压力容器基础知识邓.docx

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压力容器基础知识邓

压力容器基础知识

第一节压力容器及安全的重要性

一、压力的概念

压力容器中压力的一个概念是垂直作用于物体单位面积上的力。

确切名称应叫压力强度，只不过习惯上都叫压力。

压力的单位一般用大气压，在工程单位制中用公斤力/厘米2表示，压力较低时也用水柱或水银柱表示。

国际上所采用的压力单位不尽相同，有用“巴”（bar）、“帕”（Pa）、牛顿（N）或磅等。

受压容器中的压力是用压力表来测量的，压力表上所指示的压力叫做表压，它是表示容器内部介质超过大气压力的压力值。

容器内的绝对压力应是压力表指示的压力加上周围的大气压力。

二、容器与压力容器

（一）容器容器是由曲面构成用于盛装物料的空间构件，它是化工、炼油、医药、食品等生产所用的各种设备外部壳体的总称。

容器大体上由筒体、封头（端盖）、法兰、支座、接管、人孔、手孔及视镜等组成。

（二）压力容器压力容器泛指在工业生产中用于完成反应、传质、传热、分离和储存等生产工艺过程，并能承受压力的密闭容器。

即盛装压力介质的密闭容器统称为压力容器。

三、压力容器安全的重要性

由于压力容器是承压设备，是在各种介质和环境条件下操作，所以一旦发生事故其破坏性往往是很严重的。

为了安全生产，许多工业国家都把锅炉和压力容器作为一种特殊设备，设专门机构进行安全监督，并要求严格按规定的规范进行设计、制造和使用、运行。

我国涉及压力容器的基本法规和标准有：

（1）《特种设备安全监察条例》

（2）《压力容器安全技术监察规程》

（3）《压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则》

（4）《锅炉压力容器制造监督管理办法》

（5）GB150《钢制压力容器》（6）GB151《管壳式换热器》

（7）JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》

第二节压力容器的主要技术参数和基本要求

一、压力容器的主要技术参数

压力容器的技术参数是它在设计、制造、使用和检验等方面的主要依据。

这些参数主要为设计压力、设计温度、工程直径等。

1、设计压力

压力容器的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。

2、设计温度

设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。

标志在铬牌上的设计温度应是壳体设计温度的最高值或最低值。

3、公称直径

压力容器的公称直径是按容器零部件标准化系列而选定的壳体直径。

焊接的圆筒形容器公称直径指它的内径，无缝钢管制作的圆筒形容器公称直径指它的外径。

4、另外介绍几个相关的概念：

①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．

②计算压力指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。

当元件所承受的液柱静压力小于5％设计压力时，可忽略不计。

③试验压力指在压力试验时，容器顶部的压力。

④试验温度指压力试验时，壳体的金属温度。

⑤最高工作压力是在工作过程中容器顶部可能产生的最高表压。

二、压力容器的基本要求

对压力容器最主要、最基本的要求必须最大限度地保证工艺生产有效、安全地实施，换句话说，压力容器必需具备工艺要求的特定使用性能，安全可靠；制造安装简单；结构先进，维修方便和经济合理等方面的特点。

因此，压力容器必须满足以下要求：

（1）强度

强度是指容器在确定的压力或其他外部载荷作用下抵抗破裂或过量塑性变形的能力。

例如反应器或分离器的筒体会因强度设计不足，在压力作用下产生塑性变形，使其直径增大，壁厚变薄，最后导致容器破裂失效。

（2）刚度

容器或容器的受压部件虽然不会因强度不足而发生破裂和过量的塑性变形，但由于弹性变形过大也会使其丧失正常的工作能力。

如压力容器设备法兰和接管法兰，由于刚度不足而变形可能导致密封垫片发生泄露，使密封结构失效。

（3）稳定性

稳定性问题的主要特征是容器在外载荷的作用下，其形状发生突然性改变，使容器丧失工作能力。

例如薄壁圆筒在外压作用下，其形状可能会突然被压瘪。

（4）耐久性

耐久性就是容器的使用寿命。

它和强度、刚度及稳定性一样，是评定容器性能的重要标志。

一般压力容器的设计使用年限可按10~12年考虑，对重要的化工容器可以按20年考虑。

如果检验维护和保养的好，实际使用年限可以比设计使用年限长得多。

压力容器的使用年限取决于容器的疲劳寿命和腐蚀速率等。

（5）密封性

从广义上讲，压力容器的密封不但指可拆连接处，如反应釜搅拌轴密封处的密封，而且也包括各种铆、焊连接处的密封。

对处理易燃、毒性程度为高度危害和极度危害介质的压力容器，其密封性能要求就更加严格。

对盛装这类介质的容器不但要求采用可靠的密封结构和进行气密性试验，而且对制造和检验提出了更高的要求。

三、压力容器的划定范围

1、受压元件指在容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部件。

2、非受压元件指为满足使用要求与受压元件直接焊接成为整体而不承受压力载荷的零部件。

3、划定范围

GB150和《压力容器安全技术监察规程》明确规定了压力容器的范围是指壳体及其连为整体的受压元件，具体为：

（1）容器与外部管道连接时：

焊接连接的第一道环向接头坡口端面；法兰连接的第一个法兰面密封面；螺纹连接的第一个螺纹接头端面；专用连接件或管件连接的第一个密封面。

（2）受压元件

（3）非受压元件与受压元件的焊接接头

第三节压力容器的分类

1、按制造方法分：

铆接容器、焊接容器、铸造容器、锻造容器、热套容器、多层包扎式容器、绕带式容器等。

2、按制造材料分：

钢制容器、铸造容器、有色金属容器、非金属容器等。

3、按壁厚分：

薄壁容器（K=DO/Di≤1.1~1.2）；厚壁容器（K=DO/Di＞1.1~1.2）

4、按形状分：

圆柱（筒）形容器，矩（方）型容器，组合型容器等。

5、按照安装方式分：

立式容器、卧式容器等。

6、按结构分：

可拆结构容器，不可拆结构容器。

7、按容器的操作温度（壁温）分：

低温容器（≤-20℃），常温容器（＞-20℃~150℃），中温容器（＞150℃~400℃），高温容器（≥400℃）。

8、按受压情况分：

内压容器、外压容器。

9、按压力容器的设计压力分：

（1）低压0.1MPa≤P＜1.6MPa

（2）中压1.6MPa≤P＜10MPa

（3）高压10MPa≤P＜100MPa

（4）超高压P≥100MPa

（5）常压容器-0.02MPa＜P＜0.1MPa

10、按压力容器在生产工艺过程中的作用原理分为反应容器、换热容器、分离容器、储存容器。

11、为有利于安全技术监察和管理，“容规”将压力容器划分为三类：

（1）低压容器［

（2）、（3）规定的除外］为第一类压力容器。

（2）下列情况之一为第二类压力容器

1中压容器［

（1）、（3）规定的除外］；

2易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和储存容器；

3毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

4低压管壳式余热锅炉。

（3）下列情况之一为第三类压力容器

1毒性程度为极度和高度危害介质的中压且P*V大于等于0.2MPa*m3的低压容器；

2易燃或毒性程度为中度危害介质P*V大于等于0.5MPa*m3的中压反应容器和P*V大于等于0.5MPa*m3的中压储存容器；

3高压、中压管壳式预热锅炉；

4高压容器

12、压力容器还可划分为固定式容器和移动式容器。

（1）固定式容器是指包括除作运输用的盛装容器以外的所有容器。

（2）移动式容器是专作运输气体、液化气体用的容器。

按容积及结构形状分为气瓶、气桶和槽车。

第四节压力容器的工作条件及特点

压力容器广泛地应用于国民经济各个领域，随着科学技术的发展，在各应用领域内，承压设备在日趋大型化的同时，其工作条件也越来越苛刻如工作温度、压力变化，各种各样腐蚀条件等。

这些条件不但在设备结构、材料、设计技术方面，而且在制造技术和使用管理方面提出了更加苛刻的、同时也应该更加安全可靠的要求。

1、温度条件

例如：

液氢装置-253℃

液态空气及其他气体的制取-196℃

乙烯生产装置深冷分离中的脱甲烷系统-160℃

乙烯低温存贮-104℃

石油精炼中二氧化硫脱蜡-60℃

液态乙烯的存贮-40℃

蒸汽锅炉中的汽包350℃

炼油行业中的热壁加氢裂化反应器450℃

炼油行业中的催化重整反应器540℃

乙烯生产装置中的管式裂解炉1100℃

2、压力条件

例如：

加氢裂化反应器~18MPa

氨、甲醇合成塔~32MPa

聚乙烯反应器~300MPa

3、介质腐蚀条件

常见的腐蚀情况有：

均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、高温氧化、氢脆等。

第五节压力容器基本结构

压力容器的结构形式与工艺过程等许多因素有关，它取决于所负担的生产任务以及进行化工过程的条件（如压力、温度、物料、浓度等）和方法。

各部件的具体结构及尺寸，不仅决定于结构要求，而且也取决于所用的构件的材料、强度、刚度、稳定性、耐久性、气密性以及制造、运输、操作的方便和安全、成本等一系列因素。

其基本结构为：

筒体、封头（或端盖）、仪表接管、支承结构、预焊件等。

二、

筒体

1、单层筒体

压力容器最基本的结构是一个密闭的壳体。

根据受压壳体的应力状况，最适宜的形状是球形。

因为在相同的内压力作用下，球形壳体的最大应力仅为相同直径的圆筒形壳体的1/2，如果容器的直径、制造材料和设计压力相同，则球形容器所需要的壁厚仅为圆筒形的1/2，因而制造这种容器所用材料也最省。

但其存在制造、组装成型比较困难、制造成本较高等不足。

所以一般中低压容器采用圆筒形容器。

圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，不会由于形状突变而引起较大的附加应力，而且也易于制造。

2、多层筒体

主要为在内径和厚度不满足滚制的前提下，采用多层层板包扎制作而成如尿素合成塔的壳体，透平机、硅胶干燥机的外壳等和热套式、绕带式结构来满足筒体的厚度。

3、整体锻造式

三、封头

凡是与筒体焊接联接而不可拆的称为封头，与筒体以法兰等联接而可拆的，称为端盖。

封头按形状分为凸形封头、锥形封头和平板封头。

1、凸形封头

凸形封头有半球形封头（a）、带折边球形封头（碟形封头）（b）、椭圆形封头（c）和无折边球形封头（球冠形）（d）。

1.1球形封头深度太大，与它的半径相等，整体压制成型较为困难，直径较大的半球形封头一般是由几块大小相同的梯形球面板和顶部中心的一块圆形球面板组焊而成。

中心圆板要求应不大于1/2Dg，因为在转弯的过渡区部位，产生有明显的弯曲应力，过渡区的转角越大，弯曲应力越大，如果中心板过大其拼板的焊缝靠近和处于过渡区，将构成弯曲应力和焊接应力叠加，使之产生更大的弯曲应力。

直径较小的可以直接冲压成型。

1.2碟形封头有球面、过渡圆弧面、圆柱面三部分组成。

过渡圆弧面是球面与圆柱面圆滑过渡连接，减少连接处出现尖锐的转折而引起应力集中。

圆柱面是避免弯曲应力作用在封头与筒体的焊缝上，因为圆柱面与过渡圆弧面曲率半径不同，在内压作用下产生的变形量不一样，而这相邻两部分又互相牵引着，这样在连接处引起弯曲应力。

常用的碟形封头，球面半径Rc与筒体内直径相等，r/Rc之值为0.1~0.15。

1.3椭圆形封头的曲率半径变化是连续的，所以应力分布比较均匀，在同样条件下它所产生的附加弯曲应力比碟形小。

标准椭圆形封头长短轴之比为2，即曲率部分高度为其直径的1/4。

2、锥形封头

2.1无折边锥形封头

无折边锥形封头是圆锥体与圆筒体直接连接，连接处形状突然改变，结构严重不连续，因而在连接处附近产生较大的附加弯曲应力，在压力容器中用得较少。

只是一些压力、直径都较小的容器有时采用锥体半顶角a小于30°的无折边锥形封头。

2.2带折边锥形封头

带折边锥形封头有折边，在连接处过渡比较缓和，受力情况好些。

承受内压的锥形壳体，半顶角越大，产生的应力也越高，所需的壁厚也较大。

标准的带折边锥形封头的半顶角有30°和45°两种。

过渡圆弧部分的曲率半径r/Di为0.15。

四、支承结构

压力容器的支承结构分为立式容器、卧式容器、球形容器支座。

1、立式容器支座常用的为耳式支座、支承式支座和裙座。

1.1耳式支座它通常焊接在容器壳体的中上部，又称为悬挂式支座。

为防止与壳体连接处产生很大的局部载荷，常在支座与壳体之间组焊一块垫板。

常用于换热器、反应釜等中小型立式容器中。

1.2支承式支座主要组焊在压力容器下封头上，只用于高度不大，重量较轻的中小型立式容器中。

1.3裙座主要用于高大的直立容器如塔器。

2、卧式容器支座常用的为鞍座、圈座和支承式支座。

2.1鞍座与基础的连接，一般为一个固定断，一个为活动端，这样可以使容器在温度变化或载荷变化时，在轴向能自由伸缩，避免器壁因扩张收缩受到限制而产生过大的附加应力。

3、球形容器支座主要为裙式支座和柱式支座