压力容器设计_概述_设计准则

4 压力容器设计
4.1 概述
4.1.1 设计规范
（1）ASME规范
人类最早接触的压力容器，是用于产生动力的蒸气锅炉。

世界上第一部有关压力容器设计的规范来自于美国ASME，1914年首先提出了ASME固定式锅炉结构准则及其许用工作压力，仅3页长的文件。

ASME是美国机械工程师协会简称，成立于1880年，目前会员约有125,000人。

主要从事开发机械工程及其有关领域的科学技术，开展标准化活动，制定机构规范和标准。

下面给出的是ASME自我介绍的网页，以及目前ASME拥有的规范和标准（见图片31_01～31_03）。

2001年最新版的“Boiler & Pressure Vessel Code”已发展为包括锅炉、压力容器、核动力装置设备、材料、无损检验等在内的共11卷规范，其中涉及压力容器的为第8卷第1分册(ASMEⅧ-1)、第2分册(ASMEⅧ-2)和第3分册(ASMEⅧ-1)。

ASMEⅧ-1 是关于压力容器的规则设计(Design by Rules)，也就是传统的常规设计；ASMEⅧ-2是压力容器的分析设计(Design by Analysis)；ASMEⅧ-3是高压容器设计(≧10,000psi≈69MPa)。

下面给出“Boiler & Pressure Vessel Code”(2001版)的目录。

（见图片31_04）
（2）我国的压力容器设计标准
我国的压力容器设计标准基本上参照ASME规范而制定的。

1967年由化工部公布了《钢制化工容器设计规定(试行)》；1978年由石油部、机械部公布了《钢制石油化工压力容器设计规定》作为第一版正式的设计规范，1982年出第二版，1985年由全国压力容器标准化技术委员会出了第三版；1989年升格为国家标准，即GB150-89《钢制压力容器》，1998年修订为GB150-98《钢制压力容器》。

上述压力容器设计标准基本上是参照ASMEⅧ-1的，属于常规设计方法。

除此之外，在参照ASMEⅧ-2基础上，1995年颁布了JB4732-95《钢制压力容器应力分析法设计标准》；1997年颁布了JB/T4735-97《钢制焊接常压容器》。

上述三个压力容器设计标准(GB150、JB4732和JB/T4735)，构成了目前我国压力容器从常压到中低压的设计规范系列。

下面给出这三个压力容器设计标准的适用范围和主要区别。

ASME规范包括了材料、设计、制造、检测等各个方面。

压力容器的设计、制造全过程可以不再求助其他的规范和标准。

而我国的压力容器的设计、制造还需借助许多其他的标准和规范。

国内化工设备标准体系如下。

以下给出压力容器设计、制造、检测、安装过程中的法规、规范、标准的详细目录，对今后查阅相关文献会有所帮助。

（见图片31_05～31_15）
4.1.2 设计文件
化工设备设计文件是设备技术档案的重要组成部分，是设备制造、安装、使用、检修以及更换零部件过程中的重要技术依据。

按照文件内容，设计文件可分为图样和技术文件两大部分。

(1) 图样
图样内容包括：
①总图是表示设备的主要结构和尺寸、技术特性、技术要求等资料的图样。

当装配图能体现总图所应表示的内容，一般可不绘制总图
②装配图表示设备的结构和尺寸，各零部件之间的装配关系、技术特性、技术要求等资料。

③部件图是可拆或不可拆部件的结构尺寸、所属零部件之间的配合关系，技术特性和技术要求等资料的图样。

出具部件图可简化装配图的复杂程度。

④零件图是表示零件结构、尺寸以及加工、热处理与检验要求等资料的图样。

⑤表格图是在图纸上以表格方式表示的多种同类零件、部件或设备(结构一样，仅尺寸不同)的结构、尺寸以及加工、热处理与检验要求等资料的综合图表。

⑥特殊工具图是表示设备安装、维修时使用的特殊工具的图样。

⑦预焊件图是为了设备保温或设置操作平台等需要，表示需在制造厂预先焊制的零、部件的图样。

⑧管口方位图是表示设备的管口方位以及管口与支座、地脚螺栓等相对位置的图样。

(2) 技术文件
技术文件主要包括：
①图纸目录是表示每台设备的全套设计文件的清单。

②技术条件是对于设备的材料、制造和装配、检验和试验、表面处理以及油漆、包装、润滑、保管、运输
等的特殊要求。

③计算书是指设备或零部件的计算文件。

计算书一般包括如下内容：计算所需的图形结构尺寸、计算公式、计算公式中符号的意义及选取的数值、计算结果值及最终选用值等。

④说明书是关于设备的结构原理，技术特性、制造、安装、运输、使用、维护、检修及其他必须说明的技术文件。

它的内容包括：设备性能介绍，设备结构原理的说明，设备安装和试车要求，设备使用、调整和操作的说明，设备维护和修理注意事项的说明及其他需要说明的问题。

4.1.3 设计条件
设计条件是进行化工设备设计的原始数据，它是根据工艺设计条件提出的。

下面给出设计条件示例。

4.1 概述 4.1.2 设计条件
管壳式换热器装配图示例
设计计算书示例
设计条件示例
4.2.1 压力容器失效形式
压力容器失效形式主要有：
(1) 强度失效
因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，主要方式有：
①韧性断裂－结构里的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂，其特征是断后有宏观变形。

②脆性断裂－变形量很小，壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生断裂。

材料的脆性和缺陷两种原因都会引起压力容器发生脆性断裂。

③疲劳断裂－在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程。

疲劳断裂出现在结构局部应力较高的部位，危险性很大。

④蠕变断裂－压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致断裂。

⑤腐蚀断裂－因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑，所引起的断裂。

(2) 刚度失效
由于构件过度的弹性变形引起的失效。

(3) 失稳失效
在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。

(4) 泄漏失效
由于泄漏而引起的失效。

4.2.2 压力容器失效设计准则
(1) 强度失效设计准则
在常温、静载下，屈服和断裂是压力容器强度失效的两种主要形式。

①弹性失效设计准则－容器总体结构中，某一部位发生初始屈服，导致的失效。

③塑性失效设计准则－材料为理想弹塑性，以结构整体进入屈服作为失效状态。

如前面讲述的厚壁圆筒的失效过程。

④爆破失效设计准则－材料具有应变硬化，将容器爆破作为失效状态。

⑤弹塑性失效设计准则－载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。

⑥疲劳失效设计准则－在循环交变载荷作用下，当循环次数大于疲劳设计曲线确定的许用循环次数时，出现疲劳破坏。

⑦蠕变失效设计准则－将应力限制在由蠕变极限和持久极限确定的许用应力以内。

⑧脆性断裂失效设计准则－按照断裂力学理论进行失效设计。

(2) 刚度失效设计准则
对结构的形变给予限制。

(3)稳定失效设计准则
对外压容器进行失稳设计。

(4) 泄漏失效设计准则
用于密封装置的设计。