高压容器相关要求

由于高压容器设计延伸内容较多，本文只提纲挈领，简单梳理下高压容器设计的各项内容，便于大家答辩时做心中有数。

（一）设计的力学基础

简单提几个基本力学概念。

1.  剪应力、扭矩、弯矩

2.  简支梁、悬臂梁、固支梁

卧式容器、塔器、换热器管板、膨胀节、平盖等

3.  弹性模量、泊松比

4.  四个强度理论及失效准则

5.  一次应力、二次应力、峰值应力

（二）高压容器的设计

一、高压容器结构特点

1）结构细长

2）采用平盖或球形封头

3）密封结构特殊多样

强制密封、自紧密封、半自紧密封、焊接密封

4）高压筒身限制开孔

二、高压容器的材料

1）强度与韧性

2）制造工艺性能

3）耐腐蚀及耐高温性能

三、高压容器筒体的结构

1）整体锻造式

2）单层式

单层卷焊、单层瓦片、无缝钢管

3) 绕带式

浙大郑津洋老师团队研发

4）多层式

多层筒节包扎、多层整体包扎、热套、绕板

尽管这些年南化机在九大设计院里面排名已经没落了，没有自己特色的项目。但是中国第一台层板包扎式高压容器1956年由南化机试制成功，

多层筒节包扎优点：

1.薄板和中厚板性能好，且原材料供应方便

2.层板不需要做热处理

3.制造不需要大型加工设备

4.没有深纵焊缝，改善了筒体应力分布

5.较单层安全，薄板韧性好，爆破时无碎片。

6.内筒与层板不同的材料，可以适合介质的需要

7.卷板时预应力，有利于筒体的内外壁应力分布均匀

四、厚壁圆筒的弹性应力分析

区分薄壁圆筒：径向应力、温差应力

设计基础：首先分析内压圆筒产生的弹性应力，然后分析温差应力。

五、高压筒体的失效及强度设计准则

常规设计失效模式：塑形变形、爆破失效

强度失效设计准则：弹性失效准则、塑性失效准则、爆破失效准则

四个强度理论这里就不提了。

六、高压密封结构

1）一般采用金属垫圈

退火铝、紫铜、10#

2）采用窄面密封或线密封

3）尽可能利用介质达到自紧密封

七、高压主要零部件设计

1.1 高压螺栓设计

1）双头细牙螺栓

2）螺纹加工精度高

3）螺母与垫圈采用球面接触

4）选用高强度材料

1.2  高压平盖设计

1）弹性薄圆平板小挠度理论

平垫密封、双锥密封

2）工程简化法：受弯曲载荷的悬臂梁

卡箍连接、卡扎里密封、楔形垫

1.3 高压筒体端部设计

1）端部法兰的弯曲强度校核

2）无主螺栓的筒体端部弯曲强度校核

八、高压容器开孔补强

接管补强、筒体补强、密集补强

（三）高压容器的应用

先简单说一下自己曾经犯过的错误。多年前第一次来南京，上班第一天领导分配给我三台高压换热器强度核算（工作压力都23MPa）。按照GB150.1中1.5规定，P×DN超限了。正版SW6软件不能计算，只能用盗版的。由于条件图模糊不清，只能连蒙带猜，再加上当时对伯明翰线规不是太了解，误把线规号码BWG12当成壁厚1.2,换热器用SW6计算结果都合格。在后期设计的时候，生成word时才发现换热管外压计算不合格。吃一堑长一智，之后对于换热器设计，中高压的换热器我都会引起警觉，换热管外压是否合格，一定要生成计算书检查换热管的外压计算。

一、按照GB150或JB/T4732设计的高压容器

 1.圆筒与封头的连接(GB150.3附录D.2.2)

前段时间还有个朋友问我高压容器为什么不用标准的整个球形封头。

2. 开孔补强

2.1安放式接管(GB150.3附录D.3.3)

采用此结构是壳体开孔处的钢板截面上应无分层现象。GB150中有4种安放式结构，但高压容器一般用的比较多的结构就是以下2种。

2.2 嵌入式接管(GB150.3附录D.3.2)

嵌入式接管一般用于封头中心部位的接管与封头或其他特殊部件的连接。可以采用SW6 整锻件补强计算。

3. 高压螺栓的设计要求

3.1 35CrMoA、30CrMoA材质的螺柱的技术要求:

1.材料的化学成分和热处理后的机械性能应符合GB150的规定。

2.热处理后每个螺柱、螺母须经硬度检查，螺柱硬度=241~286HB，螺母硬度=187~229HB。

3.螺柱粗加工后须进行超声检测,按NB/T47013.3-2015UT-I级为合格。

4.螺柱、螺母精加工后螺纹进行磁粉检测,按NB/T47013.4-2015MT-I级为合格。表面不允许有碰伤、毛刺等缺陷存在。

5.螺纹基本尺寸按GB/T196-2003规定;螺纹公差按GB/T197-2003中规定的，螺柱5h-L, 螺母6H-L,螺纹牙底倒圆。

6.螺柱、螺母的其他尺寸公差按GB/T3103.1中的A级。

7.螺柱、螺母表面须经磷化处理。

8.外露螺柱需要设置保护罩保护。

9.压力试验合格后螺栓再次进行磁粉检测。

另附高压螺栓、螺母、垫圈及液压上紧装置标准。

4. 无损检测

  纵、环焊缝采用100%TOFD +100% MT检测C、D、E类接头MT检测，技术等级荧光磁粉检测。科普下荧光和非荧光法。荧光法：采用荧光磁粉，在黑光灯下观察磁痕。

非荧光法：用普通黑色磁粉或者红色磁粉，在正常光照条件下观察磁痕。 

5. 热处理

 筒体变形率超标，碳钢、合金钢材料需要做恢复材料性能热处理。

附GB150对高压容器的一些规定。

1、δ≥12mm 的碳素钢和低合金钢板（不包括多层压力容器的层板）用于制造压力容器壳体时，应逐张进行超声检测，合格等级不低于Ⅱ级。

2、壳体用钢板厚度≥12mm时，应逐张进行超声检测，Ⅱ级合格。

3、设计压力≥4.0MPa时，不得采用GB/T 8163 的10、20和Q345D钢管。

4、设计压力≥1.6MPa时，受压元件不得采用Q235 系列钢板。

5、若采用安放式接管，则壳体开孔处的钢板截面上应无分层现象：

(1)开孔处壳体钢板进行超声检测，Ⅱ 级合格。

(2)镗孔后壳体钢板截面应进行磁粉或渗透检测，Ⅰ级合格。

二、按照ASMEⅧ-1或Ⅷ-2卷设计的高压容器

直接拿我曾经设计的一台设备举例说明吧。该设备设计压力21 MPa/FV,设计温度570℃；筒体φ810×95,材料 SA-335P91;封头材料SA-387 Gr.91 CL.2；接管、法兰材料SA-182 F91。

1.根据UCS-56判断设备需要热处理，按UW-10整体热处理，封头成型后进行热处理。

2.根据UCS-66判断设备需要冲击，按UG-84进行冲击。

3.管道受高温影响，产生的热膨胀对设备进出口管口的热位移计算。

4.筒体采用钢管制造，在软件计算时候考虑钢管的负偏差，负偏差达到12.5%，这个值很大。

5. 部分外伸接管是锻管，无法兰连接。很多设计人员会按照ASME B16.5的焊接端坡口尺寸设计法兰对接结构，这个方法是错误的。由于外伸接管后期要和管道连接，因此锻管结构设计要符合ASME B16.25 《管端对接尺寸》。

This  Standard applies to any  metallicmaterials  for which a  welding  procedure can be  satisfactorily qualified  but does  not  prescribespecific welding processes orprocedures. Unless otherwise specified by thepurchaser, it does not apply towelding ends conforming.It dose not apply towelding end conforming to ASMEB16.5, B16.9, or B16.47.