126 117 110 140 133 160
195 192
177 177
117 117
122 114 107 135 130 157
119 111 104 130 127 147
300
108 102 98 90 80 95 91 84 84 153 143 133 123 120 117 180 173 160 211 211 211 211 140 131 123 153 147 167
350
98 93 89 82 73 86 83 77 77 143 133 123 117 113 110 170 163 150 211 211 211 211 133 124 117 147 140 163
≤ 20
在下列温 ReL Mpa
235 235 235 235 245 235 225 205 185 345 325 315 305 285 265 370 360 340 400 390 390 380 295 275 255 310 300 310
100
147 140 133 123 112 133 126 115 115 189 185 181 181 173 163 196 196 193 211 211 211 211 167 167 157 187 180 187
12Cr1MoVR 12Cr2Mo1VR 16MnDR
GB 713 GB 713 GB 3531
正火加回火 > 正火加回火 正火，正火加回火 > > > >
压力容器设计参数选择
对有经验者，可按经验选取。
2、容器筒体、封头腐蚀裕量。 介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制容 器，腐蚀裕量C2不小于1mm； 对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，取C2＝0。 其他情况可按表3确定筒体、封头的腐蚀裕量。
腐蚀程度 腐蚀速率 （mm/年 腐蚀裕量（mm） 不腐蚀 <0.05 0 轻微腐蚀 0.05～0.13 ≥1 腐蚀 0.13～0.25 ≥2 重腐蚀 >0.25 ≥3
ns nb
Rm
ReL
[ ]t min{
st bt Dt nt
ns , nb , nD , nn
)
b -常温强度极限； b t -设计温度下的强度极限 s -常温屈服极限，对于没有明显屈服台阶的塑性材料常
；
取相应于产生0.2％塑性应变时的应力 0.2
26
许用应力和安全系数
B、腐蚀裕量的选取 5、容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀 裕量；
6、两侧同时与介质接触的元件，应根据两侧不同的操作介 质选取不同的腐蚀裕量，取两者之和作为总的腐蚀裕量。
7、容器地脚螺栓根径的腐蚀裕量一般取3mm。
8、碳钢、低合金钢裙座圆筒的腐蚀裕量应不小于2mm。 C、影响腐蚀裕量的因素 •介质对材料的腐蚀速度可查有关的防腐手册，—般容器的 设计寿命，除有特殊要求外，塔器、反应器等主要容器一 般不应少于15年；一般容器和换热器等应不少于8年。 •腐蚀裕量一般只针对均匀腐蚀，对于各种类型按相关技术 23 资料和实际经验确定防腐蚀技术方案。
10%ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10% 10% 12.5% 12.5%
19
腐蚀裕量C2
A、确定腐蚀裕量的原则 1、对于与工作介质接触的圆筒、封头、接管、人孔及内部构件 等均考虑腐蚀裕量。 2、用涂刷涂料可以有效防止环境腐蚀的容器外部构件，如支座、 支腿、底板、托架、塔顶吊架等原则上不考虑腐蚀裕量，但 不包括裙座。
2.3.1材料的许用应力、安全系数及强度条件.
强度要求。
解：① 轴力：N = P =25kN
②应力：
max
N A
4P πd 2
4 25 10 3 3.14 14 2
162 MPa
③强度校核：
max 162MPa 170MPa
④结论：此杆满足强度要求，能够正常工作。
大家辛苦了！
工程力学应用
我们加油！
2.5 轴向拉(压) 杆的强度计算
材料的力学性能指标
1.弹性指标：弹性模量E、泊松比μ
2.塑性指标： 断后伸长率δ 断面收缩率ψ
l1 l 100 %
l
A A1 100 %
A
工程上一般将δ＞5％的材料称为塑性材科，
将δ＜5％的材料称为脆性材料。 3.强度指标
屈服极限σs : 塑性材料的极限应力 强度极限σb ：脆性材料的极限应力
m a x
N A
其中：[]--许用应力， max--危险点的最大工作应力。
依强度准则可进行三种强度计算：
①校核强度： max ②设计截面尺寸： NhomakorabeaAm in
Nmax
[ ]
③许可载荷： Nmax A ; P f (Ni )
举 例
例 已知一圆杆受拉力P =25 k N，直径 d =14mm
一 ，许用应力[]=170MPa，试校核此杆是否满足
一、许用应力与安全系数
1.材料的极限应力
塑性材料： σ°=σs 脆性材料： σ°=σb
2.许用应力
为了保证构件能正常地工作，应当把最大工作应力限制 在一定的范围之内，这个限制值称为材料在拉伸（或压缩） 时的许用应力。用 [σ]表示。
[σ]= σ° K
二、强度条件准则
保证构件不发生强度破坏并有一定安全余量的条件准则。
压力容器基本知识
1、应力集中系数：容器开孔边缘处或接管根部最大应力与容器壳体膜应力最大值之比。
2、易燃介质：指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限与下限之差值大于等于20%的气体3、焊缝系数u :由于焊缝热影响区有热应力的存在，焊缝金属晶粒粗大，及焊缝中出现气孔，未焊透等缺陷影响焊缝金属强度，采用焊缝系数，以补偿焊缝强度的削弱，即焊缝金属材料的许用应力的利用率。
4、整体管板的有效厚度：Se=S-Y-Y ' Se――管板有效厚度；S――管板的实际（名义）厚度，mm ; Y ――管程隔板开槽值，mm ; K与C2取大者；Y'――壳程隔板开槽值，K与壳程腐蚀裕量C' 2取大者5、许用应力：指按材料各项强度数据分别除以各安全系数的最小值6、夹套压力容器的设计总图上，应注明哪些与压力试验有关的内容？答（1）应分别说明壳体和夹套的试验压力；（2）允许的内外压差值；（3）试验步骤；（4）试验的要求7、选用公称直径250mm的无缝钢管做压力容器壳体，选择椭圆形封头的直径为多少？答：Dg250mm的无缝钢管外径为273mm ,按钢管外径选封头，封头外径为273mm。
8、按现行规定，在压力容器图纸上如何注明磁粉检测合格标准？答：符合JB4730 11.13.1条和11.13.2条I级的要求9、划分压力容器类别和确定《容规》适用范围使用的压力有何不同？可能产生什么问题？答：确定《容规》适用范围的压力为最高工作压力，划分容类别的压力为设计压力。
划分类别时有限制条件，即必须是对划入《容规》的压力容器进行分类，实际工作中，有时将不属于《容规》管辖的压力容器划成了某类别压力容器。
10、一台压力容器，按介质、压力、内直径、容积等条件，均属于第三类压力容器。
那么，该台容器一定得划分为第三类压力容器吗？为什么？答：不一定，因为搪玻璃压力容器一律划分为第二类压力容器。
11、GB150中“相当于双面焊的全焊透对接焊缝”指什么样的焊缝？答：指单面焊双面成形的对接焊缝。
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作者邓阳春陈钢杨笑峰徐彤
【摘要】压力容器安全系数与材料参数紧密相关，确定材料许用应力值时，需要同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理；奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时，需要特殊考虑。
压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和降低成本，随着理论研究深入和科学实验的进步，压力容器安全系数有所降低，这是科学设计和实用成功经验结合的结果。
【关键词】压力容器；材料；许用应力；标准；安全系数
0 引言
压力容器广泛用于工业领域及日常生活领域，一旦破坏，往往造成灾难性事故。
为确保公众安全，应用科学技术和使用经验，世界各国制订了压力容器标准，并通过法规等形式强制执行。
合理选取材料许用应力值是保障压力容器安全、合理使用的科学基础。
1914年，美国制定了世界上第一部压力容器标准，材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。
直到1943年，英国压力容器标准选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。
为保证压力容器安全，确定材料许用应力值时，同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理。
奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时需特殊考虑。
目前，确定压力容器材料许用应力值一般取min{σs/n s，σb/n b，σD/n D，σn/n n}。
其中，σs，σb，σD，σn 分别为材料的屈服强度、抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度，在大多数工况下，压力容器材料主要考虑屈服强度和抗拉强度，在一定条件下，才需考虑材料蠕变强度和疲劳强度；n s，n b，n D，n n为安全系数。
安全系数主要取决于人们对客观规律的理解程度和设备发生事故的危害程度，压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，随着理论研究和科学实验的进步，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和经济考虑，压力容器安全系数有降低的趋势[1-2]。
欧盟许多国家压力容器标准安全系数过去就较低，2002年制定了统一的压力容器标准，安全系数明显降低[3]。
由于国际竞争等原因，美国机械工程师协会在对压力容器标准系统研究基础上，2007年将压力容器标准中的分析设计标准安全系数降低[4-5]。
为保障压力容器安全性与经济性统一[6]，针对压力容器标准安全系数降低的国际趋势，笔者提出开展压力容器安全系数方面的研究，重点探讨压力容器材料屈服强度和抗拉强度及其相应的安全系数。
1 材料抗拉强度
美国ASME于1914年制定了世界上第一部压力容器标准，压力容器材料许用应力值仅考虑材料抗拉强度。
在20世纪30年代前，该方法为世界各国普遍接受。
20世纪50—60年代，美国ASME针对当时欧洲许多国家压力容器标准材料许用应力值由材料屈服
强度取代材料抗拉强度控制，为确定是否保留材料抗拉强度，研究材料趋势曲线(trend curve)——实质为温度与材料性能的关系[7-8]。
研究结论：在蠕变温度以下材料许用应力值仍由抗拉强度σb控制；引入屈服强度σs，同时保留抗拉强度σb。
主要依据如下：
1)局部应力主要由材料抗拉强度σb和材料硬化指数n控制。
2)低周疲劳(5000次)，压力容器失效发生在应力集中系数较大部位，如压力容器接管处，属应变疲劳，按抗拉强度σb考虑更可靠。
3)压力容器爆破压力与材料硬化指数n和塑性变形率有较大关系，与材料抗拉强度σb有较大关系，对于薄壁容器和低强度材料尤为明显。
4)σs不确定：
①弯曲试验屈服点不明显；
②屈服点σ0.2选取较随意。
2 材料屈服强度
在使用锅炉早期，几乎只有低碳钢材料。
当时，ASME材料抗拉强度安全系数为5，蒸汽锅炉温度较低，低碳钢材料具有较好的延性。
因而，按材料室温下抗拉强度进行设计，比较粗略的满足使用要求。
然而，高效蒸汽循环需要高的工作温度，需要考虑材料高温下的特点。
英国国家物理实验室进行了有价值的早期工作。
产生了“弹性极限”概念，尽管当时没有标准规定，实际工作下“弹性极限”安全系数在1.75左右，使用低于以材料抗拉强度为基准的许用应力值[9]。
二战前，英国已经获得各种材料在一定温度范围内的基本数据。
20世纪40年代末，英国开始考虑屈服强度σs，同时保留抗拉强度σb，在屈服强度σs引入标准前，设计实质上已考虑材料的屈服性能。
主要由于：
①高温安全性能考虑；
②国际商业竞争。
1943年，英国BS1113水管锅炉标准采纳了“弹性极限”概念，将材料屈服强度引入确定材料许用应力值。
由于采用先进技术和连续有益的经验，材料屈服强度安全系数较低，材料抗拉强度安全系数降低。
在500F以上，实际许用应力值选取比仅以材料抗拉强度为基准的许用应力值低。
20世纪20—30年代，德国进行材料塑性性能研究，主要根据使用温度下屈服强度σs确定材料许用应力，放弃考虑抗拉强度σb。
由于压力容器主要以线弹性理论为基础，考虑屈服强度σs，比较合理。
因而很快被瑞典、挪威、捷克等许多欧洲国家引用。