压力容器设计基础知识培训-201706

压力容器设计基础知识培训技术中心郝世荣主要内容1、总论2、受压元件3、外压元件（圆筒和球壳）4、开孔补强主要内容1、总论2、受压元件3、外压元件（圆筒和球壳）4、开孔补强1.1GB/T150适用范围适用的温度范围：1）设计温度范围：-269℃∽900℃。2）钢材不得超过按GB/T150.2所列材料的允许使用温度范围。3）其他金属材料制容器按相应规范所列材料的的允许使用温度范围。第2条GB/T150.2所列钢材使用温度范围不含有色金属。其中奥氏体不锈钢的最低使用温度为-253℃（对应液氢设计温度），S31008最高使用温度为800℃，部分奥氏体不锈钢最高使用温度为700℃。第1条款说明了本标准涵盖的所有容器设计温度范围为-269℃∽900℃，其下限值269℃对应于铝的极限使用（设计）温度，上限值900℃对应于镍合金的极限使用（设计）温度。1、总论-GB150适用范围适用的压力范围：钢制容器适用于设计压力不大于35MPa，不低于0.1MPa及真空度高于0.02MPa。特殊材质容器的设计压力按相应标准。1、总论-GB150适用范围真空容器常压容器压力容器钢制容器设计压力适用范围，对其他金属材料制容器设计压力适用范围见相应标准规范《容规》与GB/T150的适用情况介绍GB/T150真空度容规容规附件A1、总论-GB150与《容规》适用范围JB47321、总论-设计参数1.2.1压力（6个压力）工作压力Pw：在正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力Pd：设定容器顶部的最高压力，与相应设计温度相对应作为设计载荷条件下容器顶部的最高压力，其值Pd≥PW。计算压力Pc：在相应设计温度下，用于确定元件厚度的压力，并且应当考虑液柱静压力等附加载荷。试验压力Pt：进行耐压或泄漏压力试验时容器顶部的压力。最大允许工作压力Pwmax：在设计温度下，容器顶部所允许承受最大压力，是根据容器受压元件的有效厚度计算得到,是考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的。安全泄放装置整定压力Pz：Pw＜Pz≤(1.05-1.1)Pw装有超压泄放装置的压力容器Pd≥Pz1.2设计参数压力设计压力Pd与计算压力Pc的区别性质不同:设计压力Pd指整台设备,计算压力Pc指具体部位的不同受压元件。取值依据不同:Pd其值不低于工作压力,综合考虑若干因素;Pc用于来确定具体元件的厚度,其中包括液柱静压力,对于夹套容器设计要考虑各压力腔之间的最大压力差。用途不同:Pd用来确定容器类别,确定Pt。Pd出现在技术特性表和产品铭牌上,而Pc出现在计算书上。1、总论-设计参数1、总论-设计参数对于设计图纸中注明最高允许工作压力的压力容器，允许超压泄放装置的整定压力高于设计压力，但不高于该压力容器的最高允许工作压力。容器最大允许工作压力一般大于设计压力，当设计文件未注明最大允许工作压力时，则设计压力视为其最大允许工作压力，计算采用的厚度应为有效厚度减去除压力外的其它载荷（如风弯矩、地震载荷）等，以及开孔补强所需厚度的厚度的计算值，并应减去液注静压力。最大允许工作压力计算麻烦，需要进行全面强度校核（法兰、补强、外压、局部不连续等）设计压力与计算压力的区别：在设计温度下设计压力是指容器顶部的工作压力，而计算压力除考虑设计压力外，还应考虑壳体该部位的液注静压力。装有安全阀的压力容器，其设计压力、工作压力、试验压力与安全阀排放压力、开启压力之间的关系示意：1、总论-设计参数设计压力的确定：1）通常情况下1、总论-设计参数2）设计压力必须与相应的设计温度作为设计条件，且还应考虑容器在运行中可能出现的各种工况，并以最苛刻的工作压力与相应的温度的组合工况，确定设计压力。3）盛装液化石油气和液化气的容器的设计压力，1）无安全装置时，设计压力应不低于安全阀开启压力的1.05倍工作压力，2）装有安全装置时设计压力应不低于安全阀的开启压力（开启压力取工作压力的1.05~1.1倍工作压力）。3）工作压力指盛装液化石油气和液化气的容器顶部可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力。常温液化石油气和液化气的工作压力（饱和蒸汽压力）力见《容规》。4）带夹套的真空容器，容器壳体的计算外压力为设计外压与夹套设计内压力之和，且还应校核夹套试验压力下容器的壳体的外压稳定性。5）真空容器确定壳体厚度时，设计压力是按外压考虑的，有安全阀设计压力为1.25倍最大内外压差或0.1MPa的最大值，无安全阀，取0.1MPa。1、总论-设计参数1.2设计参数1.2.2温度工作温度Tw：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。试验温度Tt指耐压试验时容器壳体元件的金属温度，工程中也往往以试验介质温度来表示试验温度。设计温度Td：容器在正常工况下，设定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10-20℃得到。温度设计常温储存压力容器(无保温)时，应当充分考虑在正常工作状态下大气环境温度条件对容器壳体金属温度的影响，其最低设计金属温度不得高于历年来月平均最低气温的最低值。设计金属温度的选取应考虑环境温度的影响，从而正确选材设计温度的确定原则1）设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，对低于0℃时，设计温度不得高于元件可能达到的最低温度2）当容器各部件工作温度不同时，应分别设定各自的设计温度3）对具有不同工况的容器，应按最苛刻工况设计，并注明各工况对应的设计温度及设计压力值4）容器内介质用蒸汽直接加热或间接加热时，设计温度取介质的最高温度。5）容器的受压元件两侧与不同介质直接接触时，应以较苛刻侧（最高或最低）的工作温度确定元件的设计温度。1、总论-设计参数1、总论-设计参数1.2设计参数1.3.3设计时应载荷1.压力1)内压、外压或最大压差;2)液柱静压力;3)试验压力。2.重力载荷1)容器空重:容器壳体及内外部固定件(如接管、人孔、法兰、支承圈、支座及内部元件等)的质量;2)可拆内件的重力载荷:容器内部可拆卸构件(如填料、填料格栅、支承梁、除沫器、催化剂及可拆塔盘板等)的质量;3)介质的重力载荷:正常工作状态下容器内介质的最大质量;（含液体介质、固体物料或填料）4)隔热材料的重力载荷:如保温(或保冷)层及其支持件、内部隔热材料等的质量;1、总论-设计参数5)附件的重力载荷:与容器直接连接的平台、扶梯、工艺配管及管架等附件的质量;6)水压试验时，容器内水的质量。3.风载荷和地震载荷：根据容器的类型（如塔器、球形容器等）4.雪载荷5.偏心载荷：由于内件或外部附件(或设备)的质心偏离容器壳体中心线而引起的载荷。6.局部载荷:容器壳体局部区域上作用的载荷(如支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件对壳体的反作用力、管道推力等)。7.冲击载荷:由于容器受工作介质的冲击或压力急剧波动以及运输、吊装时产生的附加载荷。8.温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力。9.循环载荷:对某些特定操作条件的容器，承受压力循环载荷及热应力循环作用。1、总论-设计参数载荷组合：应考虑安装、水压试验及工作状态下可能出现的最不利组合；1、总论--设计参数1.2设计参数1.3.3壁厚（6个厚度）δc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δd设计厚度，δd=δc+C2（腐蚀裕量）保证规定使用寿命所需厚度δn名义厚度，δn=δd+C1（钢材负偏差）+△（圆整量）δe有效厚度，δe=δn-C1-C2=δc+△（决定元件的承载能力）δmin设计要求的成形后最小厚度，δmin≥δn-C1（GB1504.3.7壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度而定；而δmin是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。）δ坯坯料厚度δ坯=δd+C1+△+C3（其中：C3制造减薄量，主要考虑材料（黑色，有色）、工艺（模压，旋压；冷压，热压），所以C3值一般由制造厂定。）厚度需要时，还需考虑GB150.1中4.3.2其他载荷1、总论--各厚度之间的相互关系各厚度之间的相互关系1、总论—确定最小厚度应考虑的因素1)对卧式容器，应取卧式容器计算所采用的有效厚度和按“中径公式”计算得到的厚度两者中的较大值作为计算厚度。2)对于有开孔补强计算的容器应当考虑补强这一因素。即根据圆筒、封头是否参与补强，若参与补强的话，则“计算厚度”尚应加上参与补强金属（A1）所要求的厚度.此时，如采用等面积补强法，“计算厚度”应采用如下形式：δ2=[A1/（B-d）-2（δnt-C）(1-fr)]+δ1式中：A1--壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm2δ1-按GB150各章计算的厚度；mmδ2—满足设计要求的计算厚度；mm此时，笫一项为壳体参与补强所需厚度，笫二项为GB150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。关于最小厚度确定应考虑的因素压力容器最小厚度的确定应当考虑制造、运输、安装等因素的影响。最小厚度规定需要参考相应的产品技术标准。当设计压力较低时，由内压强度计算公式计算的计算厚度δ较小，往往不能满足制造、运输、安装等方面的刚度要求，因而对容器规定了最小厚度δmin；复合钢板复层最小厚度、容器壳体内表面堆焊层规定最小厚度。法兰、管板及平盖的不锈钢堆焊层，机加工后面层规定最小厚度。1、总论--确定最小厚度应考虑的因素3)受外压的容器壳体和封头的计算厚度。在GB150“外压圆筒和外压球壳”中，只有名义厚度δn和有效厚度δe,并没有直接出现外压壳体的计算厚度δ。此时，计算厚度δ应按照相应外压壳体的计算方法得出的[P]=PC([P]:许用外压力；PC：计算外压力)时的有效厚度。如果是外压容器的开孔补强问题，则更增加了判断的难度。最小厚度对“成型后的最小厚度”。对碳钢和低合金钢制容器,不小于3mm；对高合金钢容器,不小于2mm；碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2/1000的塔器内直径,且不小于3mm;对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于2mm；管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB/T151《热交换器》的相应规定。一般图样上封头应标注名义厚度（最小成形厚度），标注最小成形厚度可避免制造厂为保证“名义厚度减负偏差”选购材料厚度二次圆整导致材料浪费。成形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C1,但当设计图样标注了封头成形后的最小厚度，实测最小厚度不小于图样标注的最小成形厚度。1、总论--确定最小厚度应考虑的因素1.2设计参数1.2.4腐蚀裕量对于均匀腐蚀的压力容器，腐蚀裕量根据预期的压力容器的使用年限和介质对材料的腐蚀速率确定；同时，还要当考虑介质流动对受压元件的冲蚀、磨损等影响。腐蚀裕量：年腐蚀速率×设计寿命。当容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可以采用不同的腐蚀裕量。设计单位应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命。注意：压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，它仅仅是设计者预期的使用条件而给出的估计值，需要考虑设备建造费用、更换周期以及材料、结构、防腐、限制蠕变或疲劳等因素，结合经验给出。1、总论—腐蚀裕量下列情况不考虑腐蚀裕量介质对不锈钢无腐蚀作用时（不锈钢、不锈复合钢板或有不锈钢堆焊层的元件）；可经常更换的非受压元件；有可靠的耐腐蚀衬里；法兰的密封表面；管壳式换热器的换热管、拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件；用涂漆可以有效防止环境腐蚀的容器外表面及其外部构件（如支座、支腿、底板及托架等，但不包括裙座）。压力容器设计寿命主要考虑因素：（1）材料；（2）C2；（3）结构设计合理性及防腐；（4）制造工艺；（5）非正常工况；（6）对于低温绝热容器，应考虑绝热寿命。一般来说设计寿命10-15年，通常，塔器、反应器≥15年；石化行业难以更换的塔器≥20年，换热器、容器类≥10年。1、总论—压力容器设计寿命主要考虑因素1、总论--许用应力1.2设计参数1.2.4许用应力许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值：σb/nbσs/nsσD/nDσn/nn当设计温度低于20℃取20℃的许用应力。主要内