壓力容器設(shè)計(jì)的基本步驟

以穩(wěn)壓罐的設(shè)計(jì)為例，對(duì)容器設(shè)計(jì)的全過(guò)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(jì)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(jì)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(jì)依據(jù)。
有了這些參數(shù)，我們就可以開始設(shè)計(jì)。
一. 設(shè)計(jì)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(jì)壓力
c 設(shè)計(jì)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(xiàng)。一般我所圖紙上沒(méi)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(guó)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(jiǎn)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(shí)的危害性來(lái)劃分(p75)。本例穩(wěn)壓罐為低壓（<1.6MPa）且介質(zhì)無(wú)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(jí)見 p3  1-7
劃分壓力容器等級(jí)見  p3  1-9
二. 確定設(shè)計(jì)壓力
我們知道容器的最高工作壓力為1.4MPa，設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)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(jì)壓力為
            Pc=1.05x1.4
=1.47MPa。
      另：什么叫設(shè)計(jì)壓力？計(jì)算壓力？如何確定？見p11  3-1
         液化石油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中，是如何確定設(shè)計(jì)壓力的？
三. 確定設(shè)計(jì)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(jì)的容器，且在工作狀態(tài)無(wú)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(jì)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℃?！度菀?guī)》附件二（p77）提供了一些設(shè)計(jì)所需的氣象資料供參考。本例取設(shè)計(jì)溫度為200℃即可。
四. 確定幾何容積
按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后的實(shí)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(duì)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(lái)確定，實(shí)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(duì)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(duì)受壓元件的腐蝕率主要按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，受使用環(huán)境影響很大，變數(shù)很多，目前無(wú)現(xiàn)成的數(shù)據(jù)。
一般介質(zhì)無(wú)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(jì)算厚度、設(shè)計(jì)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(duì)其取值與焊縫檢測(cè)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)?。?，即焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%的無(wú)損檢測(cè)，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(yè)材料的使用有嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)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(duì)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(duì)安全性要求較高、使用Q235-B時(shí)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(yè)對(duì)其使用條件作了詳細(xì)規(guī)定：
●        規(guī)定設(shè)計(jì)壓力≤1.6MPa；
●        鋼板使用溫度0℃~350℃；
●        用于殼體時(shí)厚度不得大于20mm，且不得用于高度危害的介質(zhì)。
就本例來(lái)說(shuō)，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(guò)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(jì)壓力≤2.5MPa；
●鋼板使用溫度不得超過(guò)0℃~400℃；
●用于殼體時(shí)厚度不得大于30 mm，且不得用于高度危害的介質(zhì)。
Q235-B與Q235-C的主要區(qū)別也就是沖擊試驗(yàn)溫度不同，前者為在溫度20℃下做 V型沖擊試驗(yàn)；后者為在0℃ 時(shí)做V型沖擊試驗(yàn)
完成了技術(shù)特性表，下一步就是容器計(jì)算了。
◆ 確定容器直徑
計(jì)算時(shí)首先要確定容器直徑。除非用戶有要求，一般取長(zhǎng)徑比為２～５，很多情況下?。病尘涂梢粤?。
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(yàn)算其長(zhǎng)徑比。設(shè)定的直徑應(yīng)符合封頭的規(guī)格。
我們?cè)O(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(zhǎng)徑比為     3664/800=4.58
若加上封頭的高度，可知其長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)算出厚度為8.30mm。此厚度即為計(jì)算厚度，其名義厚度為計(jì)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(jì)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(duì)厚度不超過(guò)20mm的要求。
另外本例若選擇腐蝕裕量為1mm經(jīng)濟(jì)性會(huì)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(jì)算，除非滿足GB150第8.3節(jié)（p75）的條件，則可不必再計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)。
選擇接管時(shí)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(wú)縫鋼管，排污口選擇φ25x3.5的無(wú)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(jì)協(xié)議書中要求的，
1.        壓力等級(jí)必須高于設(shè)計(jì)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(shí)，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(duì)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(gè)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(shí)用手冊(cè)p614，選擇壓力1.6MPa級(jí)、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(shí)用手冊(cè)第599頁(yè))，
另：鍛件的級(jí)別如何確定？對(duì)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(jí)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(yàn)和驗(yàn)收，并接受國(guó)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(hào)：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(zhǎng)度不小于每條焊縫長(zhǎng)度的20%，其結(jié)果應(yīng)以符合JB4730 規(guī)定中的 Ⅲ 級(jí)為合格。
5  設(shè)備制造完畢應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為     MPa。
6  管口、支座及銘牌架方位按本圖。
7  設(shè)備檢驗(yàn)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(yàn)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(jì)算厚度為     mm，封頭計(jì)算厚度為     mm。
   建議使用年限為10年。