特种设备基础知识

1、第一章 特种设备基础知识（李国才编著）第一节 特种设备的分类及特点一、特种设备的概念特种设备，是指对人身和财产安全有较大危险性的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆，以及法律、行政法规规定适用中华人民共和国特种设备安全法的其它特种设备。特种设备是我国的一个专有名词，是在制定特种设备安全监察条例时明确的。国际上虽然对锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆等设备进行安全监察，但是还没有形成特种设备的统一概念。 根据中华人民共和国特种设备安全法的第五条规定，国家对特种设备的生产、

2、经营、使用，实施分类的、全过程的安全管理、许可和检验制度。按照设备的特点，可将特种设备划分为承压类特种设备和机电类特种设备。承压类特种设备包括锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道；机电类特种设备包括电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆。特种设备是一个国家经济水平的代表，是国民经济的重要基础装备。我国现有特种设备生产企业5万多家，已经形成从设计、制造、检测到安装、改造、修理等完整的产业链，年产值达2万亿元。特种设备具有在高温、高压、高空、高速条件下运行的特点，世界各国对这类设备、设施均实行特殊监管，以保障安全。特种设备是经济发展的重要基础设备。每年消耗掉70%的煤产量的锅

3、炉，已经成为工业生产的心脏。石化装置中，压力容器和压力管道比重高达40%以上。长输管道是继公路运输、铁路运输、水运和航空运输之后的第五大运输系统。起重机械作为现代生产物料的搬运设备，是支撑工业、交通业、建筑业等主要产业的骨干。特种设备分布广泛、数量巨大、增长较快，直接关系到人民生活和社会发展，特种设备已成为与人民群众生活密切相关的重要基础设施。如电梯已经成为不可或缺的代步工具，气瓶作为最常见的压力容器已经进入千家万户，燃气压力管道成为城市的生命线，客运索道、游乐设施则成为人们享受现代生活的重要载体。随着我国工业化进程的不断加快，特种设备对国民经济和社会发展的支撑作用将日益明显。承压类特种设备可

4、能会发生爆炸事故，当设备发生破坏或爆炸时，设备内的介质迅速膨胀、释放出巨大的内能。这些能量不仅会使设备本身遭到破坏，有时甚至产生冲击波，使周围的设施和建筑物遭到破坏，危及人员生命安全。如果设备内盛装的是易燃或有毒介质，一旦突然发生爆炸，还会造成恶性的燃烧或中毒等连锁反应，后果不堪设想。所以，对承压类特种设备比一般机械设备有更高的安全要求。为保证安全，特种设备在设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造等各个环节由国家专门机构实施安全监察。国家制定了一整套法规作为安全监察工作的依据，其中中华人民共和国特种设备安全法是中国特种设备法规体系中的最高法律。已由中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委

5、员会第三次会议于2013年6月29日通过，自2014年1月1日起施行。特种设备安全监察条例是目前执行的中国特种设备法规体系中的最高法规。特种设备法规体系和有关特种设备主要法规见本书第十四章。二、特种设备的分类根据中华人民共和国特种设备安全法的规定，国家对特种设备实行目录管理。特种设备目录由国务院负责特种设备安全监督管理的部门制定，报国务院批准后执行。经国务院批准，国家质量监督检验检疫总局于2004年1月19日制定并公布了首批特种设备目录，中华人民共和国特种设备安全法颁布后，质检总局组织于2013年对特种设备目录进行了部分修订。分为锅炉、压力容器、压力管道、压力管道元件、电梯、起重机械、客运索道

6、、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆等共九大类，50个类别，138个品种。1锅炉的分类锅炉，是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，通过对外输出介质的形式提供热能的设备。它通过煤、油、天然气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，以产生热水或蒸汽；蒸汽直接供给生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机械转换为机械能，或通过汽轮发电机转换为电能。所以锅炉也称为蒸汽发生器。或将燃料的化学能传递给其他工质，如导热油等，以产生其他高温的工质，如高温导热油。特种设备目录将锅炉分为承压蒸汽锅炉、承压热水锅炉、有机热载体、锅炉部件锅炉4个类别。其中，承压蒸汽锅炉分为电站锅

7、炉、工业锅炉、生活锅炉3个品种；有机热载体锅炉分为有机热载体气相炉、有机热载体液相炉2个品种。其范围规定为容积大于或者等于30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于0.1MPa（表压），且额定功率大于或者等于0.1MW的承压热水锅炉；额定热功率大于等于0.1MW的有机热载体锅炉。锅炉用途广泛，形式众多，除了依据中华人民共和国特种设备安全法制定的特种设备目录的锅炉分类外，还有以下常见的分类方法：（1）按用途分类1） 电站锅炉 用于火力发电厂，一般为大容量、高参数锅炉。燃料主要在炉膛空间悬浮燃烧(称为火室燃烧)，热效率高，出口工质为过热蒸汽。2） 工业锅炉 生产和采暖，大多为低压低温、小容量锅炉。

8、燃料主要在炉排上燃烧(称为火床燃烧)居多，热效率较低，出口工质为热水的称为热水锅炉，出口工质为蒸汽的称为蒸汽锅炉。3） 船用、机车用锅炉 用作船舶和机车动力，一般为低、中参数，大多燃油，体积小，重量轻。（2） 按锅炉出口工质压力分类1）低压锅炉 P2.45MPa(25kgf/ cm2)2）中压锅炉 P=3.82MPa(39kgf/cm2)3）次高压锅炉 3.82MPaP9.81MPa(39kgf/ cm2Pl00kgf/cm2)4）高压锅炉 P9.81MPa(l00kgf/cm2)5）超高压锅炉 P13.73MPa(140kgf/cm2)6）亚临界锅炉 P=15.717.66MPa(16018

9、0kgf/cm2)7）超临界锅炉 P=23.526.5MPa(240270kgf/cm2)（3） 按燃烧方式分类1) 火床燃烧锅炉 主要用于工业锅炉，燃料主要在炉排上燃烧。2) 火室燃烧锅炉 主要用于电站锅炉，燃料主要在炉膛空间悬浮燃烧。3) 流化床燃烧锅炉 可以稳定、高效率的燃烧各种燃料，特别是低质和高硫煤，并可以在燃烧过程中控制SOx及NOx的排放，是一种新型清洁煤燃烧技术。（4） 按排渣方式分类1）固态排渣锅炉 燃料燃烧后生成的灰渣以固态排出，是燃煤锅炉的主要排渣方式。 2）液态排渣锅炉 燃料燃烧后生成的灰渣以液态从渣口流出，在裂化箱的冷却水中裂化成小颗粒后排入水沟中冲走。（5） 按燃料

10、或能源分类按燃料或能源分为固体燃料锅炉，液体燃料锅炉，气体燃料锅炉，余热锅炉，核能锅炉。 a蒸汽锅炉 b 热水锅炉 c 有机热载体锅炉1-1 锅炉图2.压力容器的分类 压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。特种设备目录将压力容器分为固定式压力容器、移动式压力容器、气瓶、氧舱4个类别。其中，固定式压力容器分为超高压容器、第三类压力容器、第二类压力容器、第一类压力容器4个品种。移动式压力容器分为铁路罐车、汽车罐车、长管拖车、罐式集装箱、管束集装箱5个品种。气瓶分为无缝气瓶、焊接气瓶、特种气瓶（含车用气瓶、缠绕气瓶、非重复充装气瓶、焊接绝热气瓶）3个品种。氧舱分为医用氧舱、高气压舱

11、2个品种。其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体，容积大于等于30L且内直径或截面内边界最大几何尺寸大于等于150mm的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa·L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60液体的气瓶；氧舱。 a压力容器 b 气瓶 c 医用氧舱1-2 压力容器示意图除了特种设备目录制定的压力容器分类外，还有以下常见的分类：（1）一般分类1）按照容器的壁厚分为薄壁容

12、器、厚壁容器；2）按承受压力方式分为内压容器、外压容器；3）按工作温度分为高温容器、 低温容器、 常温容器；4）按壳体的几何形状分为球形容器、圆筒形容器和其他特殊形状容器等；5）按容器的制造方法分为焊接容器、锻造容器、铆接容器、铸造容器、有色金属容器和非金属容器；6）按容器的安放形式分为立式容器和卧式容器等。总之，各种不同的分类方法都是从各个不同需要的角度来考虑的。例如，按壁厚和承压方式分类便于容器的设计计算；按制造方法和制造材料分类，则对容器的制造管理比较方便。 （2）按使用特点分类从压力容器的和安全管理方面考虑，压力容器一般分为固定式和移动式两大类。这两类容器由于使用方法不同，对它们的技术

13、管理要求也不完全一样。我国和其他许多国家对这两类容器都分别制定了不同的管理规程和技术法规。 固定式压力容器是指安装在固定位置使用的压力容器。这类容器有固定的安装和使用地点，工艺条件和使用操作人员也比较固定，容器一般不是单独装设，而是用管道与其他设备相连接。（1）固定式容器按它的压力和用途分类1）按照压力等级分类根据容规按压力容器的设计压力(P)分为低压、中压、高压、超高压四个压力等级，具体划分如下： 低压(代号L) 0.1MPaP<1.6MPa 中压(代号M) 1.6MPaP<10MPa 高压(代号H) 10MPaP<100MPa 超高压(代号U) P100MPa2）按压力容

14、器品种分类压力容器按照在生产工艺过程中的作用原理，划分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。具体划分如下：反应压力容器（代号R），主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，例如各种反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、变换炉、煤气发生炉等；换热压力容器（代号E），主要是用于完成介质的热量交换的压力容器，例如各种热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器等；分离压力容器（代号S），主要是用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器，例如各种分离器、过滤器、集油器、洗涤器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等；储存压力容器（代号C，其中球罐代号B），主要是用于储存或者

15、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，例如各种型式的储罐。在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应当按照工艺过程中的主要作用来划分品种。（2）移动式容器移动式压力容器是指由压力容器罐体或者大容积(1000L)钢制无缝气瓶与走行装置或者框架采用永久性连接组成运输装备。移动式压力容器安全技术监察规程管辖的移动式压力容器包括：铁路罐车、汽车罐车、长管拖车、罐式集装箱和管束式集装箱等五大类。不包括罐船。移动式压力容器以铁路罐车和汽车罐车较为常见。近年来罐式集装箱与长管拖车也日益增多。（3）按安全的重要程度分类压力容器的使用范围广、数量大，各种容器发生事故所产生的危害的严重程度也不一

16、样。为了严格控制重要容器的产品质量，有区别地对安全要求不同的压力容器进行技术管理和监督检查，防止发生重大事故，有必要在压力容器的设计、制造和日常使用中的定期检验与上报等主要环节上实行分级(类)监督与管理。固定式压力容器安全技术监察规程为了简化分类方法，并与欧盟承压设备分类方法的指导思想接轨，强化危险性原则，突出本质安全思想，按危险程度对压力容器进行分类监管。由设计压力、容积和介质危害性三个因素决定压力容器类别，不再考虑容器在生产过程中的作用、材料强度等级、结构形式等因素。根据危险程度的不同，固定式压力容器安全技术监察规程适用范围内的压力容器划分为、三类，利用PV值在不同介质分组坐标图上查取相应

17、的类别，实行分类监督管理。固定式压力容器的类别及压力等级、品种的划分如下：1）介质分组压力容器的介质分为以下两组：包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体：第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质，除第一组以外的介质。2）介质危害性介质危害性指压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。毒性程度综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业性慢性危害等因素，极度危害最高容许浓度小于0.1mg/m3；高度危害最高容许浓度0.1mg/m31.0mg/m3；

18、中度危害最高容许浓度1.0mg/m310.0mg/m3；轻度危害最高容许浓度大于或者等于10.0mg/m3。易爆介质指气体或者液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介质。介质毒性危害程度和爆炸危险程度的确定按照HG 20660压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类确定。HG 20660没有规定的，由压力容器设计单位参照GB 5044职业性接触毒物危害程度分级的原则，决定介质组别。3）压力容器类别划分方法基本划分压力容器类别的划分应当根据介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力p（单位MPa）和容积

19、V（单位L），标出坐标点，确定压力容器类别：a）第一组介质，压力容器类别的划分见图1-3；b）第二组介质，压力容器类别的划分见图1-4。图1-3 压力容器类别划分图第一组介质图1-4 压力容器类别划分图第二组介质多腔压力容器类别划分多腔压力容器（如换热器的管程和壳程、夹套容器等）按照类别高的压力腔作为该容器的类别，并且按照该类别进行使用管理。但是应当按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。对各压力腔进行类别划定时，设计压力取本压力腔的设计压力，容积取本压力腔的几何容积。同腔多种介质压力容器类别划分一个压力腔内有多种介质时，按照组别高的介质划分类别。介质含量极小的压力容器类别划分当某

20、一危害性物质在介质中含量极小时，应当根据其危害程度及其含量综合考虑，按照压力容器设计单位决定的介质组别划分类别。特殊情况的类别划分a）坐标点位于图1-3或者图1-4的分类线上时，按照较高的类别划分其类别；b）固定式压力容器安全技术监察规程第1.4条范围内的压力容器统一划分为第类压力容器。3. 压力管道的分类压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。 a 工业管道 b 公用管道 c 长输管道

21、图1-5 压力管道图 特种设备目录中列出的压力管道为特种设备的一个种类，分为长输（油气）管道、公用管道、工业管道3个类别。其中，长输管道分为输油管道、输气管道2个品种；公用管道分为燃气管道、热力管道2个品种；工业管道分为工艺管道、动力管道、制冷管道3个品种。管道的用途广泛，品种繁多。不同领域内使用的管道，其分类方法也不同。一般可以按用途、主体材料、敷设状态和输送介质等管道使用特性进行分类。压力管道安全管理与监察规定将压力管道分工业管道（GC类）、公用管道（GB类）和长输管道（GA类）三类。工业管道是指企业、事业单位所属的用于输送工艺介质的工艺管道、公用工程管道及其他输助管道的工业管道。公用管道

22、是指城市或乡镇范围内的用于公用事业或民用的燃气管道和热力管道。长输管道是指产地、储存库、使用单位间的用于输送商品介质的管道（具体讲就是：跨越地、市输送商品介质的管道；跨越省、（自治区、直辖市）输送商品介质的管道）。动力管道是指火力发电厂用于输送蒸汽、汽水两相介质的管道。4. 电梯的分类 电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。它有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出人或装卸货物。电梯是指动力驱动、利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级(踏步)，进行升降或者平行运送人和货物的机电设备，包括载人(货)电梯、自动扶梯、自动人行

23、道等。 特种设备目录将电梯分为乘客电梯、载货电梯、液压电梯、杂物电梯、自动扶梯、自动人行道、电梯部件7个类别；33个品种。电梯的分类方法很多，除了特种设备目录的分类外，还有以下常见的分类：1）按用途分类乘客电梯；载货电梯；客货(两用)电梯；病床电梯；住宅电梯；杂物电梯；船用电梯；观光电梯；车辆电梯。2）按运行速度分类超高速电梯；高速电梯；快速电梯；低速电梯。 a 自动扶梯 b 客梯 c 货梯图1-6 电梯图3）按拖动方式分类直流电梯；交流电梯；液压电梯。4）按操纵控制方式分类按钮控制电梯；信号控制电梯；集选控制电梯；下(或上)集选控制电梯；并联控制电梯；梯群程序控制电梯；梯群智能控制电梯；微机

24、控制电梯。 5. 起重机械的分类定义：起重机械是以间歇、重复的工作方式，通过起重吊钩或其他吊具起升、下降并平移，用于运移物料的机械设备。它在搬运物料时，经历上料、运送、卸料及返回原处的过程，工作范围较大，危险因素很多。起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于0.5t的升降机；额定起重量大于或者等于1t，且提升高度大于或者等于2m的起重机和承重形式固定的电动葫芦等。特种设备目录中列出的起重机械为特种设备的一个种类，分为桥式起重机、门式起重机、塔式起重机、流动式起重机、铁路起重机、门座起重机、升降机、缆索起重机、桅杆起重机、旋臂式起重机、轻小

25、型起重设备、机械式停车设备12个类别，83个品种。除此以外，起重机还有多种分类方法。1）起重机械按其功能和构造特点，分为三类。第一类是轻小型起重设备；第二类是起重机；第三类是升降机。这三类起重机械，又是由许多结构和工作用途不同的起重机械组成的。桥架型：桥式起重机；门式起重机；装卸桥；架桥机； 绳索型：缆索起重机；门式缆索起重机； 臂架型：门座；半门座起重机；塔式；铁路起重机；流动式；浮式；甲板；桅杆；悬臂；2）按取物装置和用途分类，有吊钩起重机、抓斗起重机、电磁起重机、冶金起重机、堆剁起重机、集装箱起重机和救援起重机等；3）按运移方式分类，有固定式起重机、运行式起重机、自行式起重机、拖引式起重

26、机、爬升式起重机、便携式起重机、随车起重机等；4）按驱动方式分类，有支承起重机、悬挂起重机等；按使用场合分类，有车间起重机、机器房起重机、仓库起重机、储料场起重机、建筑起重机、工程起重机、港口起重机、船厂起重机、坝顶起重机、船上起重机等。 a 桥式起重机 b 电动葫芦 c 轮胎起重机图1-7 起重机械图6. 客运索道的分类架空索道是利用架空绳索和牵引客车(或货车)运送乘客(或货物)的一种机械运输设施，在我国交通、冶金、煤炭、化工、建材、水电、林业、农业以及旅游等行业中得到日益广泛的应用，架空索道由于能适应复杂地形、跨越山川和克服地面障碍物，因而在山区和平原、城市和乡村、风景区和滑雪场均能发挥作

27、用。国内外经验表明，在复杂地形条件下，以架空索道运送乘客是一种最佳运输方式。客运索道是指动力驱动、利用柔性绳索牵引箱体等运载工具运送人员的机电设备；特种设备目录中将客运索道列为特种设备的一个种类，分为客运架空索道、客运缆车、客运拖牵索道、客运索道部件4个类别，10个品种。除此以外，客运索道按其运行方式可以分为往复式和循环式两大类。往复式索道又可分为承重与牵引分开的往复式单客厢索道，承重和牵引分开的车组往复式索道以及承重和牵引合一的单线车组往复式索道三种。循环式索道又可分为连续循环式，间歇循环式(运行一停止一运行)，以及脉动循环式(快速运行一慢速运行一快速运行)三种。其中连续循环式应用最广泛，其

28、次是脉动循环式，而间歇循环式较少采用。客运索道还可按照使用的抱索器形式和运载工具的形式进行分类。按使用的抱索器形式分，有固定抱索器客运索道和脱挂式抱索器客运索道；按所用的运载工具形式分，有吊厢式、吊椅式、吊篮式和拖牵式等四种。 a 客运架空索道 b 客运缆车 c 客运拖牵索道图1-8 客运索道图7. 大型游乐设施大型游乐设施是指用于经营目的，承载乘客游乐的设施，其范围规定为设计最大运行线速度大于或者等于2m/s，或者运行高度距地面高于或者等于2m的载人大型游乐设施。 a 过山车 b 旋风飞椅图1-9 大型游乐设施图特种设备目录中将大型游乐设施列为特种设备的一个种类，分成观览车类、滑行车类、架空

29、游览车类、陀螺类、飞行塔类、转马类、自控飞机类、赛车类、小火车类、碰碰车类、电池车类、观光车类、水上游乐设施、无动力游乐设施、游乐设施部件15个类别。8. 压力管道元件的分类特种设备目录将压力管道元件单列为一个种类，分为压力管道管子、压力管道管件、压力管道阀门、压力管道法兰、补偿器、压力管道密封元件、压力管道特种元件7大类别。其中，压力管道管子分为无缝钢管、焊接钢管、有色金属管、球墨铸铁管、非金属材料管、复合管6个品种；压力管道管件分为非焊接管件（无缝管件）、焊接管件（有缝管件）、锻制管件、非金属管件、复合管件5个品种；压力管道阀门分为金属阀门、非金属阀门、特种阀门3个品种；压力管道法兰分为锻

30、造钢制法兰、非金属法兰2个品种；补偿器分为金属波纹膨胀节、非金属膨胀节、旋转补偿器3个品种；压力管道密封元件分为金属密封元件、非金属密封元件2个品种；压力管道特种元件分为元件组合装置1个品种； a 压力管道管件 b 金属阀门图1-10 压力管道元件图9. 场（厂）内专用机动车辆的分类场（厂）内专用机动车辆是指除道路交通、农用车辆以外仅在工厂厂区、旅游景区、游乐场所等特定区域使用的专用机动车辆。特种设备目录将场（厂）内专用机动车辆分为机动工业车辆、非公路用旅游观光车辆2大类别。其中，机动工业车辆分为固定平台搬运车、牵引车、推顶车、叉车4个品种；非公路用旅游观光车辆分为内燃观光车、电动观光车2个品

31、种。 a 叉车 b 电动观光车图1-11 场（厂）内专用机动车辆图第二节 特种设备的典型焊接结构一、压力容器典型结构压力容器是一种内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密封容器。压力容器早期主要应用于化学工业，压力多在10MPa以下。合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后，要求压力容器承受的压力提高到100MPa以上。随着石油和化学工业的发展，压力容器的工作温度范围也越来越宽，新工作介质的不断出现，还要求压力容器能耐介质腐蚀。许多工艺装置规模越来越大，压力容器的容量也随之不断增大。在工厂内制造的压力容器单台重量就达千余吨，在现场制造的球形压力容器、预应力混凝土压力容器的直径可达数

32、十米。20世纪60年代开始，核电站的发展对反应堆压力容器提出了更高的安全和技术要求，进一步促进了压力容器的发展。许多生产工艺过程需要在一定的压力下进行，许多气体和液化气需要在压力下储存，因此压力容器越来越广泛地应用于各个行业。近年来，许多新技术的发展对压力容器的设计、制造和检验不断提出了新的更高的要求。如煤转化工业的发展需要单台重量达数千吨的高温压力容器；快中子增殖反应堆的应用需要解决耐高温耐腐蚀的压力容器；海洋工程的发展需要能在水下几百至几千米深度工作的外压容器。1压力容器的典型结构和特点压力容器的类型虽然很多，但是它的基本构成都可以分解为筒体、端盖(封头)、法兰、开孔与接管、支座等几种元件

33、。石油、化工生产中大量采用的低、中压容器，一般属于薄壁容器(Do/Di1.2；Do指容器的外径，Di指容器的内径)，它的外形结构形式大都是球形和圆筒形，在个别情况下才使用矩形、串接球形、椭圆形、扁圆形等特殊形状的容器。（1）圆筒形的筒体结构形式圆筒形筒体是低、中压容器的最常见的筒体结构。这种容器便于在内部装设工艺附件并便于工作介质在内部相互作用，因此被广泛用作反应、换热和分离容器。常见的立式和卧式压力容器的典型结构。图1-12所示为卧式压力容器。1 一接管 2 一人孔 3 一封头 4 一筒身 5 一支座 6 一液面计图1-12 卧式压力容器圆筒形筒体除了在直径较小的情况下可以直接采用无缝钢管外

34、，一般是用焊接结构，即用钢板先制成圆筒形后进行焊接。小直径的圆筒体可采用一条纵焊缝，而大直径的圆筒体因受钢板宽度尺寸的限制，需采用二条以上的纵焊缝。同样，短的圆筒体只有与封头相组焊的两条环焊缝，长的圆筒体则有很多条环焊缝。（2）球形容器体积较大的压力容器一般制成球形容器，因为它的直径比较大，所以球形容器大多是由许多块按一定的尺寸压制成形的球面板组焊而成。其制造、安装有一定难度，特别是由于它的焊缝长，焊接工作量大，焊接质量和无损检测要求也较高。球形容器一般只用作贮存容器。钢制球形储罐中规定了三种结构型式，如图1-13所示。8a)三带储罐 b)五带储罐 c) 七带储罐1、8、15-下极 2、6、1

35、2一赤道带 3、4、9一上极 5、11一上温带 7、13下温带 10一上寒带 14一下寒带图1-13常见的球形储罐结构形式 压力容器做成球形有两个显著的优点：在相同的内压力作用下，球形压力容器壳体上所受的应力，仅为相同直径和相同壁厚的圆筒形压力容器壳体上切向应力的一半。因此，球形压力容器的壁厚，可减薄到同一直径圆筒形压力容器壁厚的一半；在容积相同时，以球形压力容器表面积为最小。因此，在同一工作压力下，相同容积的压力容器中以球形压力容器的重量为最轻。球形压力容器常用作储罐，因而有时也称为球罐。图1-14为球形储罐的外形图。球形压力容器可用以储存各种气体、液化石油气、液化天然气、液氮、液氮、液氧和

36、液态氢等。工作压力一般均低于3MPa，但在特殊情况下也可高达100MPa。当用作储罐时，其容积一般为1001000m3，但少数储罐的容积也可达数万立方米。与圆筒形压力容器相比，球形压力容器制造中的特点是：1）大型球形压力容器为节省材料、便于制造，常采用强度级别较高的低合金高强度钢，以尽量减薄壁厚，但这类钢的焊接性一般较差，故须采取可靠的焊接工艺措施。2）球形压力容器由多块球瓣拼装而成，须严格保证装配尺寸精度，以防止在球壳局部部位产生过高的附加应力。3）很多球形压力容器因体积大，只能在现场拼装焊接，需要更为严格的现场施工质量管理。球形压力容器用作储罐时常储存大量的易燃、易爆或有毒介质，一旦泄漏或

37、破裂就会造成严重的恶果。历史上发生的破坏事故曾造成重大的人身伤亡和经济损失。因此，对球形压力容器的制造和运行，必须进行严格的检验和监督。图1-14 球形储罐的实景照片2. 压力容器的焊接接头分类及设计的一般原则（1）压力容器焊接接头的分类GB150钢制压力容器将容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，如图1-15所示。A类焊接接头：圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头，各类形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接的接头；B类焊接接头：圆筒部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头，但已规定为A、C、D类的焊

38、接接头除外；C类焊接接头：平盖、管板与圆筒连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头；D类焊接接头：接管、人孔、缘、补强圈等与壳体连接的接头，但己规定为A、B类的焊接接头除外( 括号内的分类是美国 ASME 规范与中国规范不同的分类 ) 图 1-15 我国压力容器焊接接头分类（2）压力容器焊接接头设计的一般原则焊接是容器制造的重要环节，其结构设计不合理，往往在制造过程中容易产生缺陷，也不利于无损检测；此外焊接结构设计与容器的使用安全也有很大的关系。固定式压力容器安全技术监察规程和GB150钢制压力容器规定：1）不宜采用十字焊缝。相邻的两筒节间的

39、纵缝和封头拼接焊缝与相邻筒节的纵缝应错开，其焊缝中心线间的距离一般应大于筒壳厚度的3倍，且不小于100mm。2）B类焊接接头以及圆筒与球形封头相连的A类焊接接头，当两侧钢材厚度不等时，若薄板厚度不大于10mm，两板厚度差超过3mm；若薄板厚度大于10mm时，两板厚度差大于薄板厚度的30%，或超过5mm，均应按要求单面或双面削薄厚板边缘，或按同样要求采用堆焊方法将薄板边缘焊成斜面。3）焊缝中的未焊透缺陷好像一个预制的缺口，常成为脆性破坏的起裂点。因此，焊接结构设计中要尽量采用全焊透的结构。低温压力容器、承受交变载荷的压力容器的焊接结构，必须采用全焊透的结构。4）不锈钢与碳钢焊接时采用过渡件，应避

40、免在不锈钢壳体上直接焊接碳钢支座。二、几种典型锅炉的结构锅炉基本组成：锅炉本体和辅助设备组成。锅炉本体（主要部件）：指由锅筒、集箱、受热面及其间的连接管道、燃烧设备、炉墙和构架等所组成的整体；辅助设备：指由锅炉本体及配合锅炉本体工作的其它设备或机械构成的成套装置，这些配合锅炉本体工作的其它设备或机械我们统称为锅炉辅助设备，有：鼓引风设备，运煤、除灰渣设备，制粉设备（煤粉燃烧锅炉），给水设备，水处理设备及烟气除尘、脱硫及脱硝设备等。 这些锅炉部件结构各异,制造工艺也不同。但对于各种等级的锅炉,如高压、超高压、亚临界以及超临界的锅炉来说,同类的受压部件其结构特点基本相似,制造工艺也相近,只是在结构

41、尺寸和材料选用上有所不同,并且由于锅炉的各种设计流派的差异,在某些具体零部件的实际结构上也有所不同。另外,在超临界锅炉、循环流化床锅炉和联合循环余热锅炉中,由于整体结构布置的不同,还存在一些特殊结构的受压元件,其制造工艺与常规锅炉也不相同。1几种典型工业锅炉的结构（1）偏锅筒快装水火管锅炉(图1-16),其受压元件有锅筒、下降管、联箱、水冷壁、烟管。（2）单横汽包水管锅炉(图1-17),其受压元件有锅筒、下降管、联箱、水冷壁、过热器、省煤器。1 一锅筒 2 一对流管束 3 一下降管 4 一水冷壁 5 一联箱 1 一锅筒 2 一水冷壁 3 一过热器 4 一省煤器图 1-16 偏锅筒快装水、火管锅

42、炉图 图1-17 单横气包水管锅炉 ( 散装 )2.电站锅炉的结构（1）亚临界锅炉的总体结构 图1-18所示为某台国产350MW亚临界强制循环燃煤电站锅炉的结构简图,锅炉一般为露天布置,整体外形呈门型, W型火焰、带有中间一次再热、采用平衡通风、设计燃料为烟煤。高再进口集箱图1-18 350MW W型火焰、中间一次再热、亚临界强制循环燃煤锅炉1）锅筒锅筒作为锅炉的心脏,其作用是进行汽水分离,保证正常的水循环,除去盐分,获得良好的蒸汽品质,负荷变化时起蓄热和蓄水作用, 提高锅炉过热器受热面及汽轮机的安全性。作为循环回路的闭合件将锅炉各部分的受热面如：水冷壁、省煤器、过热器、对流管束连接起来。在整

43、个锅炉制造工艺中,占有十分重要的地位。一般由封头、筒体和内部设备组成。封头上装有人孔、安全阀接管、及各种功能性接管等。筒体上装有下降管、给水管及紧急放水管、蒸汽引出管及附件，内部装有汽水分离器等。如图1-19所示。锅筒内部布置附件等。典型的亚临界自然循环锅炉的锅筒,内径为#1778mm,筒体壁厚200mm,筒体长度18000mm,两侧封头为半球形封头,封头最小壁厚为127mm,锅筒总长20184mm,总重204t,用SA-299材料制成。锅筒外部焊接附件包括起吊耳板、水位表支架、壁温测点预焊件、下降管接头上装焊的安装附件等。图1-19 锅筒结构简图（2）受热面管件锅炉的受热面管件包括膜式水冷壁

44、和蛇形管1）膜式水冷壁就是布置在炉膛四周的、管内流动介质一般为水或汽水两相混合物的受热面。管内工质一般向上流动，因而水冷壁也称上升管。大型电站锅炉的炉膛水冷壁都是由管子加扁钢经焊接而成的气密性膜式壁。由于受到制造场地、设备以及运输条件等几方面的限制,一般要把炉膛四面墙的膜式壁管屏分成若干小片水冷壁管屏,分别来制造,如图1-20所示。等到安装时,再组装成锅炉的整台炉膛。国内设计制造的电站锅炉的炉膛水冷壁,膜式壁管屏的管子外径一般在4263.5mm之间,管子壁厚在4.58mm之间。管子有光管和内螺纹管两种形式。扁钢的厚度通常为6mm。管子和扁钢的材质一般均为碳钢,但在大容量、高参数的电站锅炉中也会

45、采用Cr-Mo耐热钢。图1-18中亚临界自然循环炉的水冷壁管屏由外径63.5mm的管子(局部采用内螺纹管)和6mm厚的扁钢组成,管子节距为76.2mm。1 一管子2 一扁钢 3 一成排弯头 4 一孔弯管图 1-20 水冷壁管屏322）蛇形管 蛇形管主要由管子、连接附件及吊挂装置组成。锅炉中蛇形管结构的部件一般包括锅炉的过热器、再热器和省煤器等。过热器的作用是将锅炉的饱和蒸汽进一步加热到所需过热蒸汽温度。对于电站锅炉，过热器是必需的受热面；对于工业锅炉，有无过热器取决于生产工艺是否需要；对于生活采暧锅炉，则一般无过热器。根据其布置位置和传热方式的不同,过热器又分为后屏过热器、未级过热器、立式低温

46、过热器和水平低温过热器等再热器一般用于高压大型电站锅炉 , 作用是把在汽轮机高压缸做过部分功的蒸汽,送回锅炉中重新加热,然后再送回汽轮机的中、低压缸继续做功。再热器实质上也是过热器。根据其传热方式与布置位置的不同又分为墙式辐射再热器、后屏再热器、末级再热器等。省煤器安装在锅炉尾部的烟道内,作用是利用烟气的余热对给水加热, 降低排烟温度，提高锅炉效率，充当部分加热受热面或蒸发受热面，达到节约燃料的目的。蛇形管一般是由长短不一、同种或不同种规格与材质的管子经焊接而成,管子规格为3270mm、壁厚312.7,接长后长度范围可在2070mm之间,再通过来回的弯曲,使之成为蛇形管,在同一根管上可以有不同

47、的弯曲半径,将不同长度和节距的蛇形管套装在一起形成蛇形管组或管屏。蛇形管屏的结构,按照在锅炉中的安装方式,大体上分为垂直悬吊式和水平悬吊式两种,如图1-21所示。垂直悬吊式蛇形管屏,一般均为单层结构,主要应用在过热器和再热器的高温段,管屏端部直接与集箱的管接头相接,在集箱的纵向上吊挂排列,并穿出炉膛的顶棚,通过管屏上的附件与之密封;水平悬吊式蛇形管屏,绝大部分为双层结构,中间用水冷吊挂管来进行固定和吊挂,一般应用在过热器和再热器的低温段以及省煤器蛇形管中。a) 垂直悬吊式 b) 水平悬吊式l 一管子2 一密封板3 一定位板4 一活动夹块 1 一管子2 一吊挂管3 一连接钢板图 1-21 锅炉蛇

48、形管屏3）集箱集箱是锅炉中重要受压元件之一,起着工作介质的汇集和分配的作用。集箱的结构一般由简体、端盖、大小管接头、三通及附件组成。筒体、端盖和三通经过环缝的焊接连接在一起,筒体通过大小不一的开孔与各种管接头相连,形成一个承压容器,如图1-22所示。并与水冷壁、过热器、再热器、省煤器,以及连接管道等相联,相应的各水冷壁管屏、蛇形管屏均吊挂在集箱上;集箱的三通按制造方式一般分为锻造挤压三通、冲焊三通、焊接三通等几种。1一端盖 2一大管接头 3一耳板 4一筒体 5一三通 6一小管接头 7一手孔装置图1-22 集箱4）连接管道连接管道一般由大口径无缝钢管、弯头、以及过渡接头等部分组成,如图1-23所

49、示。主要用在锅炉的各系统之间传送介质,例如水冷壁系统与过热器系统之间,以及主蒸汽输送管道和再热蒸汽输送管道。1 一集箱 2 连接管道 3 一直角锻造弯头 4 一过渡管接头图 1-23 连接管道 为保证介质的流动特性,各种连接管道的外径并不一致,在接口处就需要有过渡管接头,即俗称的"大小头", 例如蒸汽出口与汽机相接的管道等。5）喷水减温器喷水减温器实质上就是一种换热器，按照功能分为过热器减温器和再热器减温器两种。分别安装在过热器连接管道和再热器人口导管上,以便在必要时由减温器蒸汽入口端通过喷嘴将减温水喷入到蒸汽中,以达到降低蒸汽温度的目的,使之保持在设计值的范围内。过热器减

50、温器和再热器减温器在结构上大体相似,均由筒体、内套筒、管接头、喷雾管、手孔装置及一些安装定位螺钉组成,如图1-24所示。减温器筒体一般用大口径无缝钢管制成。内套筒一般用薄钢板经卷制、拼接而成,内套筒主要用于承受喷水和蒸汽腐蚀,保护减温器筒体,内套筒损坏后可以更换。喷雾管一般由小口径不锈钢管制成,在管子上钻有小孔,减温水将从这些小孔中喷出,与蒸汽混合后达到降温的目的。管接头与手孔装置均有由筒体材质相一致的锻件加工而成。1-内套筒 2-喇叭口 3-喷雾管图 1-24 旋涡式喷水减温器（2）超临界锅炉的总体结构 图1-25所示为某台国产660MW等级的超临界参数变压运行直流锅炉的结构简图,锅炉整体布

51、置为单炉膛、一次再热、全悬吊结构型布置、全钢架、燃烧器前后墙布置、采用挡板调温、设计燃料为烟煤。与亚临界锅炉相比，在锅炉整体结构上有一定相似之处，大多数同类受压元件也基本相似，例如垂直水冷壁、绝大部分的过热器、再热器和集箱等受压件，在结构上和焊接接头形式上均没有太大的区别，只是在材料选用等级上有所不同，高强度等级的耐热钢、不锈钢等材料选用较多。但在某些受压元件的具体结构上差异很大，同时也出现了一些新型受压元件：启动汽水分离器、储水箱和螺旋管圈水冷壁等。例如，由于没有明显的汽水分界面，超临界锅炉中没有锅筒，而在锅炉前上部布置汽水分离器，在锅炉启动时代替锅筒的功能；增加了储水箱，下部水冷壁增加了螺

52、旋管圈，上部为垂直管屏，以利于悬吊结构。图1-25 660MW等级的超临界锅炉三、起重机的主要结构1起重机安全正常工作的条件为了保证起重机的安全正常工作，起重机设计时应满足下列三个基本条件：（1）金属结构和机械零部件应具有足够的强度、刚度和抗屈曲能力。（2）整机必须具有必要的抗倾覆稳定性。（3）原动机具有满足作业性能要求的功率，制动装置提供必需的制动力矩。其中：强度是指金属构件抵抗外力作用不产生破坏的能力。刚度是指在外力作用下，金属构件抵抗产生弹性变形的能力。稳定性是指金属构件承受压力载荷作用时，保持原有几何形状的能力。2. 起重机金属结构常用材料的分类由于起重机金属结构多采用焊接结构，故要求

53、材料具有良好的可焊性。此外，还要求起重机金属结构的材料有较好的时效性和防腐性。目前起重机金属结构主要构件所用的材料有普通碳素钢、优质碳素结构钢、普通低合金钢、合金结构钢。碳素结构钢是一种低碳钢，用于金属结构的低碳钢含碳量不超过0.22%。低合金钢也是一种低碳钢，它含有不超过2.5%的合金元素（锰、硅、铜、镍、硼等）。普通碳素钢Q235是制造起重机金属结构最常用的材料。根据化学成分和脱氧方法，Q235分为A、B、C、D四个质量等级。与碳素钢相比，低合金钢具有更高的屈服极限与抗拉强度、更好的低温冷脆性和耐磨性以及较好的可焊性。但有效应力集中系数较高，若结构主要由最大强度控制，而不由疲劳强度控制，则

54、采用16Mn低合金钢效果最好。对于一般起重机金属结构，当设计温度高于-20时，允许采用Q235B，工作级别为A7和A8的起重机金属结构，采用镇静钢Q235C或特殊镇静钢Q235D。3.起重机金属结构的设计要求起重机零部件和金属结构设计应按工作状态的最大载荷进行强度计算，按非工作状态最大载荷及特殊载荷进行强度验算，对受压和平面弯曲构件应按工作状态最大载荷和非工作状态最大载荷进行抗挠屈的稳定性验算。结构件还要按工作状态最大载荷进行刚度（静刚度、动刚度）验算。对A6、A7、A8级的结构件应进行疲劳（耐久性）计算。起重机是在交变应力作用下工作的，使用年限内的总应力循环次数在百万次以上，因此主梁应力集中程度较高的部位往往会疲劳破坏。偏轨箱形疲劳裂纹一般发生在跨中的焊缝及焊缝附近的母材上。主腹板与上盖板之间的焊缝为K型焊缝，受有正应力、剪应力和挤压应力。其他