压力容器设计的基本步骤

压力容器设计的基本步骤:以稳压罐的设计为例，对容器设计的全过程进行讲解。首先，我们根据用户提出的、在压力容器规范范围内双方签署的具有法律约束力的设计技术协议书，该协议书也可以经双方同意共同修改、完善，以期达到产品使用最优化。根据稳压罐的设计技术协议，我们知道了容器的最高工作压力为1.4MPa，工作温度为200℃，工作介质为压缩空气，容积为2m3，要求使用寿命为10年。这些参数就是用户提供给我们的设计依据。有了这些参数，我们就可以开始设计。一.设计的第一步就是要完成容器的技术特性表。除换热器和塔类的容器外，一般容器的技术特性表包括a容器类别b设计压力c设计温度d介质e几何容积f腐蚀裕度j焊缝系数h主要受压元件材质等项。一般我所图纸上没有做强行要求写上主要受压元件材质一.确定容器类别容器类别的划分在国家质量技术监督局所颁发的《压力容器安全技术监察规程》（以下简称容规）第一章第6条（p7）有详细的规定，主要是根据工作压力的大小(p75)、介质的危害性和容器破坏时的危害性来划分(p75)。本例稳压罐为低压（1.6MPa）且介质无毒不易燃，则应划为第Ⅰ类容器。另：具体压力容器划分类别见培训教材p41-11何谓易燃介质见p21-6介质的毒性程度分级见p31-7划分压力容器等级见p31-9二.确定设计压力我们知道容器的最高工作压力为1.4MPa，设计压力一般取值为最高工作压力的1.05～1.10倍。至于是取1.05还是取1.10，就取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。介质无害或装有安全阀等就可以取下限1.05，否则就取上限1.10。本例介质为无害的压缩空气，且系统管路中有泄压装置，符合取下限的条件，则得到设计压力为Pc=1.05x1.4=1.47MPa。另：什么叫设计压力？计算压力？如何确定？见p113-1液化石油气储罐设计中，是如何确定设计压力的？三.确定设计温度一般是在用户提供的工作温度的基础上，再考虑容器环境温度而得。比如为华北油田设计的容器，且在工作状态无保温的情况下，其工作温度为30℃，其冬季环境温度最低可到－20℃，则设计温度就应该按容器可能达到的最恶劣的温度确定为－20℃。《容规》附件二（p77）提供了一些设计所需的气象资料供参考。本例取设计温度为200℃即可。四.确定几何容积按结构设计完成后的实际容积填写即可。五.确定腐蚀裕量由所选定受压元件的材质、工作介质对受压元件的腐蚀率、容器使用环境和用户期待的使用寿命来确定，实际上应先选定受压元件的材质，再确定腐蚀裕量。《容规》第三章表3-3（p23）和GB150第3.5.5.2节（p5）对一些常见介质的腐蚀裕量进行了一些规定。工作介质对受压元件的腐蚀率主要按实测数据和经验来确定，受使用环境影响很大，变数很多，目前无现成的数据。一般介质无腐蚀的容器，其腐蚀裕量取1～2mm即可满足使用寿命的要求。本例取腐蚀裕量为2mm。另：什么叫计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度？何谓最小厚度？如何确定？见p123-53-6六.确定焊缝系数焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系数，GB150的3.7节（p6）对其取值与焊缝检测百分比进行了规定。具体取值，可以按《容规》第85条（p43）所规定的10种情况选择：其焊缝系数取1，即焊接接头应进行100%的无损检测，其他情况一般选焊缝系数为0.85。本例选焊缝系数为0.85。七.主要受压元件材质的确定材质的确定在满足安全和使用条件的前提下，还要考虑工艺性和经济性。GB150第8页材料的使用有严格的规定，对这些规定的掌握是非常必要的。比较常用的材料有Q235-B（Q235-C）16MnR和0Cr18Ni9这几种材料1.0Cr18Ni9一般用于低于－20℃的低温容器和对介质有洁净要求的容器，如低温分离器、氟利昂蒸发器等；2.16MnR一般用于对安全性要求较高、使用Q235-B时壁厚较大的容器，如油、天然气等。3.Q235-B使用最广也最经济，GB150第9页对其使用条件作了详细规定：●规定设计压力≤1.6MPa；●钢板使用温度0℃~350℃；●用于壳体时厚度不得大于20mm，且不得用于高度危害的介质。就本例来说，其使用压力、温度和介质都符合Q235-B的条件，唯有厚度还未知，若超过了20mm则只能使用16MnR，本例就暂定使用Q235-B。当然啦，如果我们按以下：●规定设计压力≤2.5MPa；●钢板使用温度不得超过0℃~400℃；●用于壳体时厚度不得大于30mm，且不得用于高度危害的介质。Q235-B与Q235-C的主要区别也就是冲击试验温度不同，前者为在温度20℃下做V型冲击试验；后者为在0℃时做V型冲击试验完成了技术特性表，下一步就是容器计算了。◆确定容器直径计算时首先要确定容器直径。除非用户有要求，一般取长径比为2～5，很多情况下取2～3就可以了。本例要求容器的几何容积为2m3。我们只得先设定直径，再根据此直径和容积求出筒体高度，验算其长径比。设定的直径应符合封头的规格。我们设定为800mm，查标准JB/T4746《钢制压力容器用封头》附录B，得知此规格的封头容积为0.0796m3，则：筒体高度为3664mm，长径比为3664/800=4.58若加上封头的高度，可知其长径比太大，我们先前设定的直径太小。再设定直径为1000mm，查得封头容积为0.1505立方。得到：筒体高度为2164mm长径比为2164/1000=2.16比较理想，则我们确定本例稳压罐的内直径为1000mm，筒体高度圆整为2200mm。有了容器直径，即可按照GB150公式5-1（p26）计算出厚度为8.30mm。此厚度即为计算厚度，其名义厚度为计算厚度与腐蚀裕量之和，再向上圆整到钢板的商品厚度。本例腐蚀裕量为2mm，与计算厚度之和为10.30mm，与之最接近的钢板商品厚度为12mm，故确定容器厚度为12mm，并且此值符合Q235-B对厚度不超过20mm的要求。另外本例若选择腐蚀裕量为1mm经济性会好得多，可以思考一下为什么至此，我们已得到容器外形。◆下一步该是按用户要求和《容规》的规定配置各管口的法兰和接管。容器上开孔要符合GB150第8.2节（p75）的规定，一般都要进行补强计算，除非满足GB150第8.3节（p75）的条件，则可不必再计算补强。选择接管时应尽量满足GB150第8.3节的条件，其安全性和经济性都最好，避免增加补强圈。本例要求的管口直径都在GB150第8.3节的范围内，因此进气口和出气口接管选择φ57x5的无缝钢管，排污口选择φ25x3.5的无缝钢管。法兰按HG20592选择1.6MPa的突面(RF)板式平焊法兰(PL)。◆法兰及其密封面型式法兰及其密封面型式是设计协议书中要求的，1.压力等级必须高于设计压力；2.其材质一般与筒体相同；3.确定管口在壳体上的位置时，在空间较为紧张的情况下，一般也应保持焊缝与焊缝间的距离不小于50mm，以避免焊接热影响区的相互叠加。本例选定进气口、出气口距上下封头环焊缝各300mm。因本例稳压罐工作温度为200℃，故其工作状态下必定有保温层，考虑到保温层厚度以及螺栓安装的需要，选定法兰密封面到筒体表面的距离为150。◆检查孔除了用户要求的管口外，《容规》第45条（p26）还对检查孔的设置进行了规定。本例直径为1000mm，按规定必须开设一个人孔。查《回转盖平焊法兰人孔》标准JB580-79压力容器与化工设备实用手册p614，选择压力1.6MPa级、公称直径450的人孔，密封型式为A型，其接管为φ480x10。因人孔开孔较大，所以人孔一定要使用补强圈补强，查《补强圈》标准JB/T4736，补强圈外径为760，厚度一般等同于筒体。人孔的位置以方便出入人孔为原则，应尽量靠近下封头。本例选定人孔中心距下封头环焊缝500。立式容器的支座一般选用支承式支座JB/T4724(压力容器与化工设备实用手册第599页)，另：锻件的级别如何确定？对于公称厚度大于300mm的碳素钢和低合金钢锻件应选用何级别？◆管口表的填写◆技术要求的书写1本设备按GB150-1998《钢制制压力容器》进行制造、试验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》的监督。2焊接采用电弧焊，焊条牌号：焊接采用J422。3焊接接头型式和尺寸除图中注明外，按HG20583的规定进行施焊：A类和B类焊接接头型式为DU3；接管与筒体、封头的焊接接头型式见接管表；未注角焊缝的焊角尺寸为较薄件的厚度；法兰的焊接按相应法兰标准的规定。4容器上的A类和B类焊接接头应进行射线探伤检查，探伤长度不小于每条焊缝长度的20%，其结果应以符合JB4730规定中的Ⅲ级为合格。5设备制造完毕应进行水压试验，试验压力为MPa。6管口、支座及铭牌架方位按本图。7设备检验合格后，外表面涂C06-1铁红醇酸底漆两道，再涂C04-42灰色醇酸磁漆一道。8设备检验合格后，内部清理干净，各管口用盲板封严。10设备筒体的计算厚度为mm，封头计算厚度为mm。建议使用年限为10年。