DATA SHEET OF PROCESS
EQUIPMENT DESIGN
工程名：
PROJECT
设备位号：
ITEM
设备名称：
EQUIPMENT
图号：
DWG NO。
设计单位：
DESIGNER
濮城油田沙一下新建31#注气站工程 100m 3液态CO 2储罐 安全阀计算 一. 计算基本参数 设计压力：2.42MPa ；介质：液态CO 2； 容器内径=3200mm 容器壁厚=28mm 容器筒体长度=12000mm 所以，D 0-压力容器外径，D 0=3.256m ； L-压力容器总长，L=13.736m ； 容器位置：设备置于地面以上，F=1.0 保冷：有绝热保冷层（聚氨酯泡沫）；保温层厚度δ=0.08m; λ-导热系数：λ=0.0864KJ/m*h*℃； q-介质的汽化潜热，取q=151.798KJ/Kg ； M-摩尔质量M=44.01g/mol ； k-绝热指数k=1.3； C-气体特性系数C=346.98； Z-压缩系数Z=0.873； t-泄放压力下介质的饱和温度，t=-9℃； 二、需要的安全泄放量 容器型式：椭圆形封头的卧式容器,容器受热面积r A 的计算： )0.3D (L D A 00r +?=π=150.422m 保冷层：有绝热保冷层,液化气体的安全泄放量按下列要求计算： h q Ar t W s /Kg 72.497)650(61.282 .0=-?=δλ
三．泄放面积的计算 1.判断是否是临界条件 P 0-安全阀出口侧的压力(绝压)，P 0=0.1MPa ； 取超压限度为： 2.42x10%=0.242MPa ； P f -安全阀的泄放压力(绝压)，P f =2.42+0.242+0.1=2.762MPa ； P 0/P f =0.1/2.762=0.036205648≤5457.0）1 k 2（1k k =+- 所以，是临界条件。 2.需要的排放面积的计算： M ZT p 16.13A f f CK W S = K-安全阀泄放系数，取K=0.62； T f -泄放温度，取273.15+（-9）=264.15K 所以，A=23.17mm 2 3.单个安全阀的排放面积的计算 选择全启式安全阀DA42Y-40DN100X150，数量为2个。 查表，得安全阀阀座喉径d 1=65mm 所以，单个安全阀的排放面积A 1= 221mm 6.33164d =π 4.判断 因为A 1>A ，所以，所选的安全阀合格，完全满足排放量要求。 设计： 校对： 审核： 审定：
压力容器法规、标准介绍 一、压力容器法.规、标准体系 我国的特种设备法规体系主要分以下五个层次 法律—行政法规—部门规章—安全技术规范—引用标准”。 第一层次：法律 根据宪法和立法法的规定，由全国人民代表大会及其常委会制定法律。 如《安全生产法》、《劳动法》、《产品质量法》、《计量法》、《标准化法》、《行政许可法》等； 2012年8月，十一届全国人大常委会第二十八次会议初次审议了《中华人民共和国特种设备安全法（草案）》。 第二层次：行政法规 由国家最高行政机关—由国务院制定的行政法规 《特种设备安全监察条例》（第373号国务院令）,2003年3月公布，自2003年6月1日起施行。 2009年1月14日《国务院关于修改(特种设备安监察条例)的决定》（第549号国务院令）公布。 第三层次：行政规章 由国务院各部门制定的部门规章，如： 《锅炉压力容器制造监督管理办法》(总局令第22号)自2003年1月1日起施行； 《特种设备作业人员监督管理办法》（总局令第140号）自2011年7月1日起施行； 第四层次：安全技术规范(规范性文件) 是政府对特种设备的安全性能和相应的设计、制造、安装、改造、维修、使用和检验检测等所作出的一系列规定，是必须强制执行的文件，安全技术规范是特种设备法规标准体系的主体，是在世界经济一体化中各国贸易性保护措施在安全方面的体现形式，其作用是把法律、法规和行政规章的原则规定具体化。 TSG Z0004-2007特种设备制造、安装、改造、维修质量保证体系基本要求 TSG Z0004-2007特种设备制造、安装、改造、维修许可鉴定评审细则 TSG R1001-2008压力容器压力管道设计许可规则 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0002-2005 超高压容器安全技术监察规程 TSG R7001-2004 压力容器定期检验规则 TSG R6001-2008压力容器安全管理人员和操作人员考核大纲 TSG R3001-2006压力容器安装改造维修许可规则
《过程设备设计基础》 教案 4—压力容器设计 课程名称：过程设备设计基础 专业：过程装备与控制工程 任课教师：
第4章压力容器设计 本章主要介绍压力容器设计准则、常规设计方法和分析设计方法，重点是常规设计的基本原理和设计方法。 §4-1 概述 4.1概述 教学重点:压力容器设计的基本概念、设计要求 教学难点：无 压力容器发展趋势越来越大型化、高参数、选用高强度材料，本章着重介绍压力容器设计思想、常规设计方法和分析设计方法。 什么是压力容器的设计？ 压力容器设计是指根据给定的工艺设计条件，遵循现行规范标准的规定，在确保安全的前提下，经济正确地选取材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。 结构设计--------确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配和维修等要求。 强（刚）度设计--------- 确定结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性要求，以确保容器安全、可靠地运行。 密封设计--------选择合适的密封结构和材料保证密封性能良好。 4.1.1设计要求 设计的基本要求是安全性和经济性的统一，安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济，经济性包括材料的节约、经济的制造过程和经济的安装维修。 4.1.2设计文件
压力容器的设计文件包括：设计图样 技术条件 设计计算书 必要时包括设计或安装使用说明书. 分析设计还应提供应力分析报告 强度计算书包括： ★设计条件、所用的规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力等。 ★装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全泄放量安全阀排量和爆破片泄放面积。 ★当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量技术监督局认证备案，打印结果中应有软件程序编号、输入数据和 计算结果等内容。 设计图样包括：总图和零部件图 总图包括压力容器名称、类别、设计条件； 主要受压元件设计材料牌号及材料要求； 主要受压元件材料牌号及材料要求； 主要特性参数（如容积、换热器换热面积和程数） 制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密性试验要求 ；安全附件的规格；压力容器铭牌位置； 包装、运输、现场组焊和安装要求；以及其他特殊要求。 4.1.3设计条件 设计条件可用设计条件图表示(设计任务所提供的原始数据和工艺要求) 设计条件图包含设计要求、简图、接管表等 简图------- 示意性的画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其他需要表达的内容。 设计要求-------工作介质、压力和温度、操作方式与要求和其他。 为便于填写，设计条件图又分为 一般设计条件图 换热器条件图：应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等 塔器条件图：应注明塔型、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别 搅拌容器条件图：应注明搅拌器形式及转向、轴功率等。
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—3 GB150-1998《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（P W）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 0.1 Mpa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。
**** 储罐C-2013001-JS 强度计算书 第 1 页共 9 页 强度计算按GB150-1998 《钢制压力容器》、《固定式压力容器安全技术监察规程》及质检特函〔2010〕86 号函<关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见 >进行计算。 目录 一、技术参数????????????????????2 二、筒体强度计算??????????????????2 三、筒体开孔及开孔补强计算?????????????3 四、封头强度计算??????????????????6 资料来源编制 校核 标准化 提出部门审核 标记处数更改文件号签字日期批准文号批准 序 目符 计算公式数据单位 项计算依据号号
一、技术参数 1.最高工作压力 2. 3.设计压力 4.最高工作温度 5.设计温度 6.介质 7.选用材料 8.许用应力 9.许用应力 10.许用应力 二、筒体强度计算 **** 储罐C-2013001-JS 强度计算书 第 2 页共 9 页 符 计算依据计算公式数据单位号 P e给定 1.25Mpa GB150.1-2011 Pc Pc=(1.05~1.1)Pe =1.25 × 1.1=1.375 1.375MPa P19 te任务书给定193℃t c193+(15~30)210℃饱和水蒸气任务书给定 GB150-2011Q345R/GB713 、 20/GB8163、 P4720/NB47008 t 根据 GB150.2-2011 GB713 B-1碳素钢和低合金 钢钢板许用应力，筒体材料 Q345R，板厚＜ 16mm，184.2MPa 温度 193℃所得应力值 t 根据 GB150.2-2011 GB713 B-3碳素钢和低合金 钢钢板许用应力，人孔圈及接管材料184.2MPa 20/GB8163 ，板厚＜ 16，温度 193℃所得应力值 t 根据 GB150.2-2011 GB/6479 B-6碳素钢和低 合金钢钢管许用应力，接管材料20 钢，板厚184.2MPa 15mm，温度 193℃所得应力值 1.筒体内直径D n1400mm 2.S S=δ+C+ =6.17+1.8+2.03=10 10mm 筒体壁厚 为除去负偏差的圆整量 3.筒体壁厚附加量C C1=0.8 ； C2=1 ； C=C1+C2=1.8 1.8mm GB150- 4.焊缝系数2011局部无损检测0.85 P13
安全阀计算书 设备参数：蒸汽分汽缸DN273X8㎜，容积V=0.085m3，最高工作压力为1.4MPa，工作温度为105，进口管为φ108X6 。 计算过程如下： （1）.确定气体的状态条件： 设Po—安全阀出口侧压力（绝压）0.103MPa （近似为0.1MPa） 则P d—安全阀泄放压力（绝压）为 P d=1.1Ps+0.1 =1.1×1.1Pw＋0.1=1.794MPa （GB150附录B4.2.1） 当安全阀出口侧为大气时: Po/Pd=0.103/1.794=0.057 而{2/(k+1)}k/(k-1)={2/(1.4+1)}1.4/(1.4-1)=0.55 （水蒸汽的绝热指数为k=1.3） ∴Po/Pd＜（2/(k+1)）k/(k-1) 是属于临界状态条件, 安全阀排放面积A按GB150式（B5）计算 （B5） 式中: C：气体特性系数,查表B1或C=520√k（2/(k+1)(k+1)/(k-1)）得出：C=347 K：安全阀额定泄放系数,K=0.9倍的泄放系数(泄放系数由制造厂提供,一般为0.75);或按《容规》附件五第二节有关规定中选取. 本计算书取：K=0.675 M：气体摩尔质量，水蒸汽摩尔质量M=18.2Kg/kmol Z：气体压缩系数，水蒸汽Z=0.9216 T：气体绝对温度，T=273+105=378k （2）. 容器安全泄放量的计算: 盛装压缩气体或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列规定来确定
a.对压缩机贮罐或水蒸汽的容器,分别取压缩机和水蒸汽发生器的最大产气量; b.气体储罐等的安全泄放量按GB150式(B1)计算 Ws=2.83×10-3ρυd2㎏/h (B1) ρ：为排放压力下的气体密度㎏/m3. ρ=M/V ρ=M（分子量）×Pw’(排放绝对压力)×T标/P (V×T) 空气分子量 M=18.2 标准状态理想气体摩尔体积 V=22.4 排放绝对压力 Pw’=17.94㎏/㎝2 大气绝对压力 P=1.03㎏/㎝2 将M、Pw’、 T标、P、V、T代入上式得 ρ=18.2×17.94×273/1.03×22.4×378=10.22㎏/m3 υ：容器在工作压力下的进口管的气体流速m/s;根据HG/T20570.6-95中表2.0.1饱和水蒸汽管径DN ：200~100mm时，υ：35~25m/s 所以本计算书取：υ=25m/s d：进气管内径， d=92mm 将上述ρ、ν、d代入式（B1）得 Ws=2.83×10-3×10.22×25×922 =6120㎏/h （3）. 安全阀排放面积的计算: 将上述Ws、C、K、P d、M、Z、T代入上式（B5）可计算出：A=873.3mm2 根据设备工况选用全启式安全阀 则：A=0.785d02=873.3mm2 安全阀喉径为：d0=33.4㎜ 根据安全阀公称直径与喉径对照表 表1 安全阀公称直径与喉径对照表
压力容器设计要点 第十章压力容器设计参数的选取 10.1 设计压力 在压力容器的设计中，除注明者外压力均值表压力。 设计压力为压力容器的设计载荷之一，其值不低于正常工况下容器顶部最高工作压力。 设计压力与相应的设计温度一起作为设计载荷。 各种厚度的关系示意图2-10-1 10.2 设计温度 对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。在任何情况下金属温度不得超过钢材的允许使用温度。 安装在室外无保温的容器，按以下规定选取： （1）盛装压缩气体的贮罐，最低设计温度取环境温度减3℃。 （2）盛装液体体积占容器1/4以上的贮罐，最低设计温度取环境温度。10.4 设计中应考虑的载荷 不同的工艺条件和工况时，设计中还应考虑以下载荷： （1）内压、外压或最大压差； （2）液体静压力； （3）容器的自重，以及正常工作下或压力试验状态下内装填料的重力载荷；
（4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷； （5）风载荷、地震载荷、雪载荷。 （6）支座、底座圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力； （7）连接管道和其他部件的作用力； （8）温度梯度或膨胀量不同引起的作用力； （9）包括压力急剧波动的冲击载荷； （10）冲击反力； （11）运输或吊装时的作用力。 10.6 焊接接头分类和焊接接头系数 为弥补焊缝对容器整体强度的消弱，在强度计算中引入焊接接头系数。 第十一章压力容器零部件的结构和计算 11.1 圆筒和球壳 1、概述 圆筒和球壳是压力容器最基本的组成部分，也是压力容器主要受压元件。
2 内压计算 （1）圆筒厚度计算 1）圆筒中径公式[1] 2）圆筒中径公式适用范围。K《1.5。 3）多层圆筒的计算 4）焊接接头系数 （2）球壳的厚度计算 1）球壳中径公式[1] 2）球壳中径公式的适用范围 3 外压计算 容器承受内压时，壳壁内为拉应力；而容器承受外压时，壳壁内为外压力。内压容器失效时强度问题，而外压容器往往其压应力尚未达到屈服时就会出现扁塌现象，这就是外压容器的弹性失稳。 4 外压圆筒加强圈设计 当原有结构不能满足要求时，需要外设加强圈。 11.2 封头 1 封头型式及选用 2 凸形封头设计 1 椭圆形封头 1）应力状况 2）内压作用下厚度计算 3）外压作用下计算 2 蝶形封头 1）应力状况 2）内压和外压作用下厚度计算 （3）球罐形封头 （4）带法兰的凸形封头
压力容器强度计算 第一节设计参数的确定 1我国压力容器标准与适用范围 我国现执行GB150 - 98钢制压力容器”国家标准。该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则, 应用解析法进行应力计算，比较简便。 JB4732-1995《钢制压力容器一分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的 ASME标准思路相似。 2、容器直径（diameter of vessel 考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。 如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。 表2无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm） 3、设计压力（design pressure （1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力） 工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 ①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同; ②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际 最高工作压力（the maximum allowable working pressure ）。 ③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。 设计压力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设计载荷条件，其值不低于工作压力。 ①对最大工作压力小于0.1Mpa的内压容器，设计压力取为0.1Mpa; ②当容器上装有超压泄放装置时，应按超压泄放装置”的计算方法规定。 ③对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下，可能达到的最高金属温 度确定。（详细内容，参考GB150-1998，附录B （标准的附录），超压泄放装置。）
第11章压力容器的强度计算 本章重点要讲解内容： （1）理解内压容器设计时主要设计参数（容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等）的意义及其确定原则； （2）掌握五种厚度（计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互关系以及计算方法；能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差； （3）掌握内压圆筒的厚度设计； （4）掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算。 （5）熟悉内压容器强度校核的思路和过程。 第一节设计参数的确定 1、我国压力容器标准与适用范围 我国现执行GB150－98 “钢制压力容器”国家标准。该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则，应用解析法进行应力计算，比较简便。 JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的ASME标准思路相似。 2、容器直径（diameter of vessel） 考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。 表1 压力容器的公称直径（mm） 如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。 表2 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）
3、设计压力（design pressure） （1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力） ?工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 ①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压 试验的压力和卧置时不同； ②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶 部的压力并不是其实际最高工作压力（the maximum allowable working pressure）。 ③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。 ?设计压力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设计载荷条 件，其值不低于工作压力。 ①对最大工作压力小于0.1Mpa 的内压容器，设计压力取为0.1Mpa； ②当容器上装有超压泄放装置时，应按“超压泄放装置”的计算方法规定。 ③对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下， 可能达到的最高金属温度确定。（详细内容，参考GB150-1998，附录B（标准的附 录），超压泄放装置。） ?计算压力P C是GB150-1998 新增加的内容，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，当静压力值小于5％的设计压力时，可略去 静压力。 ①注意与GB150-1989 对设计压力规定的区别； 《钢制压力容器》规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力值大于5％设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。 使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计压力。 ②一台设备的设计压力只有一个，但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化。 ③计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算书中出现。 4、设计温度（Design temperature） 设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于确定受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理性能参数。 ●设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度； ●当设计温度在0℃以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度； ●当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度； 5、许用应力(Maximum allowable stress values) 许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数，在设计温度下的许用应力的大小，直接决定容器的强度，GB150-1998 对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。 表3 钢制压力容器中使用的钢材安全系数
过 程 设 备 设 计 计 算 书 SW6－1998 ( v2.0 ) 安全阀的校核计算(CH011) 一、 空气储罐的安全泄放量： W S = 2.83×10-3ρvd 3 kg/h 式中 W S —— 压力容器的安全泄放量，kg/h ； d —— 压力容器进口管的内径，mm ； v —— 压力容器进口管内气体的流速，m/s ； ρ —— 气体密度，kg/m 3； 本储罐 d=31 mm v=10 m/s ρ=12.8 kg/m 3 W S = 2.83×10-3×12.8×10×312 = 348 kg/h 二、 安全阀的泄放能力： W s ’ = 7.6×10 -2 CKp d A ZT M kg/h 式中：W s ’——临界条件下安全阀的排放能力，kg/h ； C ——气体特性系数，C=5201 112-+?? ? ??+k k k k 见《压力容器安全技术监察 规程》第102页附表5-1；k ——气体绝热系数 k=C P /C V ； K ——排放系数，与安全阀结构有关，全启式安全阀取0.70； p s ——安全阀的整定压力，本储罐取1.1，Mpa ； p d ——安全阀的排放压力（绝压），p d =1.1p s +0.1=1.1×1.1+0.1 =1.31，Mpa ； A ——安全阀最小排气截面积，mm 2； A=π×4 2042 2?=πd =314 mm 2 M ——气体摩尔质量，kg/kmol ； T ——气体温度，K ； Z ——气体在操作温度压力下的压缩系数，Z=1。 W s ’ = 7.6×10-2×356×0.7×1.31×314×293 129 ? = 2450 kg/h ∵ W s ’＞W s ∴ 本安全阀公称直径合格
压力容器的强度计算 本章重点要讲解内容： （1）理解内压容器设计时主要设计参数（容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等）的意义及其确定原则； （2）掌握五种厚度（计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互关系以及计算方法；能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差； （3）掌握内压圆筒的厚度设计； （4）掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算。 （5）熟悉内压容器强度校核的思路和过程。 第一节设计参数的确定 1、我国压力容器标准与适用范围 我国现执行GB150－98 “钢制压力容器”国家标准。该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则，应用解析法进行应力计算，比较简便。 JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的ASME标准思路相似。 2、容器直径（diameter of vessel） 考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。 表1 压力容器的公称直径（mm） 如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。 表2 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）
3、设计压力（design pressure） （1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力） ?工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 ①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压 试验的压力和卧置时不同； ②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶 部的压力并不是其实际最高工作压力（the maximum allowable working pressure）。 ③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。 ?设计压力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设计载荷条 件，其值不低于工作压力。 ①对最大工作压力小于0.1Mpa 的内压容器，设计压力取为0.1Mpa； ②当容器上装有超压泄放装置时，应按“超压泄放装置”的计算方法规定。 ③对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下， 可能达到的最高金属温度确定。（详细内容，参考GB150-1998，附录B（标准的附 录），超压泄放装置。） ?计算压力P C是GB150-1998 新增加的内容，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，当静压力值小于5％的设计压力时，可略去 静压力。 ①注意与GB150-1989 对设计压力规定的区别； 《钢制压力容器》规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力值大于5％设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。 使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计压力。 ②一台设备的设计压力只有一个，但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化。 ③计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算书中出现。 4、设计温度（Design temperature） 设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于确定受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理性能参数。 ●设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度； ●当设计温度在0℃以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度； ●当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度； 5、许用应力(Maximum allowable stress values) 许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数，在设计温度下的许用应力的大小，直接决定容器的强度，GB150-1998 对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。 表3 钢制压力容器中使用的钢材安全系数
压力容器壁厚计算及说明 一、压力容器的概念 同时满足以下三个条件的为压力容器，否则为常压容器。 1、最高工作压力P ：9.8×104Pa ≤P ≤9.8×106Pa ，不包括液体静压力； 2、容积V ≥25L ，且P ×V ≥1960×104L Pa; 3、介质：气体，液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体。 二、强度计算公式 1、受内压的薄壁圆筒 当K=1.1～1.2，压力容器筒体可按薄壁圆筒进行强度计算，认为筒体为二向应力状态，且各受力面应力均匀分布，径向应力σr =0，环向应力σt =PD/4s ，σz = PD/2s ，最大主应力σ1＝PD/2s ，根据第一强度理论，筒体壁厚理论计算公式， δ理＝ P PD －σ][2 考虑实际因素， δ＝P PD φ－σ][2+C 式中，δ—圆筒的壁厚（包括壁厚附加量），㎜； D — 圆筒内径，㎜； P — 设计压力，㎜； [σ] — 材料的许用拉应力，值为σs /n ，MPa ； φ— 焊缝系数，0.6～1.0； C — 壁厚附加量,㎜。 2、受内压P 的厚壁圆筒 ①K ＞1.2，压力容器筒体按厚壁容器进行强度计算，筒体处于三向应力状态，且各受力面应力非均匀分布（轴向应力除外）。 径向应力σr ＝--1(2 22a b Pa 22 r b ） 环向应力σθ＝+-1(222a b Pa 22 r b ） 轴向应力σz =2 22 a b Pa - 式中，a —筒体内半径，㎜；b —筒体外半径，㎜； ②承受内压的厚壁圆筒应力最大的危险点在内壁，内壁处三个主应力分别为： σ1＝σθ＝P K K 1 122-+ σ2=σz =P K 11 2-
12345 11121314151617181920212223242526272829303132333435363738工位号台 数结构型式阀盖型式波纹管试验杆扳 手制造标准所需排量工作压力整定压力工作温度排放温度背 压超过压力压缩系数绝热指数启闭压差计算面积流道直径高 度W M Ps Z k As A Wr 特殊技术要求批 准校 对设 计kg/h MPa(G)o C %mm 2mm ΔP 0PREPARED BY CHECKED BY APPROVED BY 工 艺 条 件 一 般 事 项GENERAL Tag No.Quantity Design Type Bonnet Type Bellows Test Gag Lifting Lever PROCESS CONDITONS Code Required Cap.Oper. Pressure Set Pressure Oper. Temp. Reliev. Temp. Back Pressure Overpressure Compress. Factor Spe. Heat Ratio Blowdown Calculated Area Throat Diameter Approach Height P b 39 粘 度μViscosity （原中国航天科技集团公司第十一研究所(京)） 北京航天动力研究所 678910密封面型式Seat Type 金属对金属 Metal to Metal 保温夹套with Jacked 爆破片Rupture Disk 三通切换Crossover Valve 介 质 Fluid 摩尔质量Mol. Weight 密 度Density Super. Const.附加恒定介质状态State Super. Min/Max 附加变动Built-Up 排放背压Total 总背压计 算 和 选 择 CALCULATION AND SELECTION 选择面积Selected Area 面积代号Orifice Design.提供排量Relieving Cap.型 号Model No. 切换阀型号冷态试验差压力CDTP ρ排放反力Reactive Force 噪 音Noise Level 材 料 MATERIALS 连 接CONNECTION 404142阀体/阀盖Body/Bonnet 434445 阀座/阀瓣Nozzle/Disk 弹 簧 Spring o C mm 2484950连接标准Connection Code 进 口Inlet 出 口 Outlet 附 件ACCESSORIES 4647面心距 Center to Face E / P X 约 重Approach Weight H 51525354 2 ASME VIII 常规式 Conventional 封闭式 Close 无 No 否 No 否 No T 空气Gas 29.00kg/kmol 1.0010.9954-60 60 2.700MPa(G) 2.97010.00MPa(G)MPa(G) / MPa(G) MPa(G) 0.000 2330.4kg/h 116.4 153.9E 3082.0HTO-03aCB 14.0MPa(G) 2.970 10 264N in open system WCB 304+Ste.50CrVA 无(No) 无 No 无 No ASME B16.5105.039.0 450 201″300lb RF 2″150lb RF mm mm mm kg C：气体特征系数 COEFFICIENT DETERMINED BY k Pdr：额定排放压力 RATED RELIEVING PRESSURE Kb：背压修正系数 BACK PRESS. CORRECTION FACTOR T：排放温度 RELIEVING TEMPERATURE MPa (A)K Kdr：额定排量系数 RATED COEFFICIENT OF DISCHARGE 5557 计算公式CALCULATION FORMULA 3.36800.837 3161.000Kc：爆破片修正系数 RUPTURE DISK CORRECTION FACTOR 1.00 333.00Crossover Valve /115.0安装位置Location % 提供入口配对法兰。提供出口配对法兰。提供紧固密封件。56 选型说明Requirments Notes
安全阀计算规定 1. 应用范围 1.1 本规定仅适用于化工生产装置中压力大于0.2MPa的压力容器上防超压用安全阀的设置和计算，不包括压力大于100MPa的超高压系统。 适用于化工生产装置中上述范围内的压力容器和管道所用安全阀；不适用于其它行业的压力容器上用的安全阀，如各类槽车、各类气瓶、锅炉系统、非金属材料容器，以及核工业、电力工业等。 1.2计算方法引自《工艺设计手册》 (Q/SPIDI 3PR04-3-1998)，使用本规定时，一般情况应根据本规定进行安全阀计算，复杂工况仍按《工艺设计手册》有关章节进行计算。 1.3 本规定提供了超压原因分析，使用本规定必须详细阅读该章节。 2. 计算规定的一般说明 2.1安全阀适用于清洁、无颗粒、低粘度流体，凡必须安装泄压装置而又不 适合安全阀的场所，应安装爆破片或安全阀与爆破片串联使用。 2.2 在工艺包设计阶段（PDP），应根据工艺装置的操作规范，按照本规定（见 5.0章节），对本规定所列的每个工况进行分析，根据PDP的物流表，确 定每个工况的排放量，填入安全阀数据表一。 2.3在基础设计阶段（BDP）和详细设计阶段（DDP），按照泄放量的计算书 规定（见6.0章节），在安全阀数据表一的基础上，形成安全阀数据表 二（数据汇总表）和安全阀数据表三。安全阀数据表三作为条件提交有 关专业。 3. 术语定义 3．1 积聚（accumulation）：在安全阀泄放过程中，超过容器的最大允许工作压力的压力，用压力单位或百分数表示。最大允许积聚由应用的操作规范和火灾事故制定。 3．2 背压（back pressure）：是由于泄放系统有压力而存在于安全阀出口处
2.0寸卫生级全启式安全计算书 根据《实用阀门设计手册》（陆培文主编，机械工业出版社出版，2006年1月第1版）所列安全阀的通用计算项目如下（表5-39）及安全阀专用计算项目： 通用及专用计算项目： 1.阀体厚度计算 2．阀盖厚度 3．阀座密封面面上计算比压 4．弹簧理论计算 5．安全流道直径计算 6．安全阀额定排量计算 本阀门阀体材质采用316L,阀盖采用304，快装卡箍采用304，因阀门设计手册上没有相应的材质，故采用相近的1Cr18Ni9Ti材质进行验算。 一．阀体厚度计算（表5-168，第1014页） 阀体厚度S’B=(P*Dn)/(2.3*［σL］-P)+C; 其中：P为公称压力,安全阀设计公称压力：0.7Mpa,故P=0.7 计算通径Dn=72.9mm 许用应力［σL］查表3-3（第597）,［σL］=92Mpa 设计给定腐蚀余量C为0.5mm 计算给果：S’B=0.846mm 阀体最薄处设计厚度S B：1.65mm S’B< S B=1.65mm 故阀体厚度设计合理。 二．阀盖厚度
因本安全阀采用的是卡箍连接，其阀盖等同于快装盲板，依据DIN 32675-2009标准，对于快装接头使用工作压力之规定： Rohrau?endurchmesser von 6,35 mm bis 42,4 mm: 2,5 MPa (25 bar); Rohrau?endurchmesser von 48,3 mm bis 76,2 mm: 1,6 MPa (16 bar); Rohrau?endurchmesser von 85,0 mm bis 219,1 mm: 1,0 MPa (10 bar). 本安全阀连接采用85口径的快装卡盘（106），依据以上所引用标准要求，工作压力为1.0Mpa，故符合设计要求。 三．3．阀座密封面面上计算比压（表5-197,第1115页） 介质压力为p时密封面上比压力：q1=D m(p S-p)/4b≥q MF 因设计输入的整定压力p s=0.7Mpa, 依据安全阀密封性能试验的相关规定《实用阀门设计手册》表10-40，安全阀的密封性能试验压力，为整定压力的90%， 故：设备正常工作压力:p=0.63Mpa, 关闭件密封面平均直径：DM=32.16mm(设计给定) 关闭件密封面宽度： b=1.3mm (设计给定) M 密封面必需压力: q MF=(0.4+0.6PN)/ 10/ b(表3-13，662页) M b=1.3mm(设计给定) M PN：取1.0Mpa 计算结果： q=2.77Mpa MF 密封面比压力：q1= D m(p S-p)/4b =4.33 Mpa, 验算结果：q1=4.33≥q MF =2.77, 故密封设计合格。 四．弹簧理论计算( <弹簧直接载荷式安全阀弹簧计算>，中国特种设备安全第25卷第11期，第5页。) 本安全阀为全启式安全阀故:
3、设计压力（design pressure） （1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力） ?工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 ①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压 试验的压力和卧置时不同； ②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶 部的压力并不是其实际最高工作压力（the maximum allowable working pressure）。 ③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。 ?设计压力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设计载荷条 件，其值不低于工作压力。 ①对最大工作压力小于0.1Mpa 的内压容器，设计压力取为0.1Mpa； ②当容器上装有超压泄放装置时，应按“超压泄放装置”的计算方法规定。 ③对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下， 可能达到的最高金属温度确定。（详细内容，参考GB150-1998，附录B（标准的附 录），超压泄放装置。） ?计算压力P C是GB150-1998 新增加的内容，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，当静压力值小于5％的设计压力时，可略去 静压力。 ①注意与GB150-1989 对设计压力规定的区别； 《钢制压力容器》规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力值大于5％设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。 使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计压力。 ②一台设备的设计压力只有一个，但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化。 ③计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算书中出现。 4、设计温度（Design temperature） 设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于确定受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理性能参数。 ●设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度； ●当设计温度在0℃以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度； ●当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度； 5、许用应力(Maximum allowable stress values) 许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数，在设计温度下的许用应力的大小，直接决定容器的强度，GB150-1998 对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。 表3 钢制压力容器中使用的钢材安全系数