压力容器，第1部分：压力容器设计、壳体、头部、喷嘴和基本法兰
01介绍压力容器是指盛装加压流体的任何密闭容器，无论其形状和尺寸如何，不论其内部或外部压力如何。本卷所述的圆柱形容器是根据薄壁圆柱体原理计算的。设计容器的第一步是为所要达到的服务选择最佳类型。影响选择的因素包括容器的功能、地点、必须储存的流体的性质、温度和操作压力，以及它们能否储存工艺所需的体积。压力容器可根据其预期用途、温度和压力、材料及几何形状进行分类。不同类型的压力容器可分类如下：根据压力容器的用途可分为储运容器和工艺容器。第一类容器仅用于储存加压流体，根据用途可分为储罐。工艺压力容器用途广泛，包括换热器、反应器、分馏塔、蒸馏塔等。根据形状，压力容器可以是圆柱形或球形。前者可以是水平的也可以是垂直的，在某些情况下，可以有线圈来提高或降低流体的温度。球形压力容器通常用作储罐，推荐用于储存大量物料。由于球形是物体在承受内部压力时所采用的“自然”形状，因此这是储存加压流体的最经济的方式。然而，与圆柱形容器相比，这种容器的制造成本要高得多。02压力容器部件下面介绍了两种样本容器：垂直和水平。在这两种情况下，都显示了主要部分：几何定义为了确定压力容器的几何形状，使用设备的内径和切线之间的距离。由于这是工艺要求，因此应使用内径。焊接线：指头部与外壳焊接的部位切线：头部曲率开始的点根据磁头的制造方法，磁头会有一个直裙。为了确定压力容器的长度（无论头型如何），使用切线之间的距离，因为这个距离不依赖于头的制造方法。很少有焊接和切线重合的情况。03生产顺序设计标准使用设计规范的目的在于避免可能影响人类的灾难，因此它们包含了一系列的经验和良好做法。虽然存在若干适用规则，由在该主题中具有公认技术专长的国家制定，但最国际公认且使用最广泛的规范是美国机械工程师学会（ASME）锅炉与压力容器规范（BPVC）第八节“压力容器”。除上述标准外，压力容器最常用的标准为：欧洲：EN-13445德国：A.D.Merkblatt代码联合王国：英国标准BS5500法国：CODAP中国：GB-150设计规范中的规则代表了多年的经验。如果明智地使用规范要求，可以：沟通设计要求利用专门知识和技术保持设备成本低降低保险成本提供适当的设备设计规则，以满足由他人确定的设计条件。不提供设计条件确定的规则或指南。不要为确定所需的施工材料或腐蚀裕量提供规则或指导。大多数设计规范的设计范围仅包括新建工程，不包括改造、维修或重新评级。1.1）标准比较设计规范中的规定是一组相互关联的设计、制造、检查和测试要求。例如，使用较高的设计应力可能取决于使用严格的材料、分析、检查和测试要求。因此，不同的代码可以得到不同的结果壁厚，但具有等效的可靠性程度。ASMEBPVC-锅炉和压力容器规范2.1）历史回顾18世纪末，使用压力远高于大气压的锅炉以及保护工作人员免受故障伤害的需求迅速增长。在许多情况下，在这种条件下运行锅炉和容器的结果是灾难性的。人们曾多次尝试对设计标准和计算进行标准化，但在1911年，由于锅炉制造缺乏统一性，锅炉和压力容器的制造商和用户要求ASME协会提供咨询意见以纠正这种情况。最后，在1915年，该协会在美国出版了第一份ASME锅炉规范（现在称为第I部分）。制定这些规范是为了提供制造方法、记录和报告设计数据。直到1930年，当第一个焊接容器被制造出来之前，压力容器和锅炉都是用铆钉连接的。接缝是通过在板上“重叠”或使用条带形成，然后在接缝上钻孔并拧紧铆钉。据估计，每个铆钉在一个特定的作用区域增加了压力，从而保证了设备的完整性。历史上，工程师在压力容器设计中应用了材料强度的传统规则。它们至今仍在使用，但结合以下内容：无损检测（NDE）安全系数经验教训上述内容包括压力容器的经典设计；如今，根据有限元分析（FEA）的检查越来越多，结果非常出色，因此，如果需要的话，我们必须考虑在我们的设计中使用这个强大的工具。2.2)BPVC截面ASMEBVPC规范是一套基于多年经验的标准、规范和设计规则，全部应用于压力容器的设计、制造、安装、检查和认证。该标准由美国制定；多家保险公司要求采用设计规范以减少损失和伤亡。ASME锅炉与压力容器分为以下章节：上图所示为该规范的十二个章节，正确设计压力容器必须了解第八章，同时设计者还应熟悉第二、五和第九章。根据各部分的范围，12个部分可以分组如下：施工规范：第I、III、IV、VIII、X和XII节参考编号：第II、V、IX节操作、检查和在用维护规则：第VI和VII节。2.3）第八节划分ASME规范第八章是制造规范，包含强制性要求、特定的禁止事项以及构造规则和非强制性的附录。该规范并不涵盖与这些活动相关的所有可能性，因此，未特别提到的方面不应被视为禁止。不管怎么说，由谁来编写设计标准？该标准是由不同领域的公认人士编写的：学术界、检验机构、所有者、用户、压力容器制造商和认证机构等。标准最重要的方面是什么？标准最重要的方面是知道它的组织结构，知道去哪里查找东西。更重要的是，要读到段落的结尾；即使它看起来好像我们已经找到了我们正在寻找的东西。ASME第八部分分为三个分部：第1、2和3分部。第3分部用于压力约为10,000psig（703kg/cm2g）的高压设备的计算和设计，而第2分部和第1分部用于其余应用。根据第1部分的设备设计基于不需要对所有应力进行详细评估的规则。存在较高的二次应力和弯曲应力，但由于安全系数是保守的，应力将得到补偿。按照第2部分进行设计时，需要进行更详细的分析，这使得设计者可以考虑更高的容许应力，从而获得更真实、经济和可靠的结果。ASME第八版第2分部和第1分部的另一个区别在于用于建立计算方程的失效理论。第1分部基于正应力理论，而第2分部基于最大变形能（VonMisses）理论。此外，各分部的计算方法不同；第一分部的设计是通过规则，而第二分部的设计是通过分析，一种更精确的方法。第1分部最重要的限制是压力；当设计压力超过3000psi（210Kg/cm2）时，需要根据第2分部进行设计。此外，第1分部不能用于低于15psi（1.054kg/cm2）的压力。除压力限制外，第1分部和第2分部的范围相同，主要区别是：容许应力应力计算循环服务设计总体设计质量控制检验和制造那么我们能否制定明确的划分标准来指导具体应用时机呢？答案是否定的。每个案例都具有独特性，设计人员需要综合分析所有设计条件才能确定适用的划分方式。当专业人员认为必要时，应同时采用两种划分方法进行对比验证。虽然无法一概而论地列出通用规则，但下方提供了一个包含实用技巧的参考表格：可以说，第1部分规定了通用的保守设计标准，而第2部分提供了更好的设计，使用接近实际应力。后者结合更严格的无损检测，结果是经济上更有效的设计。ASMEBPVC第八节，第1分部3.1）范围第U-1节中定义了VIII-1的覆盖范围。实际上，“范围”一词指的是两个术语：所考虑的设备类型以及压力容器的几何结构。在进行任何设计之前，建议设计师仔细审查段落U-1，以确定是否可以根据规范及其影响来设计设备。规范范围内的主要考虑因素总结如下：U-1(a)(2)所定义的压力容器，是指用于“承受”内部或外部压力的容器。这一定义涵盖范围极其广泛，其中部分类型在规则制定过程中并未纳入考量。为避免对第八条第1款所涵盖的压力容器类别产生混淆，委员会更倾向于直接列举“规则制定过程中未涉及的设备”，而非罗列已确定的受监管类型。U-1(c)(2)表明VIII-1不适用于以下压力容器：(a)其中包括ASME规范其他章节所涵盖的内容。(b)管式加热器的工艺。(c)作为机器（旋转设备）组成部分的压力容器U-1(c)(2)(d)管道系统不在VIII-1的范围内。确定管道系统和压力容器之间的区别有时可能很复杂：(a)如果压力容器的主要用途是将流体从系统的一个点转移到另一个点，则可以认为它是一个管道，并且必须符合其他规范的要求。(b)诸如分馏盘管或除雾器等内部组件的主要目的不是输送流体，而是出于工艺原因而安装，因此必须将它们包括在VIII-1的范围内。U-1(c)(2)(h)规定了压力范围的界定。如果容器的内部或外部压力小于100kPa，则可以认为其不在VIII-1的范围内。U-1(c)(2)(i)内径、宽度、高度或对角线小于152mm的压力容器，不论其长度或设计压力如何，均不属于VIII-1的范围。U-1(c)(2)(j)载人压力容器（PVHO）不在VIII-1的范围内。此时的设计规范是ANSI/ASMEPVHO-1。U-1(g)中包含的某些蒸汽发生设备属于VIII-1范围。(a)U-1(g)(1)：未点火锅炉可按照第I节或第VIII-1节进行制造（参见UG-125(b)和UW-2(c))(b)U-1(g)(2)中所述的产生蒸汽的压力容器均属于VIII-1的范围。(c)U-1(g)(2)(a)：为蒸发器或热交换器。(d)U-1(g)(2)(b)：压力容器，其中因系统或工艺中的热而产生蒸汽。U-1(e)规定了范围的几何学定义。限制和限制如下：(a)焊接喷嘴（无法兰）：喷嘴颈部的第一个环向接头，其极限可能位于容器内。(b)螺纹喷嘴（无法兰）：第一个螺纹。(c)法兰喷嘴：第一个法兰面。3.2）标准组织第八节第1分部的组织和划分如下：3.2.1）A小节：一般要求部件UG所有施工方法和材料的一般要求。段落从UG-1到UG-137。由于这些是通用要求，所以它们是所有要求中最重要的部分。如果目标是创建安全的、技术上可行和经济上可行的设计，设计者应该熟悉所有的段落和图表本部分划分的简要总结如下：UG-4至UG-15：材料UG-16至UG-55：设计UG-36至UG-45：开口和加固UG-75至UG-85：制造UG-90至UG-103：检查和试验3.2.2）子章节B：与制造方法有关的要求华威大学焊接制造压力容器的要求。第UW-1至UW-65段。由于大多数压力容器是通过焊接制造的，因此这是规范的主要部分之一。本部分划分的简要总结如下：UW-2：服务限制UW-3：联合类别UW-5：材料UW-8至UW-21：设计UW-11：射线照相测试（RT）UW-12：联合效率UW-26至UW-42：制造UW-46至UW-53：检查和测试UF部分要求用锻造方法制造的压力容器。第UF-1至UF-125段。完全锻造的容器非常罕见。它们用于小型应用和非常特殊的工艺。UB部分钎焊制造压力容器的要求。问题从UB-1到UB-60不等。与锻造制造的容器一样，这种焊接非常罕见。这是因为电弧焊接技术已得到改进；另一方面，“钎焊”工艺通常比电弧焊接工艺更昂贵且生产效率更低。3.2.3）子章节C：有关材料类别的要求部分UC碳钢和低合金钢（Cr-Mo、Cr-Mo-V）制造的压力容器要求。点从UCS-1到UCS-160。由于绝大多数（90%）压力容器由碳钢和低合金钢制成，因此本节内容至关重要。本部分划分的简要总结如下：UCS-5至UCS-12：材料UCS-16至UCS-57：设计UCS-65至UCS-68：低温操作UCS-75至UCS-85：制造UCS-90：检查和测试非联合国部分用有色金属材料制造的压力容器的要求。第UNF-1至UNF-125段。UHA部分由高合金材料制成的压力容器的要求。第UHA-1至UHA-109段落。UCI部分用铸铁材料制造的压力容器的要求。第UCI-1至UCI-125段落。UCL部分采用包壳或焊覆（衬里）方式建造的压力容器的要求，条款由UCL-1至UCL-60。部分UCD由铸造球墨铸铁制成的压力容器的要求。第UCD-1至UCD-125段。部件UHT采用经热处理增加应力的铁素体钢制造的压力容器的要求。段落从UHT-1到UHT-125。部分UIG用浸渍石墨建造的压力容器的要求。第UIG-1至UIG-125段部件ULW分层建造压力容器的要求。段落从ULW-1到ULW-125。部件ULT压力容器制造的替代规则，采用低温下允许应力较高的材料。段落从ULT-1到ULT-125。部件UHX壳管式换热器规则，段落从UHX-1到UHX-20。3.3)ASME印章压力容器通过ASME认证时，所有设计、建造、检查和测试阶段均按照规范规定执行，此外，ASME规范代表在上述阶段见证某些要点。参与合法化进程。基本原则是：ASME压力容器必须在上述所有阶段接受授权第三方的检验，以验证是否符合规范要求。由授权第三方在规范对应表格上签字认证，确认容器制造符合规范要求，这是锅炉和压力容器验收的关键环节，尤其需要多个机构共同参与。授权检查员除了在上述阶段检查压力容器外，还可以监督现场安装程序。此外，在设备投入使用后，他们可以定期检查是否符合当地锅炉和压力容器法规所规定的法律要求。除了所有要求之外，任何带印章的锅炉或压力容器必须符合规范的所有方面，它必须由持有ASME颁发的授权证书的制造商设计、制造和检查。压力容器可依据ASME规范进行设计，但这并不意味着设备是ASME认证的。该认证通常与质量等级相关联，因此也与安全性相关联。它需要更彻底的文件管理以及严格的制造和检查程序。这是客户的要求。适用于压力容器的不同ASME印章类型：“U印章”用于根据ASME第八分部第1部分的设备，“U2印章”用于根据分部2的设备。3.4)规范修订《国际货物运输公约》的修订是指与以前的要求不同的变化。这些修订自重新颁布之日起适用，并在该日期后六个月成为强制性要求（材料除外）（在该六个月期限结束之前订约的船舶除外）。3.4.1）周期版本每两年发布新版本（2011、2013和2015）。修订内容反映了《守则》的新版本，可在前言和参与审评人员名单之后的“变更摘要”中找到。强烈建议始终直接查看代码，阅读摘要或概要并不明智。代码是定期发布的，摘要很容易过时。3.4.2）解释锅炉和压力容器委员会对规范中各段落的要求和意图提供正式解释。解释是根据附录16规定的程序要求发布的。3.4.3）判例代码案例是ASME标准的紧急修订，以包括当前版本中不包含的某些要点或寻求本文档中提到的要点的替代方案。这些“修订”可能涉及材料、设计、NDE或制造等方面。代码案例没有截止日期，如果尚未被撤回或修订（参见www.asme.org数据库），则可以使用。这些案例被归类在一个文档中，该文档不包括在任何代码部分的主体内，而是单独排序。什么时候使用它们？同样，这取决于设计的复杂程度和设计师的知识水平。有大量的代码案例，涵盖不同的问题。例如：CodeCase2235-9：使用UT代替RT来源：气瓶设计的小工程师
