压力容器安全系数许用应力

确定压力容器安全系数原则作者：王鹏来源：《价值工程》2014年第15期摘要：压力容器安全系数直接受材料参数的影响，这就要求在选用材料许用应力值时，要在考虑抗拉强度的基础上，考虑屈服强度；奥氏体不锈钢应变能力、强化能力、韧性都比较强，为了把这些特性充分的发挥出来，应该特别考虑它的许用应力值；伴随着科学技术的成熟，对一次次实验的总结，既能保证压力容器的安全，又能够在此基础上节约材料，降低成本，压力容器安全系数有降低趋势，这是理论与实际相结合的结果。

Abstract： The pressure vessel safety coefficient is directly affected by material parameters，which requires consideration of yield strength as well as tensile strength when choosing the material's allowable stress value. Austenitic stainless steel has strong strain capacity， strengthening ability and toughness. In order to put these characteristics fully play out， its allowable stress value should BE especially considered. With the maturity of science and technology and author's experience， it can not only ensure the safety of pressure vessels， but also could save material， and reduce costs. Pressure vessel safety coefficient has a lower trend， which is the result of integrating theory with practice.关键词：压力容器；安全系数；许用应力值；抗拉强度；屈服强度Key words： pressure vessel；safety coefficient；allowable stress value；tensile strength；yield strength中图分类号：[X933.4] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）15-0070-02压力容器已经渗透到了工业领域，并和人们的生活息息相关，是不可被破坏的，如果遭受到了破坏，后果将不堪设想。

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。

1、应力集中系数：容器开孔边缘处或接管根部最大应力与容器壳体膜应力最大值之比。

2、易燃介质：指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限与下限之差值大于等于20%的气体3、焊缝系数u :由于焊缝热影响区有热应力的存在，焊缝金属晶粒粗大，及焊缝中出现气孔，未焊透等缺陷影响焊缝金属强度，采用焊缝系数，以补偿焊缝强度的削弱，即焊缝金属材料的许用应力的利用率。

4、整体管板的有效厚度：Se=S-Y-Y ' Se――管板有效厚度；S――管板的实际（名义）厚度，mm ; Y ――管程隔板开槽值，mm ; K与C2取大者；Y'――壳程隔板开槽值，K与壳程腐蚀裕量C' 2取大者5、许用应力：指按材料各项强度数据分别除以各安全系数的最小值6、夹套压力容器的设计总图上，应注明哪些与压力试验有关的内容？答（1）应分别说明壳体和夹套的试验压力；（2）允许的内外压差值；（3）试验步骤；（4）试验的要求7、选用公称直径250mm的无缝钢管做压力容器壳体，选择椭圆形封头的直径为多少？答：Dg250mm的无缝钢管外径为273mm ,按钢管外径选封头，封头外径为273mm。

8、按现行规定，在压力容器图纸上如何注明磁粉检测合格标准？答：符合JB4730 11.13.1条和11.13.2条I级的要求9、划分压力容器类别和确定《容规》适用范围使用的压力有何不同？可能产生什么问题？答：确定《容规》适用范围的压力为最高工作压力，划分容类别的压力为设计压力。

划分类别时有限制条件，即必须是对划入《容规》的压力容器进行分类，实际工作中，有时将不属于《容规》管辖的压力容器划成了某类别压力容器。

10、一台压力容器，按介质、压力、内直径、容积等条件，均属于第三类压力容器。

那么，该台容器一定得划分为第三类压力容器吗？为什么？答：不一定，因为搪玻璃压力容器一律划分为第二类压力容器。

11、GB150中“相当于双面焊的全焊透对接焊缝”指什么样的焊缝？答：指单面焊双面成形的对接焊缝。

作者邓阳春陈钢杨笑峰徐彤【摘要】压力容器安全系数与材料参数紧密相关，确定材料许用应力值时，需要同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理；奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时，需要特殊考虑。

压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和降低成本，随着理论研究深入和科学实验的进步，压力容器安全系数有所降低，这是科学设计和实用成功经验结合的结果。

【关键词】压力容器；材料；许用应力；标准；安全系数0 引言压力容器广泛用于工业领域及日常生活领域，一旦破坏，往往造成灾难性事故。

为确保公众安全，应用科学技术和使用经验，世界各国制订了压力容器标准，并通过法规等形式强制执行。

合理选取材料许用应力值是保障压力容器安全、合理使用的科学基础。

1914年，美国制定了世界上第一部压力容器标准，材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。

直到1943年，英国压力容器标准选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。

为保证压力容器安全，确定材料许用应力值时，同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理。

奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时需特殊考虑。

目前，确定压力容器材料许用应力值一般取min{σs/n s，σb/n b，σD/n D，σn/n n}。

其中，σs，σb，σD，σn 分别为材料的屈服强度、抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度，在大多数工况下，压力容器材料主要考虑屈服强度和抗拉强度，在一定条件下，才需考虑材料蠕变强度和疲劳强度；n s，n b，n D，n n为安全系数。

安全系数主要取决于人们对客观规律的理解程度和设备发生事故的危害程度，压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，随着理论研究和科学实验的进步，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和经济考虑，压力容器安全系数有降低的趋势[1-2]。

压力容器安全系数许用应力压力容器是在工业生产中广泛应用的一种容器，它主要承载各种气体、液体的压力，以确保工业生产的正常进行。

压力容器的设计和制造需要考虑到容器本身所承受的压力以及外部环境的影响，其中一个非常重要的问题是安全系数和许用应力。

因为如果安全系数过低或许用应力过高，容器在运行过程中可能会出现断裂或崩塌的危险，导致人员伤亡，生产事故等问题。

因此，理解压力容器安全系数及其许用应力是生产中不可缺少的知识。

什么是压力容器的安全系数和许用应力？压力容器的安全系数指容器能承受的最大载荷与其破坏强度的比值。

破坏强度是指容器在最大平均应力下的破坏强度。

而许用应力是指允许应力或最大应力，同样也指容器在正常工作状态下所能承受的最大应力。

通常情况下，设计容器时需要考虑压力、各种荷载和材料强度等因素。

根据这些因素，通过一系列计算可以得到安全系数和许用应力等参数，设计出合适的压力容器。

如何计算压力容器的安全系数和许用应力？在计算压力容器的安全系数和许用应力时，需要考虑以下几个方面：1.材料强度：材料强度是压力容器设计中最基本的参量之一。

常用的材料包括铁、钢等等。

2.压力：压力是压力容器设计中另一个主要的参量。

压力一般可以分为工作压力和爆破压力两种。

其中工作压力是指容器在正常工作状态下所承受的压力；爆破压力是指容器破裂的压力极限点。

3.应力：应力是指容器内或外的材料所承受的拉力或压力。

应力可以分为普通应力、最大主应力和最小主应力三种。

其中最大主应力和最小主应力两者的情况都需要考虑到，以确保容器的安全性。

4.容器几何形状：容器的几何形状也是影响安全系数和许用应力的一种因素。

不同形状的容器所受的力和应力也不同。

例如，圆形容器能够更好地承受内部压力。

综上所述，还有一些其他因素会影响安全系数和许用应力，例如环境温度、液体或气体的化学特性等。

在实际上设计过程中，需要通过一系列的计算和试验才能确定具体的安全系数和许用应力。

为什么压力容器的安全系数和许用应力非常重要？压力容器是在工业生产中非常重要的一种设备。

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。

压力容器设计基础一、基本概念压力容器的设计，就是根据给定的性能要求、工艺参数和操作条件，确定容器的结构型式，选择合适的材料，计算容器主要受压元件的尺寸，最后给出容器及其零部件的图纸，并提出相应的技术条件。

正确完整的设计应达到保证完成工艺生产。

正确完整的设计应达到保证完成工艺生产，运行安全可靠，保证使用寿命、制造、检验、安装、操作及维修方便易行，经济合理等要求。

压力容器设计中的关键问题是力学问题，即强度、刚度及稳定性问题。

在本节中，主要讨论压力容器设计中的有关强度问题。

所谓强度，就是结构在外载荷作用下，会不会因应力过大而发生破裂或由于过度性变形而丧失其功用。

具体来讲，就是在外载荷作用下，容器结构内产生的应力不大于材料的许用应力值，即：ζ≤K〔ζ〕t （1）这个式子就是强度问题的基本表达式。

压力容器的设计计算就是围绕这一关系式而进行的。

公式（1）中的左端项是结构内的应力，它是人们最为关心的问题。

求解结构的应力状态，它们的大小，是一个十分复杂的问题，常用的方法有解法（如弹性力学法、弹型性分析法等）、试验法（如电阻应变计测量法、光弹法、云纹法等）及数值解法（如有限元法、边界元法等）。

应用这些方法可以精确或近似地求出结构的应力，然而，每一种结构的应力都有其特殊性，目前可求解的只是问题的绝大部分，仍有许多复杂结构的应力分析有等人们进一步探讨。

求出结构内任一点的应力后，所遇到的问题就是怎样处理这些应力。

一点的应力状态最多可含有6个应力分量，哪个应力起主要作用，这些应力对失效起什么作用，对它们如何控制才不致发生破坏，解决这一问题，就要选择相应的强度理论计算当量应力，以便与单向拉伸试验得到的许用应力相比较，将应力控制在许可的范围内。

公式（1）中的右端项是强度控制指标，即材料的许用应力。

它涉及到材料强度指标（如抗拉强度ζb、屈服强度ζs 等）的确定及安全系数的选用等问题。

当采用常规设计法，且只考虑静载问题时，系数K=1.0；如果考虑动载荷，或采用应力分析设计法，K≥1.0，此时设计计算将更加复杂。

标准是科学、技术和实践经验的总结。

为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动，即制定、发布及实施标准的过程，称为标准化。

开放的复杂巨系统理论视角下的科技创新体系将标准化作为面向创新2.0的科技创新体系的重要支撑以及是技术创新体系、知识社会环境下技术2.0的重要轴心。

早在七十年代，钱学森就提出要加强标准、标准化工作及其科学研究以应对现代化、国际化的发展环境。

通过标准及标准化工作，以及相关技术政策的实施，可以整合和引导社会资源，激活科技要素，推动自主创新与开放创新，加速技术积累、科技进步、成果推广、创新扩散、产业升级以及经济、社会、环境的全面、协调、可持续发展。

中国政府对压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造过程中的安全问题非常重视，制定了以GB150《钢制压力容器》和《压力容器安全技术监察规程》为代表的中国压力容器标准体系。

美国ASME锅炉及压力容器规范是由美国机械工程师学会(ASME)的锅炉及压力容器委员会(BPVC)制定的，是世界上应用最早的标准之一，现已被公认为世界上技术内容最为完整、应用最为广泛的压力容器标准。

我国于1982年颁布了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及实施细则，明确了劳动部作为政府的主管部门，负责立法和管理工作。

1985年正式发行的《钢制压力容器设计规定》标志着我国开始形成统一的压力容器标准，1989年发行的GB 150—89《钢制压力容器》标志着我国已开始形成以强制性标准GB 150—89为核心的压力容器标准体系框架，经过十多年的发展，我国的压力容器标准体系在大多数领域内都有与国外标准相对应的标准，技术内容在总体上也达到了国际先进标准的水平。

为了使我国的压力容器产品能顺利进入国际市场，1984年兰州石油化工机器厂首家取得ASME认证证书后，全国较有实力的压力容器制造厂陆续取得ASME认证证书，现已有近百家企业通过ASME认证。

作者邓阳春陈钢杨笑峰徐彤【摘要】压力容器安全系数与材料参数紧密相关，确定材料许用应力值时，需要同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理；奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时，需要特殊考虑。

压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和降低成本，随着理论研究深入和科学实验的进步，压力容器安全系数有所降低，这是科学设计和实用成功经验结合的结果。

【关键词】压力容器；材料；许用应力；标准；安全系数0 引言压力容器广泛用于工业领域及日常生活领域，一旦破坏，往往造成灾难性事故。

为确保公众安全，应用科学技术和使用经验，世界各国制订了压力容器标准，并通过法规等形式强制执行。

合理选取材料许用应力值是保障压力容器安全、合理使用的科学基础。

1914年，美国制定了世界上第一部压力容器标准，材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。

直到1943年，英国压力容器标准选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。

为保证压力容器安全，确定材料许用应力值时，同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理。

奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时需特殊考虑。

目前，确定压力容器材料许用应力值一般取min{σs/n s，σb/n b，σD/n D，σn/n n}。

其中，σs，σb，σD，σn 分别为材料的屈服强度、抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度，在大多数工况下，压力容器材料主要考虑屈服强度和抗拉强度，在一定条件下，才需考虑材料蠕变强度和疲劳强度；n s，n b，n D，n n为安全系数。

安全系数主要取决于人们对客观规律的理解程度和设备发生事故的危害程度，压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，随着理论研究和科学实验的进步，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和经济考虑，压力容器安全系数有降低的趋势[1-2]。

压力容器应力分类及限制1．设计方法常规设计压力容器设计基本上是采用传统的设计方法—“常规设计”。

常规设计是基于弹性失效准则，认为容器内某一最大应力点一旦达到屈服限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。

在分析方法上它是以板壳薄膜理论的简化为基础的，不考虑边缘应力、局部应力及温差应力，也不考虑交变载荷引起的疲劳问题，所有类型的应力均采用统一的许用应力值，为了保证安全，通常采用较高的安全系数。

分析设计“分析设计”从设计思想上来说，就是放弃了传统的弹性失效准则，采用弹塑性或弹性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，采用这个准则，可以合理地放松对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。

2．应力分类（1）一次应力一次应力是平衡压力与其它机械载荷所必须的应力，它是维持结构各部分平衡需要的，一次应力没有“自限性”，所引起的塑性流动是不可限制的，不能靠本身的屈服变形来限制其大小，当塑性区扩展到极限状态，即使载荷不在增加，结构仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。

一次应力分为一次总体薄膜应力Pm一次弯曲应力Pb局部薄膜应力P L二次应力Q二次应力是满足元件间的约束及结构自身变形连续要求所需的应力，它是同一次应力一起满足变形的相互协调，在材料有足够的延性条件下，当二次应力处的局部材料发生屈服而进入塑性状态时，使弹性约束得到缓解，二次应力不再上升，原来不同的变形得到协调，结果二次应力自动限制，这就是二次应力的自限性。

二次应力还具有局部性，在连接处具有较高的峰值，但其作用范围不大随离开边缘的距离增大而迅速衰减。

例如离圆筒与封头连接处为2.5√Rδ时弯曲应力已降低到应力峰值的5%。

属于二次应力的如封头与筒体连接处的总体不连结构在内压作用下由于边缘剪力和弯矩在筒体或封头上所应起的弯曲应力（边缘应力），换热器在管壳上的温差应力（热应力）均属二次应力。

3．边缘应力的基本概念当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后，各自产生的变形是不一致的，称为变形不连续。