过程设备设计-压力容器零部件设计
《过程设备设计基础》3.2内压薄壁容器设计35
pDi
C2
式中 δ -圆筒计算厚度，mm；δ d-圆筒设计厚度，mm； Di-圆筒内径，mm； p-容器设计压力，Mpa； φ -焊接接头系数。 筒体设计厚度δ d+ C1（厚度负偏差）后向上圆整，即：筒体名义厚度δ n 。 对于已有的圆筒，测量厚度为δ n，则其最大许可承压的计算公式为：
n d C1
[σ] 一试验温度下的材料许用应力， MPa； [σ]T 一设计温度下的材料许用应力， MPa
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三、液压试验要求和步骤：
1）液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR,T≥5℃，其它低合 金钢,T≥15℃)，试验过程外壳应保持干燥。 2）试验步骤： 设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力， 稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有 无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。 3）对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊接夹套，然 后进行夹套内的液压试验。 4）水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内 表面吹干。
无损检测的长度比例
焊接接头形式
100%
双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头
局部
0.85 0.8
1.0 0.9
单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头
符合《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部无损探伤。抽验长度不应 小于每条焊缝长度的20％。
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(5)厚度附加量
满足强度要求的计算厚度δ之外，额外增加的厚度量，包括由 钢板负偏差(或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C＝ Cl十 C2
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四、气压试验要求和步骤：
1）必须对容器焊缝进行100%的无损检测。 2）试验使用气体：干燥洁净的空气、氮气和其他惰性气体。 3）对高压及超高压容器不宜采用气压试验。 4）试验步骤： 压力缓慢升至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压 5min，进行检查。 继续缓慢升至规定试验压力的50%，保压5min，进行检查。其后 按照每级为规定试验压力的10%的级差逐级增至规定试验压力，保 压10min，进行检查。 将压力降至规定试验压力的87%，保压较长时间，进行检查。
压力容器设计规范及制造要求
压⼒容器设计规范及制造要求⼀、标准和规范◆GB150-2011 压⼒容器◆GB713-2008 锅炉和压⼒容器⽤钢板◆GB/T 8163-2008 流体输送⽤⽆缝钢管◆GB/T 25198-2010 压⼒容器封头◆NB/T47016-2011 承压设备产品焊接试件的⼒学性能◆NB/T47013-2011 承压设备⽆损检测◆NB/T47001-2009 钢制液化⽯油⽓卧式储罐形式与基本参数◆NB/T47008-2010 承压设备⽤碳素钢和合⾦钢锻件◆NB/T47003.1-2009 钢制常压容器◆JB/T4712-2007 鞍式⽀座◆JB/T4736-2002 补强圈◆HG 20581-1998 钢制化⼯容器材料选⽤规定◆HG 20582-1998 钢制化⼯容器强度计算规定◆HG 20583-1998 钢制化⼯容器结构设计规定◆HG 20592-1997 钢制管法兰型式、参数（欧洲体系）◆HG 20593-1997 板式平焊钢制管法兰（欧洲体系）◆HG 20594-1997 带颈平焊钢制管法兰（欧洲体系）◆HG 20595-1997 带颈对焊钢制管法兰（欧洲体系）◆HG 20596-1997 整体钢制管法兰（欧洲体系）◆HG 20597-1997 承插焊钢制管法兰（欧洲体系）⼆、制造规范压⼒容器必须按照TSG R0004-2009《固定式压⼒容器安全监察规程》和GB150-2011《压⼒容器》的规定执⾏（⼀）材料材料⽣产单位应当按相应材料标准和订货合同的规定向⽤户提供质量证原件，并且在材料上的明显部位作出清晰、牢固的钢印标志或其他标志，其内容应当包括材料标准号、牌号、规格、炉（批）号、材料⽣产单位名称（或⼚标）及检验印鉴标志。
材料质量证明书的内容应当齐全、清晰，并且加盖材料⽣产单位质量检验章。
压⼒容器专⽤钢板的⽣产单位应当取得相应的特种设备制造许可证。
（⼆）焊接⼯艺和焊⼯1、压⼒容器产品施焊前，受压元件焊缝、与受压元件相焊的焊缝、熔⼊永久焊缝内的定位焊缝、受压元件母材表⾯堆焊与补焊以及上述焊缝的返修焊2、缝都应当进⾏焊接⼯艺评定或者有经评定合格的焊接⼯艺⽀持；3、质检⼈员应当全过程监督焊接⼯艺的评定过程；4、焊接⼯艺评定完成后，焊接⼯艺评定报告和焊接⼯艺指导书应当经过焊接责任⼯程师审核，技术负责⼈批准，并且经过监检机构签章确认后存⼊技术档案；5、焊接⼯艺评定技术档案应当保存⾄该⼯艺评定失效为⽌，焊接⼯艺评定试样应当保存5年；6、焊接压⼒容器的焊⼯，应当按照相应安全技术规范的规定考核合格。
7.第七章 压力容器设计基础
1800 (1900) 2000 (2100) 2200 (2300) 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 4500 4600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000
缺点
（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。
（2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。
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绕板式
优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高 优点 （2）纵焊缝少。 缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。 缺点 （2）层间松动问题。
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槽形绕带式
优点 （1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压产生的 轴向力。 缺点 （2）机械化程度高，材料利用率高。 （1）钢带成本高，公差要求严格。
（1） 中压容器； （2） 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； （3） 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和 低压储存容器； （4） 低压管壳式余热锅炉； （5） 低压搪玻璃压力容器。
不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。
三类容器
二类容器
一类容器
介质毒性分 级 指 标 Ⅰ 极度危害
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⑵公称压力
工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件
的尺寸也不同，标准零部件尺寸需按压力确定。
将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。 表7-3 压力容器法兰与管法兰的公称压力PN 压力容器法 兰（MPa） 管法兰 （MPa） － 0.25 － 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4
日本国家标准（JIS）；
德国压力容器规范（AD）。
压力容器设计技术规定
1总则本规定是按照特种设备安全技术规范TSGR1001—2008《压力容器、压力管道设计许可规则》的要求制定，是压力容器设计质保体系的重要组成部分。
本规定是结合我厂具体情况，是对GB150《钢制压力容器》，GB151《钢制管壳式换热器》等的补充和具体化。
1.1适用范围本规定适用于我厂设计的D1、D2类压力容器。
1.2管辖范围本规定的管辖范围是容器壳体及与之连为整体的受压零部件；与容器壳体相连的非受压元件其连接焊缝，以及直接装在容器壳体上的安全附件等。
1.3遵循的法律、法规、标准进行压力容器设计时，除遵守本规定外，还应执行国务院第549号令《特种设备安全监察条例》的有关规定和《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB150《钢制压力容器》、GB151《管壳式换热器》、HG/T20580~HG/T20585《钢制化工容器设计基础规定》等要求，并符合压力容器专业技术标准的有关规定。
2定义2.1压力除注明者外，压力均为表压力。
2.1.1工作压力（MPa）a．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。
b．真空容器(指真空度≥0.02MPa的容器)在正常工作情况下，容器顶部可能出现的最大真空度。
c．外压容器在正常工作情况下，可能出现的最大内外压力差。
2.1.2设计压力（MPa）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。
2.1.3试验压力（Mpa）压力试验时，容器顶部的压力。
2.1.4最大允许工作压力在指定温度下，压力容器安装后顶部所允许的最大工作压力。
该压力应是按各受压元件的有效厚度减去压力外的其它载荷所需厚度后，计算得到的最大工作压力（且减去元件相应液柱静压力）中的最小者。
a.当压力容器根据使用条件要求有不同的设计温度时，应分别计算对应于各个设计温度下的最大允许工作压力。
b.当不能通过计算来确定最大允许工作压力时，可用设计压力来代替最高工作压力2.1.5安全阀的开启压力(整定压力)安全阀阀瓣开始离开阀座，介质连续排出时，在安全阀入口侧测得的压力。
压力容器的设计、制造和检验
压力容器的设计、制造和检验一、压力容器概述1．压力容器规范化早在19世纪末就有了对锅炉和压力容器规范化的要求。
20世纪最初的十年，发生了近一万起锅炉爆炸，造成了约一万人的死亡和约一万五千人的伤残。
这些血的教训使人们对压力容器制造和安装的规范化有了更清醒的认识。
1907年，美国Massachusetts州继1905年和1906年两次灾难性的锅炉爆炸之后，提出了世界上第一部锅炉制造和安装的法规。
循着Massachusetts州的范例，美国其他州和城市也制定出了蒸气锅炉制造、安装和检验的不同形式的法规或条例。
不同州的技术规范缺乏一致性，使得制造者无法制造出其他州可以接受的标准锅炉。
制造出的锅炉不能运出州界，一个州的有资格的锅炉检验员也得不到其他州的承认。
要求订出蒸气锅炉和压力容器制造的标准规范的呼声越来越强烈，为解决这个问题，美国机械工程师协会于1911年成立了一个专门委员会，后来被称为锅炉规范委员会。
美国机械工程师协会非燃火压力容器规范对压力容器没有给出定义。
压力容器一般是指装有加压流体用于完成某项过程的封闭容器，例如贮罐、热交换器、蒸发器和反应器等。
规范规定压力容器的范围还包括容器外的管线，终止于管线端焊连接的第一条焊缝、螺栓连接的第一个法兰面、或类似连接的第一个有连接迹象的点或面。
美国非燃火压力容器规范的短评U-1列出了超出规范权限的一些例外。
这些例外是必须的还是已被解除，不同地区有很大的不同。
有关这方面的细节，需要查阅“锅炉和压力容器的法规和条例说明书”，或向有管辖权的地方管理机构咨询。
非规范压力容器是指不能满足设计、制造、检验和鉴定规范的最低要求的容器。
这些容器不打印规范代号，除非有特殊的裁定，不得在接受美国机械工程师协会规范的区域安装。
目前，许多国家都设置了压力容器规范的立法和管理机构，颁布了各自的压力容器规范。
在我国，原国家劳动总局1979年颁布了《气瓶安全监察规程》；1980年颁布了《蒸汽锅炉安全监察规程》；1981年颁布了《压力容器安全监察规程》。
压力容器设计过程中的一些案例分析
国外某项目中某台夹套设备，夹套设计温度为400°C。此设备在国外有一样的设备正在运行使用，材料为SA-240 316/316L（双牌号材料）。但是目前的这台设备的材料为SA-240 316L，其它设计条件和原来的一样。算下来的厚度却相差很多。
作为常识，316和316L的许用应力在高温下差别很明显，超低碳钢材料在高温下许用应力下降的很快。实际上，这两种材料的外压曲线也是大不一样，SA-240 316的外压曲线为HA-2，而SA-240 316L的外压曲线为HA-4。特别是高温的情况下，差异越明显。在今后的设计中应当注意。
10裙座设计温度的选取
在某项目中，有一台塔器，设计温度280℃，月平均最低气温最低值-2.3℃，壳体材料Q345R，裙座材料也是Q345R。
塔器裙座计算中，对于裙座的设计温度，标准规定是月平均最低气温最低值加20℃。对于上面的设备来说，裙座设计温度按照标准应该是17.7℃。但是裙座的计算中考虑裙座与封头的连接焊缝校核，由于热传导，裙座与封头连接局部位置温度会达到塔釜介质的温度。如果裙座设计温度取设备设计温度17.7℃，则连接部位设计就冒进，不安全；如果裙座设计温度取设备设计温度280℃，则检查孔面、底截面及相关零部件设计非常偏于保守。
2膨胀节加强环不能使用碳钢
国外的某项目中一台低温换热器膨胀节为不锈钢。由于膨胀节上的加强环等部件不和介质相接触，仅起到加强的作用。所以膨胀节的加强环和其它零件采用碳钢，膨胀节制造完毕放置一段时间后，膨胀节上加强环等碳钢材料锈迹斑斑。最终只能将加强环切割，换上不锈钢材料。以后在设计膨胀节时需注意选材问题，用碳钢材料不仅没节约成本，反而会造成质量和工期延长的问题。
综合考虑塔顶换热器对塔器强度设计的影响，可将换热器当做塔器的一段筒体，筒节长度为换热器总长，将其操作质量折算成填料重量，填料高度为换热器的壳程长度。既考虑了换热器质量对塔器各个危险截面的影响，又兼顾了换热器段引起的风载荷和地震载荷对塔器设计的影响，使设计合理、准确。
过程设备设计习题解答(Syni修改)
一氧化碳一、补充作业 1：划定下列容器类别序号设计压力 p() 介质容器（m 3） 设计温度(℃) 容器类别10.6 4 5020.5 氧气 10 50 31.6臭氧4050·压 力 容 器 分 类 方法:①先按照介质特性，选择相应的分类图，②再根据设计压力 p (单位)和容积 V (单位 m 3)， 标出坐标点，③确定容器类别。
第一组 是易燃性质，容器类别是类；第二组 属于 类；第三组 高度毒性，属于 类。
二、补充作业 2：压力容器十大主要受压元件1.壳体；②封头（端盖）；③膨胀节；④设备法兰；⑤球罐球壳板；⑥换热器的管板； ⑦换热管；⑧M36(含 36)以上的设备主螺柱；⑨公称直径大于或等于250 的接管；⑩公称 直径大于或等于 250 的管法兰三、问答题：国外产品图纸可否采用我国的材料及 150 标准制造压力容器？答： 不能，因为：1.安全系数 n 数值不一样，则应力许用值[σ ]t 不一样，计算壁厚不一 样；2.钢材几何尺寸偏差不一样，国外小一些，负偏差小；3.钢材化学成分和机械性能不 一样，国外严，国内松；4.制造、检验要求不一样，如，水压试验＝1.5P[σ ]/[σ ]t ，而 我国水压试验＝1.25P[σ ]/[σ ]t第二章一、一壳体成为回转薄壳轴对称的条件是什么？⑴满足薄壳条件: (t / R)≤0.1；⑵结构对称：结构的几何形状对称于回转轴；⑶载荷对 称：壳体任一横截面上的载荷对称于回转轴，但是沿轴线方向的载荷可以按照任意规律化。
⑷边界对称：支承壳体的边界对称于轴线。
⑸材质对称：壳体的材料性质对称于轴线。
二、试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比 a / 2 的原因？原因是其应力的分布特点及加工工艺性： ⑴应力绝对值从小到大为：a /b ＜2 → a / 2 → a / b ＞2 ；⑵加工工艺性从易到难为：a /b ＞2 → a / 2 → a / b ＜2 ；可以看到，标准椭圆形封头的应力分布及加工工艺性比其它的非标准椭圆形封头综合性好。
过程设备设计第四章-3.1-3.2.3
4.3 常规设计
本章重 点
教学重点：
（1）内压圆筒的强度设计；
（2）外压圆筒的图算法；
（3）开孔补强设计。
教学难点：
螺栓法兰连接的密封性设计。
3
4.3.1 概述
过程设备设计
一、设计思想 ——“按规则设计”（Design by Rules） ，只考虑单一的最大 载荷工况，按一次施加的静力载荷处理， 不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永 区别于分 久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。 析设计
K+ 1 p ≤[σ ]t 2( K - 1)
（4-10）
取等号得 径比K为
2[σ ]t + p K= 2[σ ]t - p
（4-11）
筒体壁厚计算式为
2 pRi δ= 2[σ ]t - p
中径公式
（4-12）
7
4.3.1 概述
过程设备设计
二、弹性失效设计准则（续）
将第2章表2-1中仅受内压作用时，厚壁圆筒内壁面处的三向应力 分量计算式，代入弹性失效设计准则式（4-3）～式（4-5）， 表4-1 按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式
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4.3.2.2 内压圆筒的强度设计
4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 （续）
过程设备设计
4、说明： Pc 0.4[σ]tφ
采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。 但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，σ
3
0
5
式（4-3）简单，成熟使用经验，将该式作为设计准则。
4.3.1 概述
4.3.1 概述
过程设备设计
二、弹性失效设计准则（续） 内压薄壁圆筒： 经向薄膜应力 周向薄膜应力
pD σφ 4δ
《过程设备设计基础》3.1概 述19
19
美国ASME规范
美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》。 该规范规模大、内容完善，依据其可完成选材、设计、制造、 检验、试验、安装及运行等全部工作。 与压力容器密切相关有：第Ⅱ卷材料技术条件、第Ⅴ卷无损 检验、第Ⅷ卷压力容器及第Ⅸ卷焊接及钎焊评定。 每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能 迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响 最大的一部规范。
3
2.按承压性质 内压：内部介质压力大于外界压力; 外压：内部介质压力小于外界压力; 真空：内部压力小于一个绝压的外压容器.
表4-1 内压容器的分类
容器分类 低压容器
中压容器 高压容器 超高压容器
设计压力 p（MPa） 0.1≤p＜1.6
1.6≤p＜10 10≤p＜100 p≥100
4
3.按管理 GB150-2010《钢制压力容器标准》和《压力容器安全技术监察 规程》规定属于安全监察范围的压力容器必须具备的条件
急性中毒 慢性中毒 慢性中毒后果 致癌性 最高容许浓度
易中毒后果严 重
患病率高 继续进展不能 治愈 人体致癌 ＜0.1 光气、汞、氰 化氢
可中毒，愈后 良好
较高 可基本治愈 可疑致癌 0.1甲醛,苯胺、氟 化氢、
无中毒但有影 响
有影响 可恢复无不良 后果 无致癌性 ＞10
常见化学介质
7
名 称
说 明 （1） 高压容器； （2） 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器； （3） 中度危害介质，且pV大于等于10MPa〃m3中压储存容器； （4） 中度危害介质，且pV大于等于0.5MPa〃m3中压反应容器； （5） 毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于0.2MPa〃m3的低压 容器； （6） 高压、中压管壳式余热锅炉； （7） 中压搪玻璃压力容器； （8） 使用强度级别较高的材料制造的压力容器； （9） 移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等； （10） 容积大于等于50 m3的球形储罐； （11） 容积大于5 m3的低温液体储存容器。 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） 中压容器； 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器； 低压管壳式余热锅炉； 低压搪玻璃压力容器。
压力容器简介
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★ 压力容器零部件间的焊接
由于压力容器的特殊性， 由于压力容器的特殊性 ，可以说它对焊接质量的 要求是所有焊接设备中要求最高的一种。因此， 要求是所有焊接设备中要求最高的一种。因此，压力 容器设计工程师必须懂得容器中的焊接结构设计的特 点及对焊接质量进行检验的基本要求。 点及对焊接质量进行介质为液化气体、 移动式压力容器，包括铁路罐车( 介质为液化气体、 低温液体) 罐式汽车[ 液化气体运输( 半挂) 低温液体 ) 、 罐式汽车 [ 液化气体运输 ( 半挂 ) 车 、 低温液体运输( 半挂) 永久气体运输( 半挂) 低温液体运输 ( 半挂 ) 车 、 永久气体运输 ( 半挂 ) 车 ] 和罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体) 和罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体)等； ⑩球形储罐(容积大于等于50m3)； 球形储罐(容积大于等于50m 50 低温液体储存容器(容积大于 容积大于5m 。 ⑾低温液体储存容器 容积大于 3)。
④ 中压反应容器( 仅限易燃或毒性程度为中度危害 中压反应容器 ( 介质， pV乘积大于等于 乘积大于等于0 MPa·m 介质，且pV乘积大于等于0.5MPa m3)； ⑤低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质， 低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质， pV乘积大于等于0.2MPa·m 乘积大于等于0.2MPa 且pV乘积大于等于0.2MPa m3)； ⑥高压、中压管壳式余热锅炉； 高压、中压管壳式余热锅炉； ⑦中压搪玻璃压力容器； 中压搪玻璃压力容器； ⑧使用强度级别较高(指相应标准中抗拉强度规定值 使用强度级别较高( 下限大于等于540MPa)的材料制造的压力容器； 540MPa)的材料制造的压力容器 下限大于等于540MPa)的材料制造的压力容器；
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四.按安全技术管理分类 【重点】 按安全技术管理分类 重点】
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一、密封机理及其分类
1.密封机理
2 密封分类
3.影响法兰密封的主要因素
（1）螺栓预紧力
（2）垫片性能
(3) 压紧面的质量
(4) 法兰刚度
(5) 操作条件
二、螺栓法兰连接设计 1. 螺栓法兰连接的密封设计
四、开孔和开孔补强设计
五、支座和检查孔
支座
1、补强结构
（2）、开孔补强的设计准则
（3）容许不另行补强的最大开孔直径
（4) 等面积补强计算
（5）接管的方位
例题：
某容器DN=1200，设计压力2.5Mpa，设计温
度100℃， 在非标准椭圆端盖（DN1200X12， 形状系数，16MnR）中心接一个 108X6的 平齐式接管（10号无缝钢管），开孔不在焊 缝上。试确定此开孔是否需要补强，补强圈 厚度若干？（端盖的壁厚附加量 C=3mm, 钢 管的壁厚附加量C=2mm）