4.3 常规设计

4.3.1 概述 一、设计思想 ——“按规则设计”（Design by Rules） ，只考虑单一的最大 力载荷处理， 过程设备设计 4.3.1 概述 一、设计思想 ——“按规则设计”（Design by Rules） ，只考虑单一的最大 力载荷处理， 不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永 久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。 载荷工况，按一次施加的静 区别于 分析设计 应力求解——依据 材料力学及板壳 理论，按最大拉 应力准则来推导 受压元件的强度 尺寸计算公式。 校核——受压元件 的应力强度 < 材料许用应力 （强度） < 材料许用外压力 （失稳） 边缘应力——采用 分析设计标准中 的有关规定和思 想，确定结构的 某些相关尺寸范 围，或由经验引 入各种系数。

强度理论及其相应的强度条件 薄壁容器的应力状态 环向应力 轴向应力 径向应力

常用强度理论 第一强度理论 （最大主应力理论） 适用于 脆性材料 强度条件 第三强度理论 （最大剪应力理论） 强度条件 适用于 塑性材料

第四强度理论 强度条件 适用于 塑性材料 第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。 （能量理论） 适用于 塑性材料 强度条件 第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。 压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98 采用第三强度理论.

压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中， 4.3.1 概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则 压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中， （4-3） （4-4） （4-5） 采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。 但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，σ 式（4-3）简单，成熟使用经验，将该式作为设计准则。

4.3.2 圆筒设计 筒体结构 单层式 优点——简单 ①深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力； 过程设备设计 4.3.2 圆筒设计 筒体结构 单层式 优点——简单 ①深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力； ②大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大； ③加工设备要求高。 缺点—— 组合式

中径公式（薄壁筒体） Mises屈服公式（厚壁筒体） 单层圆筒体 筒体强度设计 Faupel爆破公式（厚壁筒体） 多层厚壁圆筒 4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 过程设备设计 筒体强度设计 单层圆筒体 多层厚壁圆筒 中径公式（薄壁筒体） Mises屈服公式（厚壁筒体） Faupel爆破公式（厚壁筒体）

设计准则： 厚度计算 一、单层筒体（薄壁筒体） k 1.5 （工程） （4-3） 考虑介质 腐蚀性 考虑实际情况，引入pc等参数 考虑钢板厚度 负偏差并圆整

式中 δe—有效厚度， δe=δn –C，mm； δn—名义厚度，mm； C—厚度附加量，mm σt—设计温度下圆筒的计算应力，MPa。 4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 过程设备设计 一、单层筒体（薄壁筒体） k 1.5 （工程） 主要计算 公式 1、厚度计算式：由中径公式 （4-13） 0.4[σ]tφ 式中 δ—计算厚度，mm； Pc—计算压力，MPa； φ—焊接接头系数。 条件：Pc 2、应力强度判别式： （对筒体进行强度校核，已知筒体尺寸Di、δn或δe） （4-14） 式中 δe—有效厚度， δe=δn –C，mm； δn—名义厚度，mm； C—厚度附加量，mm σt—设计温度下圆筒的计算应力，MPa。

4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 3、筒体最大允许工作压力[Pw]： MPa （4-15） 4、说明： Pc 0.4[σ]tφ 过程设备设计 4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 3、筒体最大允许工作压力[Pw]： MPa （4-15） 4、说明： Pc 0.4[σ]tφ 式（4-13）由筒体的薄膜应力按最大拉应力准则导出的，用于一定厚度范围，如厚度过大，则由于实际应力情况与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能使用。 按照薄壳理论，（4－13）仅能在δ/D≤0.1即K≤1.2范围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准则、材料设计系数，厚度范围扩大到在最大承压（液压试验）时圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。 (K 1.5)

4.3.2.3 设计技术参数的确定 设计压力 设计温度 厚度及厚度附加量 设计技术参数 焊接接头系数 许用应力等 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 设计压力 设计温度 厚度及厚度附加量 设计技术参数 焊接接头系数 许用应力等

4.3.2.3 设计技术参数的确定 容器顶部在正常工作过程中 可能产生的最高表压。 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 1、设计压力—— 为压力容器的设计载荷条件之一，其值 不低于最高工作压力。 容器顶部在正常工作过程中 可能产生的最高表压。 设计压力应视内压或外压容器分别取值。

设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 内压： 装安全阀——不低于安全阀开启压力，1.05～1.10倍 最高工作压力。 装爆破片——爆破片最低标定爆破压力加上所选爆 破片制造范围的上限。 盛装液化气体容器——根据工作条件下可能达到的 最高金属温度确定。 综合考虑介质压力、饱和蒸气压、装量系 数、温度变化、环境温度、保冷设施。 外压： （略） 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。 ◆通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力 ◆当元件所承受的液柱静压力<5%设计压力时，可忽略不计。

注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有 不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有 不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合 设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自 的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。 GB150规定：设计温度等于或低于-20℃的容器属于低温容器。 金属温度不低于0℃—— 设计温度不得低于元件金属 可能达到的最高温度； 金属温度低于0℃—— 不得高于元件金属可能达到的最低温度。 2、设计温度——为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正 常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属 截面的温度平均值）。

计算厚度δ 设计厚度δd 厚度 名义厚度δn 有效厚度δe 成型厚度 4.3.2.3 设计技术参数的确定 3、厚度及厚度附加量 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 3、厚度及厚度附加量 厚度 计算厚度δ 设计厚度δd 名义厚度δn 有效厚度δe 成型厚度

δd＝δ＋C2 δn＝δd＋C1＋Δ= δ ＋C1 ＋C2 ＋Δ 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。 设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。 δd＝δ＋C2 名义厚度（δn）——设计厚度加上钢材厚度负偏差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。 δn＝δd＋C1＋Δ= δ ＋C1 ＋C2 ＋Δ 有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕 量。δe＝δn－C1－C2 厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量 C2 组成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2 加工减薄量——根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。

成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二 次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工 减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二 次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工 减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。 一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度 要求。

4.3.2.3 设计技术参数的确定 计算厚度δ 设计厚度δd 名义厚度δn 有效厚度δe 成型后厚度 腐蚀裕量C2 毛坯厚度 厚度负偏差C1 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 计算厚度δ 有效厚度δe 成型后厚度 毛坯厚度 名义厚度δn 设计厚度δd C1+C2 加工减薄量 第一次厚度圆整值 厚度负偏差C1 腐蚀裕量C2 第二次厚度圆整值 图4-5 厚度关系示意图

碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm； 高合金制容器：δmin不小于2mm； 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 最小厚度（δmin）——考虑容器的刚性 ——制造、运输、吊装； ——不包括腐蚀裕量；※ 碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm； 高合金制容器：δmin不小于2mm； 不包括腐蚀裕量

钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取 ※钢材的厚度负偏差≤0.25mm，且不超过名义厚度的6%时， 可取C1=0。 ※热轧钢板按厚度负偏差分N、A、B、C四个类别 ※压力容器专用钢板厚度负偏差按B类要求，即取0.3mm

腐蚀裕量——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而 导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒 体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 腐蚀裕量——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而 导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒 体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的 腐蚀裕量。 腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命 腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。 碳素钢、低合金钢： C2不小于1mm； 不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。

4.3.2.3 设计技术参数的确定 夹渣、未熔透、 裂纹、气孔等 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 4、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受削弱的程度。 夹渣、未熔透、 裂纹、气孔等 焊缝缺陷 焊缝热影响区晶粒粗大 薄弱环节 母材强度或塑性降低 接头形式 影响因素 无损检测要求及长度比例

双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头 单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板） 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 表4-3 钢制压力容器的焊接接头系数Φ值 焊接接头形式 无损检测比例 Φ值 双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头 100% 1.00 单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板） 0.90 局部 0.85 0.80

5、许用应力——容器壳体、封头等受压元件的材料许用强 度，取材料强度失效判据的极限值与相应 的材料设计系数（又称安全系数）之比。 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 5、许用应力——容器壳体、封头等受压元件的材料许用强 度，取材料强度失效判据的极限值与相应 的材料设计系数（又称安全系数）之比。 屈服点σs（或σ0.2）、抗拉强度σb、持久强度σD、 蠕变极限σn等——根据失效类型确定极限值。 蠕变温度以下——最低抗拉强度σb、常温或设计温度下的 屈服点σs或 三者除以各自的材料设计系数后所得的最 小值，作为许用应力，以抗拉强度和屈服点同时来控制许 用应力。 材料强度失效判据的极限值用不同的方式表示：

表4-4 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 表4-4 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 （4-19） 对韧性材料——按弹性失效设计准则——屈服点为基准； 同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准——防止断裂破坏。 原因 碳素钢或低合金钢>420℃，铬钼合金钢>450℃， 奥氏体不锈钢>550℃时， 同时考虑基于高温蠕变极限 或持久强度 的许用应力 （4-20） 即 或

材 料 许用应力 取下列各值中的最小值/MPa 碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢 奥氏体高合金钢 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 表4-4 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 材 料 许用应力 取下列各值中的最小值/MPa 碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢 奥氏体高合金钢

材料设计系数——保证受压元件强度有足够的安全储备量。 取值：应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切 4.3.2.3设计技术参数的确定 过程设备设计 4.3.2.3 设计技术参数的确定 材料设计系数——保证受压元件强度有足够的安全储备量。 取值：应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切 程度、制造工艺，使用管理的先进性以及检验水平等 因素有着密切关系。 -------理论，实践经验积累。 GB150—— 查表——钢板、钢管、锻件以及螺栓材料， 依据——表4-4为钢材（除螺栓材料外）许用应力的确 定依据。 螺栓许用应力——依据材料不同状态和直径大小而定， 为保证密封性，严格控制螺栓的弹性变形。