压力容器厚度计算

关于压力容器设计时材料和壁厚的讨论

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2012年5月

关于压力容器设计时材料和壁厚的讨论

摘要：讨论压力容器设计时材料与壁厚的选取进行讨论，以及厚度的变化对强度的影响。

关键词：压力容器；设计；选材；厚度；强度；标准

压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，为了与一般容器(常压容器)相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器：（1）工作压力（注1）大于或者等于0.1Mpa(工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力（表压力）); （不含液体静压力）（2）内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m。且容积（V）大于等于0.025立方米，工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa-L(容积，是指压力容器的几何容积）; （3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

压力容器中的介质种类繁多，来源广泛，这些介质中具有易燃、易爆、有腐蚀的特性。因此压力容器选材根据介质特性的不同而不同。压力容器钢板有碳素钢板、低合金钢钢板、高合金钢钢板、不锈钢与碳素钢等多种材料，且每种钢板都有它的使用范围。选取时应考虑多方面因素。使设计的压力容器安全又经济合理。

GB150-2011计算厚度是指按各章公式计算得到的厚度；设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和；名义厚度指设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格厚度，即标注在图样上的厚度；有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差。成型后最小厚度，一般指封头压形后会减薄，不同的制造工艺减薄量不同，所以封头都有成型后最小厚度。我们这里主要讨论名义厚度与最小厚度之间关系和选用。

GB150-2011规定等国家标准的原则，制造工艺人员要根据图样厚度考虑加工减薄量而增加制造元件的毛坯厚度。在我国材料标准中，钢板厚度范围变化，钢板的σb、σs也有变化，一般是板厚增加，σb、σs有所降低。我国压力容器用钢板许用应力随板厚厚度范围增厚而有所降低，因而可能出现虽然有时板厚增加，强度反而降低的现象，尤其是封头，这种现象更明显。

2 实例为了证明上述现象存在，举例如下：首先我们给出常用钢板在不同状态下的强度指标，如下表所示：

常用钢板在不同状态下的强度指标表

2.1 例1

某台储气罐，其封头为标准椭圆形，材质15MnVR，设计内径Di=2000mm，腐蚀裕度C2=1mm，焊缝系数φ=1，设计压力P=2.6MPa，设计温度t=20℃，标准椭圆封头形状系数K=1，设计图样上封头名义厚度δn=16mm.制造厂选用18mm厚度钢板压制封头，该制造厂压制封头时最大成型减薄量为δx10%，即18x10%=1.8(包含钢板厚度负偏差在内)。

(1)选用18mm厚度钢板压制封头，15MnVR钢板厚度负偏差

C1=0.25mm，封头成型后最小厚度δmin=18-1.8=16.2mm，名义厚度一钢板厚度负偏差=16-0.25=15.75mm，即满足标准要求。

(2)16mm图样厚度满足设计强度要求。对图样封头厚度16mm进行强度校核:[σ]t=177MPa，

根据壁厚计算厚度公式δ=KP C Di/(2[σ]tφ—0.5P C)

P C :设计压力,单位:MPa ；Di ：筒体内径：㎜；[σ]t ：在设计温度下的许用应

力；φ为焊接接头系数。K 为椭圆封头形状系数 δmm 74.146

.25.0-1177220006.2=⨯⨯⨯⨯= 考虑腐蚀裕量C2=1mm ，封头设计厚度δd =δ+C2=14.74+1=15.74mm ，再考虑钢板厚度负偏差C1=0.25mm ，δd+C1=15.74+0.25=15.99mm ，现图样厚度B.=16mm>15.99rmn ，即满足设计强度要求。

(3)板厚增加，强度反而不符合要求。查18mm 厚度的15MnVR 封头材料的许用应力[δ]t=170MPa ，此时，封头计算厚度： δ5mm 3.156

.25.0-1170220006.2=⨯⨯⨯⨯= 考虑腐蚀裕度C2=1mm ，则封头设计厚度δd=15.35+1=16.35mm ，现封头成型后最小厚度(包含钢板厚度负偏差在内)为：18-1.8=16.2mm<封头设计厚度16.35mm ，即不满足设计强度要求。

2.2 例2

某低温反应容器(t=25℃)的球形封头材质为15MnNiDR ，图样厚度20mm ，设计压力p=7.65MPa ，设计内径Di=1500mm ，腐蚀裕度C2=1mm 。制造厂选用22mm 钢板压制球形封头，该制造厂压制封头时最大成型减薄量(包含钢板厚度负偏差在内)为δx12%=22x12%=2.64mm 。

(1)选用 22mm 厚度的15MnNiDR 钢板厚度负偏差为0.8mm ，封头成型后最小厚度(包含钢板厚度负偏差在内)δmin=22-2.64=19.36mm>图样厚度-钢板厚度负偏差=20-0.8=19.2mm ，即选用22mm 厚度钢板压制球形封头，满足标准要求。

(2)对图样球形封头厚度进行强度校核，:[σ]t=163MPa

根据壁厚计算厚度公式δ=P C Di/(4[σ]t φ—P C )

P C :设计压力,单位:MPa ；Di ：筒体内径：㎜；[σ]t ：在设计温度下的许用应

力；φ为焊接接头系数。

δmm 8.17.65

7-11634200065.7=⨯⨯⨯= 考虑腐蚀裕度C2=1mm ，则封头设计厚度δb=17.8+1=18.8mm ，再考虑钢板厚度负偏差C1=0.8mm,δa+C1=18.8+0.8=19.6mm<20mm 图样厚度，即图样厚度20mm 满足设计强度要求。

(3)板厚增加，强度反而不符合要求。虽然制造时考虑加工成型减薄量，增加了压制封头钢板厚度，满足了GB150-98封头最小厚度≧图样厚度-钢板厚度负偏差的要求，但由于钢板厚度增加后[σ]由163MPa 降至157MPa ，此时，球型封头计算厚度： δmm 5.18.65

7-11574200065.7=⨯⨯⨯= 再考虑腐蚀裕度C2=1mm ，则球形封头设计厚度

δa=δ+C2=18.5+1=19.5mm ，现封头成型后最小厚度

δmin=22-2.64=19.36mm<19.5mm ，故不能满足设计强度要求。

3结束语

由以上实例说明，若不考虑板厚增加，材料力学性能降低这一因素，将可能制造出强度不够的不合格受压元件。除了上述两例材质外，还有其它多种钢种，如 16MnR,16MnDR 等的力学性能均随厚度范围变化。因此，设计人员在选用我国钢板进行设计时，应充分考虑材料许用应力随板厚范围变化而变化的问题；应增加最小厚度值，确保制造工艺人员为弥补加工减薄量而增加板厚时，受压元件成型后最小厚度仍能满足设计强度要求。目前，我国压力容器设计依据GB150-2011《钢制压力容器》，是国内普遍遵循的原则。选定压力容器用材后，在确定钢板的厚度，设计人员在压力容器厚度选取时，要充分考虑厚度变化对强度的影响，尤其是设计厚度处于相应材料厚度范围临界值时，材料需用