1
申报课程：压力容器设计
压力容器设计绪言
Introduction of
Pressure Vessel Design
潘家祯
华东理工大学
2
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
3
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
4
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
5
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
现代化企业的召唤，需要新一代的接班人，
企业未来的主人，怎样挑起肩上的责任？
把美好的理想，凝聚成人生的辉煌。
培养你们的才能，誓作祖国的栋梁。 ?
6
1.概述 1.2 压力容器的特点 ? 应用的广泛性
7
1.概述 1.2 压力容器的特点
? 锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束
? 核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件
? 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等）
? 反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器
? 压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞
? 透平机、泵 = 蜗壳 + 叶轮 ?
? 应用的广泛性
8
1.概述 1.2 压力容器的特点
压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶
金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产
部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油
化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、
罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压
力温度下运行，如一个年产 30万吨的乙烯装置，约有 793
台设备，其中压力容器 281台，占了 35.4%。蒸汽锅炉也属
于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至
于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。 ?
? 应用的广泛性
9
1.概述 1.2 压力容器的特点
压力容器的操作条件十分复杂, 甚至近于苛刻 。 压力
从 1～ 2× 10－ 5Pa的真空到高压, 超高压, 如石油加氢为
10.5～ 21.0 MPa；高压聚乙烯为 100～ 200 MPa；合成氨为
10～ 100 MPa；人造水晶高达 140 MPa；温度从 -196oC低
温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆, 燃,
毒, 辐 (照 ),腐 (蚀 ),磨 (损 )等数千个品种 。 操作条件的
复杂性使压力容器从设计, 制造, 安裝到使用, 维护都不
同于一般机械设备, 而成为一类特殊设备 。 ?
? 操作的复杂性
10
1.概述 1.2 压力容器的特点
压力容器因其承受各种静, 动载荷或交变载荷, 还有
附加的机械或温度载荷；其次, 大多数容器容纳压缩气体
或饱和液体, 若容器破裂, 导致介质突然卸压膨胀, 瞬间
释放出来的破坏能量极大, 加上压力容器极大多数系焊接
制造, 容易产生各种焊接缺陷, 一旦检验, 操作失误容易
发生爆炸破裂, 器内易爆, 易燃, 有毒的介质将向外泄漏,
势必造成极具灾难性的后果 。 因此, 对压力容器要求很高
的安全可靠性 。 ?
? 安全的高要求
11
1.概述 1.2 压力容器的特点
当前压力容器向大容量, 高参数发展, 如核电站一个
1500MW压水堆压力壳, 工作压力为 14～ 16MPa,工作温度
为 250～ 330oC,容器内直径 7800mm,壁厚 317 mm,重 650
吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为 17.5～
25MPa,工作温度为 450～ 550oC,内直径为 3000～ 5000mm，
壁厚为 200～ 400 mm,重 400～ 2600吨, 对这类容器的工艺
要求和运行可靠性要求更高, 显然比一般压力容器又有更
高更严格的安全性要求 。 ?
? 安全的高要求
12
1.概述 1.3 压力容器的安全特征
1996年 12月的统计资料表明, 国内在用固定式压力容
器多达 122.22万台, 移动式压力容器中罐车 16910辆, 在
用气瓶 5498.7571万只；锅炉总台数也高达 51.57万台 。
此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计 2432个, 设
计单位 1380个 。 如此庞大且潜在隐患容器的存在, 以及地
域广泛的制造设计部门, 自然成为国内外政府部门特别重
视其安全管理和监察检查的原因 。 ?
? 量大面广
13
1.概述 1.3 压力容器的安全特征
国内 1998年共发生锅炉, 压力容器, 气瓶爆炸事故 132
起, 严重事故 274起, 共死亡 104人, 受伤 371人, 直接经济
损失 2813.58万元 。 锅炉, 压力容器, 气瓶的爆炸事故率分
别为 1.07次 /万台, 0.28次 /万台, 0.65次 /万台 。 ?
? 事故率高
14
1.概述 1.3 压力容器的安全特征
1968年英国原子能局 （ UKAEA） 安全卫生处和联合部
技术委员会 （ AOTC） 工程检验机构调查使用年限在 30年以
内, 符合英国 BS1500和 BS1515等压力容器规范的一级压力
容器发生破坏事故的统计情况如下表所示：
? 危害性大
压力容器破坏几率
年份 容器运行 灾难性事故 a 损伤事故 b 总计
台 ·年 次数 事故率 次数 事故率 次数 事故
1962-1967 100300 7 0.7× 10－ 4 125 1.25× 10－ 4 132 1.32× 10－ 4
1967-1972 105400 16 1.5× 10－ 4 123 1.17× 10－ 4 139 1.32× 10－ 4
15
1.概述 1.3 压力容器的安全特征
a.灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器；
b.损伤事故指有潜在危险的事故；
c.事故发生率＝发生事故数 /（设备台数 × 运行年）
表中的数字表明 10000台容器中发生损坏事故每年
12.5次，达到破坏事故 0.7次，事故几率为 1.32‰,而且
这 132起使用中的容器事故，按其原因分类,89.3%，即
118起是各种制造裂纹所引起。 ?
? 危害性大
16
1.概述 1.3 压力容器的事故实例
1979年 9月 7日国内某电化厂 415升液氯
钢瓶爆炸，击穿 5个，爆炸 5个,10200公斤液
氯外泄，波及 7公里范围,59人死亡,779人
严重中毒。
1979年 12月 18日国内某液化气站 400M3储
罐爆炸，引发 3个球罐和一个卧罐爆炸,5000
只气瓶爆炸,600吨液化气燃烧,32人死亡，
54 人伤。
17
1.概述 1.3 压力容器的事故实例
1986年 4月 28日前苏联切尔诺
贝利核电站压力壳发生核泄漏，
31人死亡,20个国家 4亿人受害
。
18
1.概述 1.3 压力容器的事故实例
1984年 12月 3日印度博帕尔市
农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏
,2580人死亡,125000人中毒，
5万人失明。
19
2.压力容器设计 2.1 质量保证体系
定 义
确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退
出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有
计划、系统的措施。
内 容
材料 — 设计 — 制造与制造过程中的检验 — 在役
检验与监控。 ?
20
2.压力容器设计 2.2 基本要求
安全性
? 足够的强度
? 足够的刚度 (或稳定性 )
? 可靠的密封性能
? 一定的使用寿命
经济性
? 经济可靠的材料
? 经济的制造方法
? 低的操作和维护费用
? 长周期的安全运行
安、稳、长、满、优
原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济 ?
21
2.压力容器设计 2.2 基本要求
按规则设计 - GB150,钢制压力容器,
基于经济方法的设计，其典型过程是确定
设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对
材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚
度，然后根据规范许可的构造细则及有关制造
检验要求进行制造。 ?
22
2.压力容器设计 2.2 基本要求
按分析设计 -JB4732,钢制压力容器 — 分析设
计标准,
基于考虑作用在容器上载荷的性质，进行
详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器
破坏的作用分类，与许用应力强度比较和评定
，并加上严格的材料、制造和检验要求。 ?
23
2.压力容器设计 2.３ 设计准则
设计准则 — 在特定的设计条件下，有效地利用材料的
强度或刚度，使容器或其部件在设计寿命内安全运行。
强度设计准则
? 弹性设计准则
? 塑性设计准则
? 脆断设计准则
? 疲劳设计准则
? 蠕变设计准则
刚度设计准则
? 弹性变形设计准则
? 失稳设计准则 ?
24
2.压力容器设计 2.３ 设计准则
容器不出现涉及总体
范围的较大变形，即在
内压或其他拉伸等静力
载荷在器壁中所引起的
最大应力不超过材料的
弹性极限。如考虑设计
安全裕度，则限制在材
料的许用应力以下。 ?
σd = σ2= p Dc / 2 t ≤ [σ]
弹性设计准则
σ1= p D / 4 t
σ2 = p D / 2t
σ1
σ2
p
D
t
25
2.压力容器设计 2.３ 设计准则
当容器总体范围进入
整体塑性变形或局部区
域沿整个壁厚进入塑性
变形时，则认为容器己
耗尽承载能力而失效。
极限设计
安定性准则 ?
塑性设计准则
Mp=（ bh/4） σy
Me=（ bh2/6） σy
Mp
σy
σy
26
2.压力容器设计 2.４ 小结
压力容器设计
正确选材 正确设计
正确制造 严格检验
按照规范要求
减少内应力 减少不连
续应力
无损探伤保证焊缝 质量
材料的韧性
申报课程：压力容器设计
压力容器设计绪言
Introduction of
Pressure Vessel Design
潘家祯
华东理工大学
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1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
3
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
4
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
5
1.概述 1.1 现代化企业的雄姿
现代化企业的召唤，需要新一代的接班人，
企业未来的主人，怎样挑起肩上的责任？
把美好的理想，凝聚成人生的辉煌。
培养你们的才能，誓作祖国的栋梁。 ?
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1.概述 1.2 压力容器的特点 ? 应用的广泛性
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1.概述 1.2 压力容器的特点
? 锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束
? 核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件
? 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等）
? 反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器
? 压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞
? 透平机、泵 = 蜗壳 + 叶轮 ?
? 应用的广泛性
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1.概述 1.2 压力容器的特点
压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶
金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产
部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油
化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、
罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压
力温度下运行，如一个年产 30万吨的乙烯装置，约有 793
台设备，其中压力容器 281台，占了 35.4%。蒸汽锅炉也属
于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至
于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。 ?
? 应用的广泛性
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1.概述 1.2 压力容器的特点
压力容器的操作条件十分复杂, 甚至近于苛刻 。 压力
从 1～ 2× 10－ 5Pa的真空到高压, 超高压, 如石油加氢为
10.5～ 21.0 MPa；高压聚乙烯为 100～ 200 MPa；合成氨为
10～ 100 MPa；人造水晶高达 140 MPa；温度从 -196oC低
温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆, 燃,
毒, 辐 (照 ),腐 (蚀 ),磨 (损 )等数千个品种 。 操作条件的
复杂性使压力容器从设计, 制造, 安裝到使用, 维护都不
同于一般机械设备, 而成为一类特殊设备 。 ?
? 操作的复杂性
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1.概述 1.2 压力容器的特点
压力容器因其承受各种静, 动载荷或交变载荷, 还有
附加的机械或温度载荷；其次, 大多数容器容纳压缩气体
或饱和液体, 若容器破裂, 导致介质突然卸压膨胀, 瞬间
释放出来的破坏能量极大, 加上压力容器极大多数系焊接
制造, 容易产生各种焊接缺陷, 一旦检验, 操作失误容易
发生爆炸破裂, 器内易爆, 易燃, 有毒的介质将向外泄漏,
势必造成极具灾难性的后果 。 因此, 对压力容器要求很高
的安全可靠性 。 ?
? 安全的高要求
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1.概述 1.2 压力容器的特点
当前压力容器向大容量, 高参数发展, 如核电站一个
1500MW压水堆压力壳, 工作压力为 14～ 16MPa,工作温度
为 250～ 330oC,容器内直径 7800mm,壁厚 317 mm,重 650
吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为 17.5～
25MPa,工作温度为 450～ 550oC,内直径为 3000～ 5000mm，
壁厚为 200～ 400 mm,重 400～ 2600吨, 对这类容器的工艺
要求和运行可靠性要求更高, 显然比一般压力容器又有更
高更严格的安全性要求 。 ?
? 安全的高要求
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1.概述 1.3 压力容器的安全特征
1996年 12月的统计资料表明, 国内在用固定式压力容
器多达 122.22万台, 移动式压力容器中罐车 16910辆, 在
用气瓶 5498.7571万只；锅炉总台数也高达 51.57万台 。
此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计 2432个, 设
计单位 1380个 。 如此庞大且潜在隐患容器的存在, 以及地
域广泛的制造设计部门, 自然成为国内外政府部门特别重
视其安全管理和监察检查的原因 。 ?
? 量大面广
13
1.概述 1.3 压力容器的安全特征
国内 1998年共发生锅炉, 压力容器, 气瓶爆炸事故 132
起, 严重事故 274起, 共死亡 104人, 受伤 371人, 直接经济
损失 2813.58万元 。 锅炉, 压力容器, 气瓶的爆炸事故率分
别为 1.07次 /万台, 0.28次 /万台, 0.65次 /万台 。 ?
? 事故率高
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1.概述 1.3 压力容器的安全特征
1968年英国原子能局 （ UKAEA） 安全卫生处和联合部
技术委员会 （ AOTC） 工程检验机构调查使用年限在 30年以
内, 符合英国 BS1500和 BS1515等压力容器规范的一级压力
容器发生破坏事故的统计情况如下表所示：
? 危害性大
压力容器破坏几率
年份 容器运行 灾难性事故 a 损伤事故 b 总计
台 ·年 次数 事故率 次数 事故率 次数 事故
1962-1967 100300 7 0.7× 10－ 4 125 1.25× 10－ 4 132 1.32× 10－ 4
1967-1972 105400 16 1.5× 10－ 4 123 1.17× 10－ 4 139 1.32× 10－ 4
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1.概述 1.3 压力容器的安全特征
a.灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器；
b.损伤事故指有潜在危险的事故；
c.事故发生率＝发生事故数 /（设备台数 × 运行年）
表中的数字表明 10000台容器中发生损坏事故每年
12.5次，达到破坏事故 0.7次，事故几率为 1.32‰,而且
这 132起使用中的容器事故，按其原因分类,89.3%，即
118起是各种制造裂纹所引起。 ?
? 危害性大
16
1.概述 1.3 压力容器的事故实例
1979年 9月 7日国内某电化厂 415升液氯
钢瓶爆炸，击穿 5个，爆炸 5个,10200公斤液
氯外泄，波及 7公里范围,59人死亡,779人
严重中毒。
1979年 12月 18日国内某液化气站 400M3储
罐爆炸，引发 3个球罐和一个卧罐爆炸,5000
只气瓶爆炸,600吨液化气燃烧,32人死亡，
54 人伤。
17
1.概述 1.3 压力容器的事故实例
1986年 4月 28日前苏联切尔诺
贝利核电站压力壳发生核泄漏，
31人死亡,20个国家 4亿人受害
。
18
1.概述 1.3 压力容器的事故实例
1984年 12月 3日印度博帕尔市
农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏
,2580人死亡,125000人中毒，
5万人失明。
19
2.压力容器设计 2.1 质量保证体系
定 义
确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退
出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有
计划、系统的措施。
内 容
材料 — 设计 — 制造与制造过程中的检验 — 在役
检验与监控。 ?
20
2.压力容器设计 2.2 基本要求
安全性
? 足够的强度
? 足够的刚度 (或稳定性 )
? 可靠的密封性能
? 一定的使用寿命
经济性
? 经济可靠的材料
? 经济的制造方法
? 低的操作和维护费用
? 长周期的安全运行
安、稳、长、满、优
原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济 ?
21
2.压力容器设计 2.2 基本要求
按规则设计 - GB150,钢制压力容器,
基于经济方法的设计，其典型过程是确定
设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对
材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚
度，然后根据规范许可的构造细则及有关制造
检验要求进行制造。 ?
22
2.压力容器设计 2.2 基本要求
按分析设计 -JB4732,钢制压力容器 — 分析设
计标准,
基于考虑作用在容器上载荷的性质，进行
详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器
破坏的作用分类，与许用应力强度比较和评定
，并加上严格的材料、制造和检验要求。 ?
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2.压力容器设计 2.３ 设计准则
设计准则 — 在特定的设计条件下，有效地利用材料的
强度或刚度，使容器或其部件在设计寿命内安全运行。
强度设计准则
? 弹性设计准则
? 塑性设计准则
? 脆断设计准则
? 疲劳设计准则
? 蠕变设计准则
刚度设计准则
? 弹性变形设计准则
? 失稳设计准则 ?
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2.压力容器设计 2.３ 设计准则
容器不出现涉及总体
范围的较大变形，即在
内压或其他拉伸等静力
载荷在器壁中所引起的
最大应力不超过材料的
弹性极限。如考虑设计
安全裕度，则限制在材
料的许用应力以下。 ?
σd = σ2= p Dc / 2 t ≤ [σ]
弹性设计准则
σ1= p D / 4 t
σ2 = p D / 2t
σ1
σ2
p
D
t
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2.压力容器设计 2.３ 设计准则
当容器总体范围进入
整体塑性变形或局部区
域沿整个壁厚进入塑性
变形时，则认为容器己
耗尽承载能力而失效。
极限设计
安定性准则 ?
塑性设计准则
Mp=（ bh/4） σy
Me=（ bh2/6） σy
Mp
σy
σy
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2.压力容器设计 2.４ 小结
压力容器设计
正确选材 正确设计
正确制造 严格检验
按照规范要求
减少内应力 减少不连
续应力
无损探伤保证焊缝 质量
材料的韧性
