壓力容器廠家設(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)的危害性來劃分(p75)。本例穩(wěn)壓罐為低壓（<1.6mpa）且介質(zhì)無毒不易燃，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)來確定，受使用環(huán)境影響很大，變數(shù)很多，目前無現(xiàn)成的數(shù)據(jù)。

一般介質(zhì)無腐蝕的容器，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)取1，即焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%的無損檢測(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)。

就本例來說，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，一般取長徑比為2～5，很多情況下取2～3就可以了。

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，

長徑比為     3664/800=4.58

若加上封頭的高度，可知其長徑比太大，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的無縫鋼管，排污口選擇φ25x3.5的無縫鋼管。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)，

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，探傷長度不小于每條焊縫長度的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。