第二章容器设计基础

1、第二篇第二篇 化工容器设计化工容器设计第二章第二章 容器设计基础容器设计基础第一节第一节 概概 论论神纹道神纹道 http:/ 应用的广泛性压力容器的特点l 锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束l 核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件l 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等）l 反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器l 压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞l 透平机、泵 = 蜗壳 + 叶轮 l 应用的广泛性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

2、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。 l 应用的广泛性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12105Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.521.0 MPa；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196 C低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质

3、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。 l 操作的复杂性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。神纹道 http:/ l 安全的高要求压力容器的

4、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1416MPa，工作温度为250330C，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17.525MPa，工作温度为450550C，内直径为30005000mm，壁厚为200400 mm，重4002600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。 l 安全的高要求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5498.7

5、571万只；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。 l 量大面广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。 l 事故率高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（AOT

6、C）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：l 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 0.7104 125 1.25104 132 1.321041967-1972 105400 16 1.5104 123 1.17104 139 1.32104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

7、） 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。神纹道 http:/ l 危害性大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。压力容器的事故实例 1986年4月28日前苏联切尔诺贝利

8、核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个国家4亿人受害。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。 一、容器的结构一、容器的结构 壳体壳体( (筒体筒体) )、封头、封头( (端盖端盖) )、法兰、支座、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。备通用零部件标准直接选用。 二、容器的分类二、容器的分类压力容器分类压力容器分类按容器的形状按容器的形状 按承压性质按承压性质 按管理按管理其它其它按容器壁温按容器壁温按金属材料按金属材料按应用情况按应用

9、情况按容器的形状按容器的形状按容器形状分类按容器形状分类名称名称特特 点点方形方形矩矩形容器形容器平板焊成，制造简便，但承压能平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽力差，只用作小型常压贮槽球形容球形容器器弓形板拼焊，承压好，安装内件弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难不便，制造稍难,多用作贮罐多用作贮罐圆筒形圆筒形容器容器 筒体和凸形或平板封头。制造容筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，易，安装内件方便，承压较好，应用最广应用最广按承压性质按承压性质 内压：内部介质压力大于外界压力内压：内部介质压力大于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力外压：内部介质

10、压力小于外界压力真空：内部压力小于一个绝压的外压真空：内部压力小于一个绝压的外压容器容器表表4-1 内压容器的分类内压容器的分类 容器分类容器分类设计压力设计压力 p （MPa）低压容器低压容器0.1p1.6中压容器中压容器1.6p10高压容器高压容器10p100超高压容器超高压容器p100按管理按管理表表4-2 安全检查规程使用范围安全检查规程使用范围项目项目条件条件最高工作最高工作压力压力pwpw0.1MPa，不包括液体静压，不包括液体静压内径内径Di，容积容积VDi0.15m 且且 V0.025m3介质介质气体、液化气体或最高工作温度高气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体于

11、等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒性危害程度以根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为及生产中的作用，压力容器可分为三类。三类。第一类压力容器、第二类压力容器、第一类压力容器、第二类压力容器、第三类压力容器第三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器加热容器表表4-3 4-3 毒性危害程度分级毒性危害程度分级指指 标标分分 级级极度危害极度危害高度危害高度危害 中毒危害中毒危害 轻度危害轻度危害 急性中急性中毒毒吸入吸入 200 mg/m3200 mg/m32000 mg/m320000 mg/m3经皮经皮100100 500

12、 2500经口经口2525 500 5000急性中毒急性中毒易中毒后易中毒后果严重果严重可中毒，可中毒，愈后良好愈后良好偶可中毒偶可中毒无中毒但无中毒但有影响有影响慢性中毒慢性中毒患病率高患病率高较高较高偶有发生偶有发生有影响有影响慢性中毒后果慢性中毒后果 继续进展继续进展不能治愈不能治愈可基本治可基本治愈愈可恢复无可恢复无严重后果严重后果可恢复无可恢复无不良后果不良后果致癌性致癌性 人体致癌人体致癌可疑致癌可疑致癌动物致癌动物致癌无致癌性无致癌性最高容许浓度最高容许浓度 0.10.1-1.0-10常见化学介质常见化学介质 光气、汞、光气、汞、氰化氢氰化氢甲醛甲醛,苯胺、苯胺、氟化氢、氟化氢、

13、二氧化硫二氧化硫,硫硫化氢化氢,氨氨名称名称说明说明三类容器三类容器（1）高压容器；）高压容器；（2） 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器； （3） 中度危害介质，且中度危害介质，且pV大于等于大于等于10MPam3中压储存容器；中压储存容器；（4） 中度危害介质，且中度危害介质，且pV大于等于大于等于0.5MPam3中压反应容器；中压反应容器； （5） 毒性程度为极度和高度危害介质，且毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于乘积大于等于 0.2MPam3的低压容器；的低压容器； （6） 高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉；（

14、7） 中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；（8） 使用强度级别较高的材料制造的压力容器；使用强度级别较高的材料制造的压力容器；（9） 移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等； （10） 容积大于等于容积大于等于50 m3的球形储罐；的球形储罐；（11） 容积大于容积大于5 m3的低温液体储存容器。的低温液体储存容器。 二类容器二类容器（1） 中压容器；中压容器； （2） 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； （3） 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低易燃介质或毒性程度为中

15、度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；压储存容器； （4） 低压管壳式余热锅炉；低压管壳式余热锅炉；（5） 低压搪玻璃压力容器。低压搪玻璃压力容器。 一类容器一类容器不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。判断题：判断题：判断下列容器属一、二、三类判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？容器的哪一类？1 1）20002000的液氨储罐的液氨储罐2 2）p p为为4MPa4MPa的剧毒介质容器的剧毒介质容器3 3）p p为为10MPa10MPa，V V为为800L800L的乙的乙烯储罐。烯储罐。 按容器壁温按容器壁温常

16、温容器：壁温常温容器：壁温-20-20至至200200；高温容器：壁温达到蠕变温度高温容器：壁温达到蠕变温度, ,碳素钢或低合金碳素钢或低合金钢容器，温度超过钢容器，温度超过420420，合金钢超过，合金钢超过450450，奥氏体不锈钢超过奥氏体不锈钢超过550550，均属高温容器；，均属高温容器；中温容器：在常温和高温之间；中温容器：在常温和高温之间；低温容器：壁温低于低温容器：壁温低于-20, -20-20, -20至至-40-40为浅冷为浅冷容器，低于容器，低于-40-40者为深冷容器。者为深冷容器。按材料按材料金属容器金属容器: :钢制钢制, , 铸铁铸铁, ,有色金属容器有色金属容器

17、非金属材料：既可作为容器的衬里，非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。又可作为独立的构件。按材料按材料应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金；在深冷操作中，可用铜或铜合金；常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等橡胶衬里等按应用情况按应用情况反应压力容器（）完成物理、化学反应压力容

18、器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；聚合釜、变换炉等；换热压力容器（）热量交换，如热换热压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；冷凝器、蒸发器等；神纹道神纹道 http:/ (例如封头、法兰、例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液支座、人孔、手孔、视镜、液面计等面计等) )标准化、系列化，标准化、系列化，许多化工设备许多化工设备( (例如贮槽、换热器、例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器搪玻璃与陶瓷反应器) )也有了相也有了相应的标准。应的标准。两个基本参数

19、：两个基本参数：公称直径公称直径DNDN：指标准化以后的标：指标准化以后的标准直径，以准直径，以DNDN表示，单位表示，单位mmmm，例如内径例如内径1200mm1200mm的容器的公称的容器的公称直径标记为直径标记为DN1200DN1200。公称压力公称压力PNPN：容器及管道的操作：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以为公称压力，以PNPN表示，单位表示，单位MPaMPa。公称直径公称直径1. 1. 压力容器的公称直径压力容器的公称直径 钢板卷焊公称直径是内径。钢板卷焊公称直径是内径。300(350)400(450)500(550)600(

20、650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000 容器直径较小，可直接用无缝钢容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。管制作。公称直径指钢管外径。159219273325377426表2-7 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）v设计时，应将工艺计算初步设计时，应将工

21、艺计算初步确定的设备内径，调整为符确定的设备内径，调整为符合表合表2-52-5或表或表2-72-7所规定的公称所规定的公称直径。直径。 v封头的公称直径与筒体一致。封头的公称直径与筒体一致。2.2.管子的公称直径管子的公称直径 也称公称口径、公称通径。也称公称口径、公称通径。有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。汽等流体管道。无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管输送流体用无缝钢管(GB 8163-87)(GB 8163-87)、石油裂化用无缝钢管石油

22、裂化用无缝钢管(GB 9948-88)(GB 9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（化肥设备用高压无缝钢管（GB GB 647986)647986)等。等。有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：v公称直径近似普通钢管内径的名义公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制尺寸。公制mmmm，英制，英制inin。公称直径公称直径15mm15mm或或1/21/2英寸，外径英寸，外径21.3mm21.3mm，壁厚，壁厚2.75mm2.75mm（普通）（普通）3.25mm3.25mm（加厚）（加厚）有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：v每一公称直径对应一外径，其内径每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度

23、不同而不同。数值随厚度不同而不同。v有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。通钢管和加厚钢管。v管路附件也用公称直径表示。管路附件也用公称直径表示。无缝钢管的公称尺寸：无缝钢管的公称尺寸：分热轧管和冷拔管。分热轧管和冷拔管。无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。表示。为公称外径与公称厚度。 在管道工程中，管径超过在管道工程中，管径超过57mm57mm时，常采时，常采用热轧管。管径在用热轧管。管径在57mm57mm以内常选用冷以内常选用冷拔管。拔管。 冷拔管的最大外径为冷拔管的最大外径为200mm

24、200mm；热轧管的最大外径为热轧管的最大外径为630mm630mm。3. 3. 容器零部件的公称直径容器零部件的公称直径 法兰、支座等公称直径是相配的筒体、法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。封头的公称直径。DNDN20002000法兰，法兰，DNDN20002000鞍座鞍座还有一些零部件的公称直径是与它相配还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径的管子公称直径DNDN200200管法兰管法兰另有一些容器零部件公称直径是指结构另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，中某一重要尺寸，DNDN80(80(DgDg80)80)视镜是视镜是指窥视孔的直径为指窥视孔的直

25、径为80mm80mm。 公称压力公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。及其零部件的尺寸也不同。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。公称压力。表表2-92-9压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4管法兰0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 5.0 10 15 25v设计时如果选用标准零部件，必设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力须将操作温度下

26、的最高操作压力( (或设计压力或设计压力) )调整为所规定的某调整为所规定的某一公称压力等级一公称压力等级( (调整方法见第调整方法见第五节五节) )，然后根据，然后根据DNDN与与PNPN选定该选定该零部件的尺寸。零部件的尺寸。v如果零件不选用标准零部件，而如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。合规定的公称压力。四、压力容器的标准简介四、压力容器的标准简介压力容器标准是全面总结压力容器压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压断纳入新科技成果而产

27、生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。选材及制造、检验方法等。 国内标准国内标准v19891989我国压力容器标准化技术委员会制我国压力容器标准化技术委员会制订了订了GB150-89GB150-89钢制压力容器钢制压力容器v19981998年修订成年修订成GB150-1998GB150-1998，使标准更加，使标准更加完善。完善。vGB150GB150钢制压力容器钢制压力容器内容包括：内容包括：压力容器板壳元件计算压力容器板壳元件计算容器结构要素的确定容器结构要素的

28、确定密封设计密封设计超压泄放装置的设置超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等容器的制造与验收的要求等 国外主要规范国外主要规范国外的规范主要有四个：国外的规范主要有四个：美国美国ASMEASME规范，规范，英国压力容器规范（英国压力容器规范（BSBS），），日本国家标准（日本国家标准（JISJIS），），德国压力容器规范（德国压力容器规范（ADAD）。）。1 1美国美国ASMEASME规范规范v美国机械工程师协会（美国机械工程师协会（ASMEASME）制定）制定的的锅炉及压力容器规范锅炉及压力容器规范。美国国。美国国家标准家标准v该规范规模庞大、内容完善，仅依该规范规模庞大、内容完善，仅依

29、靠其本身即可完成选材、设计、制造、靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作检验、试验、安装及运行等全部工作环节。环节。1 1美国美国ASMEASME规范规范v与压力容器密切相关有：与压力容器密切相关有： 第第卷卷 材材料技术条件、第料技术条件、第卷卷 无损检验、第无损检验、第卷卷 压力容器及第压力容器及第卷卷 焊接及钎焊焊接及钎焊评定。评定。 v每年增补一次，每三年出一新版，每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。世界上影响最大的一部规范。 2 2英国压力容器规范（英国压力容器规范（BSBS）vBS 5500BS 5500非直接火熔焊压力容器非直接火熔焊压力容器是由是由英国标准协会（英国标准协会（BSIBSI）负责制定。）负责制定。v由两部规范合并而成：由两部规范合并而成：一部相当于一部相当于ASMEASME第第卷第一册的卷第一册的BS 1500BS 1500一般用途的熔融焊压力容器标准一般用途的熔融焊压力容器标准，另一部是近似于德国另一部是近似于德国ADAD规范的规范的BS 1515BS 1515化工及石油工