压力容器设计的注意事项！
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者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L的气体、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。
一、 压力容器的结构:
1.单层式；2.多层式: 安全性高，但是生产工序多，劳动生产率低；3. 绕板式：不必逐层包扎层板和焊接每层层板的焊缝；4. 型槽绕带式：型槽钢带层层啮合，可使钢带层承受容器的一部分轴向力；筒体上没有贯穿整个壁厚的环焊缝；使用安全性高；但是需要特殊轧制的型槽钢带和专用机床；5. 热套式；6. 锻焊式：成为轻水反应堆压力容器，石油工业加氢反应器和煤转化反应器的主要结构形式。
二、 压力容器设计：
根据给定的工艺设计条件，遵循现行的标准规范的规定，在确保安全的前提下，经济、正确合理地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。
1.结构设计：确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；
2.强（刚）度设计：确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；
3.密封设计：选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。
三、 压力容器的划定范围：
1.受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部件，如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等；
2.非受压元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如支座、吊耳、垫板等；
3.GB150和《容规》明确规定了压力容器的范围，是指壳体及其连为整体的受压零部件（受压元件）。
四、 压力容器焊接结构设计的基本原则：
1．尽量采用对接接头：易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。
举例：角焊缝，改用对接焊缝［图1（a）改为（b）和（c）]。
减小了力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。
图1容器接管的角接和对接
2．尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷：
未熔透：指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。
改进：选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。
3.尽量减少焊缝处的应力集中：
接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计
焊接结构时必须尽量减少应力集中。
措施：尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度δ2不大于10mm，两板厚度差超过3mm；或当薄板厚度δ2大于10mm，两板厚度差超过薄板的30%，或超过5mm时，均需按图2的要求削薄厚板边缘。
图2板厚不等时的对接接头
五、 压力容器常用焊接结构设计：
主要内容：选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。
坡口选择因素：1.尽量减少填充金属量；2.保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；3.便于施焊，改善劳动条件；
4.减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。
六、 开孔带来的问题：削弱器壁的强度、产生高的局部应力。
七、 符合下列条件之一的压力容器可不开设检查孔：
1.筒体Di≤300mm的压力容器。
2.容器上设有可以拆卸的封头、盖板或其他能够开关的盖子，而且它们的尺寸不小于规定；
3.无腐蚀或轻微腐蚀，无需作内部检查和清理的压力容器；
4.制冷装置用压力容器；
5.换热器。
如不属于上述五种情况。但由于某种特殊原因而不能开设检查孔时，应该采取以下措施：
1.对容器的全部纵向与环向焊缝作100％无损检测；
2.在设计图样上注明计算厚度、且在压力容器使用期间或检测时重点进行测厚检查；
3.相应缩短检验周期。
八、 螺栓法兰连接的密封性设计：
螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：1.保证连接处“紧密不漏”；2.法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。
实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。
密封性能：压紧面、垫片。
压力容器设计有常规设计和分析设计两种设计方法。
在压力容器规范设计（常规设计）法中，主要应用第Ⅰ强度理论，而在应力分析设计法中，主要应用第Ⅲ强度理论。
规范设计法的特点是：
①应用广泛，设计的绝大多数容器都是安全可靠的；②设计计算过程简单，容易掌握；③没有考虑各类应力对容器的危害程度，难以预测失效起源。因规范设计只计算主体应力，并以此为据，
其它局部结构均取标准或规范中的推荐结构，对容器各部位的受载条件及基产生的应力和变形不详细计算，不分析对破坏的影响，因而无法预测容器的失效起源，无法核算容器的疲劳寿命；④弹性失效准则不尽合理，没有充分利用材料的承载能力。弹性失效并不意味着承载潜力的耗尽，
不同性质的应力取统一的判据也是不合理的，实践证明，材料的型性承载能力是可以利用的；⑤较高的安全系数不仅掩盖了失效实质，也增加了材料消耗和成本。不仅如此，对压力容器来讲，增加壁厚也并非总是安全的，有时还会减小其安全性，例板越厚，性能越不均匀，存在缺陷的概率增大，并且对热应力也更加有害。
常规设计法主要适合于压力小于35MPa 的一般压力容器，且对其结构型式及尺寸有一定的限制，对于超出了规范设计法标准（GB150）的适用范围时，允许采用下列方法：①应力分析设计法（抱括有限无计算）；②验证性试验（应力测试，水压试验等）；③用可比的已投入使作的结构进行对比的经验设计。
第一，如果是圆筒容器，且容积大于500升，设计温度大于等于350摄氏度，设计压力为 负0.02Mpa至 0.1Mpa之间；
第二，如果是立式圆筒形储罐，容积为20至10000毫升，设计温度为负20至250摄氏度，设计压力为负500P至2000Pa；
第三，如果是矩形容器，压力以连通大气为设计压力，容积等不限；
第四，如果是圆筒形料仓，温度不超过100摄氏度，设计压力为负500Pa至2000Pa。
以稳压罐的设计为例，对容器设计的全过程进行讲解。
首先，我们根据用户提出的、在压力容器规范范围内双方签署的具有法律约束力的设计技术协议书，该协议书也可以经双方同意共同修改、完善，以期达到产品使用最优化。
根据稳压罐的设计技术协议，我们知道了容器的最高工作压力为1.4MPa，工作温度为200℃，工作介质为压缩空气，容积为2m3，要求使用寿命为10年。这些参数就是用户提供给我们的设计依据。
有了这些参数，我们就可以开始设计。
一. 设计的第一步
就是要完成容器的技术特性表。除换热器和塔类的容器外，一般容器的技术特性表包括
a 容器类别
b 设计压力
c 设计温度
d 介质
e 几何容积
f 腐蚀裕度
j 焊缝系数
h 主要受压元件材质等项。一般我所图纸上没有做强行要求写上主要受压元件材质
一. 确定容器类别
容器类别的划分在国家质量技术监督局所颁发的《压力容器安全技术监察规程》（以下简称容规）第一章第6条（p7）有详细的规定，主要是根据工作压力的大小(p75)、介质的危害性和容器破坏时的危害性来划分(p75)。本例稳压罐为低压（<1.6MPa）且介质无毒不易燃，则应划为第Ⅰ类容器。
另：具体压力容器划分类别见培训教材 p4 1-11
何谓易燃介质见 p2 1-6
介质的毒性程度分级见 p3 1-7
划分压力容器等级见 p3 1-9
二. 确定设计压力
我们知道容器的最高工作压力为1.4MPa，设计压力一般取值为最高工作压力的1.05～1.10倍。
至于是取1.05还是取1.10，就取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。
介质无害或装有安全阀等就可以取下限1.05，否则就取上限1.10。
本例介质为无害的压缩空气，且系统管路中有泄压装置，符合取下限的条件，则得到设计压力为
Pc=1.05x1.4
=1.47MPa。
另：什么叫设计压力？计算压力？如何确定？见p11 3-1
液化石油气储罐设计中，是如何确定设计压力的？
三. 确定设计温度
一般是在用户提供的工作温度的基础上，再考虑容器环境温度而得。
比如为华北油田设计的容器，且在工作状态无保温的情况下，其工作温度为30℃，其冬季环境温度最低可到－20℃，则设计温度就应该按容器可能达到的最恶劣的温度确定为－20℃。《容规》附件二（p77）提供了一些设计所需的气象资料供参考。本例取设计温度为200℃即可。
四. 确定几何容积
按结构设计完成后的实际容积填写即可。
五. 确定腐蚀裕量
由所选定受压元件的材质、工作介质对受压元件的腐蚀率、容器使用环境和用户期待的使用寿命来确定，实际上应先选定受压元件的材质，再确定腐蚀裕量。
《容规》第三章表3-3（p23）和GB150第3.5.5.2节（p5）对一些常见介质的腐蚀裕量进行了一些规定。工作介质对受压元件的腐蚀率主要按实测数据和经验来确定，受使用环境影响很大，变数很多，目前无现成的数据。
一般介质无腐蚀的容器，其腐蚀裕量取1～2mm即可满足使用寿命的要求。本例取腐蚀裕量为2mm。
另：什么叫计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度？何谓最小厚度？如何确定？见p12 3-5 3-6
六. 确定焊缝系数
焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系数，GB150的3.7节（p6）对其取值与焊缝检测百分比进行了规定。
具体取值，可以按《容规》第85条（p43）所规定的10种情况选择：
其焊缝系数取1，即焊接接头应进行100%的无损检测，其他情况一般选焊缝系数为0.85。
本例选焊缝系数为0.85。
七. 主要受压元件材质的确定
材质的确定在满足安全和使用条件的前提下，还要考虑工艺性和经济性。
GB150第8页材料的使用有严格的规定，对这些规定的掌握是非常必要的。比较常用的材料有Q235-B（Q235-C）16MnR和0Cr18Ni9这几种材料
1.0Cr18Ni9一般用于低于－20℃的低温容器和
对介质有洁净要求的容器，如低温分离器、氟利昂蒸发器等；
2.16MnR一般用于对安全性要求较高、使用Q235-B时壁厚较大的容器，如油、天然气等。
3.Q235-B使用最广也最经济，GB150第9页对其使用条件作了详细规定：
●规定设计压力≤1.6MPa；
●钢板使用温度0℃~350℃；
●用于壳体时厚度不得大于20mm，且不得用于高度危害的介质。
就本例来说，其使用压力、温度和介质都符合Q235-B的条件，唯有厚度还未知，若超过了20mm则只能使用16MnR，本例就暂定使用Q235-B。
当然啦，如果我们按以下：
●规定设计压力≤2.5MPa；
●钢板使用温度不得超过0℃~400℃；
●用于壳体时厚度不得大于30 mm，且不得用于高度危害的介质。
Q235-B与Q235-C的主要区别也就是冲击试验温度不同，前者为在温度20℃下做 V型冲击试验；后者为在0℃ 时做V型冲击试验
完成了技术特性表，下一步就是容器计算了。
◆ 确定容器直径
计算时首先要确定容器直径。除非用户有要求，一般取长径比为2～5，很多情况下取2～3就可以了。
本例要求容器的几何容积为2m3 。
我们只得先设定直径，再根据此直径和容积求出筒体高度，验算其长径比。设定的直径应符合封头的规格。
我们设定为800mm，查标准JB/T4746《钢制压力容器用封头》附录B，得知此规格的封头容积为0.0796 m3，
则：
筒体高度为 3664mm，
长径比为 3664/800=4.58
若加上封头的高度，可知其长径比太大，我们先前设定的直径太小。
再设定直径为1000mm，查得封头容积为0.1505立方。
得到：
筒体高度为 2164mm
长径比为 2164/1000=2.16
比较理想，则我们确定本例稳压罐的内直径为1000mm，筒体高度圆整为2200mm。
有了容器直径，即可按照GB150公式5-1（p26）计算出厚度为8.30mm。此厚度即为计算厚度，其名义厚度为计算厚度与腐蚀裕量之和，再向上圆整到钢板的商品厚度。本例腐蚀裕量为2mm，与计算厚度之和为10.30mm，与之最接近的钢板商品厚度为12mm，故确定容器厚度为12mm，并且此值符合Q235-B对厚度不超过20mm的要求。
另外本例若选择腐蚀裕量为1mm经济性会好得多，可以思考一下为什么
至此，我们已得到容器外形。
◆ 下一步该是按用户要求和《容规》的规定配置各管口的法兰和接管。
容器上开孔要符合GB150第8.2节（p75）的规定，一般都要进行补强计算，除非满足GB150第8.3节（p75）的条件，则可不必再计算补强。
选择接管时应尽量满足GB150第8.3节的条件，其安全性和经济性都最好，避免增加补强圈。
本例要求的管口直径都在GB150第8.3节的范围内，因此进气口和出气口接管选择φ57x5的无缝钢管，排污口选择φ25x3.5的无缝钢管。法兰按HG20592选择1.6MPa的突面(RF)板式平焊法兰(PL)。
◆ 法兰及其密封面型式
法兰及其密封面型式是设计协议书中要求的，
1.压力等级必须高于设计压力；
2.其材质一般与筒体相同；
3.确定管口在壳体上的位置时，在空间较为紧张的情况下，一般也应保持焊缝与焊缝间的距离不小于50mm，以避免焊接热影响区的相互叠加。
本例选定进气口、出气口距上下封头环焊缝各300mm。因本例稳压罐工作温度为200℃，故其工作状态下必定有保温层，考虑到保温层厚度以及螺栓安装的需要，选定法兰密封面到筒体表面的距离为150。
◆ 检查孔
除了用户要求的管口外，《容规》第45条（p26）还对检查孔的设置进行了规定。
本例直径为1000mm，按规定必须开设一个人孔。查《回转盖平焊法兰人孔》标准JB580-79 压力容器与化工设备实用手册p614，选择压力1.6MPa级、公称直径450的人孔，密封型式为A型，其接管为φ480x10。因人孔开孔较大，所以人孔一定要使用补强圈补强，查《补强圈》标准JB/T4736，补强圈外径为760，厚度一般等同于筒体。人孔的位置以方便出入人孔为原则，应尽量靠近下封头。本例选定人孔中心距下封头环焊缝500。
立式容器的支座一般选用支承式支座JB/T4724(压力容器与化工设备实用手册第599页)，
另：锻件的级别如何确定？对于公称厚度大于300mm的碳素钢和低合金钢锻件应选用何级别？
◆ 管口表的填写
◆技术要求的书写
1 本设备按 GB150-1998《钢制制压力容器》进行制造、试验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》的监督。
2 焊接采用电弧焊，焊条牌号：焊接采用J422。
3 焊接接头型式和尺寸除图中注明外，按HG20583的规定进行施焊：A 类和 B 类焊接接头型式为DU3； 接管与筒体、封头的焊接接头型式见接管表；未注角焊缝的焊角尺寸为较薄件的厚度；法兰的焊接按相应法兰标准的规定。
4 容器上的 A 类和 B 类焊接接头应进行射线探伤检查，探伤长度不小于每条焊缝长度的20%，其结果应以符合JB4730 规定中的 Ⅲ 级为合格。
5 设备制造完毕应进行水压试验，试验压力为 MPa。
6 管口、支座及铭牌架方位按本图。
7 设备检验合格后，外表面涂 C06-1 铁红醇酸底漆两道，再涂 C04-42 灰色醇酸磁漆一道。
8 设备检验合格后，内部清理干净，各管口用盲板封严。
10 设备筒体的计算厚度为 mm，封头计算厚度为 mm。
建议使用年限为10年。
序号 类别 品种1第一类压力容器第一类低压容器2
第二类压力容器
第二类低压容器3第二类中压容器4液化石油气钢瓶5
第三类压力容器
第三类低压容器6第三类中压容器7液压气体槽车8有缝气瓶9无缝气瓶10高压容器11超高压容器12特种材料容器
第三条 压力容器设计单位实行分级管理：
（一）从事第一、二类压力容器设计单位由各省、自治区、直辖市机械电子工业厅（局）负责审批、管理。
（二）从事第三类并同时从事第一、二类压力容器设计单位以及部属设计院、科研院所、公司等压力容器设计单位，由机械电子工业部负责审批、管理。第二章 申请条件第四条 凡申请压力容器设计资格的单位，必须具备如下条件：
（一）具有法人资格。
（二）具有与所设计的压力容器类别、品种范围相适应的技术力量。对第一、二类或单一品种压力容器设计单位，各类设计人员总数不得少于5人，其中审核人员不少于1人；对第三类或同时又设计第一、二类压力容器设计单位，各类设计人员总数不得少于9人，其中审核人员不少于2人。
（三）必要的设计装备和设计手段。
（四）健全的质量保证体系和设计工作管理制度。
（五）有一定的设计经验和三年以上的设计业绩。第五条 从事压力容器设计的各级人员必须具备以下基本条件：
（一）压力容器设计技术负责人及批准人员
1．从事本专业工作且具有较全面专业知识和设计经验的高级工程师或工程师。
2．熟悉有关标准、规范和规程，能组织、指导各级设计人员正确贯彻执行。
3．对重大设计方案、关键技术问题能作出正确的决断。
（二）审核人员
1．从事本专业工作且具有较全而专业知识的高级工程师或工程师。
2．熟悉有关标准、规范和规程，能指导设计人员工作。
3．具有较丰富的设计经验，第一、二类压力容器设计审核人员应具有五年以上设计经历；第三类压力容器设计审核人员应具有十年以上设计经历。
4．持有《压力容器设计审核人员资格证书》。
（三）校对人员
1．具有压力容器设计专业知识的高级工程师、工程师、助理工程师。
2．熟悉有关标准、规范和规程，并能正确执行。
3．具有一定的设计经验，经考核合格。
（四）设计人员
1．掌握压力容器设计专业知识的高级工程师、工程师、助理工程师或技术员。
2．能正确贯彻执行有关标准、规范和规程，经考核合格。第六条 压力容器设计单位必须建立必要的设计工作管理制度，至少应包括：
（一）各级设计人员考核制度。
（二）设计技术责任制度。
（三）设计文件审批、更改签署制度。
（四）设计文件、图样管理制度。
（五）标准化工作管理制度。
（六）设计工作程序。
（七）设计质量信息反馈与处理制度。第七条 凡属于下列情况的，不能接受其压力容器设计资格申请：
（一）学会、协会、研究会等群众团体。
（二）咨询公司、联营公司等非实体联合组织。
（三）各类监督、检验和检测单位。
（四）个体经营者。第三章 申请程序第八条 压力容器设计单位，按规定条件与要求在自检合格后，向批准机关报送《压力容器设计资格申请报告》（以下简称《申请报告》）。
申请第一、二类压力容器设计资格的单位，向省、自治区、直辖市机械电子工业厅（局）提出，经受理后报送机械电子工业部并同时抄送同级劳动部门。
申请第三类和同时含第一、二类压力容器的设计单位以及部属设计院、科研院所、公司等压力容器的设计单位向机械电子工业部提出，经受理后抄送劳动部、有关省、自治区、直辖市机械电子工业厅（局）和劳动厅（局）。
(1)基本划分：压力容器类别的划分应当根据介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力p(单位MPa)和容积V(单位L)，标出坐标点，确定压力容器类别。
(2)多腔压力容器类别划分：多腔压力容器(如换热器的管程和壳程、夹套容器等)按照类别高的压力腔作为该容器的类别并且按照该类别进行使用管理。但是应当按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。对各压力腔进行类别划定时，设计压力取本压力腔的设计压力，容积取本压力腔的几何容积。
(3)同腔多种介质压力容器类别划分：一个压力腔内有多种介质时，按照组别高的介质划分类别。
(4)介质含量极小的压力容器类别划分：当某一危害性物质在介质中含量极小时，应当根据其危害程度及其含量综合考虑，按照压力容器设计单位决定的介质组别划分类别。
(5)特殊情况的类别划分。
二、压力等级划分：压力容器的设计压力(p)划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级：(1)低压(代号L)，0.1MPa≤p＜1.6MPa；(2)中压(代号M),1.61MPa≤p＜10.0MPa；(3)高压(代号H),10.0MPa≤p＜100.0；(4)超高压(代号U),p≥100.0MPa。
三、压力容器品种划分
压力容器按照在生产工艺过程中的作用原理，划分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。具体划分如下：(1)反应压力容器(代号R)，主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，例如各种反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、变换炉、煤气发生炉等；(2)换热压力容器(代号E)，主要是用于完成介质的热量交换的压力容器，例如各种热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器等；(3)分离压力容器(代号S)，主要是用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器，例如各种分离器、过滤器、集油器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等；(4)储存压力容器(代号C，其中球罐代号B)，主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，例如各种形式的储罐、缓冲罐、消毒锅、印染机、烘缸、蒸锅等。在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应当按照工艺过程中的主要作用来划分品种。
