压力容器设计

压力容器设计
压力容器的设计必须考虑以下问题：安全、满足使用要求、经济、有可制造性。

一、适用范围
考虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点）确定该设备应遵循的标准。

若同时需要满足几个标准时，应按较严格的执行。

《GB150-1998》
适用
1.设计压力≤35 Mpa的压力容器；（应力分析、验证性实验
分析、用可比的已投入使用的结构进行进行对比经验设
计）
2.设计温度范围按钢材允许的使用温度确定；
不适用
1.直接用火焰加热的容器；
2.核能装置中的容器；
3.旋转或往复运动的机械设备（如泵、压缩机、涡轮机、
液压缸等）中自成整体或作为部件的受压器室；
4.经常搬运的容器；
5.设计压力低于0.1 Mpa的容器；
6.真空度低于0.02 Mpa的容器；
7.内直径小于150 mm的容器；
8.要求作疲劳分析的容器；
已有其他行业标准的容器。

如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用容器和搪玻璃容器。

《固定式压力容器安全技术监察规程》
适用
1.工作压力大于等于0.1Mpa(不含液柱静压力)；
2.工作压力与容积的乘积大于或等于2.5 Mpa.L
（内直径大于等于150mm,且容积大于等于0.025m3;）
3.盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度大于或
者等于其标准沸点的液体。

（其中，超高压容器应当符合《超高压容器安全技术监察规程》的规定，非金属压力容器应当符合《非金属压力容器安全技术监察规》的规定，简单压力容器应当符合《简单压力容器安全技术监察规》的规定。

注：
1.容积，是指压力容器的几何容积，即由设计图样的尺寸计
算并且圆整。

一般应当扣除永久连接在压力容器内部的内
件的体积。

2.容器内介质为最高工作温度低于其标准沸点的液体时，如
果气相空间的容积与工作压力的乘积大于或等于 2.5
Mpa.L时，也属于本规程的适用范围。

不适用范围
1.移动式压力容器、气瓶、氧舱；
2.锅炉安全技术监察规程适用范围内的余热锅炉；
3.正常运行工作压力小于0.1 Mpa的容器（包括在进料或者
出料过程中需要瞬时承受压力大于或者等于0.1 Mpa的容器）
4.旋转或者往复运动的机械设备中自成整体或者作为部件的
受压气室（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）可拆卸垫片式板式热交换器（包括半焊式板式热交换器）、空冷式热交换器、冷却排管。

《GB151-1999》适用范围
1.公称直径 DN≤2600mm；
2.公称压力≤35 Mpa的压力容器；
3.设计温度范围按金属材料允许的使用温度确定。

不适用范围
1.直接受火焰加热的换热器及废热锅炉；
2.受核辐射的换热器；
3.要求作疲劳分析的换热器；
4.已有其他行业标准管辖的换热器。

如制冷、制糖、造
纸、饮料等行业中的某些专用换热器。

《GB12337-1998》适用范围
1.设计压力≤4 Mpa的橘瓣式或混合式支柱支撑的球罐；
2.设计温度范围按钢材允许的使用温度确定。

不适用范围
1.受核辐射的球罐；
2.经受相对运动（如车载或船载）的球罐；
3.公称容积小于50m3的球罐；
4.要求作疲劳分析的球罐；
5.双壳结构的球罐。

《JB/T4710-2005》适用范围
1. 设计压力≤35 Mpa的压力容器；高度H大于10米、
且高度H与平均直径（公称直径）D之比大于5的裙座自支撑钢制塔式容器；
不适用范围
1.带有拉牵装置的塔式容器；
2.由操作平台联成一体的排塔或塔群
3.带有夹套的塔式容器。

二、设计参数的确定
压力
1. Pw——最高工作压力
（a）承受内压的压力容器，指在正常使用过程中，顶部可能出现的最高压力。

(b) 承受外压的压力容器，指在正常使用过程中，可能出现的最高压力差：对夹套容器指夹套顶部可能出现的最高压力差。

2. P———设计压力
指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条件，其值不低于工作压力。

3. Pc———计算压力
指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。

但元件所承受的液柱静压力小于5%设计
压力时，可忽略不计。

即 Pc= P+液柱静压力
注：GB12337-98《钢制球形储罐》中要求，所有液柱静压力都计入计算压力。

4. Pz———安全阀的开启压
(a) 固定压力容器上只安装1个安全阀时，安全阀的开启压力Pz不应大于压力容器的设计压力P，如果安装多个安全阀时，其中一个安全阀的开启压力Pz不应大于压力容器的设计压力，其余安全阀的开启压力可适当提高，但不得超过设计压力的1.05倍。

即 Pz≤P，
(b) 移动式压力容器安全阀的开启压力应为罐体设计压力的
1.05~1.10倍，安全阀的额定排放压力不得高于罐体设计压力的1.2倍，回座压力不应低于开启压力的0.8倍。

5. PT————试验压力
(a) 内压容器: 1.液压试验 PT =1.25p t][][σσ
2.气压试验
固
(b) 外压容器: 1.液压试验 PT =1.25p
2.气压试验 PT =1.15p（1.1p）
注:1. 容器铭牌上规定有最大允许工作时,公式中应以最
大允许工作压力代替设计压力P。

2. 容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）
所用材料不同时，应取各元件材料的t][][σσ比值中的最小者温度
1. t——设计温度
指压力容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。

注：1.设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的
最高温度。

对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于
元件金属可能达到的最低温度。

2.容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度。

2.tw——工作温度
指压力容器在正常工作情况下，介质可能达到的最高温度。

3. 金属温度——指沿元件金属截面的温度的平均值。

注：元件的金属温度可用传热计算求得，或在已使用的同
类容器上测定，或按内部介质温度确定。

4.试验温度——指压力试验时，壳体的金属温度。

注：1. 《容规》规定，碳素钢、16MnR和正火15MnVR
（07MnCrMoVR）制压力容器在液压试验时，液体温度不得
低于5℃；其他低合金钢制压力容器（不包括低温球罐），
液体温度不得低于15℃。

2. 铁素体钢制低温压力容器在液压试验时，液体温度应
高于壳体材料和焊接接头两者夏比冲击试验的规定温度
的高值再加20℃。

厚度
1. δ——计算厚度
指按各章公式计算得到的厚度。

需要时尚应计入其他载荷所需厚度。

2.δc——设计厚度
指计算厚度与腐蚀裕量C2之和。

即δc=δ+ C2
3.δn——名义厚度
指计算厚度加上钢材厚度负偏差C1后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。

即δn=δc+ C1+圆整值
=δ+ C1+ C2+圆整值
4.δe——有效厚度
指名义厚度δn减去腐蚀裕量C2和钢材厚度负偏差C1，
即δe =δn - C1- C2
5. C———钢板厚度附加量
指钢板厚度负便差C1与腐蚀裕量C2之和，
即 C= C1+ C2
注：1.钢板或钢板的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的6%时，负偏差可忽略不计。

2.容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。

3.GB150规定：壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：
对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm:；对高合金钢制容器，不小于2mm。

4.GB151规定：筒体成形后的最小厚度（包括1 mm的腐蚀裕量）
对碳素钢和低合金钢制容器
对高合金钢制容器
JB/T4710规定：塔壳成形后的最小厚度（不包括腐蚀裕量）
a.对碳素钢、低合金钢制塔式塔式容器为2Di/1000,且不小于
3mm;
b.对高合金钢制塔式容器，不小于2 mm。

c. 介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制压力
容器，腐蚀裕量不小于1mm。

d. 对碳钢、低合金钢制裙座壳取腐蚀裕量C2不小于2 mm；
e. 地脚螺栓腐蚀裕量C2不小于3 mm
f . 钢板或钢板的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚
度的6%时，负偏差可忽略不计。

GB12337规定：
1.球壳板最小宽度应不小于500 mm，
2.支柱底板的腐蚀裕量Cb一般取3 mm，
3.地脚螺栓的腐蚀裕量CB一般取3 mm，
4.拉杆的腐蚀裕量CT一般取2mm，
三．总图的主要内容
压力容器的设计总图上，至少应注明以下内容：
（1）压力容器名称、类别，设计、制造所依据的主要法规、标准；（2）工作条件，包括工作压力、工作温度、介质毒性和爆炸危害程度等；
（3）设计条件，包括设计温度、设计载荷（包括压力在内的所有应当考虑的载荷）、介质（组分）、腐蚀裕量、焊接接头系数、
自然条件等，对存储液化气体的储罐应当注明装量系数，对
有应力腐蚀倾向的储存容器应当注明腐蚀介质的限定含量；
（4）主要受压元件材料牌号与标准；
（5）主要特性参数（如压力容器容积、换热器换热面积与程数等）；（6）压力容器设计使用年限（疲劳容器标明循环次数）；
（7）特殊制造要求；
（8）热处理要求；
（9）无损检测要求；
（10）耐压试验和泄漏试验要求；
（11）预防腐蚀的要求；
（12）安全附件的规格和订购特殊要求（工艺系统已考虑的除外）；
（13）压力容器铭牌的位置；
（14）包装、运输、现场组焊和安装要求。

注：下列情况对设计总图的特殊要求：
1.多腔压力容器分别注明各腔的试验压力，有特殊要求时注明共用
元件两侧允许的压力差值，以及试验步骤和试验要求。

2.装有触媒的压力容器和装有充填物的压力容器，注明使用过程中
定期检验的要求；
3.由于结构原因不能进行内部检验的压力容器，注名计算厚度、使
用中定期检验的技术要求；
4.不能进行耐压试验的压力容器，注名计算厚度和制造与使用的特
殊要求。

5.有隔热衬里的压力容器，注明防止受压元件超温的技术措施；
6.要求保温或者保冷的压力容器，提出保温或者保冷措施。

四、无损检测
1.凡符合下列条件之一的容器及受压元件,需采用图样规定的方法,对其A、B类焊接接头,进行100%RT或UT检测:
GB150
1.钢材厚度δs＞30mm的碳素钢、16MnR;
2.钢材厚度δs＞25mm的15MnVR、15MnV、20MnMo和奥氏体不锈
钢；
3.标准抗拉强度下限值σb＞540Mpa的钢材；
4.钢材厚度δs＞16mm的12CrMo、15CrMoR、15CrMo;其他任意厚
的Cr-Mo低合金钢；
5.进行气压试验的容器；
6.图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器；
7.图样规定须100%检测的容器；
8.多层包扎压力容器内筒的A类焊接接头；
9.热套压力容器各单层圆筒的A类焊接接头
GB12337-1998
1.钢材厚度δs＞30mm的碳素钢和16MnR钢制球罐；
2.钢材厚度δs＞25mm的15MnVR和任意厚的15MnVNR钢制球罐；
3.材料标准抗拉强度下限值σb＞540Mpa的钢制球罐；
4.进行气压试验的球罐；
5.图样注明盛装易燃和毒性为极度危害和高度危害物料的球
罐；
6.图样注明须100%检测的球罐。

注：对于进行100%RT或UT检测的焊接接头，是否需采用UT或RT进行复测，以及复测的长度，由设计者在图样上予以规定。

GB151-1999
5.拼接管板的对接接头；
6.设备法兰拼接接头；
7.设计温度低于-40℃；
8.设计温度低于-20高于-40℃，接头厚度大于25mm。

9.满足150的规定。

.《容规》
1. GB150及GB151等标准中规定进行100%检测的压力容器；
2. 第三类压力容器；
3. 第二类压力容器中易燃介质的反应压力容器和储存压力容器；
4. 设计压力大于
5.0Mpa的压力容器；
5.设计压力大于等于0.6Mpa的管壳式余热锅炉；
6.设计选用焊缝系数为1.0的压力容器（无缝管制筒体除外）；
7.疲劳分析设计的压力容器；
8.采用电渣焊的压力容器；
9.使用后无法进行内、外部检验或耐压试验的压力容器；
10.符合下列之一的铝、铜、镍、钛及其合金制压力容器：
○1介质为易燃或毒性程度为极度、高度、中度危害的；
○2采用气压试验的；
○3设计压力大于等于1.6Mpa的。

注：1.压力容器壁厚大于38 mm（或小于等于38 mm，但大于20且使用材料抗拉强度规定值下限大于等于540Mpa）时，
除进行100%检测外，还应进行20%原检测长度的附加局
部检测。

2.拼接封头（不含先成形后组焊的拼接封头）、拼接管板的
对接接头、拼接补强圈的对接接头。

2.用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢钢板，凡符合下列
条件之一的，应逐张进行UT检测：
GB150
1.厚度大于30mm的20R和16MnR，质量等级应不低于Ⅲ级；
2.厚度大于25mm的15MnVR、15MnNbR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR
和Cr-Mo(15CrMoR\14Cr1MoR)钢板，质量等级应不低于Ⅲ级；
3.厚度大于20mm的16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR,质量等级应不低于Ⅲ级；
4.多层包扎压力容器的内筒钢板，质量等级应不低于Ⅱ级；
5.调质状态供货的钢板，质量等级应不低于Ⅱ级；
《容规》
2.盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器；
3.盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于100mg/L的压力
容器；
4.最高工作压力大于等于10Mpa的压力容器；
5.GB150第4章和附录C、GB151《管壳式换热器》、GB12337
《钢制球形储罐》及其他国家标准和行业标准中规定进行超
声检测的钢板。

6.移动式压力容器；
GB150附录C：壳体的钢板厚度大于20mm的低温压力容器用钢板。

GB12337《钢制球罐》
1. 钢材厚度δs＞30mm的碳素钢、16MnR;
2. 钢材厚度δs＞25mm的15MnVR、15MnVNR；
3. 钢材厚度δs＞20mm的16MnDR、09Mn2VDR；
4.调质状态供货的钢板；
5.上下极板和与支柱连接的赤道板.
3. 接管(凸缘)与壳体体之间的接头设计以及夹套压力容器接头的设
计有下列情况之一的应采用全焊透形式:
《容规》
1.介质为易燃或毒性为极度危害和高度危害的压力容器；
2.做气压试验的压力容器；
3.第三类压力容器；
4.低温压力容器；
5.按疲劳准则设计的压力容器；
6.直接受火焰加热的压力容器；
7.移动式压力容器。

《GB150》：接管（凸缘）名义厚度≥1/2壳体厚度，且焊脚
高度≥6。

《GB150》还规定：（1）低温压力容器；
（2）承受疲劳载荷的压力容器
（3）钢材的标准抗拉强度下限值＞540Mpa的容器
接管与壳体插入式连接符合上术条件时，接管内径边角
处应倒圆，圆角半径一般取接管名义厚度/4或19两者
中的较小者。

五．焊后应进行整体热处理的压力容器：
《容规》
1.采用电渣焊接的铁素体类材料或焊接线能量较大的立焊
焊接的压力容器受压元件,应在焊后进行细化晶粒的正火
处理.
2.常温下盛装混合液化石油气的压力容器(储存容器或移动
式压力容器罐体)应进行焊后热处理.
3.旋压封头应在旋压后进行消除应力热处理(采用奥氏体不
锈钢材料的旋压封头除外).
:注:1. 高压容器、中压反应容器和储存容器、盛装混合液化石
油气的卧式储罐
、移动式压力容器应采用炉内整体热处理,其他压力容器应采用整体热处理,大型容器可采用分段热处理,其重叠热处理
部分的长度应不小于1500mm,炉外部分应采取保温措施.
局部热处理应包括整条焊缝,焊缝每侧加热宽度不小于木
材厚度的2倍,接管与壳体相焊时加热宽度不小于两者厚
度(取较大值)的6倍.
2. 热处理装置(炉)应配有自动记录曲线的测温仪表,并
保证加热区内最高与最低温度之差不大于65℃(球形
储罐除外).
《GB150-1998》
容器及其受压元件符合下列条件之一者，应进行焊后热处理：
1. 碳素钢、07MnCrMoVR、15 MnNbR厚度大于32mm(如焊前预
热100℃以上时，厚度大于38)；
2. 16MnR和16Mn厚度大于30 mm（如焊前预热100℃以上时，厚度大于34)；
3. 15MnVR和15MnV厚度大于28 mm（如焊前预热100℃以上时，厚度大于32)；
4. 任意厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、15CrMoR、
14Cr1MoR\12CrMo1R、20MnMo、20MnMoNb、15CrMo、12Cr2Mo1、
1Cr5Mo；
5. 对于钢材厚度δs不同的焊接接头,上述厚度按薄者考虑;
对于异种钢材相焊的焊接接头,按热处理严者确定;
6. 图样注明有应力腐蚀的容器,如盛装液化石油气\液氨等的容器;
7. 图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器;
8 除图样另有规定,奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处理;
9. 冷成形或中温成形的受压元件,凡符合下列条件之一者应于成形后进行热处理:
(1) 碳素钢、16MnR的厚度≥圆筒内径的3%；
（2）其他低合金钢的厚度≥圆筒内径的2.5%；
〈GB12337〉
若球罐不进行焊后整体热处理，制造单位应对下列组焊件进行消除应力热处理：
（1）与人孔、接管焊接的极板；
（2）当赤道板厚度大于20mm,且支柱与赤道板连接焊缝的焊脚大于12 mm时，与支柱焊接的赤道板。

1.碳素钢和碳锰钢在高于425℃高温下长期使用时，应注意什么
问题？
答：GB150-1998规定，碳素钢和碳锰钢在高于425℃高温下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。

因为碳素钢和碳锰钢在上述情况下，钢中的渗碳体会产生分解，FeC____3Fe+C(石墨)，而这一分解及石墨化最终会使钢中的珠光体部分或全部消失，使材料的强度及塑性均下降，而冲击值下降尤甚，钢材明显变脆。

2.奥氏体钢的使用温度高于525℃时，应注意什么问题？
答：GB150规定，奥氏体钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%，这是因为奥氏体钢在使用温度高于500～550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降。

因此，一般规定超低碳（C≤0.03%）奥氏体不锈钢的使用范围，18-9型材料用到400℃左右，18-12-2型材料用到450℃左右，使用温度超过650℃时，国外对于304、316L型材料一般要求用H级，
即含碳量要稍高一些，主要也是考虑腐蚀，而且耐热及有热强性。

3.什么是奥氏体不锈钢的敏化范围？
答：奥氏体不锈钢在400～850℃范围内缓慢冷却时，保持足够的时间在晶界上有高铬的碳化物Cr23C6析出并沉积，造成碳化物邻近部分贫铬在腐蚀介质中，引起晶间腐蚀倾向，这一温度范围称为敏化范围。

4.什么叫固溶处理？它对奥氏体不锈钢性能有何作用？
将合金加热至高温（1100℃）单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到饱和固溶体的工艺称固溶热处理。

通过固溶处理铬镍不锈钢将高温组织在室温下固定下来获得被碳过饱和的奥氏体，以改善铬镍不锈钢的耐腐蚀性。

此外，它还能提高铬镍不锈钢的塑性和韧性。

5.什么叫退火？
将组织偏离平衡状态的金属或合金，加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷），以达到接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。

1）完全退火把工件加热到1148℃以上20～30℃，保温一定时间，然后缓慢冷却下来的热处理。

即加热到1148℃时二次渗碳体（Fe3CⅡ）转变为奥氏体。

主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件和铸件的退火。

通过重结晶退火使晶粒细化组织均匀和消除残余应力用以提高钢件性能。

2）球化退火把工件加热到727℃以上20～30℃，保温一定时间，然后缓慢冷却下来的热处理。

使钢中碳化物呈球状化而进行的退火。

主要用于过共析钢。

3）去应力退火○1为了消除焊接接头中的内应力和冷作硬化，提高接头抗脆断的能力。

○2在低合金接头中改善焊缝及热影响区的碳化物，提高接头高温持久强度。

○3稳定结构的形状，消除焊件在焊后机械加工和使用过程的崎变。

○4促使焊缝金属中氢完全的扩散，从而提高焊缝的抗裂性和韧性。

对于压力容器用钢去应力退火的温度在600～680℃，而铸铁件在500～550℃，保温后在炉内缓慢冷却。

一般可消除残余应力50～80%。

6.什么叫正火？
把工件加热到900℃以上30～50℃，保温一定时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

正火的作用和退火。

但是，正火的加热温度稍高。

此外，正火是在空气中冷却，冷却速度比退火快。

正火的作用：
1）对于低碳钢或低碳合金钢，正火可以提高其硬度，改善切削加工性能。

2）对于不太重要的零件，正火可以细化晶粒，使组织均匀化，提高机械性能。

作为零件的最终处理。

3）对于过共析钢或工具钢，正火可以减少二次渗碳体量，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。

7.什么叫淬火？
将合金加热到相变温度以上（900℃以上30～50℃），保持一定时间，然后快速冷却以获得不稳定组织的热处理工艺。

8.什么叫回火？
回火的目的主要是改善钢材的组织和性能。

回火在正火或淬火后进行。

回火温度一般为580～680℃。

一般淬火加回火叫调质。

9.优质碳素结构钢与合金钢牌号的表示方法：
○1优质碳素结构钢的牌号采用两位数字来表示。

这两位数字表示该钢号的平均含碳量的万分之几。

例如20钢表示平均含碳量为0.2%；
○2合金结构钢的牌号采用“两位数字+元素符号+数字”来表示。

前两为数字代表钢中平均含碳量的万分之几，元素符号代表钢中所含的合金元素，元素后面的数字代表该元素的平均含量的百分之几。

合金元素含量小于 1.5%，则牌号中只标明元素符号，不标明数字，若平均含量等于或大于 1.5%、2.5%、3.5%时则相应地以2、3、4来表示。

10.焊条牌号的表示方法：
焊条牌号一般用一个大写拼音字母和三个数字表示，如J422、J507。

拼音字母表示焊条的大类，如“J”表示结构钢焊条（碳钢焊条和普通低合金钢焊条），“A”表示奥氏体不锈钢焊条，“Z”表示铸铁焊条等；结构钢焊条前两位数字表示焊缝金属抗拉强度等级，单位为kgf/mm2，抗拉强度等级有42、50、55、60、70、75、85等：最后一个数字表示药皮类型和电流种类，其中1～5为酸性焊条，6和7为碱性焊条。

例如，16Mn的
σb为 520MPa,因此一般应选用J502或J507。

不锈钢焊条和耐热钢焊条的选用方法，是根据母材化学成分类型，选择相同成分类型的焊条，这两种焊条是通过保证化学成分相同，达到性能相同的要求。

“A”表示奥氏体不锈钢焊条，第一位数字表示焊缝金属主要化学成分组成等级，A0XX：C≤0.04（超低碳）；A1XX：Cr约为18%，Ni约为8%；A2XX：Cr约为18%，Ni 约为12%；A3XX：Cr约为25%，Ni约为13%；
例如，0Cr18Ni9选用的焊条牌号为A102或A107。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。