压力容器设计的基本思路

1压力容器设计的基本思路21、前言2、设计参数、容器类别和设计标准的确定3、设计标准体系4、结构型式5、材料选择6、强度计算（应力分析）7、压力容器附件的选择8、安全附件的配用9、制造技术要求的编制31、前言压力容器:是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器。4压力容器设计：根据给定的工艺设计条件，遵循现行的标准规范的规定，在确保安全的前提下，经济、正确合理地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计：确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚）度设计：确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计：选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。5压力容器设计的基本思路：设计参数、容器类别和设计标准的确定结构型式选择主体尺寸确定材料的选择强度计算（应力分析）初步设计和施工图设计容器附件的选择安全附件的配用制造、检验和验收的技术条件的编制。62、设计参数、容器类别和设计标准的确定2.1主要设计参数的确定主要设计参数：设计压力、设计温度、厚度附加量等设计压力：指设定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，其值不得低于工作压力。7内压容器的设计压力一般确定原则：当压力容器无安全泄放装置时，容器的设计压力取(1.0～1.1)工作压力。中低压容器设计压力取1.10倍工作压力，高压容器取1.05倍工作压力；当压力容器装有安全阀时，其设计压力不得低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05～1.10倍工作压力）；当压力容器装有爆破片时，其设计压力取爆破片设计爆破压力加上制造范围上限。8外压容器设计压力取不小于在正常工作条件下可能产生的最大内外压差。两侧受压的压力容器元件一般应以两侧的设计压力分别作为该元件的设计压力，除非有特殊措施保证两侧同时受压,可取两侧的最大压差作为设计压力。设计时考虑的载荷除了内压、外压或最大压力差外；有时必须考虑液体静压力；根据容器的具体情况，还可能考虑自重，内件重量和附属设备等等的影响。9设计温度指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。设计温度不得低于元件金属在工作状态下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。压力容器安装在室外,当壳体的金属温度受大气环境气温条件所影响时,其最低设计温度,取历年来月平均温度的最低值作为最低设计温度；容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件间接加热时，设计温度不得低于最高工作温度。10介质工作温度T设计温度（注：当最高或最低工作温度不明确时按II确定）IIIT-20℃介质最低工作温度介质工作温度减0～10℃-20T15℃介质最低工作温度介质工作温度减5～10℃T15℃介质最高工作温度介质工作温度加15～30℃设计温度确定一般经验：11设计温度与设计压力组合应以容器运行中设计压力条件下的对应的操作温度作为设计温度的基础,由此确定的设计压力、设计温度能使容器经受最苛刻的运行条件介质：饱和水蒸汽工作压力：0.2MPa工作温度：68.7℃以压强为标准介质：饱和水蒸汽设计压力：0.3MPa设计温度：75.4℃12厚度附加量包括钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分。钢材厚度负偏差C1：按钢材标准的规定；当钢材厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，厚度负偏差可忽略不计。腐蚀裕量C2：为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导至厚度的削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的容器寿命和介质对钢材的腐蚀速率而定。腐蚀裕量=腐蚀速率×设计使用年限（毫米/年×年=毫米）。标准中的材料的腐蚀速率，是对于均匀腐蚀而言，亦即钢材表面的腐蚀速率（毫米/年）各处基本相同。13腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/年）0.050.05～0.130.13～0.250.25腐蚀裕量（mm）0≥1≥2≥314•与工作介质接触的圆筒、封头、接管、人孔及内部构件等均考虑腐蚀裕量。•用涂刷涂料可以有效防止环境腐蚀的容器外部构件，如支座、支腿、底板、托架、塔顶吊架等原则上不考虑腐蚀裕量，但不包括裙座。•容器地脚螺栓根径的腐蚀裕量一般取3mm；碳钢、低合金钢裙座圆筒的腐蚀裕量应不小于2mm。15下列情况不考虑腐蚀裕量：•介质对不锈钢无腐蚀作用，指不锈钢、不锈钢复合管板或有不锈钢堆焊的元件；•有可靠耐腐蚀衬里的基体材料，如，衬铅、衬橡胶、衬塑料等；•法兰的密封面；•管壳式换热器的换热管、拉杆、定距管、折流板和支承板。162.2容器类别的确定在压力容器设计的主要参数确定后，根据容器的设计压力、体积以及充装介质的种类和特性，按TSGR0004-2009的附件A的规定，确定压力容器的类别。172.3设计标准的确定根据委托方提供的操作要求，确认是否存在压力或温度波动，并根据变动频率及变化范围，从而确定容器设计的基础标准。常规设计：GB150-1998分析设计：JB4732-1995有时为了减轻设备重量，提高其经济合理性，也可采用分析设计方法对常规设计能实现的设备进行设计。183、设计标准体系压力容器设计应遵循的基本法规和规程：《特种设备安全监察条例》TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0005-2011《移动式压力容器安全技术监察规程》TSGR0003-2007《简单压力容器安全技术监察规程》TSGR1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》《液化气体汽车罐车安全监察规程》压力容器设计基础标准：GB150-1998《钢制压力容器》JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》（2005年确认版）19固定式压力容器主要产品标准：GB151-1999《管壳式换热器》GB12337-1998《钢制球形储罐》JB4731-2005《钢制卧式容器》JB4710-2005《钢制塔式容器》JB/T4734-2002《铝制焊接容器》JB/T4745-2002《钛制焊接容器》NB/T47012-2010(JB/T4750)《制冷装置用压力容器》JB/T4755-2006《铜制压力容器》JB/T4756-2006《镍及镍合金制压力容器》NB/T47011-2010《锆制压力容器》20移动式压力容器标准：GB/T19905-2005《液化气体运输车》JB/T4780-2002《液化天然气罐式集装箱》JB/T4781-2005《液化气体罐式集装箱》JB/T4782-2007《液体危险货物罐式集装箱》JB/T4783-2007《低温液体汽车罐车》JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》21主要配套标准：封头、法兰、支座、补强圈、吊耳、材料、焊接标准等：GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》GB19189-2003《压力容器用调质高强度钢板》GB3531-2008《低温压力容器用低合金钢钢板》GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》GB24510-2009《低温压力容器用9%Ni钢板》NB/T47008-2010（JB/T4726）《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》NB/T47009-2010（JB/T4727）《低温承压设备用低合金钢锻件》NB/T47010-2010（JB/T4728）《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》22GB/T25198-2010《压力容器封头》JB4700～4707-2000《压力容器法兰》HG/T21514～21535-2005《钢制人孔和手孔》HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》JB/T4712.1-4712.4-2007《容器支座》JB/T4736-2002《补强圈》HG/T21574-2008《化工设备吊耳及工程技术要求》GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》NB/T47014-2011（JB/T4708）《承压设备焊接工艺评定》NB/T47015-2011（JB/T4709）《压力容器焊接规程》NB/T47016-2011（JB/T4744）《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》23其他主要相关标准：HG/T20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》HG/T20581-2011《钢制化工容器材料选用规定》HG/T20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》HG/T20583-2011《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20584-2011《钢制化工容器制造技术规定》HG/T20585-2011《钢制低温压力容器技术规定》JB/T4730-2005《承压设备无损检测》GB50094-2010《球形储罐施工规范》JB/T4711-2003《压力容器涂敷与运输包装》244、结构型式立式、卧式、球罐截面形状：筒形、球形、组合型、方形、矩形等设计条件图中一般明确了容器的结构型式。但设计时可进行结构优化：公称直径的选取长（高）度与体积、重量的优化255、材料选择压力容器用材的主要选择依据：•容器的操作条件，如温度、压力介质、操作特点和结构特点；•材料的力学性能；•材料的耐腐蚀性能，包括选材、防腐结构、腐蚀裕量、条件控制等；•材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；•材料的价格及来源；•同一工程设计中用材尽量统一；•尽量选用压力容器标准规范推荐的材料及国内材料标准中已有的材料；•尽量采用国产材料。26从性能方面考虑，受压元件用材应有：•较大的塑性储备；•较高的韧性；•较好的成型性能和焊接性能。27从经济方面考虑，下述原则可参考：•以刚度或结构设计为主的容器，受压壳体可选用普通碳素钢；•以强度设计为主的容器，应根据设计压力、设计温度、介质特性等使用限制，依次选用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等；•铬钼低合金钢可作为设计温度350～550℃的压力容器耐热钢或大于250℃的高温高压抗氢钢；•不锈钢用于介质腐蚀性较强、防铁离子污染或设计温度大于500℃的耐热用钢。28同时应注意：•钢材的使用温度上限应按GB150中各材料许用应力表中各钢号所对应的上限温度。碳素钢和碳锰钢在高于425℃下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。奥氏体钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%。•钢材的使用温度下限，除奥氏体钢及标准有关条文另行规定者外，均高于-20℃。钢材的使用温度低于或等于-20℃时，应按GB150附录C的规定进行夏比（V型缺口）低温冲击试验。•奥氏体不锈钢的使用温度高于或等于-196℃，可免做冲击试验。296、强度计算（应力分析）强度计算书中应包括：设计条件、所用规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力、开孔补强等。装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积。当采用计算机软件进行计算时，软件必须“全国锅炉压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量监督检验检疫总局特种设备局认证备案，打印结果中应有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。30常规设计计算软件：SW6等分析设计常用软件：ANSYS、ABAQUS等317、压力容器附件的选择压力容器的附件主要包括人孔（检查孔）、接管、鞍座（支座）、视镜等。进行附件选择时，尽可能选用标准附件，一方面可减少设计计算及绘图的工作量，同时确保附件安全。328、安全附件的配用安全阀爆破片压力表液面计测温仪表紧急切断装置快开门式压力容器安全连锁装置33安全阀选用的一般原则：•液体介质用安全阀，一般选用微启式弹簧安全阀；•空气或其他气体介质用安全阀，一般选用封闭全启式弹簧安全阀；•液化石油气汽车槽车或液化石油气铁路罐车用安全阀，一般选用全启式内装安全阀；•若