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压力容器设计复习重点与考题解析

压力容器设计是过程装备与控制工程领域的核心技术之一，其复习备考需兼顾理论深度与工程实践应用。本文将系统梳理压力容器设计的核心复习要点，并结合典型考题进行解析，旨在帮助读者构建清晰的知识框架，提升解决实际问题的能力。

核心复习重点

设计规范与标准体系

压力容器设计首要遵循相关规范与标准，这是确保设备安全可靠的法律依据和技术准则。重点掌握国内主导规范GB150《压力容器》的适用范围、基本要求及与其他标准（如JB/T4735《钢制焊接常压容器》）的界限划分。理解规范中“许用应力”的定义、确定方法及其影响因素，明确“设计温度”、“设计压力”的取值原则，特别是工作压力与设计压力的关系，以及如何考虑液柱静压力的影响。熟悉规范中关于材料、结构、制造、检验的基本规定，理解其背后的安全理念。

材料选择与性能

材料是压力容器设计的物质基础。重点复习常用压力容器用钢（如Q345R、S____等）的牌号含义、力学性能（屈服强度、抗拉强度、冲击韧性）、工艺性能（焊接性、成形性）及适用工况（温度范围、介质腐蚀性）。掌握材料许用应力的确定，理解“安全系数”的概念及其在不同规范中的差异。熟悉材料代用的基本原则和审批程序，了解钢材热处理状态对其性能的影响。

结构设计要点

合理的结构设计是保证压力容器强度、刚度和密封性的前提。重点掌握典型受压元件的结构形式及设计要求：

*筒体与封头：掌握圆筒形筒体的特点，以及椭圆形、碟形、球形、锥形封头的结构特性、受力特点和适用场合。理解标准椭圆形封头长短轴比值的意义。

*法兰连接：了解法兰连接的密封原理，掌握法兰类型（整体法兰、活套法兰、螺纹法兰）的选择，理解法兰公称压力、公称直径的含义，以及垫片材料和形式对密封性能的影响。

*开孔与补强：理解开孔对容器强度的削弱机理，掌握开孔补强的设计原则（等面积补强法为重点），熟悉允许不另行补强的条件。

*支座与载荷：了解常见支座形式（鞍座、耳座、裙座）的结构特点和适用范围，理解设备自重、介质重量、风载荷、地震载荷等的计算方法及组合原则。

强度计算基础与典型元件设计

强度计算是压力容器设计的核心内容。

*基本应力概念：清晰理解薄膜应力、弯曲应力、峰值应力的定义、特点及其对容器安全的影响，掌握第三强度理论在压力容器强度校核中的应用。

*筒体强度计算：熟练掌握内压圆筒筒体壁厚计算公式的推导思路及应用，包括单层卷焊筒体和整体锻造筒体。注意厚度附加量（C2腐蚀裕量、C1钢板负偏差）的确定方法。

*封头强度计算：掌握标准椭圆形封头、碟形封头、半球形封头在承受内压时的壁厚计算公式，并能进行对比分析。理解锥形封头（包括无折边和折边）的强度计算特点及适用限制。

*法兰强度校核：理解法兰强度校核的步骤，包括预紧状态和操作状态的密封计算，以及法兰环、锥颈、圆筒部分的强度校核要点。

*开孔补强计算：熟练运用等面积补强法进行开孔补强设计计算，包括补强范围、允许补强面积、所需补强面积的确定，以及补强元件（补强圈、厚壁管、整体补强）的选用原则。

刚度、稳定性与密封性

除强度外，刚度和稳定性也是设计中需考虑的重要方面。

*刚度：理解外压容器设计中刚度要求的体现，如最小壁厚的规定。

*稳定性：掌握外压圆筒稳定性计算的基本思路，包括临界压力的概念、影响因素，以及加强圈的设计方法（间距计算、刚度要求）。了解外压封头的稳定性校核要点。

*密封性：理解影响密封性能的关键因素（垫片性能、法兰刚度、螺栓预紧力），掌握螺栓预紧力的计算和控制方法。

制造与检验要求

设计人员需了解压力容器制造与检验的基本要求，以确保设计的可制造性。重点掌握焊接接头的形式、坡口要求、焊接工艺评定的重要性。了解无损检测方法（RT、UT、MT、PT）的适用范围和合格级别。熟悉耐压试验（液压试验、气压试验）的目的、条件、压力值确定及合格标准。

特殊工况考虑

对于承受交变载荷、高温、低温、腐蚀等特殊工况的压力容器，需额外关注。理解疲劳设计的基本概念、设计步骤及疲劳曲线的应用。了解高温下材料的蠕变现象及设计要点，低温下材料的脆性转变温度及冲击韧性要求。

典型考题解析

概念辨析题

例题：简述GB150中“设计压力”与“工作压力”的定义，并说明如何确定内压容器的设计压力。

解析：此类题目考查对规范基本术语的理解。

*工作压力：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

*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。

*确定方法：内压容器的设计压力应不低于工作压力。当容器上装有安全泄放装置时，设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力（或爆破压力）。对于盛装液化气体的容器，设计压力应根据其在规