压力容器的基本知识.doc

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压力容器的定义及用途从广义上说,凡承受流体介质压力的密闭壳体都可称作压力容器。按B150-9钢制压力容器的规定，设计压力低于Pa的容器属于常压容器，而设计压力高于0.MP的容器属于压力容器。从平安角度看，单纯以压力凹凸定义压力容器不够全面,由于压力不是表征平安性能的唯一指标。在相同压力下，容器的容积越大,其积蓄的能量就越多，一旦发生裂开造成的损失和危害也就越大。此外,容器内的介质特性对平安的影响也很大，气体的危害程度大于液体，尤其易燃易爆的气体或液化气体，假如容器发生事故,除了爆炸造成的损失外，由于介质泄漏或集中而引起的化学爆炸、起火燃烧、中毒污染，导致的后果极其严峻。因此，压力、容积、介质特性是与平安相关的三个重要参数。压力容器平安技术监察规程从平安管理角度动身，将同时具备下列三个条件的容器称为压力容器:l.最高工作压力(P)大于等于0.1MPa(不含液体静压力）;2.内直径(非圆形截面指其最大尺寸）大干等于.1,且容积（V)大于等于0.025m3；3.盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。特种设备平安监察条例附则中规定，压力容器的含义是:盛装气体或液体，承载肯定压力的密闭设备,其范围规定为最高工作压力(Pw)大于或等于.1MP(表压),且压力与容积的乘积大于或等于.5MPaL的气体或液化气体和最高工作温度高于或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等于.2MPa(表压),且压力与容积的乘积大于或等于L的气体、液化气体和标准沸点等于或低于60的液体的气瓶;医用氧舱等。可以认为这个规定是对压力容器作出的最权威的定义，只要符合上述规定的容器即为压力容器，其设计、制造、安装、使用、检验、修理和管理都必需接受平安监察。压力容器是工业生产中的常用设备,它广泛地用于石油、化工、动力、食品等行业中，尤其是石油化工,很多化学反应过程都需要在有压力的条件下才能进行,或者要用增高压力的方法来加快反应速度,如用乙烯和水(高压过热蒸汽）制造乙醇(酒精）,就需要在7.0M下进行;用氮和氢合成氨则要在3MP下才能较好地反应。这样，不但反应器本身是压力容器,而且必需经过的精制、加热或冷却等工艺过程中所使用的全部的设备也都是压力容器。在人们的日常生活中也离不开压力容器，如压缩空气是一种使用得最为普遍的动力源。它可以带动气锤、风镐或其他风动工具进行加工、矿山开采等。压缩空气来源于空气压缩机,而空气压缩机的帮助设备如气体冷却器、油水分别器、储气罐等都是压力容器。压力容器发生事故时不仅使容器本身遭到破坏,往往还会诱发一连串恶性事故,给国民经济造成重大损失。如19年12月吉林煤气公司液化石油气球罐的爆炸,引起燃烧，并使四周的三个同样的球罐和500只气瓶爆炸，约60吨液化石油气流出燃烧，大火持续燃烧2小时,死伤近百人,直接经济损失达500余万元。又如某电化厂一个盛装液氯介质的容器发生爆炸后，约有4吨的液氯介质外流,造成大面积的毒害区，中毒范围波及7.5平方公里。压力容器的潜在的危急性,还表现在其使用条件比较苛刻：它要承受大小不同的压力载荷（有时还是脉动的）和其他附加载荷（如重力、地震、风载等)；容器内的压力还会因操作失误或反应特别而上升,往往在尚未被发觉的状况下容器即被破坏;不少压力容器工作时不仅承受较高的压力,同时还经常处于高温或低温状态。此外内部介质的特性对容器的运行平安和使用寿命影响较大,尤其是化工容器,其介质经常具有猛烈的腐蚀性(氢腐蚀、硫化氢腐蚀、各种浓度的酸、碱、盐腐蚀等)。要保证容器长期平安运行，就必需在设计、选材、制造、检验和使用管理上严格要求,所以世界上很多国家都设置了特地机构，负责压力容器的平安监督工作。1.21.2 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。工艺参数是由生产的工艺要求确定的。影响压力容器设计的主要工艺参数有压力、温度、直径等。1.压力容器的压力参数压力容器的压力参数有工作压力(操作压力)、最高工作压力和设计压力。工作压力（操作压力)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。工作压力是由生产工艺的要求打算的。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,容器顶部可能消灭的最高压力;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,容器可能消灭的最高压力差值;对于夹套容器,其最高工作压力是指在正常使用过程中,夹套顶部可能消灭的最高压力差值。一般用来表示。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,用来表示。在正常的状况下,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,并降低制造费用,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，容器设计时应尽量接受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。用符号Pg来表示。.压力容器的温度参数压力容器的温度参数有工作温度(操作温度）、设计温度。工作温度（操作温度) 是指容器在操作过程中,在工作压力(操作压力)下壳体可能达到的最高或最低温度。设计温度 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系指其内径,单位多用m表示出于标准化的需要，把容器的直径按尺寸大小排成肯定数目的系列,该系列中的各尺寸称为容器的公称直径,用符号Dg来表示。在确定容器直径时应选取与之相近的公称直径,以利于封头、法兰等零部件的标准化。1.2.13 压力容器的分类压力容器的使用极其普遍,型式也很多,依据不同的要求，压力容器的分类方法可以有很多种，例如：按容器的壁厚可分为：薄壁容器和厚壁容器。一般认为当容器的壳体厚度大于容器内直径的0时为厚壁容器,小于或等于至1/20时属于薄壁容器;按容器的承受压力方式可分为：内压容器和外压容器。当容器内部承受压力时称内压容器,当容器外部承受压力时称外压容器，如夹套容器、真空容器等;按容器的工作温度可分为：高温容器、常温容器、低温容器。一般状况下,当压力容器的工作温度小于等于时称为低温容器;当压力容器的工作温度大于等于金属材料的蠕变开头温度时称为高温容器;按容器壳体的几何外形可分为:球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器。从平安的角度动身目前广泛接受的比较重要的分类方法有两种:1.按压力容器的平安重要程度分类。压力容器平安技术监察规程依据容器在使用中的重要作用、设计压力以及介质的危害性程度,从高到低将压力容器依次分为第三类压力容器、其次类压力容器以及第一类压力容器:(1）第三类压力容器 下列状况之一的容器:)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1MPa）；4)中压反应容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且P乘积大于等于05MPam)；）低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且P乘积大于等于0.Pam3）;6)高压、中压管壳式余热锅炉;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40Pa）的材料制造的压力容器；9）移动式压力容器,它包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车(液化气体运输车、低温液体运输车、永久气体运输车)和罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体)等；）球形容器（容积大于等于50m3）;11）低温液体储存容器(容积大于53)。(2)其次类压力容器 下列状况之一的容器（除了已被规定为第三类压力容器的以外):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）低压储存容器和低压反应容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质);)低压管壳式余热锅炉；)低压搪玻璃压力容器。()第一类压力容器介质为无毒、非易燃低压容器和易燃或毒性程度为中度危害介质的低压换热容器、分别容器为第一类压力容器。由于压力容器品种规格极其简单繁多,按压力容器平安技术监察规程划分第三类压力容器、其次类压力容器以及第一类压力容器的具体规定也较多,为便于对比查找，现将压力容器分类归纳成表,见附录C。依据压力容器平安技术监察规程的规定分类，压力容器的类别和介质有很大的关系,因此确定介质毒性程度和爆炸程度是一个重要的方面。压力容器平安技术监察规程中规定：压力容器中化学介质毒性危害和易燃介质的划分参照HG060压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危急程度分类的规定，无规定时,按下述原则确定毒性程度: 极度危害（I级) 最高容许浓度0.mgm3 高度危害(级) 最高容许浓度0.11.0mgm3 中度危害(级） 最高容许浓度100mg/3 轻度危害(级) 最高容许浓度1mg/m3当压力容器的介质为混合物质时，应以介质的组分并依据毒性或易燃介质的划分原则,由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门供应介质毒性程度或者是否属于易燃介质的依据,无法供应依据时，按毒性危害程度或爆炸危急程度最高的介质确定。2依据使用状况分类。按使用状况不同，压力容器可分为固定式容器和移动式容器两大类。我国对这两类容器分别制订了不同的规程或技术规范。例如对移动式容器中的气瓶制订了气瓶平安监察规程，对铁路罐车和汽车罐车分别制订了“管理规定”。（1）固定式容器固定式容器的特点是:具有固定的安装和使用地点，工艺操作条件和操作人员都比较固定。它可以按用途和工作压力进一步分类。1）按用途分类:依据容器在生产工艺过程中所起的主要作用不同,可以归纳为四大类，即反应容器、储存容器、换热容器和分别容器。a.反应容器:主要用来完成介质化学反应的设备，如反应器、聚合釜、变换炉和氨合成塔等。考虑到反应容器的操作条件简单,压力不易把握，发生爆破的危急性大，因而对其设计、制造、使用等方面提出严格的要求。b.储存容器:主要用以储备工作介质，以保持工艺操作压力稳定,保证生产的连续进行。介质在容器内一般不发生化学或物理的变化。常见的压缩气体或液化气体储罐、压力缓冲器都属于这一类。大型的储存容器多做成球形容器，小型的储存容器常为卧式圆筒形容器。这类容器的操作条件没有反应容器简单,但是由于容积比较大，储存的介质多,即使在操作压力比较低的状况下，其爆炸的潜在的能量也是很大的,因而对这类容器也提出了比较严格的要求。c换热容器:主要用来使介质在容器内实现热交换,以达到生产工艺过程中所需要的将介质加热或冷却的目的。如热交换器、冷却器、蒸发器、废热锅炉等。换热容器的型式很多，就传热方式来分,可以有蓄热式、直接式、间接式三种，现在常用的是直接式和间接式两种,前者将高温介质直接传给低温介质，使介质被加热或冷却。这种状况只适用于两种介质可以相互混合的场合。如蒸煮锅、消毒器、水洗塔等。后者是通过换热元件来进行的，常见的有蛇管式、列管式、排管淋洒式等。.分别容器：分别容器的主要作用是让介质通过容器时，利用降低流速、转变流淌方向或用其它物料吸取等方法来分别气体中的混合物,以达到净化气体或提取回收杂质中的有用物料的目的。在分别容器中主要介质不发生化学反应,压力都是来自器外,如分别塔、净化器、回收塔、洗涤塔、吸取塔等。)按压力来分类:压力是压力容器最主要的一个参数，压力越高，爆炸的能量越大。为了便于对压力容器进行分级管理和平安监督,我国压力容器平安技术监察规程将容器的设计压力分为四个压力级另别,即 低压容器 （代号）: 0.1P1.6Pa 中压容器 （代号): 1.MPaP1Ma 高压容器 （代号H）: 10M10MP 超高压容器 (代号U）: 100MPaP0的场合,常用带折边的锥形封头的半锥角为3和45，过渡圆弧曲率半径与直径的比值常取0.15,直边高度为240m。图- 带折边的锥形封头锥形封头的受力状况比半球形封头、椭圆形封头、碟形封头差,接受其结构形式的目的是当容器内的工作介质有颗粒状或粉末状的物料,或者是粘稠的液体时,有利于卸下这些物料；锥形封头也有利于流体的均匀分布,转变流体的流速。5平盖封头平盖封头与其它封头比较，结构最简洁,制造便利,但受力状况最差，在相同的受压条件下，平盖封头的厚度比其它封头要大得多。图2-14（）是一种受力状况最差,用于直径较小和压力较低的压力容器;常与法兰连接用于经常拆卸场合的平盖封头。图214（b)是一种结构简洁,制造便利,为高压容器中常用的锻制平封头;高压容器中的锻制平封头为了减小边缘应力的影响加工始终边,其直边高度L一般不小于50m;过渡区的圆弧半径r0.5h,且r/6D。()法兰与平盖连接 (b)高压用平封头图2- 平盖封头1.2. 压力容器的开孔与接管（a）插入式 （b）嵌入式图1-15 常见的接管与壳体的焊接结构为了使设备能够进行正常的操作、测试和检修,压力容器的壳体和封头一般都要开孔。如物料进出口；测量压力、温度以及装设平安装置的连接孔；液面计孔、人孔和手孔等。1接管与壳体的连接接管与壳体的连接都是接受焊接的型式,如图25为常见的焊接结构。2.接管与外部的连接型式接管与外部连接的接口一般有三种型式:螺纹短管式、法兰短管式和平法兰式。螺纹短管式接口是一小段带有内螺纹或外螺纹的短管,短管插入并焊接在容器的壳体上,(）螺纹短管式(）法兰管短式(c）平法兰式图216 接口管与壳体的连接结构如图-16（a)所示,短管上的螺纹用于与外部管件相连接，这种型式的接口管一般只用于连接较小的接口管。短管的长度应考虑便于安装螺栓,一般不小于80100mm。法兰短管式接口是一段焊有一个管法兰的短管，用法兰和外管件相连接。短管插入并焊接在容器的壳体上,如图6()所示，这种接口管由于要用紧固件来连接法兰，所以短管在容器壳体外的伸出长度一般要求150m，法兰短管式接口管多用于直径较大的接口管。平法兰式接口是法兰短管式的一种特殊型式,实际上即是一个去掉了短管而直接焊在容器开孔处的管法兰。如图-1(c)所示，这种接口管与容器的连接型式有贴合式和插入式两种,它的特点是既可以做为接口管与外部管件连接,又可兼做补强圈,对容器壳体的开孔起补强作用。3开孔补强容器壳体开孔后，造成了壳体结构的不连续,从而引起应力集中，使开孔边缘处的局部应力增加了好几倍。为了降低开孔边缘处的局部应力,需要对壳体的开孔部位进行补强。开孔补强的方法有两种：局部补强和整体补强。局部补强 局部补强是在开孔边缘的肯定范围内补强，常用的补强结构有补强圈补强和厚壁短管补强,如图217所示。补强圈补强是在开孔边焊一个金属圈（金属圈的材料一般与容器材料相同），使它贴合容器的外壁并和壳体及接管焊在一起,和容器的器壁一起受力。如图27（)所示。补强圈上开有一个信号孔,用以检查泄漏。厚壁短管补强是增厚接管在靠壳体一端的一段管壁厚度，如图2-（)所示,由于这种结构中全部用来补强的金属，都直接处于较高的应力区域,补强效果更好。(a)补强圈补强 (b）厚壁短管补强图2-1 局部补强结构整体补强 整体补强是用增加整个容器壳体壁厚来降低开孔处局部应力，使壳体的开孔处达到平安。这种方法比较铺张材料。1.2. 压力容器的焊接接头分类及设计的一般原则.压力容器焊接接头的分类Bl0钢制压力容器将容器主要受压部分的焊接接头分为、B、D四类,如图2-18所示。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,各类形封头中全部拼焊接头以及嵌人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、C、类的焊接接头除外；图2-18 我国现行标准压力容器焊接接头分类(括号内的分类是美国AE规范与中国规范不同的分类）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,但已规定为、B类的焊接接头除外。2.压力容器的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,往往在制造过程中简洁产生缺陷，也不利于无损检测；此外焊接结构设计与容器的使用平安也有很大的关系。压力容器平安技术监察规程和GBl0钢制压力容器规定:.不宜接受十字焊缝。相邻的两筒节间的纵缝和封头拼接焊缝与相邻筒节的纵缝应错开,其焊缝中心线之间一般应大于筒体厚度的3倍,且不小于10m。2B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10,两板厚度差超过mm;若薄板厚度大于0mm时，两板厚度差大于图2-9 不等厚度板的对接薄板厚度的30%,或超过m,均应按图21的要求单面或双面削薄厚板边缘,或按同样要求接受堆焊方法将薄板边缘焊成斜面。3由于焊缝隙中的未焊透缺陷好象一个预制的缺口，常成为脆性破坏的起裂点,因此在焊接结构的设计时要尽量接受全焊透的结构。对于低温压力容器、受交变载荷的压力容器的焊接结构必需接受全焊透的结构。.不锈钢与碳钢焊接时接受过渡件，应避开在不锈钢壳体上直接焊接碳钢支座。.3 压力容器制造的无损检测无损检测在压力容器制造过程中显得格外重要。压力容器制造时使用的无损检测方法包括射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测。无损检测工艺以及检测结果评级应遵照J/T 4730005承压设备无损检测的规定,就是说JB/ 473-005承压设备无损检测是方法标准，但在什么样的状况下应进行无损检测?接受什么样的无损检测方法，检测的部位,比例以及在什么样的状况下产品是合格的问题需要由压力容器平安技术监察规程、GBl钢制压力容器等来规定,也就是说它们是验收标准。