压力容器设计应掌握的基本知识

压力容器设计应掌握的基本知识一.压力容器设计必须遵循的法规和规程;1.《锅炉压力容器安全监察暂行条例》.2.《锅炉压力容器安全监察暂行条例》.实施细则.3.《压力容器安全技术监察规程》.4.《压力容器设计单位资格管理与监督规则》.5.《液化石油气槽车安全管理规定》.6.《液化气体铁路槽车安全管理规定》二.如何划分压力容器的压力等级（P为设计压力）1.低压（代号L）0.1MPa≤P＜1.6MPa2.中压（代号M）1.6MPa≤P＜1.0MPa3.高压（代号H）10MPa≤P＜100MPa4.超高压（代号U）P≥100MPa三.压力容器的品种主要划分为哪几种﹖按容器在生产工艺过程中的作用原理分为反应容器，换热压力容器，分离压力容器，储存压力容器。1.反应压力容器（代号R）；要用于完成介质的物理，化学反应的压力容器，如反应器，反应釜，分解锅，合成塔等。2.换热压力容器（代号E）；要用于完成介质热量交换的压力容器，如管壳式余热锅炉，热交换器，冷却器等。3.分离压力容器（代号S）；要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的压力容器，如分离器，过滤器，集油器，缓冲器，洗涤器，分汽缸等。4.储存压力容器（代号C其中球罐代B）；主要用于盛装生产用的原料气体，液体，液化气体等的压力容器，如各种类型的球罐。四.何划分压力容器的类别；为有利于安全技术监督和管理，将容规适用范围内的压力容器划分为三类；1.低压容器，第一类压力容器；2.中压容器，第二类压力容器；3.高压容器，第三类压力容器；五.《压力容器安全技术监察规程》的适用范围；（同时具备以下条件）1.最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力)的容器；2.内直径（非园形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m,且容积(V)大于等于0.025m3的容器。3.盛装介质为气体，液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体的容器六.钢种定义；1.碳钢：含锰量≤12％，含碳量≤2％且无有意添加其他合金元素的铁碳合金（可为脱氧目的而加入Si,Al等元素）如10，20，35，45,Q235等。2.低合结构金钢：以提高钢材强度为主要目的，合金总含量在3％以下的合金钢。如16MnR,18MnMoN.3.低合金耐热钢：以改善钢材耐热及抗氢性能为主要目的，加入铬（≤10％）,钼等合金元素的低碳铁素体（珠光体），如16Mo,15CrMo,1Cr5Mo.4.低合金钢：低合金结构钢和低合金耐热钢的总称。5.不锈钢：公称含Cr量≥13％,在大气中不锈的合金钢，根据钢在常温中的金属组织，又可分为铁素体不锈钢，奥氏体不锈钢（导磁），双相不锈钢，马氏体不锈钢。6.奥氏体不锈钢；常温下金相组织大部分为奥氏体的不锈钢。如0Cr18Ni9,0Cr18Ni12Mo2Ti。7.铁素体不锈钢；常温下金相组织为铁素体的不锈钢。如0Cr13,1Cr17,1Cr28,1Cr17Ti,1Cr17Mo2Ti。8.马氏体不锈钢；常温下金相组织为马氏体的不锈钢。如1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13。9.双相不锈钢（奥氏体－铁素体不锈钢）；常温下金相组织为奥氏体和铁素体各占50％的不锈钢。如00Cr23Ni4N,00Cr25Ni5Ti。10.沉淀硬化不锈钢；含有沉淀硬化元素（Cu,Al,Ti,Nb）的铁铬镍合金。如0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)。11.低碳，超低碳奥氏体不锈钢；奥氏体不锈钢按含碳量多少又分为低碳和超低碳两种，含碳量较高的钢号如1Cr18Ni9(含C≤0.15％);含碳量较低的钢号如0Cr19Ni9(含C≤0.08％);含碳量最低的钢号如00Cr19Ni11(含C≤0.03％),通常将含C≤0.08％的奥氏体不锈钢称为低碳不锈钢；将含C≤0.03％的奥氏体不锈钢称为超低碳不锈钢。奥氏体不锈钢含碳量越低，耐晶间腐蚀性能越好。七.材料选用的一般要求；1.选材原则；压力容器用钢材在选用时必须考虑设备的设计压力，设计温度，介质特性，材料的焊接性能，冷热加工性能，热处理性能以及容器的结构，此外还需要考虑经济合理性，一般来讲按以下原则进行选材；（1）所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢和低合金钢之间应尽量采用碳素钢钢板（多层容器用材除外），一般在以强度控制的情况下当壳体壁厚超过8mm时，应优先选用低合金钢。（2）低合金钢用于介质腐蚀性不强，壁厚较大（≥8mm）的承压容器。（3）当设计压力较小，直径较大，以刚度或结构设计为主的场合应尽量选用普通碳素钢，在以强度设计为主的场合，应根据压力，温度，介质等使用限制依次选用Q235－B,20R,16MnR等钢板。（4）所需不锈钢厚度大于12mm时，应尽量采用衬里，复合，堆焊等结构形式。（5）不锈钢应尽量不用作设计温度≤500℃的耐热钢。（6）不锈钢用于介质腐蚀性较强（电化学腐蚀，化学腐蚀）防铁离子污染或设计温度＞500℃或设计温度小于－100℃（最低为－196℃）的耐热钢或低温钢。（7）含稳定性元素如Ti,N,Nb且含碳量大于0.03﹪的奥氏体不锈钢需经焊接或400℃以上热加工时，不应使用于可能引起晶间腐蚀的场合。（8）珠光体耐热钢（CrMo钢）应尽量不用作设计温度≤350℃的场合，珠光体耐热钢一般用作抗高温，抗氢，抗硫化氢腐蚀或设计温度为350℃～650℃的压力容器用耐热钢。（9）碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压，低压容器，壁厚不大的中压容器，锻件，承压钢管，非受压元件以及其他由刚性或结构因素决定壁厚的场合。2.材料使用限制；（1）Q235-B,设计压力P≤1.6MPa,钢板使用温度0～350℃；用于容器壳体时，钢板厚度≯20mm；不得用于毒性为高度或极度危害的介质。（2）Q235-C,设计压力≤2.5MPa,钢板使用温度0～350℃,用于容器壳体时，钢板厚度≯32mm.（3）碳素钢和碳锰钢（16MnR）在高于425℃下常期使用时，应考虑钢中碳化物相石墨化倾向，其结果会使材料的强度及塑性均下降，冲击值下降尤其严重，钢材明显变脆。（4）压力容器用碳素钢和低合金钢(20R,16MnR)制作壳体厚度大于30mm,制作法兰，平盖厚度大于50mm以及厚度大于16mm的15MmVR都应在正火状态下使用。（5）奥氏体钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04％，这是因为奥氏体钢在使用温度高于500～550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降，因此，一般规定超低碳（C≤0.03％）奥氏体不锈钢的使用范围；18－9型材料用到400℃左右，18－12－2型材料用到450℃左右，使用温度超过650℃时，国外对于304，316型材一般要求用H级，即含碳量要稍高一些，主要也是考虑耐蚀（6）设计压力压力＞1.0MPa,壳体钢板厚度＜6mm时选材应注意，如果选容器钢板（16MnR,20R）是错误的，因为容器钢板标准中根本没有6mm以下的钢板，当钢板厚度＜6mm,但又必须采用容器级的低碳钢，低合金高强度钢钢板时，应选用按GB6653(焊接气瓶钢板)生产的HP245,HP345钢板。（7）下列的碳素钢和低合金钢板应在正火状态下使用；z用于壳体厚度大于30mm的20R和16MnR.z用于作法兰，管板，平盖等受压元件，厚度大于50mm的20R和16MnR.z厚度大于16mm的15MnVR.z0Cr18Ni10Ti应在固溶，稳定化状态下使用。z0Cr18Ni9,0Cr17Ni12Mo2,0Cr18Ni12Mo2Ti,0Cr19Ni13Mo3,00Cr19Ni10,00Cr17Ni14Mo2,00Cr19Ni13Mo3,00Cr18Ni5Mo3Si2应在固溶状态下使用。（8）用作压力容器的钢管使用条件；z设计压力≥10MPa的容器的接管应使用以下标准的钢管；GB6479(化肥设备用高压无缝钢管)GB5310(高压锅炉用无缝钢管)GB13296(锅炉，热交换器用不锈钢无缝钢管)GB/T14976(流体输送用不锈钢无缝钢管)z设计压力只能用在10MPa以下的无缝管如下；GB8163(输送流体用无缝钢管)GB9948(石油裂化用无缝钢管)GB3087（低中压用锅炉用无缝钢管）（9）锻件级别的选用；压力容器锻件选用要考虑截面尺寸和使用条件两个因素，一般规定如下；z锻件级别按JB755（压力容器锻件技术条件）的规定选用，并在图样或相应技术文件中注明。z对于截面尺寸大于300mm的碳素钢和低合金钢锻件应选用Ⅲ级或Ⅳ级。z设计压力＜10.0MPa的法兰以及几何尺寸类似的锻件应符合Ⅱ级或Ⅱ级以上的要求。z设计压力≥1.6MPa的锻件应符合Ⅱ级或Ⅱ级以上要求。z设计压力≥10.0MPa的锻件当公称直径≤200mm且重量小于500㎏者，应符合Ⅱ级或Ⅱ级以上要求；公称直径＞200mm或重量＞500㎏者，应符合Ⅲ级或Ⅲ级以上要求；公称直径＞500mm且重量＞500㎏者，应符合Ⅳ级要求。z使用介质的毒性为极度或高度危害的锻件以及截面尺寸＞300mm的锻件应符合Ⅲ级或Ⅲ级以上要求。一般来说；¾Ⅰ级锻件适用于一般用途的（无毒，非易燃介质）低压容器(且锻件重量≤500㎏)和非受压元件。¾Ⅱ级锻件适用于一般用途的中压容器（且Dg≤200mm者）和要求较高的低压容器。¾Ⅲ级锻件适用于要求较高或尺寸较大的中压容器和Dg≤500mm或锻件毛重≤500Kg的高压容器。¾Ⅳ级锻件适用于Dg＜500mm或锻件毛重＞500Kg的高压容器。（10）使用锻件作受压元件时应注意以下问题；¾规定锻件的级别。如16Mn的Ⅱ级锻件，标注为16MnⅡ.¾当锻件为不锈钢材质，并有晶间腐蚀倾向时，应按GB4334.1～GB4334.9(不锈钢晶间腐蚀试验方法)中的某一种方法进行晶间腐蚀倾向性试验。¾当锻件为碳钢或低合金钢材质时，且受压容器锻件设计温度≤－20℃时，应提出进行低温冲击试验的冲击试验温度和冲击功值的要求。3.焊接材料的选用；（1）不同强度级别的低碳钢，低合金高强度钢之间的异种钢焊接一般要求焊接接头的强度应不低于强度较低一侧母材标准规定的抗拉强度下限值，而接头的塑性，韧性应不低于强度较高而塑性，韧性较差一侧的母材。（2）奥氏体不锈钢的焊接材料选用应保证熔敷金属的Cr,Ni,Mo或Cu等主要合金元素的含量不低于母材标准规定的下限值。奥氏体不锈钢之间的异种钢焊接用焊条母材00Cr19Ni10(304L)0Cr23Ni13(309S)0Cr25Ni20(310S)0Cr17Ni12Mo2(316)00Cr17Ni14Mo2((316L)0Cr19Ni13Mo3(317)0Cr18Ni10Ti(321)0Cr18Ni9(304)A002A102A302A102A302A402A102A202A102A202A102A202A242A10200Cr19Ni10(304L)A102A302A102A302A402A102A202A002A022A102A202A242A002A1320Cr23Ni13(309S)A302A402A302A202A302A022A302A202A302A1320Cr25Ni20(310S)A202A202A242A102A4020Cr17Ni12Mo2(316)A202A202A242A102A20200Cr17Ni14Mo(316L)A242A0220Cr19Ni13Mo(317)A242（3）对于有防止晶间腐蚀要求的焊接接头，应采用熔敷金属中含有稳定性元素Nb,Ti,或保证熔敷金属含C≤0.04％的焊接材料。（4）铁素体钢与奥氏体不锈钢之间的异种钢焊接一般应选用A302，A307,A312焊条或H1Cr24Ni13焊丝，但当使用温度高于450～550℃，且焊接接头承受较高应力水平时，应选用高镍奥氏体焊条，如A502,A507,A607,当使用温度高于550℃且接头承受较高应力水平时，应选用镍基焊接材料。4.几种常见的不锈钢腐蚀类型；（1）晶间腐蚀；晶间腐蚀是指沿金属晶粒间界进行腐蚀的形式。腐蚀特点是金属的外形尺寸几乎不变，大多数仍保持金属光泽，但金属的强度和延性下降，冷弯后表面出现裂缝，失去金属声音，奥氏体不锈钢在敏化温度