,根据题意可知,座椅对费俊龙的压力.由牛顿第二定律.求出.,由万有引力定律和牛顿第二定律,有,又在地面附近有,所以,代入数值,可解得.所以,代入数据即可解得飞船距地面的高度.
解:根据题意可知,座椅对费俊龙的压力.由牛顿第二定律.求出.由万有引力定律和牛顿第二定律,有在地面附近有由以上两式得,代入数值,得.所以,飞船距地面的高度.答:飞船开始沿竖直方向加速升空时,费俊龙的耐受力值.此时飞船的加速度为.飞船在上述圆形轨道上运行时距地面的高度为.
求解加速度我们首先应该考虑牛顿第二定律.向心力的公式选取要根据题目提供的已知物理量或所求解的物理量选取应用.
4207@@3@@@@万有引力定律及其应用@@@@@@281@@Physics@@Senior@@$281@@2@@@@曲线运动、万有引力@@@@@@56@@Physics@@Senior@@$56@@1@@@@力学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4184@@3@@@@牛顿第二定律@@@@@@280@@Physics@@Senior@@$280@@2@@@@牛顿运动定律@@@@@@56@@Physics@@Senior@@$56@@1@@@@力学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@
@@56@@8##@@56@@8
第四大题，第1小题
第三大题，第3小题
求解答 学习搜索引擎 | (A)我国于日上午9时整发射"神舟六号"宇宙飞船,发射后,经583s,船箭分离,飞船入轨.为了使飞船顺利升空,飞船需要有一个加速过程,在加速过程中,宇航员处于超重的状态.人们把这种状态下宇航员对座椅的压力与静止在地球表面时所受重力的比值,称为耐受力值,用k表示.在选拔宇航员时,要求他在此状态的耐受力值为4小于等于k小于等于12.我国宇航员费俊龙的k值为10.神舟六号变轨后以7.8×{{10}^{3}}m/s的速度沿圆形轨道环绕地球运行.已知地球半径R=6400km,地面重力加速度g=10m/{{s}^{2}}.求:(1)飞船开始沿竖直方向加速升空时,费俊龙的耐受力值k=4.此时飞船的加速度a;(2)求飞船在上述圆形轨道上运行时距地面的高度h.高中物理训练题_百度文库
两大类热门资源免费畅读
续费一年阅读会员，立省24元！
高中物理训练题
上传于|0|0|文档简介
&&高中物理训练题
阅读已结束，如果下载本文需要使用0下载券
想免费下载更多文档？
定制HR最喜欢的简历
下载文档到电脑，查找使用更方便
还剩5页未读，继续阅读
定制HR最喜欢的简历
你可能喜欢压力容器设计基本知识
&&&&压力容器设计基本知识（讲稿）北京二零零六年三月制订1一． 1．1 1．2 1．3 1．4 1．5目录 基本概念 压力容器设计应遵循的法规和规程 标准和法规（规程）的关系。 压力容器的含义（定义） 压力&&&&容器设计标准简述 d1 级和 d2 级压力容器说明二．gb150-1998《钢制压力容器》 1．范围 2．标准 3．总论 3．1 设计单位的资格和职责 3．3 gb150 管辖的容器范围 3．4 定义及含义 3．5 设计参数选用的一般规定 3．6 许用应力 3．7 焊接接头系数 3．8 压力试验和试验压力 4．对材料的要求 4．1 选择压力容器用钢应考虑的因素 4. 2 d 类压力容器受压元件用钢板 4．3 钢管 4．4 钢锻件 4. 5 焊接材料 4．6 采用国外钢材的要求 4．7 钢材的代用规定 4．8 特殊工作环境下的选材 5．内压圆筒和内压球体的计算 5. 1 内压圆筒和内压球体计算的理论基础 5．2 内压圆筒计算 5．3 球壳计算 6．外压圆筒和外压球壳的设计 6．1 受均匀外压的圆筒（和外压管子） 6．2 外压球壳 6．3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介 6．4 外压圆筒加强圈的计算 7．封头的设计和计算 7．1 封头标准 7．2 椭圆形封头 7. 3 碟形封头 7．4 球冠形封头 7．5 锥壳 8．开孔和开孔补强28．1 开孔的作用 8．2 开检查孔的要求 8．3 开孔的形状和尺寸限制 8．4 补强要求 8．5 有效补强范围及补强面积 8．6 多个开孔的补强 9 法兰连接 9．1 简介 9．2 法兰连接密封原理 9. 3 法兰密封面的常用型式及优缺点 9．4 法兰型式 9．5 法兰连接计算要点 9．6 管法兰连接 10．压力容器的制造、检验和验收 10．1 制造许可 10．2 材料验收及加工成形 10. 3 焊接 10．4 d 类压力容器热处理 10．5 试板和试样 10．8 无损检测 10. 9 液压试验 10．10 容器出厂证明文件。 11．安全附件和超压泄放装置 11．1 安全附件 11．2 超压泄放装置 11．3 压力容器的安全泄放量 11．4 安全阀gb151-1999《管壳式换热器》01 简述 02 标准与 gb150-1998 《钢制压力容器》 的关系。 03 基本章节 1 适用范围 2 组成 3 型号表示法 4 有关参数的确定 5 焊接接头系数 6 试验压力和试验温度 7 其它要点 8 管板计算 9 制造、检验与验收3 附录受内压薄壁容器的应力分析目录 1．薄壁旋转壳体的几何概念和基本假设 1．1 几何概念 1．2 薄壁壳体的基本假设 2 薄壁圆筒的应力分析 2．1 轴向应力的计算 2．2 环向应力的计算旋转薄壁容器的应力分析 3．1 薄壁壳体的一般方程式 3．2 经向应力σ 1 和环向应力σ 2 的计算 4．应用举例 4．1 圆筒形壳体 4．2 球壳 4．3 椭球壳（椭圆封头） 4．4 锥形壳（锥形封头） 4，5 薄壁圆环（弯管段）压力容器设计基本知识（讲稿） 一．基本概念 1．1 压力容器设计应遵循的法规和规程 1） 《特种设备安全监察条例》 （本文简称《条例》， 是国务院 2003 年 3 月 11 日公布的条例， ） 条例自 2003 年 6 月 1 日起施行。原《锅炉压力容器安全监察暂行条例》同时废止。 2） 《压力容器安全技术监察规程》 （本文简称《容规》，此《容规》自 2000 年 1 月 1 日起正 ） 式实施。在安全监察中，包括的七个环节是：设计、制造、安装、使用、检验、改造和修理。此规 程与《条例》有不一致之处，应按《条例》的内容修改。 3） 《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》 ，此规则自 2003 年 1 月 1 日起实施。 1．2 标准和法规（规程）的关系。 《容规》第 4 条规定，压力容器的设计、制造（组焊） 、安装、使用、检修、修理和改造，均应 严格执行本规程的规定；第 5 条规定：本规程是压力容器质量监督和安全监察的基本要求，有关压 力容器标准、部门规章、企事业单位规定等，如果与本规程的规定相抵触时，应以本规程为准。 gb150 总论第 3.1 条规定：容器的设计、制造、检验和验收除必须符合本标准规定外，还应遵守 国家颁布的有关法令、法规和规章。 因此，当标准与法规或规程有不一致时，应按法规（和规程）的规定执行。 1．3 压力容器的含义（定义） 根据《条例》第八十八条中的规定，压力容器用语的含义是： “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等于 0.1mpa（表压） ，且压力与 容积的乘积大于或等于 2.5mpa 的气体、 l 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；盛装公称工作压力大于或等于 0.2mpa（表压） ，且压力与容积的乘积 大于或等于 1.0mpal 的气体液化气体和标准沸点等于或者低于 60℃液体的气瓶；氧舱等。 ” 1．4 压力容器设计标准简述 我国压力容器专业性的具有一定规模的压力容器的设计和制造，起于五十年代初期。 1980 年起，压力容器设计方面依据为： 《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换 热器设计规定》 。 gb150-1998《钢制压力容器》是强制性的压力容器国家标准。该标准对钢制压力容器的设计、 制造、检验和验收作出具体的规定。是压力容器的基本标准。 对压力小于 o.1mpa 的钢制容器的设计， 按压力容器行业标准 jb/t 《钢制焊接常压容 器》的规定。 卧式容器和立式容器的设计尚应符合行业标准 jb《钢制塔式容器》和 jb3《钢制卧式容器》的规定。 gb151-1999《管壳式换热器》标准，是用钢、铝、铜、钛和镍等材料制造的管壳式换热器的设 计制造和验收标准。 化工行业标准 hg20580～hg2， 是针对化工设备的特点，对钢制压力容器设计和制造 方面提出更详细的规定，有关设计方面的标准是： hg 《钢制化工容器设计基础规定》hg 《钢制化工容器材料选用规定》 hg 《钢制化工容器强度计算规定》hg 《钢制化工容器结构设计规定》 其它配套标准如零部件如封头、法兰、支座、加固圈等标准，材料标准、焊接标准等已日趋完备。 1．5 d1 级和 d2 级压力容器说明 根据《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》第三条规定， 压力容器设计类别和级 别的划分是： （一）a 类、 （二）c 类、 （三）d 类和（四）sad 类。其中 d 类又分：d1 级和 d2 级。 1．d1 级 系指第一类压力容器 2．d2 级 系指第二类低、中压容器第一类和第二类的具体划分见《容规》第 6 条的规定。 注：压力等级的划分是：按容器的设计压力 p 的大小，其中： （一） 低压（代号 l）0.1mpa≤ p ＜1.6mpa （二） 中压（代号 m）1.6mpa≤ p ＜10mpa二 gb150-1998《钢制压力容器》 gb150-1998《钢制压力容器》 （简称 gb150） ，包括正文十章和八个附录。 十章正文目次是：①范围；②引用标准；③总论；④材料；⑤内压圆筒和内压球壳；⑥外压圆筒 和外压球壳；⑦封头；⑧开孔和开孔补强；⑨法兰；⑩制造、检验与验收。 八个附录中，属于标准的附录有：附录 a 材料的补充规定；附录 b 超压泄放装置；附录 c 低 温压力容器；附录 d 非圆形截面容器。属于提示的附录有：附录 f 钢材的高温性能；附录 g 密 封结构；附录 h 材料的指导性规定；附录 j 焊接结构。 标准的附录 e 产品焊接试板的力学性能检验，已被新发布的 jb《钢制压力容器产品 焊接试板的力学性能试验》所代替。 1．范围 gb150-1998《钢制压力容器》规定了“钢制压力容器的设计、制造、检验和验收要求” 。 即是说：gb150 是碳素钢、低合金钢和高合金钢制的压力容器，在设计、制造、检验和验收的 整个过程中，必须遵守的强制性国家标准。 标准中规定适用的压力容器的设计参数的范围是：容器的设计压力不大于 35mpa； 适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度而定。 对于 d 类压力容器，设计压力范围应小于 10mpa。 在 gb150 的 1.3 和 1.4 中，还规定出不属该标准规定范围的各类压力容器， 其中有：直接用火焰加热的容器；核能装置中的容器；经常搬运的容器；设计压力低于 0.1mpa 的 容器；真空度低于 0.02mpa 的容器；要求作疲劳分析的容器；内直径小于 150 mm 的容器；此外， 还有旋转或往复运动的机械设备中自成整体的受压器室， 以及已有其他行业标准的容器， 诸如制冷、 制糖、造纸、饮料和搪玻璃容器等。 2．标准 在 gb150 所列的引用标准中包括 gb 、gb/t、jb 和 jb/t 四种代号的标准，标准分为强制性标准 和推荐性标准（推荐性标准一经采用，即具有强制性的性质） 。gb/t 是推荐性的国家标准，jb 是机 械工业的行业标准，jb/t 是机械工业推荐性的行业标准，而 jb 或 jb/t 中排号为 4xxx 号码的，规 定为压力容器行业的标准。例如： 国家强制性标准：gb《压力容器用钢板》 gb4237-92《不锈钢热轧钢板》 ；4国家推荐性标准：gb/t229-94《金属夏比缺口冲击试验方法》 ；gb/t1804-92《一般公差 线性尺 寸的未注公差》 压力容器行业标准：jb《钢制压力容器焊接工艺评定》 ；jb/t《钢制压力容 器焊接规程》 标准一经被引用，即构成该标准的条文。在 gb150 第 2 章中，列了 45 个引用标准。从 2004 年 4 月 1 日起尚应实施下列标准： jb/t 《补强圈》 jb/t 《钢制压力容器用封头》 jb/t 《压力容器用钢焊条订货技术条件》 jb/t 《压力容器涂敷与运输包装》 3．总论 在“总论”一章中，对下列的 8 个方面作了规定： ①标准与相关法规和规章的关系；②设计和制造压力容器单位的资格和职责；③容器的范围；④ 压力、 温度和厚度的定义； ⑤设计参数选用的一般规定； ⑥材料许用应力确定的依据和取值的规定； ⑦焊接接头系数的确定；⑧压力试验（液压试验和气密性试验）和试验压力的规定。 3．1《条例》对设计单位的规定 《条例》第十一条规定：压力容器的设计单位应当经国务院特种设备安全监督管理部门许可，方 可从事压力容器的设计活动。 （一）有与压力容器设计相适应的设计人员设计、审核人员； （二）有与压力容器设计相适应的健全的管理制度和责任制度。 3．2 gb150-1998 对设计单位的资格和职责规定 资格 容器的设计单位必须具备健全的质量管理体系， 应持有压力容器设计单位批准书， 压力容 器的设计必须接受国家质检总局相关安全监察机构的监察。 职责 应对设计文件的正确性和完整性负责。容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图 样。容器设计总图应盖有容器设计资格印章。 3．3 管辖的容器范围划定 gb150 管辖的容器，其范围包括壳体及与其连为整体的受压零部件，且划定在下列范围内。 3．3．1 容器与外部管道连接：焊接连接的第一道环向接头坡口端面；螺纹连接的第一个螺纹接头 端面；法兰连接的第一个法兰密封面； 3．3．2 接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件。 3．3．3 非受压元件与受压元件的焊接接头。接头以外的元件，如加强圈、支座、裙座等。 3．3．4 超压泄放装置和仪表附件。 详见 gb150 中的 3.3.1 至 3.3.4 条的规定。 3．4 定义及含义 3．4．1 压力 除注明者外，均指表压力。 3．4．2 工作压力（pw） 指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 3．4．3 设计压力（p） 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。即 p≥pw。 3．4．4 计算压力（pc） 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。 当元件所承受的液柱静压力小于 5%设计压力时，可忽略不计。故 pc≥p； 3．4．5 试验压力（pt） 指压力试验时，容器顶部的压力。 注：试验用压力表口设计位置应位于容器顶部。 3．4．6 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。 3．4．7 试验温度 指压力试验时，壳体金属的温度。 3．4．8 各种厚度53．4．8．1 计算厚度δ 指按厚度计算公式计算得到的厚度。 3．4．8．2 设计厚度δ d 指计算厚度（δ ）与腐蚀裕量（c2）之和。即 δ d = δ +c2, 因此δ d ≥ δ 3．4．8．3 名义厚度δ n 指设计厚度（δ d ）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。即标在图样上的厚度。 δ n≥（δ d + c1） 3．4．8．4 有效厚度δ e 指名义厚度（δ n）减去腐蚀裕量（c2）和钢材厚度负偏（c1） 。 δ e =δ n-c1-c2 =δ n-（c1+c2）=δ n-c（厚度附加量） 注：如设定圆整量为 c3，各厚度的关系为： δ n=δ + c1+ c2+ c3 δ e=δ + c3=δ n-（c1+c2） δ d =δ + c2 3．5 设计的一般规定 设计的一般规定，是对设计压力、设计温度、载荷、壁厚附加量和最小厚度选用等的规定。 3．5．1 设计压力（p）的确定 1)内压容器 ①容器上装有超压泄放装置（安全阀）时，容器的设计压力确定的步骤如下： 确定安全阀的开启压力 pz ,取 pz≤（1.05～1.1）pw.当 pw＜0.18mpa 时，可适当提高 pz 相对 于 pw 的比值。再令 p≥ pz 。 ②容器上装有爆破片：p = p b + δ p 式中：p b 为设计爆破压力，其其值等于最低标定爆破压力 ps min 加上所选爆破片爆破范围的 下限（取绝对值） ； δ p 为爆破片制造范围上限。 最低标定爆破压力 ps min 和上下限查表 b2 和表 b3。 ③容器上无安全阀，但出口管线有安全阀：p≥p z +δ h. δ h 为容器到安全阀的压力降。 ④容器的压力源如与泵直接连接，则可有下列情况： 容器位于泵的出口侧，设计压力应取下述情况中的大值，泵正常入口压力+正常工作扬程；泵 最大入口压力+正常工作扬程；泵正常入口压力+出口全关闭时的扬程。 容器位于泵（压力源）的进口侧，且无安全泄放装置时，取 p=（1.0～1.1）pw,并以 p=-0.1mpa 进行外压校核。 2）外压、真空容器及夹套容器（按外压设计） ①确定外压容器的设计压力时，应考虑在正常情况下可能出现的最大内外压力差。 ②确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑。当装有真空泄放阀时，设计压力 p=1.25δ p 式中δ p 为最大内外压力差，或 p=0.1mpa 两者中的低者。未装真空泄放阀时，取 p=0.1mpa。 ③夹套容器： 带内压夹套的真空容器：内筒为真空，设计压力=真空设计的外压力（按②条）+夹套内压力， 并以 1.25 倍的夹套外压力核定内筒的外压稳定性。夹套按内压计算。 带真空夹套的内压容器（即夹套为负压，内筒为正压） ：内筒的设计压力=内筒的压力+0.1mpa， 并核对在夹套试验压力下的稳定性；夹套按②考虑。 3）盛装液化气体的容器 对盛装液化气体的容器，在规定的充装系数范围内，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。6设计压力按《容规》第 34 条的规定。常见介质的设计压力按《容规》第 36 条中表 3-3 的规定。 由于液化气体多属有毒或易燃性质，且设计压力多数为中压，因此应注意设计的范围，分辨容器的 类别。 3．5．2 设计温度的确定 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。 在任何状况下，元件金属表面的温度不得超过金属的允许使用温度。 对于 00c 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。 3．5．3 有不同工况的容器 对有不同工况的容器，应按最苛刻的工况设计，并在图样或相应技术文件中注明各工况的压力和 温度值。 3．5．4 载荷 设计时应考虑的载荷有：内压、外压或最大压力差；液体静压力；根据容器的具况，还可能考 虑自重，内件重和附属设备等等的影响（详见 gb15o 的 3．5．4 条中的内容） 。 3．5．5 厚度附加量 厚度附加量 c 由钢材厚度负偏差 c1 和腐蚀裕量 c2 两部分组成。 c = c 1 + c2 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 c1 可忽略不计。 如选用 gb《压力容器用钢板》标准，其厚度负偏差 c1 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。注：腐蚀分类： ①均匀腐蚀 金属表面出现各部分的腐蚀速度大致相同的连续腐蚀； ②非均匀腐蚀 金属表面各部分具有不同速度的连续性破坏； ③局部腐蚀 局部发生腐蚀，如点蚀（呈一个个的点状）和斑点腐蚀（呈一个个的斑点状） ； ④应力腐蚀 由侵蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀； ⑤晶间腐蚀 是金属晶粒界面的腐蚀。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。 腐蚀裕量 c2 = 腐蚀速率 x 设计使用年限 （毫米/年 x 年 = 毫米） 在考虑腐蚀的同时，也应考虑容器可能发生的机械磨损。 此外，由于金属所处的介质情况（如介质的腐蚀性、浓度和温度）不同，腐蚀程度不同，因此， 采用不同的腐蚀裕量。 gb150 中规定“介质为压缩空气、水蒸气的碳素钢或低合金钢制容器，腐蚀裕量不少于 1 mm” 。 3．5．6 最小厚度 容器在较低内压力作用下，按厚度计算方法得到的厚度很小，虽然能满足容器的强度要求，但 刚度不够。为解决刚度问题，gb150 中规定了壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度： a)对碳素钢、低合金钢制容器，不小于 3 mm； b)对高合金钢制容器，不小于 2 mm。 因此，碳素钢和低合金钢制的容器的最小名义厚度应不小于 4 mm。 3．6 许用应力 容器使用钢材常用指标是力学性能，在 d 类容器中，主要指标是材料的抗拉强度σ b 和屈服点 σ s（或σ 0.2） 。7容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏， 在实际应用中必须控制容器的材料受力处在安全范围 内，即除以系数 n，n 称为材料许用应力系数（即是设计安全系数） 。 从钢常温抗拉强度考虑，设计安全系数取 3； 按钢的设计温度下的屈服强度考虑选用的设计安全系数：对碳素钢和低合金钢取 1.6；对高合 金钢取 1.5。 将钢材的抗拉强度σ b 和屈服点σ s 分别除以各自的设计安全系数后，取二值的小者作为材料 的许用应力。 说明：考虑安全系数是基于如下因素： ①材料的性能稳定性存在偏差；②估算载荷状态及数值偏差；③计算方法的精确程度；④制 造工艺及允许偏差；⑤检验手段及严格程度；⑥使用中的操作经验等六个方面。 在确定具体材料的许用应力时，还要结合材料的质量因素。 gb150 所用钢板材料的许用应力按 gb150 标准的第 4 章各材料表中的规定。 螺栓材料的许用应力，是从考虑屈服的情况考虑，安全系数选高了一些，详见 gb150 表 3-1 和表 3-2。 3． 7 焊接接头和焊接接头系数 3．7．1 焊接接头分类和要求 压力容器筒体与筒体，筒体与封头的连接，封头的拼接，不允许采用搭接结构。也不允许存在 十字焊缝。 容器主要受压部分的焊接接头分为 a、b、c、d 四类，具体规定是： a）a 类焊接接头 圆筒部分的纵向接头，半球形封头与圆筒连接的环向接头，各种凸形封头的 所有拼焊接头，嵌(qian)入式接管与壳体对接的接头。 b）b 类焊接接头 壳体部分的环向接头，锥形封头小端、长颈法兰等与接管连接的接头。 c）c 类焊接接头 平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封 头与圆筒连接的搭接接头。 d）d 类焊接接头 接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。 压力容器的所有 a、b 类焊接接头均需按 gb150 标准和设计图样的规定进行无损检测（rt 或 ut） 。 下列情况的压力容器的 a 类及 b 类焊接接头应进行 100%射线或超声检测（材料厚度≤38mm 时， 应采用射线检测） ： ① 第二类压力容器中，易燃介质的反应容器或储存容器； ② 设计压力大于 5.0mpa 的压力容器； ③ 筒体厚度大于 30mm 的碳素钢和厚度大于 25mm 的低合金钢或奥氏体不锈耐酸钢制压力容器； ④ 盛装高度和极度危害介质的压力容器； ⑤ 耐压试验为气压试验的压力容器； ⑥ 使用后无法进行内部检验或耐压试验的压力容器； ⑦ 焊缝系数为 1.0 的压力容器（无缝钢管制的筒体和压力容器本体最后焊接的一条环焊缝除外， 但应提供保证其焊接质量的相应焊接工艺） ； 图样规定进行局部无损检测 a 类和 b 类焊接接头，局部无损检测的检测长度为不少于每条焊缝 长度的 20%，且不小于 250mm。且下列焊接接头应全部检测：①所有的 t 型焊接接头； ②开孔区域内（以开孔中心为圆心，1.5 倍开孔直径为半径的圆内）的焊接接头；③被补强圈支座 垫板等其他元件所覆盖的焊接接头； ④拼接封头和拼接管板的焊接接头； ⑤公称直径大于 250mm 接管的环焊缝按容器本体考虑。合格级别按容器要求。 除另有规定，不允许采用降低焊接接头系数而不进行无损检测。 设计用的焊接结构可参见 gb150 的附录 j。焊接结构。83．7．2 焊接接头系数 焊接接头系数ф 应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。 注：焊接接头系数有的称为焊缝系数，即是焊缝的强度与母材强度之比。 双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头： 100%无损检测 ф = 1.00 局部无损检测 ф = 0.85 说明：相当于双面焊的全焊透的对接焊缝，是指单面焊双面成型的焊缝，按双面焊评定（含焊 接试板的评定） ，如氩弧焊打底的焊缝或带陶瓷、铜衬垫的焊缝等。 单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板） ： 100%无损检测 ф = 0.9 局部无损检测 ф = 0.8 说明：这里应注意到 1）是对接接头；2）全焊透结构；3）沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的 垫板。垫板如何才算密贴，看法并不一致，一般以焊接工艺评定为准。 3．8 压力试验和试验压力 压力试验是容器制造中检查容器质量的必需工序。它主要检查容器的强度、刚度和焊接接头及 可拆的密封连接处的密封质量。压力试验方法有液压试验、气压试验和气密性试验。 压力试验的种类、试验压力值和要求，应在图样中注明。 3． 8。1 液压试验 液压试验是压力容器常用耐压试验方法。试验液体一般采用水，也可采用不致发生危险的其它 液体。 对奥氏体不锈钢制造的容器水压试验应控制水的氯离子含量不超过 25mg/l 3．8．1．1 内压容器 液压试验 pt = 1.25p [σ ]/[σ ]t 式中 p-- 设计压力 mpa ； pt -- 试验压力 mpa [σ ] -- 容器元件材料在试验温度下的许用应力， mpa [σ ]t -- 容器元件材料在设计温度下的许用应力。mpa 此液压试验压力 pt 为常用的压力，也是最小试验压力。 如果名义厚度远大于计算厚度，为达到试验的目的，也可适当的提高试验压力，但确定新的试 验压力值时，应进行应力校核，用试验压力值计算的换算应力σ τ 应符合如下规定：t pt di
2 eб s(б 0.2)—圆筒材料在试验温度下的屈服点（或残余变形为 0.2%时的屈服强度） mpa ， 3．8．1．2 外压和真空容器， 以内压进行液压试验： pt= 1.25 p 容器液压试验合格的条件是：①无滲漏；②无可见的变形；③试验过程中无异常的响声。 3． 8。2 气压试验 对于不适合作液压试验的容器，例如容器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满 液体的容器，可采用气压试验。 内压容器的气压试验压力 pt= 1.15 p[σ ]/[σ ]t，设计校核结果，应满足如下要求：t pt di
2 e9外压和真空容器，以内压进行气压试验，气压试验压力为：pt = 1.15 p 气压试验应有安全措施，该安全措施应经单位技术负责人批准，单位安全部门检查监督。试验 所用气体应为干燥洁净的空气、氮气或其他惰性气体，碳素钢和低合金钢压力容器气压试验用气体 的温度不得低于 150c。设计采用气压试验，应注明安全要求。 3．8，3 气密性试验： 压力容器的气密性试验要求，见《容规》第 101 条和第 102 条的规定。 介质的毒性程度为极度和高度危害的压力容器，应在压力试验合格后进行气密性试验，需作气 密性试验时，试验压力、试验介质和检验要求应在图样中注明。 夹套容器压力试验的试验压力和方法，应在图样中注明。 4．对材料的要求 gb150 在压力容器用钢的要求方面含三部分，即： ①正文第 4 章：材料； ②附录 a（标准的附录） ：材料的补充规定； ③附录 h（提示的附录） ：材料的指导性规定。 在这些章节中，主要是对受压元件用材料的规定。 gb150 对受压元件未定义。 注：根据《容规》第 25 条规定，压力容器的主要受压元件是：压力容器的筒体、封头（端盖） 、 人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰、球罐的球壳板、换热器的管板和 换热管、m36 以上的设备主螺栓及公称直径大于等于 250mm 的接管和管法兰。 4．1 选择压力容器用钢应考虑的因素 1）选材地合理性是保证压力容器设计质量的关键环节，压力容器选择受压元件用钢材时，必 须选用 gb150 第四章的材料表中列出的钢材。而非受压元件与受压元件焊接者，也应选用焊接性能 良好的钢材。 2）选择压力容器用钢应考虑的因素有：压力容器的使用条件，如设计压力、设计温度、介质特 性和操作特点；可焊性良好；制造工艺的可行性（加工难度）和经济合理等。说明：可焊性方面，应靠虑控制钢的含碳量或碳当量，含碳量大的，焊接性能下降，容易产生裂纹，且塑 性下降，不利于冷热成形，压力容器焊接用钢的碳含量应为 c≤0.25%。 从钢的冶炼上，应采用平炉电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢。因为沸腾钢中含有 feo,脱氧情况差，成材率虽高， 但质量差。镇静钢是一种充分脱氧的钢，成材率较低，但钢中杂质少，气泡和疏松性少，质量高。 目前，由于平炉冶炼时间长，占地面积大，生产效率低，此法逐步被淘汰。 降低钢中的硫、磷含量：因为硫、磷均为钢中的有害杂质，硫与铁在晶界处生成低熔点硫化铁（fes） ，热加 工时易产生热脆，即称热脆性，焊接时，硫和氧结合产生 so2 使焊缝中产生气孔和疏松，影响焊接接头的质量； 磷与铁形成磷化三铁（fe3p） ，明显的降低钢的塑性韧性，尤其是低温时更差，属冷脆现象，磷过多，焊接变坏， 易产生裂纹。 由于磷和硫是矿石中带来的，随着冶炼技术的进长和压力容器质量要求的提高，磷、硫含量将逐步降低，要 求的磷、硫含量为：p≤0.030%；s≤0.020%.3）gb150 中对材料的修改情况是： 2002 年起，取消 q235-a.f 和 q235-a 钢板在受压元件中的应用； 《制造许可》中规定，对用于焊接接构的压力容器用钢磷、硫含量：磷 p≤0.o30%，硫 s≤0.020%。 ， 并规定钢的含碳量应不大于 0.25%,且按下式计算的碳当量 ceq 不大于 0.45%。 ceq = c + si∕24 + mn∕6 + ni∕40 + cr∕5 + mo∕4 + v∕14 沸腾钢不允许用于制造压力容器的受压元件。 4)q235 钢板：在图样的材料明细表中不得只标 q235，应根据设计须要在尾部带上“-a 或-b 或10-c” ，q235 钢板的具体数据见下表： q235 热轧厚钢板（板厚≤16mm）的化学成分和力学性能表牌号 等级 c 化学成分 mn % si ≤ q235-a q235-b q235-c 0.14-0.22 0.12-0.20 ≤o.18 0.3-0.65 0.3-0.7 0.35-0.6 0.3 s ≤ 0.05 0.045 0.04 0.04 p ≤ 0.045 235 力学性能 mpa б s ≥ б b ≥ 375 -500 20 0 27 冲击性能 温度0冲击功 jc注：q235-a 未提供冲击功。 4．2 d 类压力容器受压元件用钢板 在 d 类压力容器中，主要使用 gb150 的表 4-1“钢板许用应力”列入的下列钢板： 1）碳素钢板：使用 q235-b 、q235-c 和 20r 钢板。 q235-b 钢板 （gb912 和 gb3274） 的适用范围： 容器设计压力 p≤1.6mpa；钢板使用温度为 0～3500c； 用于壳体时，钢板厚度不大于 20mm；不得用于毒性为高度或极度危害介质的压力容器。在表 4-1 中所列许用应力值，已乘质量系数 0.9。 q235-c 钢板 （gb912 和 gb3274） 的适用范围： 容器设计压力 p≤2.5mpa,钢板使用温度为 0～4000c。 用于壳体时，钢板厚度不大于 30mm 20r 钢板（gb6654）的应用：用作壳体时，适宜厚度不超过 30mm；使用温度建议为-19～4750c； 为避免增加试验项目，当使用温度低于 00c 时，建议使用厚度小于 25mm；使用温度低于-100c 时， 建议使用厚度小于 12mm。 2）低合金钢板：使用 16mnr（gb6654）和 16mndr（gb3531）钢板 16mnr 钢板：常温使用时的厚度不宜超过 30mm；使用温度建议为-19～4750c。 使用温度低于 00c 时，建议使用厚度小于 35mm；使用温度低于-100c 时，建议使用厚度小于 20mm， 以避免增加试验项目。 16mndr 钢板：使用的最高温度为 3500c，厚度不宜超过 35mm。 对于有经验的设计单位， 也可选用 gb6654 中的 15mnnbr 和， 15crmor； gb3531 中的 15mnnbdr 和 09mnnidr。 3）高合金钢板：经常使用奥氏体不锈钢板（gb4237） ： 用于清洁美观的压力容器用钢板有：0cr18ni9 ； 用于抗氧化性介质腐蚀的不锈钢有：00cr19ni10 和 0cr18ni10. 用于抗醋酸介质腐蚀用的不锈钢有：ocr17ni12mo2，0cr18ni12mo2ti 00cr17ni14mo2; 0cr19ni13mo3;00cr19ni13mo3 。说明：①抗腐蚀原理：铬镍奥氏体不锈钢是指上述钢号经固熔热处理而具有均一的奥氏体钢，这种钢在氧化 性介质中具有良好的抗腐蚀性，高的塑性和韧性。这种钢的耐腐蚀的基理通常用钢生成氧化膜的理论来解释，即 钢在空气中或在氧化性介质中，其表面氧化，生成緻密的氧化薄膜，它阻止内部进一步氧化，或受介质的侵蚀， 这种现象称钝化现象。 钝化膜的生成与不锈钢的表面的质量有关， 机械损伤破坏的氧化膜会重新生成， 但很缓慢， 清洁表面后可再度产生氧化膜。钢表面的残余氧化皮、砂眼、起鳞，氧化膜难以生成，会造成局部腐蚀。抛光表 面、经磨光和酸洗的表面，可加速氧化膜的形成，提高抗腐蚀性。 ②不锈钢晶间腐蚀：晶间腐蚀是钢的晶体边界受到腐蚀的一种破坏形式。这种腐蚀沿着晶界快速传播到金属 内部。晶间腐蚀特别危险，因为肉眼不容易发现，由于这种腐蚀的结果，材料的机械强度丧失达到很大的数值。 0 晶间腐蚀的倾向，主要决定于钢的含碳量，其原因是：当钢加热到不太高的温度（600-800 c）时，由于富铬的碳 化物在晶界上析出，使固溶体晶界上贫铬，结果，晶界未能钝化，使其耐腐蚀性变差，解决的办法是：a)采用钢 0 在
c 的固溶处理，使碳重新溶入奥氏体固溶体；b)将钢中碳含量降低至≤0.03%；c)加入形成稳定碳化 0 物的元素钛或铌到钢中，加钛量应≥5c%，但含钛的不锈钢的加热温度不应超过 1100 c，以免碳化钛重新溶入固11溶体中，重新产生碳化铬而发生贫铬现象。4．3 钢管 4．3．1 钢管的标准及许用应力按 gb150 的表 4-3 钢管许用应力的规定。 d 类压力容器常用的碳素钢和低合金钢钢管牌号有：10 20 20g 16mn 。 10 和 20 钢管，依据标准为：gb8163-87《输送流体用无缝钢管》 ； 20g 和 16mn 钢管，依据标准为：gb6479《化肥设备用高压无缝钢管》 。 常用的不锈钢管 0cr18ni9、 00cr19ni10 和 0cr18ni10ti 依据标准为： gb13296-91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》 gb/t14796-94 《流体输送用不锈钢无缝钢管》 4．3．2 关于不锈钢焊接钢管在压力容器中的使用问题： 在附录 a 的 a4.2 中有明确规定。 对奥氏体不锈钢焊接钢管（见 a4.2.1）应遵循 gb12771-91《流体输送用不锈钢焊接钢管》的 规定。具体要求是：壁厚允许偏差为±12.5%；钢管的弯曲度不大于 1.55mm/m；逐根进行蜗流或射 线（对大直径管）及水压试验合格； 检测标准按 jb/t《承压设备无损检测》中的相关部分，水压试验压力为容器设计压力 的 2 倍，保压时间为 10 秒，管壁无渗漏现象。 奥氏体不锈钢焊接钢管的使用范围规定如下：容器使用温度定为 0cr18ni9、 00cr19ni10 和 0cr18ni10ti 等钢号的相应允许使用温度；容器设计压力不大于 6.4mpa；管壁厚不大于 8mm；不得 用于毒性程度为极度危害的介质；焊接接头系数为 0.85，即按相同钢号的许用应力乘以 0.85 的焊 接接头系数。 4．4 钢锻件 钢锻件的标准及许用应力按 gb150 表 4-5 的规定，钢锻件的标准和常用钢锻件为： jb《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中的 20、35 和 16mn jb《低温压力容器碳素钢和低合金钢锻件》中的 16mnd jb《压力容器用不锈钢锻件》中的 0cr18ni9、00cr19ni10 和 0cr18ni10。 4.5 焊接材料 压力容器受压元件焊接选用的焊条（焊接材料）的參考原则是： ①满足力学性能的要求，保持等强度，考虑满足冲击韧性和伸长率的要求； ②化学成分相当； ③根据工程重要性、危险性、焊接位置、刚性大小、施焊条件、焊接经验选择焊条； ④考虑经济性和容易获得； 碳钢和低合金钢之间焊接，一般要求所选用的焊材焊成的焊接接头，其强度不低于强度较低的一 侧母材标准抗拉强度下限值，而接头的韧性和塑性应不低于强度较高而塑性韧性较差的母材。 首次选用的焊接材料，应按 jb《钢制压力容器焊接工艺评定》和 jb/t《钢 制压力容器焊接规程》的规定。压力容器用焊条定货时，应按 jb/t 《压力容器用焊条订 货技术条件》 。 焊接材料的标准有： gb/t《碳钢焊条》 gb/t《低合金钢焊条》 gb/t983-1995《不锈钢焊条》 ； ； ； gb/t984-2001《堆焊焊条》 ；gb/t《熔化焊用钢丝》 gb/t《气体保护焊用 ； 钢丝》 ；gb/t《气体保护电弧焊用碳钢，低合金钢焊丝》gb4241-84《焊接用不锈钢盘条》 ； gb4242-84《焊接用不锈钢丝》 gb4343-84《惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝》 ； 。 yb/t《惰性气体保护焊用不锈钢棒及钢丝》 ；yb/t《焊接用不锈钢丝》 ； gb/t《埋弧焊用碳素钢焊丝和焊剂》 ；gb/t《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》 ； 4．6 采用国外钢材的要求12采用国外的钢材，应是国外相应压力容器最新标准所允许使用的钢材；其使用范围不应超出该标 准的规定，同时也不应超过 gb150 第 4 章材料相近钢材的规定。 4．7 一些钢材的代用规定 1）钢材的代用的一般原则是：代用材料应与被代用的钢材具有相同或相近的化学成分、交货 状态、检验项目、性能指标和检验率以及尺寸公差和外形质量等。 2）代用图样规定的钢材时，应取得原设计单位的同意。 3）钢板代用： ①gb712-88《船体用结构钢》中的 a 级钢板，可代用 q235-a（不得作受压元件） 级钢板在钢 ；b 厂按标准要求进行冲击试验合格后， 可代用 q235-c 钢板， 未作冲击试验的钢板， 则只能代用 q235-b 钢板； ②gb713-1997《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》中的 20g 钢板可代用 q235-c 钢板。 4）钢管代用：gb3087-82《低中压锅炉用无缝钢管》中的 10 和 20 钢管，可代用 gb 《输送流体用无缝钢管》中相应的钢管。 4．8 特殊工作环境下的选材 关于介质处于 naoh 湿 h2s 应力腐蚀时的选材问题，可见《容规》126 页，关于“压力容器选材与 介质”的说明。 5．内压圆筒和内压球体的计算 5.1 内压圆筒和内压球体计算的理论基础 1）强度理论：内压容器的破坏有四种强度理论，比较为人们接受的有第一、第三和第四强度理 论。 ①第一强度理论即最大主应力理论，它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应力。亦即 不论材料处于何种应力状态，只要最大主应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料则发生 断裂破坏，其当量应力强度为 s = б 1 。 ②第三强度理论即最大剪应力理论，它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即 不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料则发生屈服破 坏，其当量应力强度为 s = б 1-б 3 。 ③第四强度理论即最大应变能理论，它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大变形能。亦即 不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的应变能，材料即 发生屈服破坏，其当量应力强度为：s
(1 / 2 ) (
)2）gb150-1998 标准中计算公式主要以第一强度理论为基础（结果比较接近） 。并采用平面应力状态 （忽略第三向应力） 。如果考虑第三向的应力，则是第三强度理论。 5．2 内压圆筒计算 1）设计温度下的计算厚度按下式计算：2&&&&pp d公式适用范围：pc≤0.4ф [σ ]t 或 do/di≤1.5 式中：δ - 圆筒的计算厚度 mm； pc– 计算压力，mpa； di – 圆筒内直径，mm； [σ ]t –设计温度下圆筒材料的许用应力，mpa； ф – 焊接接头系数。132）公式来源： 用第一强度理论，以圆筒平均直径为基准计算的环向应力，考虑了圆筒内壁上最大主应力与平 均拉应力的差值进行了修正，并考虑了纵向焊缝（a 类焊接接头）在强度方面相对于母材的削弱。 公式中应力的推导是根据薄膜应力理论。 3) 公式推导： 设直径 d 筒体受内压力为 p 的作用，圆筒上的任一小单元上受三个主应力环向应力σ 1 、轴向应 力σ 2 和径向应力σ 3 的作用，求应力时，可通过中心轴线沿纵向将圆筒切成两部分，去除一部分以 应力代替，根据力平衡理论，在纵向截面厚度产生内应力σ 1，其合力与外部作用的压力作用平衡， 设圆筒直径为 d，长度为 l，厚度为δ ，按平衡关系则有： 2 lδ σ 1 = p d l σ 1 = p d/2δ 沿垂直主轴线的截面将圆筒体切开，在圆形横截面上的应力为σ 2，产生平衡的条件为： dσ 2 ．π 2 δ =1/4 π d p； σ 2= p d/4δ 径向应力σ 3= p ，可见σ 1=2σ 2，并远大于σ 3 ，故采用σ 1 = p d/2δ ，即： δ = p d/2σ 1 ，令 d=di+δ ， p = pc 代入，σ 1 以ф [σ ]t 代入， 则得到 ：
2&&&&pp d。4）如已知δ n、 pc、 di；则圆筒体的计算应力σ t 为：t pc di
e 2 e式中б t≤ф [σ ]t式中：δ e 为有效厚度。 5）设计温度下，筒体的最大允许工作压力[pw]为：p
5．3 球壳计算 1）设计温度下的计算厚度公式：4
4p d2）设计温度下，球壳计算应力公式： 式中б t≤ф [σ ]t 3）设计温度下，球壳的最大允许工作压力公式：p
6．外压圆筒和外压球壳的设计14许多化工石油用的容器，由于工艺原因需要在外压或真空下操作，如真空罐和真空蒸餾塔，有的 容器带有夹套，夹套内是带压蒸汽，使内筒受到外部压力。 通常，内压低于外压的容器，称为外压容器。 外压容器的最高工作压力是指容器在正常使用过程中可能出现的最大压力差值。对夹套容器，指 夹套顶部可能出现的最大压力差值。 确定外压容器的设计压力时，应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差。 确定真空容器壳体的厚度时，设计压力按受外压考虑。当装有真空泄放阀，以及相类似的安全 控制装置时，设计压力=1.25△p，或 0.1mpa 的低值，△p 为内外压力差。未装安全控制装置时，取 0.1 mpa。 容器工作中失效的状态有：强度失效，刚度失效和稳定失效三种。 ①强度失效：容器在载荷作用下，发生过量变形或破裂。如内压容器的破坏； ②刚度失效：容器发生过量的弹性变形，导致丧失正常的承受能力。如容器不能满足最小厚度 要求导致刚度不足而失效； ③稳定失效：容器在载荷作用下，形状突然发生改变，导致丧失工作能力。如外压容器的失稳 破坏。 外压容器设计时，必须考虑到上述三种失效的可能性，才能确保容器的安全使用。 在满足刚度要求的情况下，外压容器的破坏有两种形式，即强度不足引起的破坏和失稳引起的破 坏两种。因此，设计应包括强度计算和稳定性校核。因失稳往往在强度破坏之前发生，故稳定性计 算是外压容器设计中的主要考虑的问题。 6． 1 受均匀外压的圆筒（和外压管子） 在 gb150 第 6 章中，外压圆筒和外压管子所需的有效厚度δ e 用查图计算法，使用的图为图 6-2～图 6-10，计算步骤如下： 6．1．1 do/δ e≥20 的圆筒和管子 1）假设δ n, 令δ e =δ n-c，c=c1+c2 ，定出 l/do 和 do/δ edo 为筒体的外直径；l 为筒体的计算长度，l 值取圆筒上两相邻支撑线（此线处的截面有足够的惯性矩）的 距离，其值按图 6-1 的各示图选取。 如图 6-1a 中，l=l1+2hi/3 l1 为圆筒部分的长度（含封头的两直边）的总和； hi 为封头曲面深度。2）查图 6-2，在图的左方找到 l/do 点 ，过此点沿水平线右移，与 do/δ e 线相交，遇中间值用 内插法，如 l/do＞50，则取 50。若 l/do＜0.05，则取 0.05； 3）连此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数 a。也可查表 6-1 得到 a 值。 4）按所用材料选用图 6-3～图 6-10，在图下方找到系数 a。 若 a 落在设计温度下材料线的右方，则过此点上移，与设计温度下材料线相交，遇中间温度值 采用插入法，再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数 b。 通过 b 按下式求出许用外压力[p]，mpa； p
d b .. 6-1 oe若所得 a 值落在设计温度下材料线的左方，则计算许用应力[p]为：p
2 ae d 3 o
6-215e 是设计温度下材料的弹性模量，mpa； 5）算出的[p]应大于或等于 pc，pc 为计算外压力，否则，应重新按上述步骤重算。直到[p]＞ pc，且接近于 pc 为止。 6．1．2 do/δ e&20 的圆筒和管子 a)按 6.1.1 的步骤计算得到 b 值，但对 do/δ e & 4 的圆筒和管子的 a 值应按下式计算：a 1.1 d 3 o
e 2，当 a&0.1 时，取 a=0.1； 由 a 值，并根据材料牌号，通过表 6-2 至表 6-9 中的相应曲线数据表查 b 值；
2 o b) [p]按下式计算： p
e式中：σ o 为应力，其值取
0.9 s 或 0.9 0.2 的较小值。c) 算出的[p]应大于或等于 pc，pc 为计算外压力，否则，应重新假设名义厚度δ n，并重复上 述步骤计算。直到[p]＞pc，且接近于 pc 为止。 6．2 外压球壳 外压球壳所需的有效厚度按以下步骤计算： 假设δ n,令δ e =δ n-c 定出 ro/δ e； 用式下计算系数 a 0.125 a r
根据相应的材料图查出 b，并按式下求出[p]， b [p ]
如在材料线图中 a 落在材料线的左方，则按下式 6-5 计算许用压力：p 0.0833e
e 2----------- ------------- 6-5[p]应大于或等于 pc,否则须再假设δ n,重复上述计算，直至[p]大于且接近 pc 为止。 6．3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介 6．3．1 失稳现象和临界压力 1）在外压圆筒壁厚计算中，gb15o 采用图表计算法，用简单的计算程序，借助两种图(表)求出 结果。 两种图(表)中，一种是仅与几何形状参数有关的线图；另一种是仅与材料有关的线图。通过查 图表计算许用压力，从而确定筒体的厚度。 计算受均匀外压下的圆筒壳体的膜应力，只需将外压力代入内压计算公式则可。 实际上，通常使用的外压圆筒形容器，当外压产生的压应力尚未达到材料的屈服点时，就会突 然发生失去原形的压扁或褶皱现象，这主要是弯曲应力引起的，使壳体丧失稳定，这种现象，称为16失稳。 容器失稳分为周向失稳和轴（经向）向失稳两种，周向失稳是因周向压缩薄膜应力所引起，轴向 失稳是由容器轴向压缩薄膜应力造成的。 容器周向失稳时， 其横截面由圆形变成波形， 轴向失稳时， 原为直线的素线变为波形线。按容器的失稳范围大小，分整体失稳和局部失稳，通常外压容器的压 瘪属于整体失稳。 在某外压力下，形状突然发生改变而产生瘪塌的失效形式，称为失稳，断面由容器被压瘪失稳时 的最小外压力，称为临界压力。 临界压力大小的影响因素与壳体用的材料及其几何尺寸有关，几何尺寸包括圆筒计算长度 l、外 直径 d0 和有效厚度δ e,用比值 l/ d0 和δ e/ d0 表达。 2）临界压力、临界应力与圆筒计算长度的关系 ①非常长的圆筒体（长圆筒） ，两端的加强件对圆筒抗外压的能力起不了加强作用，失稳时圆筒 截面压瘪成二波形，此时对临界压力有影响的只是外直径 d0 和筒体的有效厚度δ e，即δ e/ d0，此 时的临界压力 pcr 为： pcr=2.2e(δ e/ d0)3 ----------① 式中：e-材料的弹性模量，mpa； 根据临界压力求临界应力б cr 的公式为б cr=pcrdo/2δ e, 该公式可改写为 pcr=2б cr(δ e/ d0) 2б cr(δ e/ d0)= 2.2e(δ e/ d0)3 б cr/ e =1.1(δ e/ d0)2 ----------①1 在①式中，如采用稳定系数 m（即许用压力为临界压力的 1/ m，并取计算压力等于许用压力,通 常取 m=3）即[p]=pcr/mp 2.2
e 则计算压力为：令 pc=[p]； pc
；式中可解出有效厚度，
3 m p 3 相应的有效厚度为：
，如以 m=3 代入，计算得的名义厚度为
不起作用的最小长度，称为临界长度，用 lcr 表示，其值为：1d lcr
e 12当 l≥lcr，则该长度为 l 的圆筒为长圆筒。 ②中等长度的圆筒，其长度 l＜lcr，此时圆筒的临界压力 pcr 与 l/ d0 和 δ e/ d0 有关，其值为： pcr=2.8e(δ e/ d0)2。5/(l/do) --------------② 2б cr(δ e/ d0)= 2.8e(δ e/ d0)2。5 /(l/do) б cr/ e =1.4(δ e/ d0)1。5/(l/do) ---------------②1 a=б cr/ e =1.4(δ e/ d0)1。5/(l/do) ③短圆筒：l 足够短，使圆筒的破坏仅受材料的强度所确定，可按内压公式计算。 6．3．2 线图表绘制基理17在①1 和②1 式中，令 a =б cr/ e,此处 a 是应变，则得①2 及②2： ： a =1.1(δ e/ d0)2 -------------------①2 或a 1 .1 d
及 a =1.4(δ e/ d0)1。5/(l/do) ----------------②2 在对数坐标中，以 a 为横坐标，l/do 为纵坐标，在长圆筒中，因①2 中无 l/do,在图 6-2 中表现 为与横坐标成垂直的一组线，即仅与δ e/ d0 有关；而图中的斜线组则是中圆筒部分,即由关系式② 2 做成的一组线。 外压筒体中，给出 l/do 和δ e/ d0（图中为 do/δ e）,通过图 6-2 可查出 a。 由于 a =б cr/ e，其中弹性模量 e 与材料及设计温度有关， 故根据材料和设计温度下的不同 e 值，可做出各种线图，也称为材料线，在 6-3 至 6-10 各图中， 其横坐标是 a，纵坐标是临界应力б cr，知 a 和 et 可查到б cr。知б cr，通过公式б cr=pcrdo/2 δ e，即可求出 pcr。 在实际应用中，需要的是许用压力[p]，故令[p]=pcr/m, （m 为稳定安全系数，取 m=3.） 。即 pcr=3[p]，代入公式б cr=pcrdo/2δ e 后整理可得： 2/3б cr=[p]do/δ e,p 2 cr d
e式中，以б cr=ae 代入，则[p]值为：2a e ---------------------③ d
如令 b=2/3б cr=2/3ae， 横坐标 a,纵坐标为 b，通过 a 可查出 b，并按下式求出[p]： [p ] p
b d-----------------------------③16．4 外压圆筒加强圈的设计 设加强圈是为了减少圆筒的计算长度 l，从而减少圆筒的壁厚。 对于设有加强圈的外压圆筒，外压容器计算中的支撑线，就是加强圈的中心线，加强圈的横截 面处应有足够的惯性矩，使在支撑线中间的圆筒部分由于加强圈的作用不出现失稳现象。 加强圈所需的惯性矩按如下确定： 1）已知 do、ls， e 和 pc 、δ ls—是从加强圈中心线到相邻两侧加强圈中心线距离的一半。若与凸形封头相邻，在长度中还 应计入封头曲面深度的 1/3，mm 选定加强圈的材料和截面尺寸，计算它的横截面积 as 和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性 矩 is 。 2）计算 b 值：18bpc do
3）通过 b 按图 6-3～图 6-10 查出 a，如无交点，则令 a=1.5b/e 4）计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩 i a 2 do ls
a i 10.9 is≥i，否则，应选大惯性矩的加强圈，并重新计算，直至 is≥i 5）加强圈的设置：加强圈可设置在容器的外部或内部，应整圈围绕在圆筒的圆周上。 加强圈设在内部时要考虑流液通道；不论设在外部或内部，沿其断面开孔或间隙应不大于圆筒 名义厚度的 8 倍，否则，有间隙的环带的不计入惯性矩，未带间隙的环带应具有加强圈需要的惯性 矩。如开有断开式的间隙时，断开弧长应符合 gb150 中图 6-12 的规定。 容器内部的构件，若按加强圈的要求设计，也可作加强圈用。 加强圈与圆筒可段焊连接，当设置在容器外部时，加强圈每側间断焊接的总长，不应小于外圆 周长的 1/2，段间的最大间隙为 8δ n；当设置在容器里面时，应不少于圆周长的 1/3，段间的最大 间隙为 12δ n；其要求见图 6-12 和图 6-13。 7．封头的设计和计算 7．1 封头标准 7.1.1 现行标准 jb/t 《钢制压力容器用封头》标准，包括并代替原 jb4737-95 《椭圆 形封头》 、jb/t4729-94 《旋压封头》 、jb576-64 《碟形封头》 、jb/t4738-95 《900 折边锥形封头》 、 0 jb/t4739-95 《60 折边锥形封头》 。封头的规格尺寸的选用等可按 jb/t4746。该封头标准详细规定了封头的制造和验收要求，被列入 gb150 引用标准。 封头标记按如下规定： ①②χ ③─④⑤ ①-封头类型代号 椭圆形封头：以内径为基准, 类型代号为 eha 标准型 以外径为基准, 类型代号为 ehb 标准型 碟形封头：ri=1.0r=0.15dn=di,代号为 dha ri=1.0r=0.10dn=di,代号为 dhb 折边锥形封头；分 cha chb 和 chc 球冠封头：psh ②-封头公称直径 ；③-封头名义厚度；④-封头材料牌号；⑤-标准号 jb/t4746 示例 1：dn2400mm,δ n20mm,ri=1.0di,r=0.15di,材料 0cr18ni9 碟形封头的标记是： dhacr18ni9 jb/t4746 示例 2 dn325mm, δ n12mm,材料 16mnr， 以外径为基准的椭圆形封头的标记是： ehb325x12-16mnr jb/t47467.1.2 封头型式及优缺点比较 gb150 规定的封头包括：凸形封头、锥壳（锥形封头、锥形壳体） 、变径段、平盖及紧缩口等。 凸形封头中包括：椭圆形封头（标准型和非标准形） 、碟形封头、球冠形封头（无折边球面封头） 和半球封头。 各种封头的优缺点比较如下： 1）从受力情况看，依次为：半球形、椭圆形、碟形、锥形，平盖最差； 2）从制造上，平盖最容易制造，其次为锥形、碟形、椭圆形、半球形；19锥形封头虽然受力效果不佳，但有利于流体的排料。 7．2 椭圆形封头 7.2.1 受内压的椭圆封头的计算 椭圆封头在内压作用下，其膜应力与圆筒相比，有明显的特点，在内压力作用下的圆筒体， 无论轴向应力，还是环向应力，均为拉应力，内压筒体各部分总是膨胀，直径总是增大。而椭圆封 头在内压力作用下，其短轴（沿轴线）方向发生伸长，而在长轴（沿直径）方向则趋向缩短，封头 的截面形状向圆形转变，发生“趋圆现象” 。 在内压作用下。在封头的过度段产生的环向应力为压缩应力，并随着长半轴/短半轴比值的增 大而加剧，会导致封头环（周）向失稳，故椭圆封头设计中，除非已考虑内压的失稳问题，均应有 最小有效厚度的规定。 在 gb150 的封头设计中规定：k≤1 的椭圆封头的有效厚度,应不小于封头内径的 0.15%；k＞1 的椭圆封头的有效厚度，应不小于封头内径的 0.30% 其中 k 为椭圆封头的的形状系数，1
其值列于表 7-1。 表 7-1 系数 k 值 di/2hi 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 k k 1.46 1.37 1.29 di/2hi 1.7 1.6 1.5 k 0.81 0.76 0.71 椭圆形封头计算厚度按下式： 1.21 1.4 0.66 1.14 1.3 0.612.1 1.07 1.2 0.572.0 1.00 1.1 0.531.9 0.93 1.0 0.501.8 0.872
0.5 pkp d上式中：对标准椭圆封头（di/2hi=2,0）,k=1 7.2.2 受内压椭圆封头的应力分布情况 设椭圆封头的长半轴为 a，即 2a=d，短半轴为 b，即曲面高 hi=b，令 k=a/b 如标准椭圆封头 k = a/b = 2，p 为内压力，δ 为计算厚度。 椭圆封头的经向应力公式： 经推导，经向应力σ 1 的公式是：p ak 2
2 ①1 2式中：x 是长轴上的点的坐标，由中点为 0，至 x=a，其应力变化情况是： 当 x=0 时， 0.1 p ak 2 21 2pa pdi pa
k 如 k=2，则
（在椭圆中心）
2 2当 x=a 时， a.1p ak2
21 2pa pdi
（在与圆筒交接处） 2 420经向应力在封头受内压时均产生拉应力，并且由封头的边缘至中心，应力增大一倍。 内压下椭圆封头的周向（环向应力）σ 2 ：经推导，计算环向应力σ 2 的公式是：2 ak p2 x2 1 k 2 p1 2
a2k 2 - - - - - -②
k x=0（在椭圆中心） 0.2 ak 1 2 2 pdi a2k 2
pdi 2当 k=2 （即标准椭圆封头）
， x=a （在与圆筒交接处） ，k=2 时，
2此压缩应力会影响封头的局部稳定。 在 x=0～x=a 的过程中，会出现σ 2=0 的情况，经推导得；x2
a 处，即 x=0.816a 处，σ 2=0 3椭圆封头内压下的环向应力，从中心到边缘，逐步由正到零，随后达到负和最大值。 7.2.3 受外压（凸面受压）的椭圆封头 凸面受压的标准椭圆封头的厚度计算，采用球体受外压的计算方法，如果封头的外直径是 do， 则采用的当量球体的外半径 ro，ro=0.90do 进行计算；其它椭圆封头，ro=k1do，k1 与 do/2ho 有关 （ho=hi+δ n，hi 是封头曲面深度） ，其关系见下表： do/2ho 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 k1 1.18 1.08 0.99 0.90 0.81 0.73 0.65 0.57 0.50 注：中间值用内插法求得。 求到当量球外半径 ro 后，按受外压球壳计算步骤计算。 7．3 碟形封头 7.3.1 受内压的碟形封头与椭圆封头一样存在边缘稳定问题，故应考虑最小有效厚度。最小有效厚 度与碟形封头形状系数 m 有关， m≤1.34 时， 当 封头有效厚度δ e≥0.15%di； m＞1.3 时， e≥0.3%di。 δ 受内压碟形封头的计算壁厚δ 按下式计算：2
0.5pctmpc ri--------------------------------③式中：ri 为碟形封头的球面部分的内半径；1 m
r 为碟形封头过渡段转角内半径。 m 值与 ri/r 的关系见下表： ri/r m 1.0 1.00 1.25 1.03 1.50 1.06 1.75 1.08 2.0 1.10212.25 1.132.50 1.152.75 1.17ri/r m ri/r m 如令 k c
m3.0 1.18 6.5 1.393.25 1.20 7.0 1.413.50 1.22 7.5 1.444.0 1.25 8.0 1.464.5 1.28 8.5 1.485.0 1.31 9.0 1.505.5 1.34 9.5 1.526.0 1.36 10.0 1.54ri pc di 则
因为 m 1 3
4 故 kc 1 3
i在封头标准 jb/t4746 中，m=kc dha 型 ri=1.0di r=0.15di kc=1.395 dhb 型 ri=1.0di r=0.1di kc=1.54 可见碟形封头的计算厚度为标准椭圆形封头计算厚度的 1.395～1.54 倍。 7.3.2 受外压碟形封头的计算 令 ro 为碟形封头的球面部分的外半径，ro=ri+δ n，并按第 6 章外压球体进行计算。 7．4 球冠形封头 要求与球冠形封头连接的圆筒厚度不得小于封头的厚度δ ；连接处两侧加强的最短长度 l 应为l
2 0.5 di ， 封头和筒体连接的焊缝应为 t 形全焊透的结构的焊缝。 加固是为避免应力集中破坏。7.4.1 受內压（凹面受压）2
diqq—系数， q-是封头厚度相对于筒体厚度的倍数。q 的大小与 ri/di 及pc/
，ri 为球冠形封头球面部分内半径，q 值可查 gb150 的图 7-57.4.2 受外压（凸面受压） 按球冠受内压公式和第 6 章外压计算方法进行计算后取大者。 7.4.3 两侧受压 1)如不能保证两侧同时作用，则按分别按下列两种情况计算后取大者。 a) 只考虑封头凹面侧受压时，封头计算厚度按 7.4.1 公式计算，q 查 gb150 图 7-6。 b) 只考虑封头凸面侧受压时，封头计算厚度按 7.4.1 公式计算，q 查 gb150 图 7-7。 但同时应能 满足受外压的厚度要求。 。 2)如能保证两侧压力同时作用，则可取两侧的压力差值进形计算，然后取大者。 a) 当压力差作用使封头凹面侧受压时，封头计算厚度按 7.4.1 公式计算，q 查 gb150 图 7-6。 b) 当压力差作用使封头凸面侧受压时，封头计算厚度按 7.4.1 公式计算，q 查 gb150 图 7-7，同时 应能满足受外压的厚度要求。 7．5 锥壳 压力容器中的锥壳，是正截锥的壳体，分无折边的锥壳和有折边的锥壳，gb150 中的锥壳限制半锥 角α ≤600，轴对称型；折边（α ＞300 ）或无折边（α ≤300 ） ，当α ＞600 时，应按平盖计算。 7.5.1 锥壳厚度 不分段计算的锥壳的计算厚度为：22c 2
dc1 ------------- （7-7） cos通常取 dc=di（取锥体大端内直径） 对于大型锥壳，可以采用分段计算。并由几段组成单一的锥体，则 dc 分别为各锥壳段的大端内 直径。 7.5.2 受内压无折边的锥体 1)受内压无折边的锥体大端与圆筒连接时， 首先根据 pc/[σ ]tφ 和α 角查 gb150 的图 7-11 确定是 否需要在连接处进行加强， a）需要加强时，则应在锥壳与圆筒之间设置加强段。锥壳加强段与圆筒加强段应有相同的计算 厚度δ r，δ r 按下式计算：r 2
pctpc diq----------------- （7-8）q 为应力增值系数，查 gb150 图 7-12，当α = 30时，q=1.15 - 1.195 并且，δ r≥δ c 即锥壳加强段厚度不得小于相连接的锥壳厚度。 加强段的长度：锥壳处为 l1
20.5圆筒加强长度 l
2 0.5dir cosb)无需加强时，锥体大端厚度，按
dc1 计算。 cos2)受内压无折边的小端与圆筒连接时，应查图 7-13 考虑是否要加强，实际上α 在 6以上，都要 求加强。 无需加强时，按c 2
pctpc dc1 计算 cos需加强时（含带折边的小端的过度段） ，按r 2
pctpc disq------------- （7-9）dis 是小端直径 mm；q 应力增值系数，查图 7-14 加强段的长度：锥壳处为 l1 dis r cos圆筒加强长度 l
dis r 7.5.3 受内压的折边锥壳 折边锥壳的过渡段转角半径，在大端 r≥0.1di，且 r≥3δ ；在小端 rs≥0.05di， 且 rs≥3δ s。 a)大端过渡段的厚度：
0.5pctpc dik----------- （7-10）23k -- 系数，查表 7-4b)与过渡段相接的锥壳厚度：
0.5pctpc dif------------ （7-11）f—系数,按下式计算，其值列于 gb150 的表 7-51 f
di 2cos取上面两式计算结果的大值。 c）锥壳小端（α ≤45）无折边和有折边，均按上述考虑，有折边过度段可按式 7-9 计算，式 中的 q 值按图 7-14 查取。当α &45时，q 值按图 7-15）查取。 7.5.4 受外压锥壳（gb150 第 7.2.5 节） 受外压锥壳采用当量长度 le 作为计算长度（见 gb150 图 7-16） ， a)无折边的锥壳的 le 为：le
b)大端折边锥壳的 le 为：le
c)小端折边锥壳的 le 为：le
c) 两端折边的锥壳的 le 为：le
rs式中:lx 是锥壳段轴向长度 mm； ds 是所考虑的锥壳段的小端外直径 mm； dl 是所考虑的锥壳段的大端外直径 mm。 r 和 rs 分别为大端和小端的过渡段转角半径。 承受外压锥壳（图 7-16）所需的有效厚度计算步骤是： ①假设锥壳的名义厚度δ nc； ②计算锥壳的有效厚度
c cos ③按第 6 章定，并以 le/dl 代替 l/do；以 dl/δ ec 代替 do/δ e . 查图进行校核计算。 7．5．5 锥壳与圆筒连接处的外压加强设计 锥壳与圆筒连接处的外压是否需要加强，如何加强，按 gb150 第 7.2.5.2 节进行计算。 7．5．6 平盖24平盖的几何形状有：圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等。 1) 圆形平盖厚度δ p 按下式计算： p
dc t kpcmm式中：dc – 平盖计算直径，与盖的连接结构有关，见 gb150 表 7-7； k – 结构特性系数，查表 7-7； 2) 非圆平盖厚度δ p 按下式计算：p
a t kzpcmma--非圆平盖的短轴长度，mm； z--非圆平盖的形状系数；z=3.4-2.4a/b，且 z≤2.5； b - 非圆平盖的长轴长度，mm。 7．5．6 若干说明 1）受内压作用锥壳与圆筒的薄膜应力的异同 两者的相同处都是它们的环向应力等于经向（轴向）应力的两倍，且沿壁厚均布。不同点是 圆筒各横截面的经向应力都是相同的， 而锥壳的环向应力和经向应力则随横截面直径的大小成线性 关系，大端最大，小端最小，与相同直径的圆筒比较，锥壳的应力为圆筒的 1/cosα 倍，其中α 为 半顶角，应小于 60 当α ≥60时，壳中的应力变为以弯曲应力为主的状态，薄膜理论不适用，应按圆平盖计算。 2）圆筒和锥盖连接处应力分布情况复杂，其一是两元件的经向应力方向不一致，使连接处产生 横向剪力，随之对锥壳母线起弯曲作用，使锥壳大端的径向产生收缩，虽可缓和大端的环向应力， 但大端的经向应力和弯曲产生的应力叠加，并且弯曲应力随α 角的增大而加大，有可能使经向总应 力超过安全控制值 3[σ ]。在小端因剪力向外，使直径扩大，因叠加而加大小端的环向应力，其值 控制在 1.1[σ ]。故本标准采用图表控制方式解决。 其二是两元件受压径向位移的不同要协调会产生较复杂的应力和应力集中。关于应力增值系数 q 的来源和相关图表的绘制依据，在“全国压力容器设计审核人资格考核培训教材”2000 年 2 月版中有解释，可见该教材第 93-95 页的“5.圆筒—锥形封头的边界效应”一节8．开孔和开孔补强 8．1 开孔的作用 ①检查孔:为检查压力容器使用过程中是否产生裂纹，变形，腐蚀等缺陷. ②安装安全附件的接口。 ③工艺性接管的接口。 ④安装，检修内件用孔。 8．2 开检查孔的要求 8．2．1 检查孔的最低数量和最小尺寸（引自《容规》： ） 内直径 di 检查孔最少 检查孔最小尺寸 mm 备注 mm 数量 人孔 手孔 300＜di≤500 手孔 2 个 ф 75 或长圆 孔 75x50 500 ＜ di ≤ 人孔 1 个，或 ф 400 或长圆 ф 100 或长圆 1000 手孔 2 个（当 孔 400x250 孔 100x80 容器无法开 380x28025人孔时） di＞1000 人孔 1 个，或 ф 400 或长圆 ф 150 或长圆 球罐人孔 手孔 2 个（当 孔 400x250 孔 150x100 最 小 容器无法开 380x280 500mm 人孔时） 8．2．2 属于下列情况之一者可不开检查孔： ①筒体的 di≤300 mm 者； ②容器上可拆件的尺寸不小于上述开孔的相应要求者； ③无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理者； ④制冷装置用的压力容器； ⑤换热器； ⑥因特殊情况不能开检查孔，但同时进行下列处理者： （1）对每条纵，环焊缝做 100%无损 检测（射线或超声）（2）设计图样上注明计算厚度，检查时应进行测厚； ； （3）相应缩短检 验周期。 8．2．3 检查孔的位置要求：开在封头上或筒体接近封头处，便于观察或清理内部的部位。 8．3 开孔的形状和尺寸限制 8．3．1 形状：应为圆形，长径/短径≤2 的椭圆形、长圆形及类似形状。 8．3．2 适用的开孔范围： 1）筒体 当 di≤1500 mm 时，开孔最大直径 d≤1/2 di,且 d≤520 当 di＞1500 mm 时，开孔最大直径 d≤1/3di,且 d≤1000 2）凸形封头或球壳，开孔最大直径 d≤1/2 di,当开孔处于封头过渡部位时，孔中心线宜垂直 封头表面。 3）锥形封头或锥壳，开孔最大直径 d≤1/3di（di 为开孔中心线处的锥体内直径） 。 开孔直径 d 是：对圆形孔， d=接管内直径+接管的 2 倍厚度附加量 c c = c1（厚度负偏差）+c2（腐蚀裕量） 8．4 补强要求 8．4．1 开孔的影响： ①开孔使截面积减少，平均应力增大； ②开孔处由于安装接管或人孔，在操作情况下，接管的受力变形的大小和方向与筒体不同，在 连接处产生综合变形进行协调，因此产生局部应力； ③在连接处还产生高的应力集中，峰值应力的数值很高。 研究开孔处的强度问题是很复杂的，我们只要按标准规定开孔范围和补强方法进行补强，对 d 级压力容器设计是可行的。注： （1）应力分类中关于一次应力、二次应力和峰值应力的概念。 一次应力是为平衡压力与其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。它分为： ① 一次总体薄膜应力，它是影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力，它会直接导致结构的破坏； ② 一次局部薄膜应力，它是影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力，会因局部过量塑性变形而导致 破坏； ③ 一次弯曲应力，它为平衡压力与其它机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。 二次应力是为满足外部约束条件或结构本身变形连续要求所须的法向应力或剪应力，它具有自限性，即局部 屈服和小量变形就可使约束条件得到满足，只要不反复加载，不会导致破坏。 峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加在一次或二次应力上的应力增量，它具有自限 性和局部性，不会引起明显的变形，可能导致疲劳裂纹或脆性破裂，必须加以控制。8．4．2 不另行补强的条件26开孔在符合下列全部条件下，可不补强： 1）设计压力 p≤2.5mpa； 2) 两相邻开孔中心的距离（对曲面间距以弧长计算）为 l，l 应不小于两孔直径之和的两倍； 即 l≥2(d1+d2)； 3）接管的公称外直径 do≤89 mm； 4）接管壁厚的最小值为： mm 接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小壁厚 3.5 4.0 5.0 6.0 注：接管的腐蚀裕量为 1 mm 8．4．3 开孔补强结构 ①壳体的开孔补强的结构有：补强圈补强和整体补强。 ②补强圈补强通常采用的材料与壳体一致，厚度与壳体厚度相同，便于备料、焊接和等面积补 强的计算。也可用厚壁管代替补强圈进行补强。 ③整体补强是通过增加壳体的厚度（如常用的分气缸） ，或用全焊透的结构型式将厚壁管或整 体补强锻件与壳体相焊。 补强件与接管壳体的焊接结构可参考附录 j（提示的附录） 《焊接结构》中的有关部分。 8．4．3 壳体开孔补强的要求 开孔补强就是补足壳体因开孔而导致抗力削弱的部分，在开孔前经计算多余的部分，可用于补 强，不足部分用开孔补强结构补足。 采用等力量补强的方法，在补强材料的许用应力与壳体比较，相等或较大的条件下，则简化为 采用等面积补强法： 需要补强的面积，是指通过开孔中心，且垂直于壳体表面的截面上所需的最小补强面积。设 a 为开孔削弱所需补强的面积，ac 是在有效的补强范内，可用作补强的截面积，则补强面积为 ae ae ≥ a - ac 8．4. 3. 1 内压容器开孔补强量的要求 1）圆筒或球壳开孔需要补强的面积 a a=dδ +2δ δ et(1-fr) ---------------------8-1 式中：δ —按受内压厚度计算公式计算出在开孔处的计算厚度 mm； d –开孔直径，对圆形孔，取 d=接管内直径+接管的 2 倍厚度附加量 c δ et –接管有效厚度， δ et=δ nt- c mm fr -- 强度削弱系数，fr=[σ ]tt/[σ ]t ，当 fr＞1 时，取 fr=1 [σ ]tt–接管在设计温度下的许用应力, [σ ]t –圆筒在设计温度下的许用应力,mpa. 2）锥壳开孔需要补强的面积按 8-1 式计算 在计算锥壳厚度δ 时，公式中的直径应为孔中心处的壳体内直径。 3）椭圆封头和碟形封头开孔需要补强的面积，也按 8-1 式计算。 在计算厚度δ 时，则与开孔的位置有关， ①位于椭圆封头中心为中心的 80%封头内之直径的范围内：2
0.5pctpc di k1--------------8-2k1 是长短轴比值决定的系数（查本资料 7.2.3 节，受外压（凸面受压）的标准椭圆封头中的表 格） 。当比值为 2 时，k1=0.90。274）孔开在碟形封头的球面部分 时，δ 按下式计算：2
0.5pctpc ri-------- ----------- 8-35）当孔开在上述范围以外时，则应按计算椭圆封头和碟形封头的厚度公式计算： 椭圆封头计算厚度：
kpc di t 2
0.5 pc mpc dc t 2
0.5 pc碟形封头计算厚度：
8．4. 3. 2 外压容器开孔补强量的要求 圆筒或球壳开孔所需的补强面积，取受内压的一半，即： a=0.5[dδ +2δ δ et(1-fr)] 式中：δ 为圆筒或球壳开孔处的计算厚度，mm 对于内压与外压相间的容器，应同时满足内压和外压的补强要求。 8．5 有效补强范围及补强面积 8．5．1 有效补强范围 既然需要补强，就有有效补强范围问题，即在哪个范围内补强才有效，才 能列入计算补偿面积。 通常用有效宽度 b、接管外伸有效长度 h1 和内伸有效长度 h2 表示； b=2d，或 b=d+2δ n+2δ nt 中选大者， ，则按管的实际外伸长度计算， h1
d nt ,若管实际外伸长度小于 h1（由壳面最高处起算） ，则按管的实际内伸长度计算 h2
d nt ，若管实际内伸长小于 h2（由内表面最高处起算） 8．5．2 补强面积 ae（见 gb150 图 8-1） ae = a1 + a2 + a3 壳体可用作补偿的截面积为 a1： a1 = (b-d)(δ e-δ )- 2δ et(δ e-δ )(1-fr) 接管可用作补偿的截面积为 a2： a2 = 2h1(δ et-dt)fr + 2h2(δ et-c2)fr a3 焊缝金属截面积（在有效范围内） 如果 ae ≥ a ，开孔可不另加补强； 如 ae ＜ a，则用加补强圈补强， 补强面积为 a4，其值 a4 ≥ a - ae 8．6 多个开孔的补强 多孔补强分两种情况：多个开孔和排孔。 1）多个开孔的补强要求： 如相邻两孔的中心距小于两孔平均直径的两倍，此时两孔之间的补强范围重叠，可采用联合补 强法，即补强面积最少等于两单孔所须补强面积之和，且两孔之间的补强面积应至少等于两孔所须 补强面积的一半； 如两个以上相邻开孔的中心距小于两孔平均直径的两倍，而至少为 1.33 倍。此时补强面积应28为须补强面积之和，且任意两孔之间的补强面积应至少等于两孔所须补强面积的一半； 两个以上相邻开孔的中心距小于两孔平均直径的两倍，且小于 1.33 倍时，则应作一其直径包 括相邻所有孔的孔作为假想孔进行补强计算，所有接管金属均不得用作补强。且假想孔的范围不得 超出开孔的规定。 2）排孔的补强要求： 开设排孔时，应对圆筒的强度进行校核，校核时，用排孔削弱系数υ 代替圆筒计算厚度公式中 的焊接接头系数φ ，排孔削弱系数υ 的数值与孔的排列方式有关，排管的排列方式有： a) 在圆筒平行于轴线的开孔 每排孔节距都相等时， 1 s1
d 。式中：s1 相邻孔间距，d 为开孔直径 s1 s 2
nd ，式中；s2 排孔间距，n 为 s2 长度内的管孔数。 s2任意一排管孔间距不相等时， 1 b)在相邻纵向上开孔时，应校核对角及环向的排孔削弱。可采用最小的当量纵向排孔削弱系数 来确定所需的厚度和最大允许工作压力。 c)在圆筒上开孔形成对角线孔带时（见 gb150 图 8-7 对角线排列例）其排孔削弱系数按图 8-8 和图 8-9 确定。 图 8-8 用于确定在两边界内的纵向和对角向排孔削弱系数υ 2 %；其中，一边界上为对角向与纵向 排孔削弱系数相等，另一边界上为对角向与环向排孔削弱系数相等。 对角向排孔削弱系数υ 2 也可用下式计算：j
0.375 0.5 js
22对角向与环向排孔削弱系数相等时，计算公式为： 1
m ，其中 m
2图 8-9 用于确定对角线孔带的当量纵向排孔削弱系数υ 3 %。该系数用于内压计算公式中调整所需 的厚度和最大允许工作压力。当量纵向排孔削弱系数υ 3 查图 8-9 上的曲线，也可按下式计算：
，式中θ 为对角线与壳体轴线的夹角，范围为 0 至 90°； 1.5
0.5 sec2 28.7 平盖中心开单个圆形孔，且孔径 d&0.5do 时，如用螺栓连接的平盖，可按法兰处理。 9 法兰连接 9．1 简介 gb150 的法兰连接设计中规定， 按下列压力容器行业标准 jb/t 选用时， 可免除 gb150 第 9 章计算： jb/t 《压力容器法兰分类与技术条件》jb/t 《甲型平焊法兰》 jb/t 《乙型平焊法兰》jb/t 《长颈对焊法兰》 jb/t 《非金属软垫片》jb/t 《缠绕式垫片》 jb/t 《金属包垫片》jb/ 《等长双头螺栓》29gb150 的第 9 章法兰连接，适用于承受流体静压力及垫片压紧力作用的螺栓法兰连接，设计计算 中包括的内容有： ①确定垫片材料、型式及尺寸； ②确定螺栓材料、规格及数量； ③确定法兰材料、密封面型式及结构尺寸； ④进行应力效核。 螺栓法兰的选材应符合 gb150 第四章的规定。 法兰连接计算中所有尺寸均未包括腐蚀裕量。 9.2 法兰连接密封原理 法兰连接渗漏的原因是连接处的内外两侧存在压力差， 客观上存在流体由高压向低压流动的可 能性，另一原因是连接的接触面存在通道（沟纹或沟槽） ，压力差和通道是法兰连接渗漏的原因， 必须在设计中解决，才能达到密封。 1）沟槽的产生及防止措施 法兰接触面不管经过多么精密的加工，总有一定的粗糙度，存在 环向沟纹或沟槽； 法兰密封面如受到刻、 碰， 还可能产生纵向沟槽。 为此， 在接触面放上软垫片 （相 对法兰的硬度而言） ，在一定压力下，将沟槽填充，在压力差方面，则在垫片上施加密封压力，从 而对介质的流出产生阻力，消除压力差，如通过接触面的压力降大于或等于内外压力差，则流体不 会从接触面中滲出。 2）法兰连接密封有加压密封和自紧（自压）密封两种，在附录 g（提示的附录） 《密封结构》 中，规定了容器圆筒几种常用密封结构的设计。 加压密封即采用强制密封，即通过拧紧螺栓，对垫片施加压力达到密封，有两种情况，即容器 使用（加压）前的预紧密封和操作时的密封。 3）预密封 预紧密封的目的，是通过一定的预压力，使垫片在单位面积的压紧力下产生变形， 将沟槽填没.消除泄漏通道，填没沟槽所需的单位面积上的压紧力，通常称比压力，用 y 表示，单 位为 mpa。比压力随垫片材料和硬度而异，总预紧力与法兰直径垫片接触面宽度和比压力有关，需 要的预紧力为： fg = 3.14dgby n 式中：fg 垫片压紧力 n dg 垫片压紧力中心圆直径 （见 gb150 图 9-1） b 垫片有效密封宽度 mm y 垫片比压力 mpa 当施加的垫片压紧力等于或大于上述 fg 时，达到预紧密封，但不能过大，以免垫片失去弹性。 4）操作密封 经预密封的连接，在操作时，由于内压力（轴向压力）的作用，密封面有分离倾 向，压紧力减少，流体外流的压力降减少，可能出现 pi＞△p+po (pi 和 po 分别为内、外侧的压力，△p 为通过垫片的压力降)时，则可能渗漏。故在操作时垫片也应 有足够的压紧力。 操作时所需要的最少压紧力为： fg=6.28dgbmpc 式中：m 为垫片系数（查 gb150 的表 9-2） pc 为计算压力， mpa。 说明：垫片有效密封宽度 b：法兰在预紧前，垫片能与法兰密封面接触的宽度，称为垫片接触宽度 n，法兰经预紧后，由于法兰环产生偏转，使部分内侧的垫片脱离接触，此时保持接触的宽度称为 基本密封宽度 bo，但在 bo 中，实际并未全部起密封作用。能起密封作用的宽度，称为有效密封宽 度，用 b 表示。当 bo≤6.4mm 时，b=bo。当 bo&6.4mm 时， b
2.53 bo30垫片系数 m 是施加在垫片单位有效密封面积上的压紧力和其内压力之比。 随垫片的硬度增 m 加而增大。 垫片比压力 y 是指预紧时单位面积上的达到密封的压紧力，随垫片材料而异，可查 gb150 的 表 9-2。 9. 3 法兰密封面的常用型式及优缺点 法兰的密封面型式较多，常用的主要型式有：平面、凹凸面和榫槽面等。 a)平面密封面 法兰密封结构简单，加工方便，缺点是密封性能差，且垫片易被挤出密封面， 故适用压力 pn ≤2.5mpa,和无毒介质的场合。 b)凹凸面密封面 两个连接法兰的密封面一凹一凸．加工较平面法兰难些，但安装时对中较容 易，且能避免垫片被挤出密封面，密封性能优于平面密封面． c) 榫槽面密封面 法兰密封面由一榫一槽匹配而成，垫片位于槽中,由于槽的阻挡，不会被挤 出， 也减低介质对垫片的冲刷和腐蚀， 安装易对中， 密封可靠， 适于易燃易爆和有毒介质的密封． 但 密封面加工和更换垫片困难． 为了安装方便，在压力容器上设置凹凸面法兰和榫槽面法兰时，在容器上部和侧面，应设置凹 面或槽面法兰；在容器下部，应设置凸面和榫面法兰，既避免密封面磨损，也便于安装和更换垫片． 9．4 法兰型式 法兰型式：法兰按其整体性程度分：松式法兰、整体法兰和任意式法兰: 9．4．1 松式法兰：法兰未能有效地与容器或接管连接成一整体，因此筒体或接管不与法兰共同 承受弯矩。强度比整体法兰差，适用于低压和异种金属的法兰连接。松式法兰有活套式，如图 9-1 的（a-1）其计算按 gb150 的表 9-7 进行；带颈的松式法兰可按整体法兰（表 9-6）计算。 9．4．2 整体式法兰：法兰、法兰颈部及容器筒体或接管三者能有效的连成一整体结构，受力性 能好，但价格高，消耗材料。计算按表 9-6 进行。 9．4．3 任意式法兰：常称焊接法兰，其型式见图 9-1 的（h）（i）（j）（k） 、 、 、 ，其受力性能和计 算方法介于两者之间。任意式法兰按整体式法兰的计算方法计算（表 9-6） ， 当δ ο ≤15mm，di/δ ο ≤300，pc≤2mpa，操作温度小于或等于 370c时，也可按活套法兰（表 9-7）计算。 9．5 法兰计算； 法兰连接按垫片在法兰接触面的布置情况分：窄面法兰和宽面法兰。 窄面法兰：垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周范围内，可按 gb150 的 9.5 节计算； 宽面法兰：垫片接触面分布在法兰螺栓孔中心圆内外两侧，可按 gb150 的 9.7 计算。 9．5．1 窄面法兰计算要点： 1）垫片 根据操作压力按表 9-2 查垫片的特性参数（my）有效密封宽度；压紧力作用中心圆直径； 垫片压紧力和垫片宽度。 2）螺栓 布置（表 9-3） ；螺栓载荷；螺栓面积；螺栓设计载荷确定。 3）法兰 法兰力矩 预紧状态；操作状态和设计力矩； 法兰应力 1）整体法兰带颈松式法兰和按整体法兰计算的任意式法兰的轴向应力、径 向应力、和环向应力；计算表见表 9-6。2）松套法兰和按松套法兰计算的任意式法兰的轴向应力、 径向应力、和环向应力；3）剪应力；4）应力校核。计算表见表 9-7 9．5．2 宽面法兰计算见 106 页，其程序与窄面法兰的程序相同。 9．5．3 外压法兰 按受内压法兰计算，但螺栓面积仅考虑预紧情况，且操作状态法兰力矩按 9-18 式计算，压力取正值。 9．6 管法兰连接 9．6．1 选用标准和型式 gb150 未规定，根据《容规》第 54 条规定，钢制管法兰、垫片、紧固件的设计应参照行业标准31hg2 的规定。 hg 为化工部门行业标准，管法兰标准包括欧洲体系和美洲体系两大部分，常用的钢法兰标准对 照为： 欧洲体系的管法兰标准 美洲体系的管法兰标准 hg20592-97《钢制管法兰型式、参数》 hg20615-97 hg20603-07《钢制管法兰技术条件》 hg2o604-97 hg20593-97《板式焊制钢制管法兰》 hg20594-97《带颈平焊钢制管法兰》 hg20616-97 hg20595-97《带颈对焊钢制管法兰》 hg20617-97 hg20601-97《钢制管法兰盖》 hg20622-97 hg20605-97《钢制管法兰焊接接头和坡口尺寸》hg20625-97 hg20606-97《钢制管法兰用非金属垫片》 hg20627-97 hb20613-97《钢制管法兰用紧固件》 hg20634-97 hb20614-97《钢制管法兰垫片紧固件选配规定》hg．6．2 管法兰标记 表达欧洲体系钢制管法兰统用标准 hg20592，表达美洲体系钢制管法兰统用标准 hg20615。钢制 管法兰标记例： 1）欧洲体系钢制管法兰；dn300mm,pn2.5mpa 20 钢制配用英制管的凸面带颈管法兰，其标记为： hg20592 法兰 so 300（a）-2.5 m 20 dn100， pn o.6mpa 配用公制管突面板式平焊管法兰，材料为 q235-b，其标记为：hg20592 法 兰 pl100-0.6 rf q235-b. 2)美洲体系钢制管法兰：钢管壁厚用号表示，压力级别只有 6 个级，对 d 级压力容器则只有三个 级，即 pn2.0mpa(150 级)、pn5.0mpa(300 级)、pn11.0mpa(600 级)。标记方法同 1） 。 3）法兰实物的材料代号标记的规定见下表： 钢 q235-a q234-b 20 20r 09mn2vr 16mn 16mnr 16mnd 16mndr 号 代 q 20 09mnd 16mn 16mnd 号 钢 0cr18ni9 00cr18ni10 1cr5mo 0cr17ni12mo2 00cr17ni12mo 号 2 代 304 304l cr5m 316 316l 号 标记打在法兰外圆周上。 9．6．3 法兰选择级别注意点 法兰级别的选择必须结合法兰使用的材料工作温度， 因其最高使用无冲击压力随温度不同而不 同， 不可只按容器的设计压力而简单的选定法兰的公称压力等级； 对盛装有毒或易燃的介质的容器， 法兰的级别通常应选高一级，且密封面的型式不应选用平面密封。 在管法兰、垫片、紧固件标准的选用方面，可见《容规》第 122 页，关于“管法兰、垫片紧固 件标准的选用”的说明。10．压力容器的制造、检验和验收 10．1 制造许可 10． 1 制造企业必须取得 1． 《中华人民共和国锅炉压容器制造许可证》 并在有效期内。 容器焊接人员应由符合 《锅 炉压力容器压力管道考试与管理规则》 （国质监锅（ 号）规定的人员担任。容器的无损检测人员应由符32合《锅炉压力容器无损检测人员资格考核规则》 （劳部发（ 号）规定的人员担任。 容器制造、检验和验收的要求除应符合 gb150 第 10 章规定外，还应符合图样的要求。 压力容器用封头的制造，检验和验收还应符合 jb/t《钢制压力容器用封头》的规定。 补强圈的要求：在 jb/t《补强圈》标准范围内的补强圈，还应符合 jb/t 的规定。 压力容器用钢焊条，还应符合 jb/t《压力容器用焊条订货技术条件》的规定。 10．1．2 《锅炉压容器制造监督管理办法》第二章第七条中将压力容器制造许可划分成下面四个级别： 级别 a：含 a1-超高压容器、高压容器；a2-第三类低、中压容器；a3-球形储罐现场组焊或球壳板制造；a4非金属压力容器；a5-医用氧舱。 级别 b：b1-无缝气瓶；b2-焊接气瓶， “注明含（或）溶解乙炔气瓶或液化石油气瓶” ；b3-特种气瓶， “注明 机动车用、缠绕、非重复充装、真空绝热低温气瓶等” ； 级别 c：c1-铁路罐车；c2-汽车罐车或长管拖车；c3-罐式集装箱； 级别 d；d1-第一类低压容器；d2-第二类低、中压容器。 制造企业具有 a 或 c 级制造许可证，才允许制造按分析设计标准设计的压容器。 10．1．3 压力容器制造许可资源基本条件 企业资格：应具独立法人资格或营业执照，取得当地政府相关部门的注册登记； 注属如下情况无许制造许可：①设计压力&10mpa，同时最大直径&150mm 且水容积&25l;②机器上非独立承压 部件壳体，③无壳体的套管式换热器、波纹板换热器、空冷式换热器、冷却排管。 企业有具备相关专业知识和一定资历的质控系统责任人员（设计工艺，材料，焊接，理化，热处理，无损检 测，压力试验，最终检验） ； 企业技术人员：占企业职工数的比列：a1 级、a2 级、c 级和 b1 级≦10%；a3 级、a4 级、a5 级、b2 和 b3 级 ≦5%。d 级无具体规定。 专业作业人员：①企业持证焊工数和合格项目数不少于；a2 级 a3 级和 c 级许可企业为 10 人和 4 项；a1 级 a5 级 b2 级 b3 级为 8 人和 3 项；d 级许可企业为 6 人 2 项。②企业应有相应的无损检测作业人员（除委托者外） ， 并应满足以下要求：a1 级应有高级责任人员 1 人（rt 或 ut、mt、pt） 级应有高级责任人员 1 人（rt 或 ut） ；c ， 有 rt 和 ut 中级人员各 2 人项；a2 级、a3 级为 rt 和 ut 中级人员各 3 人项，责任人员应具有中级资格证书； a5、b2 级和 d 级为 rt 和 ut 中级人员各 2 人项，责任人员应具有中级资格证书；b1 级为 ut 或 mt，中级人员各 2 人项，责任人员应具有中级资格证书。须要无损检测的 b3 级应符合 b1 或 b2 的要求。 制造场地和设备（加工、成形、切割、焊接、起重）和必要的工装应与制造相适应，并满足如下要求：存放 材料库房和场地应有有效的防护措施；焊材库专用，有烘干保温设备；有足够面积的射线曝光室和焊接试验室。 10．1．4 压力容器制造许可资源专项条件 专项条件不得分包，必许制造单位自备。 a 级压力容器制造许可专项条件： ①a1 级-应有满足制造超高压容器需要的机加工设备和检测设备，有中高级机工至少 2 人。制造高压容器应有 满足要求的热处理设备。 ②a2 级-卷板机卷厚能力≦30mm；吊车的起重能力≦20t。 ③a3 级-制造球板，压力机的能力≦1200t，操作人员经验丰富。 ④a4 级-制造纤维缠绕容器的应具备自控缠绕机械。 ⑤a5 级-中级（或高级）电工≦2 人，有电器检测设备。 b 级压力容器制造许可专项条