4．3 钢管

4．3．1 钢管的标准及许用应力按GB150的表4-3钢管许用应力的规定。

D类压力容器常用的碳素钢和低合金钢钢管牌号有：10 20 20G 16Mn 。 10和20钢管，依据标准为：GB8163-87《输送流体用无缝钢管》；

20G 和 16Mn 钢管，依据标准为：GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》。 常用的不锈钢管0Cr18Ni9、 00Cr19Ni10 和0Cr18Ni10Ti依据标准为： GB13296-91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》 GB/T14796-94 《流体输送用不锈钢无缝钢管》

4．3．2 关于不锈钢焊接钢管在压力容器中的使用问题：

在附录A的A4.2中有明确规定。

对奥氏体不锈钢焊接钢管（见A4.2.1）应遵循GB12771-91《流体输送用不锈钢焊接钢管》的规定。具体要求是：壁厚允许偏差为±12.5%；钢管的弯曲度不大于1.55mm/m；逐根进行蜗流或射线（对大直径管）及水压试验合格； 检测标准按JB/T4730-2005.1《承压设备无损检测》中的相关部分，水压试验压力为容器设计压力的2倍，保压时间为10秒，管壁无渗漏现象。

奥氏体不锈钢焊接钢管的使用范围规定如下：容器使用温度定为0Cr18Ni9、 00Cr19Ni10 和0Cr18Ni10Ti等钢号的相应允许使用温度；容器设计压力不大于6.4MPa；管壁厚不大于8mm；不得用于毒性程度为极度危害的介质；焊接接头系数为0.85，即按相同钢号的许用应力乘以0.85的焊接接头系数。 4．4 钢锻件

钢锻件的标准及许用应力按GB150表4-5的规定，钢锻件的标准和常用钢锻件为：

JB4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中的 20、35和16Mn JB4727-2000《低温压力容器碳素钢和低合金钢锻件》中的16MnD JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》中的0Cr18Ni9、00Cr19Ni10 和0Cr18Ni10。 4.5焊接材料

压力容器受压元件焊接选用的焊条（焊接材料）的參考原则是：

①满足力学性能的要求，保持等强度，考虑满足冲击韧性和伸长率的要求； ②化学成分相当；

③根据工程重要性、危险性、焊接位置、刚性大小、施焊条件、焊接经验选择焊条；

④考虑经济性和容易获得； 碳钢和低合金钢之间焊接，一般要求所选用的焊材焊成的焊接接头，其强度不低于强度较低的一侧母材标准抗拉强度下限值，而接头的韧性和塑性应不低于强度较高而塑性韧性较差的母材。

首次选用的焊接材料，应按JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》和JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》的规定。压力容器用焊条定货时，应按JB/T 4747-2002《压力容器用焊条订货技术条件》。

焊接材料的标准有：

GB/T5117-1995《碳钢焊条》； GB/T5118-1995《低合金钢焊条》；

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GB/T983-1995《不锈钢焊条》； GB/T984-2001《堆焊焊条》；

GB/T14957-1994《熔化焊用钢丝》； GB/T14958-1994《气体保护焊用钢丝》；

GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢，低合金钢焊丝》 GB4241-84《焊接用不锈钢盘条》； GB4242-84《焊接用不锈钢丝》；

GB4343-84《惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝》。 YB/T5091-1993《惰性气体保护焊用不锈钢棒及钢丝》； YB/T5092-1996《焊接用不锈钢丝》；

GB/T5293-1999《埋弧焊用碳素钢焊丝和焊剂》； GB/T12470-1999《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》； 4．6 采用国外钢材的要求 采用国外的钢材，应是国外相应压力容器最新标准所允许使用的钢材；其使用范围不应超出该标准的规定，同时也不应超过GB150第4章材料相近钢材的规定。 4．7 一些钢材的代用规定

1）钢材的代用的一般原则是：代用材料应与被代用的钢材具有相同或相近的化学成分、交货状态、检验项目、性能指标和检验率以及尺寸公差和外形质量等。

2）代用图样规定的钢材时，应取得原设计单位的同意。 3）钢板代用：

①GB712-88《船体用结构钢》中的A级钢板，可代用Q235-A（不得作受压元件）；B级钢板在钢厂按标准要求进行冲击试验合格后，可代用Q235-C钢板，未作冲击试验的钢板，则只能代用Q235-B钢板；

②GB713-1997《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》中的20g钢板可代用Q235-C钢板。

4）钢管代用：GB3087-82《低中压锅炉用无缝钢管》中的10和20钢管，可代用 GB8163-1999 《输送流体用无缝钢管》中相应的钢管。 4．8 特殊工作环境下的选材

关于介质处于NaOH湿H2S应力腐蚀时的选材问题，可见《容规》126页，关于“压力容器选材与介质”的说明。

5．内压圆筒和内压球体的计算

5.1内压圆筒和内压球体计算的理论基础

1）强度理论：内压容器的破坏有四种强度理论，比较为人们接受的有第一、第三和第四强度理论。

①第一强度理论即最大主应力理论，它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大主应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料则发生断裂破坏，其当量应力强度为S = б1 。 ②第三强度理论即最大剪应力理论，它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料则发生屈服破坏，其当量应力强度为S = б1-б3 。

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③第四强度理论即最大应变能理论，它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大变形能。亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的应变能，材料即发生屈服破坏，其当量应力强度为：

2）GB150-1998标准中计算公式主要以第一强度理论为基础（结果比较接近）。并采用平面应力状态（忽略第三向应力）。如果考虑第三向的应力，则是第三强度理论。

5．2 内压圆筒计算

1）设计温度下的计算厚度按下式计算：

公式适用范围：Pc≤0.4Ф[σ]t 或 Do/Di≤1.5 式中：δ- 圆筒的计算厚度 mm；

Pc–计算压力，MPa；

Di – 圆筒内直径，mm；

[σ]t –设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa； Ф – 焊接接头系数。 2）公式来源： 用第一强度理论，以圆筒平均直径为基准计算的环向应力，考虑了圆筒内壁上最大主应力与平均拉应力的差值进行了修正，并考虑了纵向焊缝（A类焊接接头）在强度方面相对于母材的削弱。

公式中应力的推导是根据薄膜应力理论。 3) 公式推导：

设直径D筒体受内压力为P的作用，圆筒上的任一小单元上受三个主应力环向应力σ1 、轴向应力σ2和径向应力σ3的作用，求应力时，可通过中心轴线沿纵向将圆筒切成两部分，去除一部分以应力代替，根据力平衡理论，在纵向截面厚度产生内应力σ1，其合力与外部作用的压力作用平衡，设圆筒直径为D，长度为L，厚度为δ，按平衡关系则有：

2 Lδσ1 = P D L σ1 = P D/2δ

沿垂直主轴线的截面将圆筒体切开，在圆形横截面上的应力为σ2，产生平衡的条件为：．πDσ2δ =1/4 πD2P；

σ2= P D/4δ

径向应力σ3= P ，可见σ1=2σ2，并远大于σ3 ，故采用σ1 = P D/2δ，即： δ= P D/2σ1 ，令D=Di+δ， P = pc代入，σ1以Ф[σ]t代入， 则得到 ： 。

4）如已知δn、 Pc、 Di；则圆筒体的计算应力σt为：

式中бt≤Ф[σ]t

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式中：δe为有效厚度。

5）设计温度下，筒体的最大允许工作压力[Pw]为： 5．3 球壳计算

1）设计温度下的计算厚度公式：

2）设计温度下，球壳计算应力公式：

式中бt≤Ф[σ]t

3）设计温度下，球壳的最大允许工作压力公式：

；

6．外压圆筒和外压球壳的设计 许多化工石油用的容器，由于工艺原因需要在外压或真空下操作，如真空罐和真空蒸餾塔，有的容器带有夹套，夹套内是带压蒸汽，使内筒受到外部压力。 通常，内压低于外压的容器，称为外压容器。

外压容器的最高工作压力是指容器在正常使用过程中可能出现的最大压力差值。对夹套容器，指夹套顶部可能出现的最大压力差值。

确定外压容器的设计压力时，应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差。

确定真空容器壳体的厚度时，设计压力按受外压考虑。当装有真空泄放阀，以及相类似的安全控制装置时，设计压力=1.25△P，或0.1MPa的低值，△P为内外压力差。未装安全控制装置时，取0.1 MPa。

容器工作中失效的状态有：强度失效，刚度失效和稳定失效三种。

①强度失效：容器在载荷作用下，发生过量变形或破裂。如内压容器的破坏；

②刚度失效：容器发生过量的弹性变形，导致丧失正常的承受能力。如容器不能满足最小厚度要求导致刚度不足而失效；

③稳定失效：容器在载荷作用下，形状突然发生改变，导致丧失工作能力。如外压容器的失稳破坏。

外压容器设计时，必须考虑到上述三种失效的可能性，才能确保容器的安全使用。

在满足刚度要求的情况下，外压容器的破坏有两种形式，即强度不足引起的破坏和失稳引起的破坏两种。因此，设计应包括强度计算和稳定性校核。因失稳往往在强度破坏之前发生，故稳定性计算是外压容器设计中的主要考虑的问题。 6． 1受均匀外压的圆筒（和外压管子）

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在GB150第6章中，外压圆筒和外压管子所需的有效厚度δe用查图计算法，使用的图为图6-2～图6-10，计算步骤如下： 6．1．1 Do/δe≥20的圆筒和管子

1）假设δn, 令δe =δn-C，C=C1+C2 ，定出L/DO和Do/δe

Do为筒体的外直径；L为筒体的计算长度，L值取圆筒上两相邻支撑线（此线处的截面有足够的惯性矩）的距离，其值按图6-1的各示图选取。

如图6-1a中，L=L1+2hi/3

L1为圆筒部分的长度（含封头的两直边）的总和； hi为封头曲面深度。

2）查图6-2，在图的左方找到L/DO点，过此点沿水平线右移，与Do/δe线相交，遇中间值用内插法，如L/DO＞50，则取50。若L/DO＜0.05，则取0.05；

3）连此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数A。也可查表6-1得到A值。

4）按所用材料选用图6-3～图6-10，在图下方找到系数A。 若A落在设计温度下材料线的右方，则过此点上移，与设计温度下材料线相交，遇中间温度值采用插入法，再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数B。

通过B按下式求出许用外压力[P]，MPa；

6-1

若所得A值落在设计温度下材料线的左方，则计算许用应力[P]为：

6-2

E是设计温度下材料的弹性模量，MPa；

5）算出的[P]应大于或等于PC，PC为计算外压力，否则，应重新按上述步骤重算。直到[P]＞PC，且接近于PC为止。 6．1．2 Do/δe<20的圆筒和管子

a)按6.1.1的步骤计算得到B值，但对Do/δe < 4的圆筒和管子的A值应按下式计算：

，当A>0.1时，取A=0.1；由A值，并根据材料牌号，通过

表6-2至表6-9中的相应曲线数据表查B值；

b)[P]按下式计算：式中：σo为应力，其值取

或

或

的较小值。

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