压力容器设计必须掌握的知识问答.docx

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压力容器设计必须掌握的知识问答

第一章      法规与标准

1--1压力容器设计必须哪些主要法规和规程？

答：

1.《特种设备安全监察条例》国务院2003.6.1

2.《压力容器安全技术监察规程》质检局2000.1.1

3.《压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则》质检局2003.1.1

4.《锅炉压力容器制造监督管理办法》质检局2003.1.1

5.GB150《钢制压力容器》

6.JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》

7.JB/T4735《钢制焊接常压容器》

8.GB151《管壳式换热器》。

1—2压力容器设计单位的职责是什么？

答：

1.应对设计文件的准确性和完整性负责。

2.容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。

3.容器设计总图应盖有压力容器设计单位批准书标志。

1—3GB150-1998《钢制压力容器》的适用和不适用范围是什么？

答：

适用范围：

1.      设计压力不大于35Mpa的钢制压力容器。

2.      设计温度范围根据钢材允需的使用温度确定。

不适用范围：

1.      直接火焰加热的容器。

2.      核能装置中的容器。

3.      经常搬运的容器。

4.      诸如泵、压缩机、涡轮机或液压缸等旋转式或往复式机械设备中自成整体或作为组成部件的受压容器。

5.      设计压力低于0.1Mpa的容器。

6.      真空度低于0.02Mpa的容器。

7.      内直径小于150mm的容器。

8.      要求做疲劳分析的容器。

9.      已有其它行业标准管辖的压力容器，如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用压力容器和搪玻璃容器。

1—4《压力容器安全技术监察规程》的适用与不适用范围是什么？

答：

使用范围：

（同时具备以下条件）

1.      最高工件压力（PW）大于等于0.1Mpa（不含液体压力）的容器。

2.      内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于0.15m,且容积V大于等于0.25m3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。

不适用范围：

1.      超高压容器。

2.      各类气瓶。

3.      非金属材料制造的压力容器。

4.      核压力容器、船舶和铁路机车上的附属压力容器、国防或军事装备用的压力容器、锅炉安全技术监察适用范围内的直接受火焰加热的设备（如烟道式余热锅炉等）。

5.      正常运行最高工件压力小于0.1Mpa的压力容器（包括在进料或出料过程中需瞬时承受压力大于等于0.1Mpa的压力容器，不包括消毒、冷却等工艺过程中需要短时承受压力大于等于0.1Mpa的压力容器）。

6.      机器上非独立的承压部件（如压缩机、发电机、泵、柴油机的承压壳或气缸，但不含造纸、纺织机械的烘缸、压缩机的辅助压力容器）。

7.      无壳体的套管换热器、波纹管换热器、空冷换热器、冷却排管。

1--5《容规》和GB150-98对压力容器的范围如何划定？

答：

1.      压力容器与外部管道、装置连接的：

容器接管与外管道连接的第一道环向接头坡口端面；法兰连接的第一个法兰密封面；螺纹连接的第一个螺纹螺纹接头端面；专用连接或管件的第一个密封面。

2.      压力容器开孔部分的承压封头、平盖及其坚固件。

3.      非受压元件与受压元件的焊接接头。

1—6何谓易燃介质？

答:

易燃介质指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的气体。

如甲胺、乙烷、甲烷等。

1—7介质的毒性程度如何划分？

答：

参照HG《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》：

1.      极度危害：

<0.1mg/m3;

2.      高度危害：

0.1-<1.0mg/m3;

3.      中度危害：

1.0-<10mg/m3;

4.      轻度危害：

≥10mg/m3;

1—8如何确定混合介质的性质？

答：

应以介质的组成并按毒性程度或易燃介质的划分原则，由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门，决定介质毒性程度或是否属于易燃介质。

1—9如何划分压力容器的压力等级？

答：

按压力容器的设计压力（P）分为低压、中压、高压、超高压四个等级：

1.      低压：

0.1Mpa≤P＜1.6Mpa

2.      中压：

1.60Mpa≤P＜10Mpa

3.      高压：

10.0Mpa≤P＜100Mpa

4.      超高压：

P≥100Mpa

1—10压力容器的品种主要划分为哪几种？

答：

按容器在生产工艺过程中的作用原理，分反应压力容器、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：

主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、分解塔、聚合釜、合成塔、变换炉、煤气发生炉。

2.      换热压力容器：

主要用于完成介质的热量交换的压力容器，管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器等。

3.      分离压力容器：

主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器，如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、铜洗器、干燥塔、分汽缸、除氧器等。

4.      储存压力容器;主要是用于盛装生产用的原料气体、液体、液化气体的压力容器，如各种型式的储罐。

1—11压力容器分为三类，其划分的原则是什么？

分类的目的是什么？

答：

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分为三类：

1.      低压容器为一类压力容器。

2.      下列情况之一的为二类压力容器：

（1）      中压容器；

（2）      易燃介质或毒性程度为中度危害的低压反应容器的储存容器；

（3）      毒性程度为极度和高度介质的低压容器。

（4）      低压管壳式余热锅炉。

（5）      低压搪玻璃压力容器。

3.      下列之一的为第三类压力容器：

（1）      高压容器。

（2）      中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）。

（3）      中压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度的介质，且PV乘积大于等于10Mpa.m3）。

（4）      中压反应容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度的介质，且PV乘积大于等于0.5Mpa.m3）。

（5）      低压容器：

（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且PV乘积大于等于0.2Mpa.m3）。

（6）      高压、中压管壳式余热锅炉。

（7）      中压搪玻璃压力容器。

（8）      使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度值下限大于等于540Mpa的材料）制造的压力容器。

（9）      移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）罐式汽车（液化气体运输半挂车、低温液体运输半挂车、永久气体运输半挂车和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）。

（10）  球形储罐（容积大于等于50m3）。

（11）  低温液体储存压力容器（容积大于等于5m3）。

1—12《容规》与《条例》及标准有何关系？

国务院发布的《特种设备安全监察条例》属行政法规，是我国压力容器安全监察工作的基本法规，是压力容器安全监察工作的依据和准则。

依据《条例》制订的《容规》也属行政法规，是从安全角度，对压力容器安全监督提出的最基本的要求。

国家标准、行业标准属民事诉讼范围，是设计、制造压力容器产品的依据。

《容规》是压力容器安全监督和管理的依据。

由于安全技术监督的内容同标准的任务、性质、工作进度和角度不同，有些与标准一致，有些可能不一致，这是正常的，并不矛盾。

二者无大小之分，作为产品的设计和制造单位，遵守《容规》和执行标准是一致的，二者不协条时宜按高的要求执行。

但作为压力容器安全监察部门，只要产品符合《容规》要求即可。

第二章材料

2—2碳素钢镇静钢Q235B级、C级的区别是什么？

适用范围是什么？

主要区别是冲击试验温度不同：

Q235B级做常温20℃V型冲击试验；Q235C级做0℃V型冲击试验。

适用范围：

1.      Q235B级：

容器设计压力P≤1.6Mpa,钢板使用温度0~350℃。

用于容器壳体时，钢板厚度不大于20mm,不得用于毒性为高度、极度危害介质的压力容器。

2.      Q235C级：

容器设计压力P≤2.5Mpa,钢板使用温度0~400℃。

用于容器壳体时，钢板厚度不大于30mm。

2—3碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下长期使用时，应注意什么问题？

答：

GB150-98规定，碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。

因为碳素钢和锰碳钢在上述情况下，钢中的渗碳体会产生分解，Fe3C___3Fe+C（石墨），而这一分解及石墨化最终会使钢中的珠光体部分或全部消失，使材料的强度及塑性下降，而冲击值下降尤甚，钢材明显变脆。

2—4奥氏体的使用温度高于525℃，时应注意什么问题？

答：

GB150-98规定，奥氏体的使用温度高于525℃，钢中含碳量应不小于0.04%，这是因为奥氏体钢在使用温度500~550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降。

因些一般规定超低碳（C≤0.03%）奥氏体不锈钢的使用温度范围,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型材料一般要求用H级，即含碳量要稍高一些，主要也是考虑耐腐蚀，而且耐热及有热强性。

2—5不锈钢复合钢板的的使用温度范围是什么?

答:

不锈钢复合钢板的的使用温度范围是应同时符合基材和复材使用温度范围的规定。

2—6压力容器用碳素钢和低合金钢，当达到何种厚度时应在正火状态下使用？

为什么？

壳体厚度大于30mm的20R和16MnR;其它受压元件（法兰、管板、平盖等）厚度大于50mm的20R和16MnR，以及大于16mm的15MnVR，应在正火状态下使用。

这主要是考虑国内轧制设备条件限制，较厚板轧制比小，钢板内部致密度及中心组织质量差；另外对钢板正火处理可细化晶粒及改善组织，使钢板有较好的韧性、塑性及有较好的综合机械性能。

2—7调质状态和用于多层包扎容器内筒的碳素钢和低合金钢钢板为何应逐张进行拉力试验和夏比（V型）常温或低温冲击试验？

答：

低合金钢经调质处理后，屈服点大大提高了，但冲击韧性不够稳定，为了正确判断综合力学性能，所以要逐张进行拉力和冲击试验来验证。

多层包扎容器内筒是一种承受较高工作压力的设备内筒，其设计压力为10~100Mpa；同时高压容器还往往承受较高的温度和各种介质的腐蚀，操作条件苛刻，故高压容器的材料验收、制造、与检验要求都比较高，这样才能保证高压容器的使用安全。

2—8设计温度小于0℃时，名义厚度δn大于25mm的20R和δn大于38mm的16MnR、15MnVR、15MnVNR或任何厚度的18MnMoNbR和13MnNiMoNbR为何要进行夏比（V型）低温冲击试验？

试样为何取横向？

低温冲击功的指标是什么？

因为国产钢材：

16MnR、15MnVR、15MnVNR当厚度达到一定限度时，或18MnMoNbR和13MnNiMoNbR强度级别较高的任何厚度钢板，无延性转变温度可能就在-19.9~0℃之间，非常危险，但又未按低温材料对待，为避免这个问题，就要在上述温度区间做母材和试板V型冲击以验证能否满足设计要求。

由于浇铸钢锭时形成化学成分不匀或含有杂质,则在热轧形后不均匀部分和杂质就顺着金属伸长方向延伸,形成所谓“流线”或纤维状组织，这时金属力学性能就表现出各项异性，即平行于流线方向的力性能要高于垂直于流线方向的力学性能，尤其塑性和韧性更为突出，所以制造压力容器钢板标准中取力学性能低的横向作为冲击值标准，以提高材料安全使用可靠性。

  低温冲击功的指标为：

20R的Akv≥18J；16MnR、15MnVR的Akv≥20J，18MnMoNbR和13MnNiMoNbR的Akv≥27J。

2—9用于容器壳体的碳素钢和低合金钢板，什么情况下要逐张做超声波检验？

答：

凡符合下列条件之一的，应逐张做超声波检验：

1． 盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器。

2． 盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于100mg/L的压力容器。

3． 最高工作压力大于等于10Mpa的压力容器。

4． GB150第2章和附录C、GB151《管壳式换热器》、GB12337《钢制球形储罐》及其它国家标准和行业标准中规定应逐张进行超声波检测的钢板。

2—10低合金钢钢板使用温度等于或低于-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度应符合什么要求？

答：

其使用状态及最低冲击试验温度应符合下列要求：

16MnR热轧状态 厚度6~25mm,最低冲击试验温度为-20℃

    正火状态 厚度6~120mm,最低冲击试验温度为-20℃

16MnDR正火状态 厚度6~36mm,最低冲击试验温度为-40℃

    正火状态 厚度36~100mm,最低冲击试验温度为-30℃

0．9Mn2VDR正火，正火加回火状态 厚度6~36mm,最低冲击试验温度为-50℃

 0．9MnNiDR正火，正火加回火状态 厚度6~60mm,最低冲击试验温度为-70℃

 15MnNiDR正火，正火加回火状态 厚度6~60mm,最低冲击试验温度为-45℃

2—11什么是奥氏体不锈钢的敏化范围？

答：

奥氏体不锈钢在400~850℃范围内缓慢冷却时，在晶界上有高铬的碳化物Cr23C6析出，造成邻近部分贫铬，引起晶间腐蚀倾向，这一温度范围称敏化范围。

2—12何谓固溶热处理？

它对奥氏体不锈钢性能有何作用？

答：

将合金加热至高温单项区恒温保持，使过剩项充分溶解到回溶体中去后快速冷却，以得到饱和回溶体的工艺称回溶处理。

通过固溶处理铬镍不锈钢将高温组织在室温下固定下来，获得被碳过饱和的奥氏体，以改善铬镍不锈钢的耐腐蚀性。

此外还能提高铬镍不锈钢的塑性和韧性。

2—13目前防止晶间腐蚀的措施大致有几种？

1． 固溶化处理。

2． 降低钢中的含碳量。

3． 添加稳定碳的元素。

2—14什么是应力腐蚀破裂？

奥氏体不锈钢在哪些介质中易产生应力体腐蚀？

答：

应力腐蚀是金属在应力（拉应力）和腐蚀的共同作用下（并有一定的温度条件）所引起的破裂。

应力腐蚀现象较为复杂，当应力不存在时，腐蚀甚微；当有应力后，金属在腐蚀并不严重的情况下发生破裂，由于破裂是脆性的，没有明显预兆，容易造成灾难性事故。

可产生应力腐蚀的金属材料与环境组合主要有以下几种：

1． 碳钢及低合金钢：

介质为碱性、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等。

2． 奥氏体不锈钢：

氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等。

3． 含钼奥氏体不锈钢：

碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜水溶液等。

4． 黄铜：

氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等。

5． 钛：

含盐酸的甲醇或乙醇、熔融氯化钠等。

6． 铝：

湿硫化氢、含氢硫化氢、海水等。

2—15奥氏体不锈钢焊缝能否采用超声波检测，为什么？

由于奥氏体不锈钢中存在双晶晶界等显著影响超声波的衰减及传播，因此目前超声波检测未能在这种不锈钢中得到广泛采用。

2—16选用新研制的钢材设计压力容器时，应满足什么要求？

选用新研制的钢材设计压力容器，必须具有完整的技术评定文件，该文件应经全国压力容器标准化技术委员会审定合格。

2—17用GB713-86《锅炉用碳素钢和低合金钢板》中的20g钢板可否代用什么容器用钢板？

GB713-86《锅炉用碳素钢和低合金钢板》中的20g钢板可代用Q235-C钢板。

2—18用GB712-88《船体用结构钢》中的B级钢板代用Q235-C钢板时，应符合什么要求？

代用Q235-C板时，钢厂必须按按标准进行冲击试验。

对经船检部门同意钢厂未进行冲击试验的B级钢板只能代用Q235-B钢板。

2—19碳素钢和低合金钢钢管，当使用温度≤-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度按下表的规定：

钢号 使用状态   壁厚，mm 最低冲击试验温度，℃

10    正火      ≤16       -30

20G    正火      ≤16       -20

16Mn  正火      ≤20       -40

09MnD 正火      ≤16       -50

因尺寸限制无法制备5X10X55小尺寸冲击试样的钢管，免做冲击试验，各钢号钢管的最低使用温度按附录C的规定。

2—20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什么级别？

锻件级别按JB4726《压力容器锻件技术条件》的规定选用。

对于公称厚度大于300mm碳素钢和低合金钢锻件应选用Ⅲ级或Ⅳ级。

2—2116MnD钢锻件，当使用温度等于或低于-20℃时其热处理状态及最低冲击试验温度是什么？

答：

应符合下列规定：

钢号        热处理状态       公称厚度，mm 最低冲击试验温度，℃

16MnD   正火加回火，调质      ≤200           -40

                               ＞200~300        -30

2—22低合金钢螺栓，当使用温度等于或低于-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度是什么？

答：

应符合下列规定：

钢号        规格mm   最低冲击试验温度℃   Akv（J）   使用状态

30CrMoA      ≤M56           -100         ≥27

35CrMoA      ≤M56           -100         ≥27

35CrMoA      ≤M60~M80      -70          ≥27

2—23压力容器受压元件采用国外钢材应符全些什么要求？

选用国外材料时，应是国外相应压力容器最新标准所允许使用的钢材，其使用范围一般不超过该标准的规定，且不超出GB150-98第4章材料部分和技术要求的钢材的规定。

并符合《容规》第22条的规定。

2—24铝和铝合金用于压力容器受压元件应符合什么要求？

1． 设计压力不应大于8Mpa,设计温度为-269~200℃。

2． 设计温度大于65℃时，一般不选含镁量大于等于3%的铝合金。

2—25钛和钛合金用于压力容器受压元件应符合什么要求？

1． 设计温度：

工业纯钛不应高于250℃，钛合金不应高于300℃，复合板不应高于350℃。

2． 用于制造压力容器壳体的钛材应在退火状态下使用。

2—26铜及铜金用于压力容器受压元件应为什么状态？

一般应为退火状态。

第二章      钢制焊接压力容器

3—1什么叫设计压力？

什么叫计算压力？

如何确定？

设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为载荷条件，其值不低于工作压力。

确定设计压力时应考虑：

1． 容器上装有超压泄放装置时，应按附录B的规定确定设计压力。

2． 对于盛装液化石油气体的容器，在规定的充装系数范围内，设计压力应根据工作条件下可能达到的金属温度确定。

且不应低于《容规》中的相关规定。

3． 确定外压容器时，应考虑在正常工作情况下可能出现的最大设计差。

4． 确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑。

（1）当装有安全控制装置时设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1Mpa两者中的低值；当无安全控制装置时取0.1Mpa。

5． 由两室或两室以上压力室组成的压力容器，如夹套容器，确定设计压力时，应根据各自的工作压力确定各压力室自己的设计压力。

 计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力（当液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计）。

由两个或两室以上压力室组成的压力容器，如夹套容器，确定计算压力时，应考虑各室之间的最大压力差。

3—2固定式液化气体容器设计中，如何确定设计压力？

盛装临界温度大于等于50℃的液化气体的压力容器，如设计有可靠的保冷设施，其设计压力应为盛装液化气体在可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力；如无保冷设施，其设计压力不得低于该液化气体在50℃时的饱和蒸汽压力。

盛装临界温度小于50℃的液化气体的压力容器，如设计有可靠的保冷设施，并能确保低温储存的，其设计压力不得低于试验实测最高温度下的饱和蒸汽压力；没有实测数据或没有保冷设施的压力容器，其设计压力不得低于所装液化气体在规定最大充装量时，温度为50℃时的气体压力。

3—3 GB150-98标准对压力容器设计应考虑的载荷有哪些？

1． 内压、外压或最大压差。

2． 液体静压力。

必要时还应考虑以下载荷：

1． 容器的自重（包括内件和填料）以及正常操作条件下或试验状态下内装物料的重量；

2． 附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷。

3． 风载荷和地震载荷。

4． 支座的作用反力。

5． 连接管道和其它部件所引起的作用力。

6． 温度梯度、热膨胀量不同而引起的作用力。

7． 包括压力急剧波动的冲击载荷。

8． 冲击反力，如由流体冲击引起的反力等。

9． 容器在运输或吊装时承受的作用力。

3—4GB150-98标准除了规定的常规设计方法以外还允许采用什么方法进行设计？

允许用以下方法进行设计，但需经全国压力容器标准化委员会评定认可。

1． 以应力分析为基础的设计（包括有限元法分析）。

2． 验证性试验分析（如应力测定、验证性水压试验）。

3． 用可比的已投入使用的结构进行对比的经验设计。

3—5什么叫计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度？

计算厚度系指用公式计算得到的厚度，需要时，尚应计入其它载荷所需厚度，不包括厚度附加量。

设计厚度系指计算厚度与腐蚀余量之和。

      名义厚度是将设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即图样标注的厚度。

对于容器壳体在任何情况下其名义厚度不得小于最小厚度与腐蚀裕量之和；

有效厚度是指名义厚度减去厚度附加量。

3—6什么叫最小厚度？

如何确定？

为满足制造工艺要求，根据工程实践经验对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度。

圆筒的最小厚度δmin按下列规定：

1． 对碳素钢和低合金钢容器：

δmin≥3mm。

2． 对高合金钢容器：

δmin≥2mm。

3—7厚度附加量C由哪两部分组成？

 厚度附加量C按下式计算：

C=C1+C2mm

 式中C1为钢板或钢管的厚度负偏差，按相应钢板或钢管标准选取，C2为腐蚀裕量。

3—8对于钢材各种强度性能如何选取其安全系数？

螺栓的安全系数选用较高，为什么？

常温下最低抗拉强度σb

常温或设计温度下的屈服点σs或σst

设计温度下经10万小时断裂的持久强度 σD’

设计温度下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限σn

Nb

ns

nD

nn

碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢

≥3.0

≥1.6

≥1.5

≥1.0

奥氏体高合金钢

≥3.0

≥1.5 1）

≥1.5

≥1.0

1）     当部件的设计温度不到蠕变温度范围，且允许有微量永久变形时，可适当提高许用应力，但不超过0.9σst.此规定不适用于法兰或其它有微量变形就产生泄漏或故障的场合。