压力容器设计规范及选用指引

化工容器设计规范述评

淡　勇¹　夏锋社²　伍　星¹

（1西北大学化工学院　2陕西省锅炉压力容器检验所）

1　前　言

压力容器在石油、化学等工业中广泛应用。为了保证压力容器的安全性，世界各发达国家都相继制定了本国的压力容器设计规范，我国也颁布实施了两套有关压力容器设计的规范：GB 150－89和JB 4732－95。压力容器除了不能采用GB150－89，而必须采用JB 4732 －95进行设计外，在许多情况下，设计者可以从这两套标准中选择一种作为容器设计所遵循的规范。只要二者不混用，具体选择何种标准，没有严格的规定。GB150－89的设计思想和方法已被广大设计者所熟悉和掌握，并在实际中广泛采用，而JB 4732－95在设计思想和方法上与GB 150－89截然不同，其实施时间短，使用检验少。但是，随着现代石油化学工业的发展，对压力容器设计的合理性、经济性等方面都会提出更高的要求，这就要求设计人员在采用何种标准作为所遵循的设计规范时做出合理的选择。本文在对两套标准设计思想和方法以及经济性分析、对比的基础上，主要就在什么情况下应考虑选择JB 4732－95，又在什么情况下不宜采用JB4732－95作为设计规范提出一些参考性意见。

2　GB 150－89和JB 4732－95的设计思想和方法

GB 150－89是我国第一部有关压力容器设计、制造、检验的国家标准。其基本思想与ASMEⅧ－1^［3］相同，即按“常规设计”（Design by Rule）。本标准采用的是“弹性失效”准则，即认为容器上最大应力点一旦进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效，以最大主应力理论作为判据。在设计方法上，GB 150－89以材料力学及板壳理论的简化计算公式为基础，再加上一些经验系数。对容器上重要区域（如筒体与封头、支座、接管的连接部位）的实际应力不进行严格而详细的计算，只是在给出计算公式的同时，又对结构尺寸、形状、工作条件加以限制。如碟形封头计算中要求过渡区半径r不应小于封头内径的10％；又如在凸形封头上开孔时，规定其孔边缘或外补强元件的边缘与封头边缘之间的投影距离大于0.1Di。GB 150 －89仅适用于静止载荷的设计，而不适用于要求做疲劳分析的容器。除个别情况外，一般不要求计算温差应力。

JB 4732－95是一套与GB 150－89平行的“专业标准”，是为了适应现代工业对压力容器提出的更高要求（工艺条件的更苛刻，容器的大参数化）而制定的，基本思想与ASMEⅧ－2^［4］相同，即按“分析设计”（Design by analysis）。本标准采用的是以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”和“弹塑性失效”准则，而放弃了传统的“弹性失效”准则。允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计。在分析方法上，要求先对容器各个区域的应力进行详细的计算，并根据各种应力对容器元件失效所引起不同的作用予以分类，然后对不同类型应力采用不同的应力强度校核条件加以限制，以最大剪应力理论作为判据。JB 4732－95不局限于静止、稳定载荷的设计，也适用于要求做疲劳分析的容器。一般要求对温差应力有详细计算并根据温差应力对容器元件所引起变形的大小而归入二次或峰值应力。

3　按GB 150—89和JB 4732—95制造容器的经济性

如上分析，按JB 4732－95进行设计，需对容器的各个部位进行详细的应力计算，而且这些应力计算比较复杂。有时还需要借助实验或有限元方法方能完成。对于承受交变载荷或存在温度梯度时，还需要进行疲劳设计或温差应力的计算。而按GB 150－89进行设计，计算量小且方法简单，故对于同一容器，按JB 4732－95进行设计比按GB 150－89进行设计的费用大，花费时间长。据有关资料表明，分析设计费用通常比常规设计费用高10％～20％。另外，在制造、检验等方面，JB 4732－95比GB 150－89要求更严，限制更多。如按JB 4732－95制造容器，需对A、B类焊缝全部进行100％的探伤检验；又如每台设备至少要制备一块焊接试板且每种焊接工艺需制备一块焊接试板；再如需进行疲劳分析的容器，要求需将A、B类焊缝表面与母材打磨平齐，不允许保留余高等。但是，由于JB 4732－95在设计中采用了比GB 150－89较低的安全系数（GB 150－89规定在材料蠕变温度下，ns≥1.6、nb≥3，而在JB 4732－95中规定ns≥1.5、nb≥2.6），加上对容器各处的不同类型应力采用不同的应力强度校核条件，因此在同样条件下按GB 150－89设计的容器为薄，总重量要轻。如100MW的沸水堆和压水堆的分析设计和常规设计的结果对比^［5］表明，在同样容量和设计压力下，按分析设计的质量相对按常规设计的质量降低了23％和13％之多。又如一台壁厚为300mm不变的煤化设备^［6］，按分析设计可使该设备的有效截面积比常规设计调高2.25倍。因此按JB4732－95设计可大大节约容器的材料费用，而且当容器的设计参数（压力，直径，材料价格等）越高，节省材料费用越显著，文献^［7］的结果很好说明了这一点。另外，随着容器质量的减轻、壁厚的减薄，其制造费用、运输费用、安装费用也都会降低。所以，在一般情况下，对于条件相同的容器，采用JB 4732－95标准制造比采用GB 150－89标准制造的综合费用低，而且随着JB 4732－95的广泛采用，使用经验会更丰富，管理制度会更加完善，制造综合费用会更经济。就目前的情况而言，对于既可用分析法又可用常规法设计的容器，一般先粗做一预算，哪种方法制造的容器综合造价低就采用哪种设计方法。

4　考虑选择JB 4732—95作为设计规范的情况

在下列情况下，设计者应考虑分析设计标准JB 4732－95作为设计时所遵循的规范。

4.1　容器压力较高，达到了高压容器压力范围

尽管GB 150－89适用的设计压力高达35MPa，但当设计压力较高时，采用此标准设计，容器就要采用较大壁厚来满足强度要求，而较大的壁厚会给设计的合理性、经济性、制造的难易程度带来许多问题。有时较大的壁厚也未必能满足容器的真正要求，如温差应力会随壁厚的加大而增加，会使压力载荷应力与温差应力之和超过传统的允许值。另外，当设计压力较高时，会在容器的一些部位（筒体与封头、筒体与接管等连接处）产生很大的局部应力，采用GB 150－89设计时，可能会使这些部位在承载时出现安全裕度不足的状态。所以，设计压力较高时，应考虑采用JB4732－95标准。

4.2　容器直径较大

尽管容器设计压力不是太高，但直径较大时仍会在容器中产生较高的应力。如采用GB 150－89标准设计，仍会带来一些诸如容器壁厚尺寸过大、边缘应力过高等不尽合理的问题。国外研究资料^［7］表明，当直径较大时用分析法设计的容器合理性、经济性较好，而且直径越大这种效果越明显，所以国外的压力容器专家建议，当容器的设计压力超过7MPa，直径超过1 500mm时，应采用分析设计法。

4.3　采用GB150－89设计的容器结构尺寸过厚

过厚的结构尺寸一是会使应力沿厚度尺寸方向分布不均匀，使材料得不到充分利用，如当筒体外内径比K＝1.2时，内壁面最大周向应力是外壁面的1.22倍，当K＝1.5时，内壁面最大周向应力为外壁面的1.625倍；二是会使结构的刚性增加而柔性降低，产生过大的边缘应力和温差应力，如平板封头、管板等；三是会超出现有设备的制造、加工能力，给加工、制造带来困难。

4.4　容器工作压力较高，温度波动或压力、温度循环作用情况

GB 150－89和JB 4732－95都要求考虑压力、温度变化对容器疲劳寿命的影响，但GB 150－89未给出设计方法，而JB 4732－95给出了防止疲劳失效的设计方法及相应的设计曲线。

4.5　容器中存在较大温度梯度

同样，GB 150－89和JB 4732－95都要求在设计时应考虑温度梯度对容器的影响，但GB 150－89未给出考虑的方法，而JB 4732－95给出了分析、设计方法。

4.6　容器采用复层材料制造或容器结构较复杂

GB 150－89中采用的公式全是根据材料力学和板壳理论在各向同性、均匀材料基础上导出的，而且对结构几何特性有一定要求，所以对于用复层材料制造的容器或结构复杂的容器，如采用GB 150－89标准设计，容器中的计算应力与承载时的真实应力有较大差异，会使设计不尽合理。

4.7　容器承受压力急剧波动而引起冲击载荷

JB 4732－95标准对材料的韧性要求比GB 150－89更高。JB 4732－95规定对于使用温度低于0℃的钢材需做低温冲击试验，且给定了不同强度材料冲击功的最低下限值；一些常用钢号钢板的冲击指标均有提高，如16MnR、16MnDR钢板由20J提高到24J；正火状态下使用的规定更严，如25mm的20R和16MnR钢板、16mm以上厚度的15MnVR钢板应在正火状态下使用。(www.xing528.com)

5　不宜选择JB4732—95作为设计规范的情况

在下列情况下，设计者不宜选取JB 4732－95标准作为设计时所遵循的规范。

5.1　分析设计不熟悉

GB 150－89和JB 4732－95都要求用户提供设计要求（委托书）和有关技术资料，但按分析法设计即采用JB 4732－95作为设计规范，要求用户提供更为详细、严格的设计委托书。在国外按分析法设计的委托书需由注册工程师签字。我国虽无这样的人员配备，但按我国压力容器质保体系要求，设计委托书需由用户单位的技术领导签字，而且设计委托书应作为设计资料的一部分保存期不少于7年。

5.2　不具备分析设计资格

应用分析设计标准的资格和职责对于保证容器设计的完整性和可靠性，以及确保制造质量和使用安全具有重要的意义。各个国家的分析设计标准对此都有严格的要求，在我国虽然用分析设计容器已有一定的技术基础，但总的人员素质，以及管理体系比之先进国家还有较大差距，故按J4732－95进行容器设计的单位应持有国家劳动部门安全监察机构颁发的设计单位批准书，设计人员和审核人员应取得相应的设计、审核资格证书，以保证容器的可靠和先进。

5.3　容器的设计、制造因存放超过一定期限后

按照国家安全监察部门的要求，容器制造好后放置时间超过一定期限后，在投入使用前，必须按照有关规范重新审验。

5.4　满足下列情况之一者

（1）在使用中容器有可能移动位置。

（2）在使用中容器操作条件有可能变更。

（3）在使用中容器有可能改变其服务性质、对象和用途。

（4）在使用中容器有可能用于搬运流体物料。

以上几种情况意味着容器的设计条件的变化，在新的操作条件下，用户设计条件和设计条件证明、制造厂制造报告书证明以及检验报告书证明等有关技术文件均需有关单位和人员重新评定及签字，进行重新审验。

6　结语

综上所述，按GB 150－89标准设计，方法简单、花费时间短、设计费用低，但容器设计不尽合理，且对于大型容器综合造价高。按JB 4732－95标准设计，方法繁复、难度较大、设计费用高，但针对性强，设计比较合理，且按JB 4732－95制造的容器较经济。随着现代工业对压力容器要求的不断提高，按照分析设计标准进行容器的设计、制造单位会越来越多，广大设计人员也会对分析设计标准JB 4732－95越来越熟悉，使用经验更加丰富，按照JB 4732－95标准制造的压力容器也会越来越多的投入使用。

参考文献

［1］全国压力容器标准化技术委员会.GB150－89纲制压力容器.北京：学苑出版社，1989

［2］中华人民共和国机械工业部，化学工业部，劳动部，中国石油化工总公司，JB4732－95钢制压力容器——分析设计术标准.北京：中国标准出版社，1995

［3］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，SectionⅧ，Division 1.ASME，New York，1969

［4］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，SectionⅧ，Division 2—Alternative Rules.ASME，New York，1983

［5］Gaines A L，porse L.Problem in the design and construction of large reactor vessels.Proceedings of the second annual symposium sponsored by the Idaho Montana section ASME pressure vessel，April，1965

［6］Latzko G H.Reliable economic heavy duty pressure components—the next 20years.the 4th Int.Conference on pressure vessel technology，May，1980：13

［7］Alfred M.Smolen，Johnr.Mase.ASME Pressure Vessel Code：Which division to choose.Chemical engineering，January，1982（11）：133～136