GB 150-1998 钢制压力容器

GB150-1998

《钢制压力容器》

标准释义

全国压力容器标准化技术委员会

GB150-1998《钢制压力容器》标准释义

目录

一、标准包含内容的变化4

二、适用范围4

1.设计压力4

2.设计温度4

3.真空度5

4.主要受压元件算式的适用范围5

5.各标准的适用范围及其概况5

三、标准的理论依据及解题方法9

1.考虑的载荷9

2.计算方法9

3.容器的强度控制10

四、许用应力值的确定11

1.基本许用应力11

2.局部许用应力极限15

3.螺栓的许用应力15

4.控制失稳的安全系数17

五、各章、节元件计算的理论依据概述18

1.内压圆筒（本标准第5章）19

2.内压球壳（本标准第5章）19

3.圆筒受内压并加其他载荷引起的轴向应力作用时的计算19

4.外压圆筒（本标准第6章）21

5.外压球壳和凸面受压的凸形封头21

6.外压圆筒加强圈（本标准第6章）21

7.椭圆形封头（本标准第7章）22

8.碟形封头（本标准第7章）22

9.球冠封头（本标准第7章）23

10.锥体（本标准第7章）23

11.锥体大端与圆筒连接处的壁厚（本标准第7章）23

12.锥体小端与圆筒体连接处的壁厚（第7章）24

13.折边锥体（本标准第7章）24

14.平盖（本标准第7章）25

15.带法兰球冠形封头（本标准第7章）25

16.开孔补强（本标准第8章）26

17.法兰（本标准第9章）26

18.非圆形截面容器（本标准附录D）27

19.密封结构设计（本标准附录G）31

六、材料的改变33

1.增加的钢号与修订33

2.钢板超声波检测要求的改动35

3.材料的补充规定（本标准附录A）36

七、制造、检验与验收41

2

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八、各章节的主要修改内容42

1.本标准的第1章和第2章42

2.第3章总论43

3.第5章内压圆筒和内压球壳45

4.第6章外压圆筒和外压球壳45

5.第8章开孔和开孔补强46

6.低温压力容器（本标准附录C）47

3

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一、标准包含内容的变化

按照1990-1195年筹划安排的标准系统及计划，对GB150-89做了以下较大的改变：

（1）制订了行业标准JB4710-92《钢制塔式容器》，帮在标准中撤消了第9章“直立容器”，

及其相关的附录F“直立容器高振型计算”。

（2）制订了行业标准JB4731-xx《钢制卧式容器》，现正在审批中，帮撤消了第8章“卧式

容器”。

（3）制订了行业标准JB4730-94《压力容器无损检测》，撤消了附录H“钢制压力容器渗透

探伤”。

（4）制订了国家标准GB16749-97《压力容器波形膨胀节》，撤消了附录E“U形膨胀节”。

上述删改主要考虑了易于查找，方便于复审、修订及使用。现在的日本标准自1993年始已

经将原JISB8243及JISB8250改成JISB8270-JISB8285，共16个单项标准；欧共体标准

也是按此原则编排的。

（5）按照GB/T1.1-1993的规定增加了“前言”、第1章“范围”和第2章“引用标准”。

二、适用范围

国家标准GB150-1998《钢制压力容器》在下列适用范围内是必须遵循的规定。

1.设计压力

设计压力最高为35MPa，最低为0.1MPa。其中的最高设计压力35MPa系沿袭中国石油

化工总公司和机械、化工两部《钢制石油化工压力容器设计规定》；最低设计0.1MPa系考

虑与劳动部《压力容器安全监察规程》协调一致，并考虑与大多数国家的容器标准所划的界

限相同［例如，美国ASME第VIII卷第1篇（以下简称ASME-VIII-1）、英国BS5500、日

本JISB8270等］。

当设计压力高于35MPa时，可采用JB4732-95《钢制压力容器――分析设计标准》（设

计压力适用范围可达100MPa）；当设计压力低于0.1MPa时，可采用JB/T4735-1997《钢制

焊接常压容器》。

2.设计温度

容器的设计温度是按材料允许使用温度，根据钢材的特性确定，可从-196℃至钢材的蠕

变范围。

具体设计温度范围是：

非受压容器用碳素钢

沸腾钢0-250℃

镇静钢0-350℃

压力容器用碳素钢-19-475℃

低合金钢-40-475℃

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低温用钢至-70℃

碳钼钢及锰钼铌钢至520℃

铁素体高合金钢至500℃

奥氏体高合金钢-196-700℃（低于-100℃使用时，需补做设计温度下焊接接

头夏比V形冲击试验）

3.真空度

2000mm水柱（19.61kPa），低于2000mm水柱时采用JB/T4735-1997《钢制焊接常压容

器》，以考虑经济效用。

4.主要受压元件算式的适用范围

标准中几个主要受压元件计算式规定的适用范围系考虑公式的精确程度或元件边缘效

应等超出设定的强度、稳定以及刚度范围而定，如表1所示。

5.各标准的适用范围及其概况

我国的钢制容器标准已完备了从常压至100MPa体系，为便于选择，列出了GB

150-1998、JB4732-95以及JB/T4735-1997三个标准之间适用范围及其主要的技术要求的区

别及比较，详见表2（其中GB150的有关详细叙述将在以下各节中说明）。

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表1主要受压元件计算式的适用范围

序号计算公式适用范围备注

圆筒tK≤1.5，可控制圆筒内壁实

p≤0.4[σ]φ

际应力不超过设计应力的

1pDi即K≤1.5

δ1.25倍，且外壁应力不会超

t

2[σ]φ−p

KD0/D1出材料的屈服限

圆筒

t

p≤0.6[σ]φ

K≤1.353，其外壁实际应力

2pDi

δ基本相等

t即D/D≤1.353

4[σ]φ−p01

控制封头最小厚度δ为封

e

控制封头厚度不小于封头内直径的

头直径的0.15%或0.30%，以

椭圆形封头0.15%（标准封头）和0.30%（非标准封

防止封头转角区发生稳定失

头）。规定封头直径与封头深度之比

3pDK效。控制封头的长短轴比值

δi

tD

2[σ]φ−0.5pi≤2.6D

2hi≤2.6，以避免形状系

i2h

i

数K值过大

控制封头的球面曲率半径R≤D，封

i

碟形封头控制封头最小厚度δ及球

头转角内半径r≥10%D，且不小于e

ii

4MpRi

δ面曲率半径R和转角半径r

t3δ；封头的厚度δ≥0.15D或i

σφ

2[]−0.5peei

的理由同椭圆形封头

0.3%D

i

无折边球面封头

控制封头的球面半径为圆筒直径的

5QpD系考虑结构需要

δi0.7-1.0

t

2[σ]φ−p

a.锥壳计算厚度：

只用于锥壳半顶角α≤30°。当锥壳

控制半顶角α为避免封头过

pDi1大端有折边，其小端锥壳在α≤45°

δ=⋅厚

2[]tcos时，可以采用无折边结构

σφ−pα

无

折b.封头大端：

式中Q值系封头与圆筒连接处的应力

边

6QpD集中系数，主要为轴向弯曲应力，只用为避免Q值过大

锥δi

rt

2[]p于α≤30°

σφ−

形

封c.封头小端：

式中Q值系封头与圆筒连接处的应力

头

QpD集中系数，主要为平均环向拉应力和平为避免Q值过大

δi

r2[]tp均径向压应力，只用于α≤45°

σφ−

6

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表2钢制容器各标准的概况

标准名称JB4732-1995

GB150-1998JB/T4735-1997

项目《钢制压力容器――

《钢制压力容器》《钢制焊接常压容器》

分析设计标准》

设计压力范围<100MPa0.1-35MPa<0.1MPa

5

低于以钢材蠕变（10h蠕变率为

按钢材允许的使用温度确定大于-20℃至350℃（奥氏体

设计温度范围

1%）控制其许用应力强度的相应温（－196-700℃）钢不受此限制）

度（其温度范围约在475℃以下）

碳素钢或低合金钢：碳素钢或低合金钢：碳素钢或16MnR：

nb≥2.6，ns≥1.5nb≥3.0；ns≥1.6nb≥2.5，ns≥1.5

奥氏体钢：奥氏体钢：

n≥1.5；n≥1.0

pn

n≥1.5n≥1.5

s奥氏体钢：s

许用应力或许用应

对特殊要求的低合金高强度钢将取

力强度的基准（即安na≥1.5；nD≥1.5

全系数的取值）nb≥2.4

n≥1.0

n

t

（σ取最小值时，其

D

n≥1.25）

D

对盛装物料（介质）不限不限不得用于盛装毒性为极度或

的限制高度危害的介质

需要，但有免除条件，见标准的3.9一般不需要，当超出本标准不需要

条和3.10条规定，尤其是无法用常规确

是否需要应力分析

定结构尺寸，允许用应力分

或疲劳分析

析为基础的设计，见标准中

1.4条

所有焊接接头均须100%无损检测，按钢种及厚度条件确定无损按容器的公称容积、壁厚、

对需要逐张进行超声波检测的钢检测的要求，见标准的设计温度、盛装的物料，以

板，见标准的6.2.5条10.8.2.1-10.8.2.3条。局部无及高合金钢制容器，确定是

容器壳体的无损检

损检测不得少于各条接头长否无损检测，检测的长度不

验要求

度的20%。对需要逐张进行少于各类焊接接头长度的

超声波检测的钢板，见标准10%。见标准的第15.1.3条

的4.2.9条和15.2.4条

用第三强度理论：以结构的最大剪第一强度理论：一点的最大基于第一强度理论，但特点

应力作为构作判断依据，并引入了主应力作为构件的判断依是：绝大多数以最小厚度决

当量应力强度S为最大剪应力的2定壳壁厚度

强度理论据。σ≤[σ]

倍作为控制值，将其限制在设计应

力强度极限S以下，S=2τ<S

mmaxm

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标准名称JB4732-1995

GB150-1998JB/T4735-1997

项目《钢制压力容器――

《钢制压力容器》《钢制焊接常压容器》

分析设计标准》

基于塑性失效准则，用结构进入塑弹性失效准则，认为结构一一般为弹性失效准则，但对

性后的极限承载能力、安定性、以旦失去弹性（一点的最大主储罐、料仓多为制造焊接工

失效准则及疲劳寿命评定结构是否失效。允应力点变形进入塑性）即失艺所需之最小厚度为壳壁的

许结构局部进入塑性区，允许峰值效，如一点的主应力到达σs厚度，且多以稳定失效为安

应力部位作有限寿命设计后，即认为失效全界限

用实用的详细应力分析（包括：载以材料力学或板壳薄膜理论与GB150-1998类同

计算方法荷分析、结构分析、应力分析、强公式，计入带有经验的修正

度评定），做出应力分析报告系数的简化公式

将应力分类，依据各种应力导致结不区分应力性质及危险程与GB150-1998类同

构破坏的性质及危险程度，按照等度，统统采用同一许用应力，

强度控制

安全裕度准则，给予不同的许用值但区分载荷和结构给出不同

的系数

a.设计单位需取得应力分析资格a.设计单位和制造单位有a.设计或制造单位均无资

证书；设计文件（包括：计算相应类别的设计批准书格要求。

分析报告、图样，以及质量检或制造许可证。b.标准的第15.1.3条规定

验的证明文件等）必须由具有b.焊接必须持有相应类别的容器必须持有考试合

资格证书的分析设计人员三人资格的焊工担任。格证的焊工担任。

资格要求签署。c.无损检测须持有无损探c.需进行无损检测的容器

b.制造单位必须具有三类容器的伤资格的人员担任（见标准的第15.2.4.1

制造许可证。条规定），应有无损探伤

c.焊接必须持有相应类别资格的资格的人员担任

焊工担任。无损检测须由I或

II级探伤人员担任

可较精确地计算出容器的实际应计算简单，使用方便，但精在相应范围内，较经济

力，对各种应力按其性质进行分类确程序较差，且往往偏于保

与评定，这样既可保证容器的安全守，而有些情况下又可能不

又可设计出体轻质优的容器，包容安全，如有疲劳要求的容器

结果面较宽，能计算较复杂的结构和计等，较复杂的结构不能包容

及多种载荷。

设计及制造费用较高，但节省钢材。

多用于高参数的容器或承受特殊载

荷的容器

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三、标准的理论依据及解题方法

1.考虑的载荷

本标准主要考虑静载荷的作用，不计及机械振动及脉动（Fluctuation）载荷所施加的影

响，且不区分短期载荷和永久载荷。所考虑的载荷有（见标准第3.5.4条）：

（1）内压、外压或最大压差；

（2）液体静压力。

需要时还应考虑下列载荷：

（1）容器的自重（包括内件和填料等），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料

的重力载荷；

（2）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；

（3）风载、地震力、雪载荷；

（4）支座、底座圈、支耳及其它型式支撑件的反作用力；

（5）连接管道和其它部件的作用反力；

（6）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；

（7）包括压力急剧波动的冲击载荷；

（8）冲击反力，如由液体冲击引起的反力等；

（9）运输或吊装时的作用力。

其中第（3）项“风载、地震力、雪载荷”主要起作用在高耸塔类及大型卧式容器，所

以在本标准中只列出此类载荷，而计算方法已移植在JB4710-92及JB4732-xx中。

2.计算方法

本标准中的压力容器在考虑上述载荷的作用下，用平面力系解法（不考虑三维应力），

按弹性失效准则来判定容器的强度。对于由压力引起不同应力状态（指拉伸、弯曲、扭转、

剪切等或其组合）均给予相同的许用应力值，但本标准承认存在差别，采用调整计算公式中

的有关系数的方法予以体现。诸如封头、平盖、密封结构等的计算。

本标准不强调采用应力分析的方法设计，没有给出应力强度准则（分类）和分析法数学

模型。对容器的结构中存在的一次局部薄膜应力、弯曲应力、二次应力，以及它们的组合，

则采用极限分析和安定性（Shakedown）分析准则将这些应力控制在使用经验相吻合的安全

水准之上。在本标准的设计计算中，对于这些应力的影响，是通过限制元件结构的某些相关

尺寸或许用应力增大系数、形状系数等形状计入算式，将这些局部应力控制在许用范围内。

为选择（引用）或确定这些系数，以及考虑发生在结构不连续处（如几何形状的不连续、

所受载荷不连续）和温度差、热膨胀差等因素引起的附加应力而进行的计算，系引用JB

4732-95的有关规定，或用专用有限元程序，经运算大量例题而确定的。何如本标准的锥壳、

封头、开孔或开孔补强、高压密封等等。

以上所述的关于不同性质的应力在计算公式中的反映和处理方法，与国际上许多同类标

准相同。如美国ASME-VIII-1、德国AD、英国BS5500、法国CODAP等。

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3.容器的强度控制

1)失效模式（型态）

本标准在规定的荷载作用下考虑了以下失效模式：

（1）过量的弹性变形，包括弹性失稳；

（2）过量的塑性变形；

（3）塑性失稳――增量垮坍；

（4）蠕变变形；

（5）在有密封要求的部件还需考虑刚度失效；

（6）脆性断裂。

（注：本标准中未计及应力腐蚀、高应变低周疲劳及腐蚀疲劳、断裂破坏等失效模式。遇有

以上几种情况时，在设计中另行追加有关条款。）

2)强度理论与强度控制

上述的失效型态均按弹性及弹性――理想塑性范围内的应力――应变量予以判断。对于

容器中的任一点的应力，都是按平面力系解法，将其归结成单向屈服的关系，用弹性强度理

论导出。具体应用如下：

（1）由压力或其他机械载荷所引起的总体一次薄膜应力，按最大主应力理论（第

一强度理论），将应力控制在许用应力以下。

（2）对于局部应力，是引用JB4732-95的“分析设计的一般准则”，如为满足结

构不连续部位变形协调所需的自平衡应力、温差应力等，以及它们与总体一

次薄膜应力的组合，则以最大剪应力理论（第三强度理论）为控制依据，按

计算点的三个主应力中的最大与最小的差值称为应力强度（即“当量应力强

度”—Equivalentintensityofcombinedstress），将其限制在许用值以下。用公

式表达如下：

按材料力学定理：

(σ−σ)/2

⎧12

⎪

最大剪应力=−三者中的绝对大值

τ⎨(σσ)/2

max23

⎪

−

(σσ)/2

⎩31

(σ−σ)

⎧12

⎪

应力强度−三者中的大值

S2τ⎨(σσ)

max23

⎪

−

(σσ)

⎩31

S≤(1.0−3.0)Sm（1.0-3.0系数按应力分类不同而定）

式中：σ、σ、σ—一点上的三个主应力；

123

Sm—许用应力强度。

（3）在计算局部应力时，按分析法设计的原则（等安全裕度准则），将应力进行分

类，并考虑它们间的组合。

即有：总体一次薄膜应力—Pm；

局部一次薄膜应力—PL；

一次弯曲应力—Ph；

二次应力—Q；

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峰值应力—F。

上述各类压力在容器中分布举列如图1。

图1球冠形封头与筒体连接的应力分布图

设计要求各种应力极限同时得到满足（详见表13）。

考虑控制上述各种应力及其组合的目的是：

控制一次应力极限是为了防止过分弹性变形，包括稳定在内；

控制一次应力与二次应力叠加的极限，是为了防止过分的塑性变形和增长性破坏――增量垮

坍；

控制峰值应力极限的目的是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏，本标准是用在高峰应力区

处，以结构均匀过渡来减小应力峰值。

（4）上述的6种失效模式的第（1）～（5）种在本标准中依靠计算，使其计算应

力不大于许用应力值予以控制；其第（6）种失效模式－－脆性断裂是要求使

用的钢材须满足规定的夏比V型缺口冲击值予以防止。

四、许用应力值的确定

1.基本许用应力

（1）本标准给出的许用应力值与GB150-89基本一致，但由于增补了奥氏体双相钢，

并将铁素体高合金钢移入，而增加了在高合金钢项中nb≥3.0的内容。总体一次薄膜应力的

许用值（或称基本许用应力值），它是针对已有成功使用经验的材料，按其机械性能（σ、σ、

bs

σ、σ）除以相应的安全系数（n、n、n、n）而得，安全系数取值如表3（本标准中取消

DnbsDn

了安全系数这一名词，本文为表达方便，仍用此词）。

（2）表3中所选用安全系数与其规定的设计选择、计算方法、制造、检验等方面相适

应。安全系数与诸多因素相协调，通常与下列因素有关：

a.材料性能及其规定的检验项目和检验批量；

b.考虑的载荷及载荷附加的裕度；

c.设计计算方法的精确程度；

d.制造工艺装备和产品检验手段的水平；

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e.质量管理的水平；

f.使用操作经验；

g.其他未知因素等。

表3钢制容器各标准的概况

常温和设计温对设计温度下的持久温度设计温度下蠕

常温下的最5

度下的屈服点（经10h断裂）变极限（在

材料低抗拉强度5

10h下蠕变率

ttt

σbσs或σsσD平均值σD最小值

为1%）σn

碳素钢、

nb≥3n≥1.6n≥1.5n≥1.25n≥1

低合金钢sDDn

高合金钢n≥3n≥1.5①n≥1.5n≥1.25n≥1

bsDDn

①当容器的设计温度不到蠕变温度范围，且允许有较大的永久变形时，许用应力值可

适当提高至2/3σt

n，但最高不超过0.9σ（此时可能产生0.1%永久变形）。此规定不适用于

s

法兰或其它微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。

因而，必须综合考虑上述诸因素，以确定适宜的安全系数。由于因素复杂，帮各国的压

力容器标准规范采用安全系数不同，但多年来都未作改动。我国虽然在执行中存在不同意见，

因考虑到会影响大局，故在本标准中也未做更改。表4列出了各国压力容器基本许用应力的

安全系数供比较。

（3）表3所列的安全系数是在调研了以往的使用情况和参考了国外同类标准（参见表

4），并使其尽可能与以往的使用经验相符的基础上确定的。在确定许用应力时引用了以下见

解。

a.认为使用钢材的抗拉强度σb连同安全系数作为防止断裂的设计意图是可取的。此点对高

强度钢尤其重要。帮本标准中除按材料屈服点确定设计应力以控制弹性或塑性失效处，还把

用σb确定许用值作为防止断裂的措施。

b.对于奥氏体不锈钢，因其有良好的韧性和应变强化性能，当其变形量高达1%时，其条件

屈服限可提高30%，尚可满足钢的塑性和韧性要求。本标准利用了奥氏体钢的这一优越性

能，对允许有较大变形的奥氏体钢制受压元件给予了较高的许用应力（比其他钢种高1.44

倍）――可达0.9t

σ。此时的永久变形量可达0.1%。

s

在美国、日本标准中对奥氏体不锈钢都作了下述规定：“当大于40℃温度下变形量不大

于0.1%时，其基本许用应力可用标准中所给出的屈服强度或0.2%屈服点乘以下表所示的系

数所得之值。”在本标准中只了变形量为0.1%的许用应力，而未列入下表。

永久