压力容器设计中几个问题的探讨

Discuss of Issues in Pressure Vessel Design

作者：刘曼 女 1982年 汉族 河北省石家庄 助理工程师 学士学位 医用氧舱及进口锅炉压力容器检验 工作单位：河北省锅炉压力容器监督检验院 邮编：050061

李景宾 男 1983年 汉族 河北省正定 助理工程师 学士学位 工作单位：石家庄安瑞科气体机械有限公司 质量管理 邮编：050061

吴楠 男 1981年 汉族 河北省石家庄 助理工程师 工作单位：石家庄市纤维监督检验所 邮编：050031

摘要：依据相关标准规范的规定，参照国外标准的相应规定，结合设计工作实践，对压力容器设计中安全系数，最高允许工作压力两个问题进行探讨。

关键词：安全系数 最高允许工作压力

Abstract: Referring to the design practice, Safety Coefficient and Maximum Allowable Working Pressure in pressure vessel design were discussed, according as the regulations and some foreign specifications.

Key words Safety Coefficient; Maximum Allowable Working Pressure

1 前言

压力容器从设计、制造、检验到投入运行、退役是一个漫长的过程，工业生产要求容器在整个服役过程安全有效的运行。设计是一台压力容器诞生的第一步，也是质量保证的第一个环节。当今世界压力容器法规和标准产生了极大的变化，我国的压力容器建造也取得了令人瞩目的成就，要求设计者必须升入理解规范内容，在设计过程中正确确定每一设计、制造及检验参数，处理设计阶段的关键性问题。本文结合实践经验，依据相关标准规范的规定，就安全系数、最高允许工作压力在设计实践中的应用进行讨论，提出一些看法和建议。

2 安全系数

材料选择是压力容器设计的重要环节，既与容器抵抗失效的能力有关，又与制造工艺密切相关。用于确定材料许用应力和容器在特定失效模式条件下的安全裕度的安全系数，是压力容器设计中最重要的基础系数，标志着一个国家的压力容器设计、建造水平，对于保障压力容器的建造合理性和安全使用具有十分重要的意义。

2.1 新旧容规中安全系数对比

1999版《压力容器安全监察技术规程》第40条规定：钢制压力容器受压元件的强度计算，以及许用应力的选取，应按照GB150、GB151、GB12337和JB4732等标准的有关规定执行，对某些特殊结构的受压原件按常规标准无法解决强度计算时，局部可以参照JB4732规定进行分析计算。

TSG R0004-2009《固定式压力容器安全监察技术规程》中3.8规定：确定压力容器材料许用应力（或者设计应力强度）的最小安全系数，见表3-1～表3-3的规定。安全系数低于这些规定时，应当符合本规程1.9的要求。将文献[1]和文献[2]部分材料抗拉强度的最小安全系数汇总、对比如表1所示。

表1 最小安全系数对比

	规则设计方法的最小安全系数					分析设计方法的最小安全系数
材料种类	碳素钢和低合金钢	高合金钢	钛及钛合金	镍及镍合金	铝及铝合金	碳素钢和 低合金钢	高合金钢
文献[1]	3.0	3.0	3.0	3.0	3.0	2.6	2.6
文献[2]	2.7	2.7	2.7	2.7	3.0	2.4	2.4

文献[2]引用GB150中的规定，对于碳钢、低合金钢和高合金钢许用应力的确定，抗拉强度的安全系数是3.0，该安全系数自JB 741－80《钢制焊接压力容器技术条件》以来，将近30年没有发生过变化，也从未发生过因标准安全系数不够引起的安全事故^[4]。现在我国在材料生产和供应的技术水平、强度设计方法、焊接、热处理和无损检测等压力容器建造个环节的技术和工艺都取得了重大进步，安全系数的降低已经具备了技术保障。按照文献[1]提出的最小安全系数，参照相应得出部分压力容器常用材料在室温下的许用应力，如表2所示：

表2 调整后材料许用应力

	规则设计方法许用应力				分析设计方法的许用应力
材料	Q235-B	Q245R(20R)	Q345R(16MnR)	06Cr19Ni10	Q345R(16MnR)
钢板厚度(mm)	≥3～16	≥3～16	≥3～16	≥2～16	≥3～16
抗拉强度Rm (MPa)	370	400	510	515	510
	Rm/2.7				Rm/2.4
	137.04	148.15	188.89	190.74	212.5
许用应力(MPa)	123(注1)	148	189	137(注2)	212

注：（1）Rm/2.7再乘质量系数0.9后得到。

（2）06Cr19Ni10的许用应力按屈服强度205MPa除以系数1.5得到。

2.2 安全系数调整在实践应用的变化

在压力容器设计中，安全系数的降低影响比较大的是容器壁厚计算。以液氨储罐筒体壁厚计算为例，设计压力Pc=2.16MPa，直径为φ2000，筒体材料Q345R, 不计钢板厚度负偏差，C1=0，腐蚀裕量取C2=2mm，焊接接头系数取1，文献[3]中圆筒的计算厚度δ计算公式为：

式中：δ-圆筒的计算厚度，mm; P_C-计算压力，MPa; D_I-圆筒的内直径，mm；[σ]^t-设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa；φ－焊接接头系数；

2.2.1 按