承压类特种设备基本知识-压力容器

承压类特种设备基本知识

——压力容器

2.1概述2.1概述2.1.1压力容器的定义及用途压力容器是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。《特种设备安全监察条例》定义：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，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；氧舱等。固定式容器、移动式容器：目前，固定式压力容器和移动式压力容器的参数界定与发达工业国家的规定基本一致。气瓶：气瓶不仅需要实施一般压力容器在设计、制造、使用、检验等环节的安全监察，还需对充装过程实施安全监察，充装过程这个环节，是事故多发环节，直接伤害人身。氧舱：是一种特殊的压力容器——载人压力容器。条例中的氧舱主要指：承受内压或外压，以空气或氧气为主要加压介质，用于医疗、潜水和科学试验等活动载人的压力舱体。主要设备种类包括：潜水钟、再压舱、高气压舱、医用氧舱和高海拔试验舱等。沸点——沸腾是在一定温度下液体内部和表面同时发生的剧烈汽化现象。液体沸腾时候的温度被称为沸点。标准沸点——指在一个大气压下的沸点。绝对压，或称为真实压，是以绝对零压为起点计算的压强。或真空为起点计算的压强。绝对压强，简称绝压。表压强，简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。当所测量的系统的压强等于当时当地的大气压时，压强表的指针指零。即表压为零。真空度，当被测量的系统的绝对压强小于当时当地的大气压时，当时当地的大气压与系统绝对压之差，称为真空度。此时所用的测压仪表称为真空表。

绝对压、表压、真空度之间的关系如图所示。系统P>大气压时

绝对压=大气压+表压

系统P<大气压时

绝对压=大气压-真空度2.1.2压力容器的主要工艺参数压力容器的工艺参数是进行压力容器强度计算和结构设计的主要依据，是由生产的工艺要求决定的。影响压力容器设计的主要参数有压力、温度、直径等。（１）压力参数压力容器的压力参数有工作压力（操作压力）、最高工作压力、设计压力。工作压力：是指压力容器在正常的操作条件下，压力容器所承受的内（外）部表压力，是由生产工艺的要求决定的。最高工作压力：对于承受内压的压力容器，其最高工作压力是指在正常使用过程中，容器顶部可能出现的最高压力；对于承受外压的压力容器，其最高工作压力是指在正常使用过程中，容器可能出现的最高压力差值；对于夹套容器，其最高工作压力是指在正常使用过程中，夹套顶部可能出现的最高压力差值。设计压力：是指在相应设计条件下用以确定压力容器壳体壁厚及其元件尺寸的压力。正常情况下，设计压力应等于或略高于最高工作压力。公称压力：为了提高制造质量，降低制造费用，增加零部件的互换性，使容器及其零部件的制造趋于标准化，把标准化后的压力数值称为公称压力。容器设计时应尽量采用标准的公称压力系列参数。容器的公称压力是指容器在规定温度下的最大操作压力。（２）温度参数工作温度：是指容器在操作过程中，在工作压力下壳体可能达到的最高或最低温度。实际温度：是指容器在操作过程中，在相应的设计压力下壳体或元件可能达到的最高或最低温度。（３）直径一般所说的容器直径是指其内径，目前已经标准化。2.1.3压力容器的分类一、一般分类1、按照容器的壁厚分：薄壁容器、厚壁容器

<=1/20>1/102、按承受压力方式分：内压容器外压容器3、按工作温度分：高温容器：使用中器壁处于高温下的压力容器。所谓高温，通常是指壁温超过容器材料的蠕变起始温度（对于一般钢材约为350℃）。火力发电站的锅炉汽包、煤转化反应器，某些堆型（高温气冷堆和增殖反应堆）核电站的反应堆压力容器等，都是高温压力容器。低温容器：工作时壁温在-20℃以下的压力容器液化乙烯、液化天然气、液氮和液氢等的储存和运输用容器均属低温压力容器。一般压力容器常用的铁素体钢在温度降低到某一温度时,钢的韧性将急剧下降，而显得很脆,通常称这一温度为脆性转变温度。常温容器4、按壳体的几何形状：可分为球形容器、圆筒形容器和其他特殊形状容器等；5、按容器的制造方法：可分为焊接容器、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、按容器的安放形式可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。从压力容器的使用特点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。1．固定式固定式容器是指除了用于运输储存气体的盛装容器以外的所有容器。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。固定式容器还可以按它的压力和用途进行分类。（1）按照压力等级分：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：

(一)低压(代号L)0.1MPa≤P<1.6MPa

(二)中压(代号M)1.6MPa≤P<10MPa

(三)高压(代号H)10MPa≤P<100MPa

(四)超高压(代号U)P≥100MPa

(2)按工艺用途分类：①反应压力容器(代号R)

主要用于完成介质的物理、化学反应。这类容器的压力源于两种，即加压反应和反应升压。常用的反应容器有反应器、反应釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉等。②换热压力容器(代号E)

主要用于完成介质的热量交换，达到生产工艺过程所需要的将介质加热或冷却的目的。其主要工艺过程是物理过程，按传热的方式分为蓄热式、直接式和间接式三种，较为常用的是直接式和间接式。常用的换热压力容器有管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等。③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。介质在分离容器内通过降低流速、改变流动方向或用其他物料吸收、溶解等方法来分离气体中的混合物，达到净化气体或提取其中有用物料的目的。在分离容器中，主要介质不参与化学反应，气体经加压后进入容器内，提高分离或净化效率。分离容器的名称较多，按容器的作用命名为分离器、净化塔、回收塔等；按所用的净化方法命名为吸收塔、洗涤塔、过滤器等。④储存压力容器(代号C，其中球罐代号为B)

主要用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质，保持介质压力的稳定。常用的压缩气体储罐、压力缓冲器等都属于这类容器。由于工作介质在储存压力容器内一般不发生化学或物理变化，不需要装设供传热传质用的内部工艺装置(内件)，所以储存压力容器的内部结构比较简单，一般由壳体、出入口接管及外部一些安全附件和必要的附件(如支座、扶梯、保温外壳、室外储罐的防雷装置等)构成。大型的储存压力容器多为球形容器，小型的则常为卧式圆筒形容器。在实际生产过程中，有一些容器具有多种用途。在这种情况下，容器分类应归属于作为主要用途的一类。例如，合成氨厂的二氧化碳水洗塔，既有冷却原料气体的作用(换热)，又有从原料气中溶解分离出二氧化碳的作用(分离)，但它的主要作用是后者，所以它应归属于分离器。2．移动式移动式压力容器属于储运容器，它与储存容器的区别在于移动式压力容器没有固定的使用地点，一般也没有专职的使用操作人员，使用环境经常变换，不确定因素较多，管理复杂，因此容易发生事故。它的主要用途是盛装或运送有压力的气体或液化气体。容器在气体制造厂充气，然后运送到用气单位。移动式压力容器按其容积大小及结构形状可以分为气瓶和槽(罐)车两大类。按安全的重要程度分类压力容器的使用范围广、数量大、而且各种容器发生事故所产生的危害的严重程度也不一样。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。压力容器安全的重要程度取决于压力容器的工作压力的高低、介质的危险程度以及在生产中的重要作用。《压力容器安全监察规程》中，将其适用范围的压力容器按安全的重要程度分为三类。

下列情况之一的，为第三类压力容器：（1）高压容器；（2）中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；（3）中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于10MPa·m3）；（注2）（4）中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于0.5MPa·m3）；（5）低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且PV乘积大于等于0.2MPa·m3）；（6）高压、中压管壳式余热锅炉；（注4）（7）中压搪玻璃压力容器；（8）使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；（9）移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车[液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车]和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；（10）球形储罐（容积大于等于50m3）；（11）低温液体储存容器（容积大于5m3）。下列情况之一的，为第二类压力容器（本条第1款规定的除外）：（1）中压容器；（2）低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；（3）低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；（4）低压管壳式余热锅炉；（5）低压搪玻璃压力容器。低压容器为第一类压力容器（本条第1款、第2款规定的除外）。2.1.4我国的压力容器法规和标准《压力容器安全技术监察规程》(1999)《简单压力容器安全技术监察规程》（TSGR0003-2007）《气瓶安全监察规程》（2001）《气瓶安全监察规定》（2003）《超高压容器安全监察规程》（2005）《压力容器安装改造维修许可规则》（2006）GB150-1998《钢制压力容器》GB151-1999《管壳式换热器》GB12337-1999《钢制球形储罐》GB18442-2001《低温绝热压力容器》2.2压力容器的典型结构和特点2.2.1低、中压压力容器的筒体结构１、圆筒形的筒体结构形式２、球形容器2.2.2高压／超高压容器的筒体结构整体结构:为满足强度、刚度和稳定性要求所需要的厚度（不包括为防腐而设置的衬层），由一整块连续钢制成的结构。主要形式

a)整体锻造：锻造的筒和筒之间用法兰或螺纹连接。主要用于超高压设备。整体锻造水晶釜b)单层卷焊：c)锻焊结构：总结了整体锻造和单层卷焊容器的优点，进行了有机的结合。质量好，适用于重要场合，如核工业、加氢反应器等。组合式结构定义：为满足强度、刚度和稳定性要求所需要的厚度是由钢板对钢板、钢板对钢带、钢板对钢丝制成的结构。内筒是板式结构。主要形式a)多层包扎：最开始为美国专利，但现在已不存在专利了，南京大化机已研制成功。但此类设备制造工艺太复杂，生产工期长；b)热套结构：内筒和外筒的配合采用过盈配合。在安装时外筒加热冷却后很好地与内筒结合在一起。适用于超大容器，有时分3层或更多层进行套合c)绕板结构：是日本人发明的。自动化程度很高，先做内筒再用另一筒体搭接。虽然角焊缝受力不好、不好焊接且不易检测，但进行承压爆破试验效果很好。目前我国由于冶金能力有限，板长和宽度不太适合，所以采用较少d)钢板对钢带：中国人的发明，ASME已承认其可靠性。内筒单层卷焊，外层缠绕。钢带在缠绕时分左右两个方向，同时旋转方向相反。但缠绕后由于中间紧两端松，所以在承压能力上会低10％。在小化肥生产装置中有一些应用e)钢板对钢丝：内筒单层卷焊，外层用高强度的不锈钢丝缠绕，同时给内筒一定的压应力，承受的外压甚至等于设计压力，使设备在操作工况时压力趋于0。世界上设计压力最高的设备1000Mpa就是采用此种结构；2.2.3压力容器的封头封头是圆筒形容器的主要承压部件。它作为容器的封闭端，与圆筒体组成一个完整的密闭容器。习惯上，封头常常是指与圆筒体焊接连接成不可拆的容器端部结构；而与筒体由螺栓兰等连接的可拆结构，则称之为端盖。封头的型式较多，以它的纵剖面曲线形状来分，有半球形、碟形、椭圆形、无拆边球形、锥形及平板形等多种。在压力作用下，封头壳壁上的应力的大小和分布都与它的型式、形状有关。如何正确选用封头的型式与尺寸参数，也是压力容器设计中与安全有关的一个问题。通常在压力容器设计中，平板封头是很少采用的，只是一些中、低压容器的人孔或手孔中用作盖板。锥形封头一般也只是用于某些特殊用途的场合。１、半球形封头半球形封头实际上就是个半球体。由于它的高度（深度）太大（与半径相同），整体压制成形比较困难，直径较大的半球形封头一般都是由几块大小相同的梯形球瓣板和顶部中心的一块圆形球面板（球冠）组焊而成。中心圆板的作用是把梯形球瓣板之间的焊缝保持有一定的间隔距离，以防止焊缝重叠或过分靠近致使金属材料过热，或产生太大的焊接应力和变形。半球形封头也和球形容器一样，作为一种承压的简单壳体，它是最理想的型式，因为在直径相同、承受压力相等的条件下，它所需的厚度最小。为便于焊接，避免在焊缝外造成壁厚的不连续，实用中常取厚度与圆筒体相同。这样，半球形壳体的优越性就得不到发挥。除了压力较高、直径较大的贮罐或有其它特殊需要的压力容器外，一般都较少采用半球形封头。２、碟形封头碟形封头又称带折边的球形封头。它由几何形状不同的三个部分组成：（1）球面体（球冠），半径为Rc，是中心部分；（2）圆筒体（俗称直边），是与筒体连接的部分；（3）过渡圆弧（俗称折边）。由于碟形封头的制造比较容易，可以用手工锻打的方法成型，早期制造的压力容器，大多采用碟形封头。但它的受力状况不太好，近年来已逐渐被椭圆形封头所取代。３、椭圆形封头椭圆形封头是个半椭球体。它的纵剖面是条半椭圆曲线。曲线的曲率半径连续变化，没有形状突变处。因而封头的应力分布比较匀称，受力状况比碟形封头优越。我国规定的标准椭圆形封头，半径与高度之比为2.0。这样，封头和与它相连接的圆筒体就可以采用相同的材料和相等的壁厚，组焊比较方便。近期制造的锅炉与压力容器，大部分都采用椭圆形封头。

４、锥形封头锥形封头实际上是一段锥形圆筒体。因为它的顶端并不以锥尖封闭，而是用法兰等结构与小盖板或管道连接。锥形封头的大端，可以与容器的圆筒体直接焊接，也可以用过渡圆弧部分（俗称折边）与圆筒体焊