壓力容器設(shè)計的基本步驟:
以穩(wěn)壓罐的設(shè)計為例，對容器設(shè)計的全過程進(jìn)行講解，
。首先，我們根據(jù)用戶提出的、在壓力容器規(guī)范范圍內(nèi)雙方簽署的具有法律約束力的設(shè)計技術(shù)協(xié)議書，該協(xié)議書也可以經(jīng)雙方同意共同修改、完善，以期達(dá)到產(chǎn)品使用最優(yōu)化。根據(jù)穩(wěn)壓罐的設(shè)計技術(shù)協(xié)議，我們知道了容器的最高工作壓力為1.4MPa，工作溫度為200℃，工作介質(zhì)為壓縮空氣，容積為2m3，要求使用壽命為10年。這些參數(shù)就是用戶提供給我們的設(shè)計依據(jù)。有了這些參數(shù)，我們就可以開始設(shè)計。一.設(shè)計的第一步就是要完成容器的技術(shù)特性表。除換熱器和塔類的容器外，一般容器的技術(shù)特性表包括a容器類別b設(shè)計壓力c設(shè)計溫度d介質(zhì)e幾何容積f腐蝕裕度j焊縫系數(shù)h主要受壓元件材質(zhì)等項。一般我所圖紙上沒有做強(qiáng)行要求寫上主要受壓元件材質(zhì)一.確定容器類別容器類別的劃分在國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局所頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱容規(guī)）第一章第6條（p7）有詳細(xì)的規(guī)定，主要是根據(jù)工作壓力的大小(p75)、介質(zhì)的危害性和容器破壞時的危害性來劃分(p75)。本例穩(wěn)壓罐為低壓（<1.6MPa）且介質(zhì)無毒不易燃，則應(yīng)劃為第Ⅰ類容器。另：具體壓力容器劃分類別見培訓(xùn)教材 p4 1-11何謂易燃介質(zhì)見 p2 1-6介質(zhì)的毒性程度分級見 p3 1-7劃分壓力容器等級見 p3 1-9二.確定設(shè)計壓力我們知道容器的最高工作壓力為1.4MPa，設(shè)計壓力一般取值為最高工作壓力的1.05～1.10倍。至于是取1.05還是取1.10，就取決于介質(zhì)的危害性和容器所附帶的安全裝置。介質(zhì)無害或裝有安全閥等就可以取下限1.05，否則就取上限1.10。本例介質(zhì)為無害的壓縮空氣，且系統(tǒng)管路中有泄壓裝置，符合取下限的條件，則得到設(shè)計壓力為Pc=1.05x1.4=1.47MPa。另：什么叫設(shè)計壓力？計算壓力？如何確定？見p11 3-1液化石油氣儲罐設(shè)計中，是如何確定設(shè)計壓力的？三.確定設(shè)計溫度一般是在用戶提供的工作溫度的基礎(chǔ)上，再考慮容器環(huán)境溫度而得。比如為華北油田設(shè)計的容器，且在工作狀態(tài)無保溫的情況下，其工作溫度為30℃，其冬季環(huán)境溫度最低可到－20℃，則設(shè)計溫度就應(yīng)該按容器可能達(dá)到的最惡劣的溫度確定為－20℃。《容規(guī)》附件二（p77）提供了一些設(shè)計所需的氣象資料供參考。本例取設(shè)計溫度為200℃即可。四.確定幾何容積按結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后的實際容積填寫即可。五.確定腐蝕裕量由所選定受壓元件的材質(zhì)、工作介質(zhì)對受壓元件的腐蝕率、容器使用環(huán)境和用戶期待的使用壽命來確定，實際上應(yīng)先選定受壓元件的材質(zhì)，再確定腐蝕裕量。《容規(guī)》第三章表3-3（p23）和GB150第3.5.5.2節(jié)（p5）對一些常見介質(zhì)的腐蝕裕量進(jìn)行了一些規(guī)定。工作介質(zhì)對受壓元件的腐蝕率主要按實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗來確定，受使用環(huán)境影響很大，變數(shù)很多，目前無現(xiàn)成的數(shù)據(jù)。一般介質(zhì)無腐蝕的容器，其腐蝕裕量取1～2mm即可滿足使用壽命的要求。本例取腐蝕裕量為2mm。另：什么叫計算厚度、設(shè)計厚度、名義厚度、有效厚度？何謂最小厚度？如何確定？見p12 3-5 3-6六.確定焊縫系數(shù)焊縫系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)叫法叫焊接接頭系數(shù)，GB150的3.7節(jié)（p6）對其取值與焊縫檢測百分比進(jìn)行了規(guī)定。具體取值，可以按《容規(guī)》第85條（p43）所規(guī)定的10種情況選擇：其焊縫系數(shù)取1，即焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%的無損檢測，其他情況一般選焊縫系數(shù)為0.85。本例選焊縫系數(shù)為0.85。七.主要受壓元件材質(zhì)的確定材質(zhì)的確定在滿足安全和使用條件的前提下，還要考慮工藝性和
經(jīng)濟(jì)性。GB150第8頁材料的使用有嚴(yán)格的規(guī)定，對這些規(guī)定的掌握是非常必要的。比較常用的材料有Q235-B（Q235-C）16MnR和0Cr18Ni9這幾種材料1. 0Cr18Ni9一般用于低于－20℃的低溫容器和對介質(zhì)有潔凈要求的容器，如低溫分離器、氟利昂蒸發(fā)器等；2. 16MnR一般用于對安全性要求較高、使用Q235-B時壁厚較大的容器，如油、天然氣等。3. Q235-B使用最廣也最經(jīng)濟(jì)，GB150第9頁對其使用條件作了詳細(xì)規(guī)定：● 規(guī)定設(shè)計壓力≤1.6MPa；● 鋼板使用溫度0℃~350℃；● 用于殼體時厚度不得大于20mm，且不得用于高度危害的介質(zhì)。就本例來說，其使用壓力、溫度和介質(zhì)都符合Q235-B的條件，唯有厚度還未知，若超過了20mm則只能使用16MnR，本例就暫定使用Q235-B。當(dāng)然啦，如果我們按以下：●規(guī)定設(shè)計壓力≤2.5MPa；●鋼板使用溫度不得超過0℃~400℃；●用于殼體時厚度不得大于30 mm，且不得用于高度危害的介質(zhì)，
《
壓力容器設(shè)計步驟》(
http://clearvueentertainment.com)。Q235-B與Q235-C的主要區(qū)別也就是沖擊試驗溫度不同，前者為在溫度20℃下做 V型沖擊試驗；后者為在0℃ 時做V型沖擊試驗完成了技術(shù)特性表，下一步就是容器計算了。◆ 確定容器直徑計算時首先要確定容器直徑。除非用戶有要求，一般取長徑比為2～5，很多情況下取2～3就可以了。本例要求容器的幾何容積為2m3。我們只得先設(shè)定直徑，再根據(jù)此直徑和容積求出筒體高度，驗算其長徑比。設(shè)定的直徑應(yīng)符合封頭的規(guī)格。我們設(shè)定為800mm，查標(biāo)準(zhǔn)JB/T4746《鋼制壓力容器用封頭》附錄B，得知此規(guī)格的封頭容積為0.0796 m3，則：筒體高度為 3664mm，長徑比為 3664/800=4.58若加上封頭的高度，可知其長徑比太大，我們先前設(shè)定的直徑太小。再設(shè)定直徑為1000mm，查得封頭容積為0.1505立方。得到：筒體高度為 2164mm長徑比為 2164/1000=2.16比較理想，則我們確定本例穩(wěn)壓罐的內(nèi)直徑為1000mm，筒體高度圓整為2200mm。有了容器直徑，即可按照GB150公式5-1（p26）計算出厚度為8.30mm。此厚度即為計算厚度，其名義厚度為計算厚度與腐蝕裕量之和，再向上圓整到鋼板的商品厚度。本例腐蝕裕量為2mm，與計算厚度之和為10.30mm，與之最接近的鋼板商品厚度為12mm，故確定容器厚度為12mm，并且此值符合Q235-B對厚度不超過20mm的要求。另外本例若選擇腐蝕裕量為1mm經(jīng)濟(jì)性會好得多，可以思考一下為什么至此，我們已得到容器外形。◆ 下一步該是按用戶要求和《容規(guī)》的規(guī)定配置各管口的法蘭和接管。容器上開孔要符合GB150第8.2節(jié)（p75）的規(guī)定，一般都要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算，除非滿足GB150第8.3節(jié)（p75）的條件，則可不必再計算補(bǔ)強(qiáng)。選擇接管時應(yīng)盡量滿足GB150第8.3節(jié)的條件，其安全性和經(jīng)濟(jì)性都最好，避免增加補(bǔ)強(qiáng)圈。本例要求的管口直徑都在GB150第8.3節(jié)的范圍內(nèi)，因此進(jìn)氣口和出氣口接管選擇φ57x5的無縫鋼管，排污口選擇φ25x3.5的無縫鋼管。法蘭按HG20592選擇1.6MPa的突面(RF)板式平焊法蘭(PL)。◆ 法蘭及其密封面型式法蘭及其密封面型式是設(shè)計協(xié)議書中要求的，1. 壓力等級必須高于設(shè)計壓力；2. 其材質(zhì)一般與筒體相同；3. 確定管口在殼體上的位置時，在空間較為緊張的情況下，一般也應(yīng)保持焊縫與焊縫間的距離不小于50mm，以避免焊接熱影響區(qū)的相互疊加。本例選定進(jìn)氣口、出氣口距上下封頭環(huán)焊縫各300mm。因本例穩(wěn)壓罐工作溫度為200℃，故其工作狀態(tài)下必定有保溫層，考慮到保溫層厚度以及螺栓安裝的需要，選定法蘭密封面到筒體表面的距離為150。◆ 檢查孔除了用戶要求的管口外，《容規(guī)》第45條（p26）還對檢查孔的設(shè)置進(jìn)行了規(guī)定。本例直徑為1000mm，按規(guī)定必須開設(shè)一個人孔。查《回轉(zhuǎn)蓋平焊法蘭人孔》標(biāo)準(zhǔn)JB580-79壓力容器與化工設(shè)備實用手冊p614，選擇壓力1.6MPa級、公稱直徑450的人孔，密封型式為A型，其接管為φ480x10。因人孔開孔較大，所以人孔一定要使用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，查《補(bǔ)強(qiáng)圈》標(biāo)準(zhǔn)JB/T4736，補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為760，厚度一般等同于筒體。人孔的位置以方便出入人孔為原則，應(yīng)盡量靠近下封頭。本例選定人孔中心距下封頭環(huán)焊縫500。立式容器的支座一般選用支承式支座JB/T4724(壓力容器與化工設(shè)備實用手冊第599頁)，另：鍛件的級別如何確定？對于公稱厚度大于300mm的碳素鋼和低合金鋼鍛件應(yīng)選用何級別？◆ 管口表的填寫◆ 技術(shù)要求的書寫1 本設(shè)備按 GB150-1998《鋼制制壓力容器》進(jìn)行制造、試驗和驗收，并接受國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的監(jiān)督。2 焊接采用電弧焊，焊條牌號：焊接采用J422。3 焊接接頭型式和尺寸除圖中注明外，按HG20583的規(guī)定進(jìn)行施焊：A類和 B類焊接接頭型式為DU3； 接管與筒體、封頭的焊接接頭型式見接管表；未注角焊縫的焊角尺寸為較薄件的厚度；法蘭的焊接按相應(yīng)法蘭標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。4 容器上的 A類和 B類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行射線探傷檢查，探傷長度不小于每條焊縫長度的20%，其結(jié)果應(yīng)以符合JB4730規(guī)定中的 Ⅲ 級為合格。5 設(shè)備制造完畢應(yīng)進(jìn)行水壓試驗，試驗壓力為 MPa。6 管口、支座及銘牌架方位按本圖。7 設(shè)備檢驗合格后，外表面涂 C06-1鐵紅醇酸底漆兩道，再涂 C04-42灰色醇酸磁漆一道。8 設(shè)備檢驗合格后，內(nèi)部清理干凈，各管口用盲板封嚴(yán)。10設(shè)備筒體的計算厚度為 mm，封頭計算厚度為 mm。建議使用年限為10年。