第二章压力容器基本知识

1第二章压力容器基本知识第一节压力容器类别划分【学习目标】学习TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，掌握压力容器类别划分原则。学习HG20660-2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危害程度分类》，了解常见的化学介质毒性危害和爆炸危害程度分类。一、压力容器类别划分TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》1.7条款规定：根据危险程度，本规程适用范围内的压力容器划分为三类，以利于进行分类监督管理。压力容器类别划分与三个因素有关：介质特性（组别）、设计压力（MPa）、容积（L）。压力容器类别划分的意义是有利于压力容器的分类监督和管理，如压力容器设计许可证、压力容器制造许可证等都与压力容器类别有关。A1压力容器类别划分A1.1介质分组压力容器的介质分为以下两组：（1）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。（2）第二组介质，除第一组以外的介质。A1.2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。A1.2.3介质毒性危害程度和爆炸危害程度的确定按照HG20660-2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危害程度分类》确定。A1.3压力容器类别划分方法A1.3.1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V（单位L），标出坐标点，确定压力容器类别：（1）第一组介质，压力容器类别的划分见图A-1；（2）第二组介质，压力容器类别的划分见图A-2。A1.3.2多腔压力容器类别划分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。A1.3.3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。A1.3.4介质含量极小的压力容器类别划分当某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。2图A-1压力容器类别划分图——第一组介质图A-2压力容器类别划分图——第二组介质A1.3.5特殊情况的类别划分（1）坐标点位于图A-1或者图A-2的分类线上时，按照较高的类别划分其类别；（2）本规程1.4范围内的压力容器统一划分为第Ι类压力容器。A2压力等级划分3按压力容器的设计压力（p）划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级：（1）低压（代号Ｌ），0.1MPa≤p＜1.6MPa；（2）中压（代号M），1.6MPa≤p＜10.0MPa；（3）高压（代号Ｈ），10.0MPa≤p＜100.0MPa；（4）超高压（代号Ｕ），p≥100.0MPa。A3压力容器品种划分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：（1）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；（2）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；（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的压力容器，例如各种分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等；（4）储存压力容器（代号Ｃ，其中球罐代号Ｂ），主要是用于储存、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、缓冲罐、消毒锅、印染机、烘缸、蒸锅等。二、介质毒性程度的分级和易燃介质的划分压力容器类别划分需要根据化学介质的特性确定介质组别，以选择压力容器类别划分图。TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，介质毒性危害程度和爆炸危害程度的确定，按照HG20660-2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危害程度分类》确定。第二节设计的一般规定【学习目标】学习GB150.1《通用要求》，熟悉压力、温度、厚度、许用应力等相关定义，并参考其他相关标准，掌握和运用这些定义。一、术语和定义GB150.1《通用要求》第3章“术语与符号”规定了15个压力容器的术语和定义，其他关于压力容器的术语和定义可以查阅GB/T26929-2011《压力容器术语》。以下内容摘选自GB150.1《通用要求》第3章“术语与符号”。3.1术语和定义GB/T26929界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1压力pressure垂直作用在容器单位表面积上的力。在本标准中，除注明者外，压力均指表压力。3.1.2工作压力operatingpressure4在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。3.1.3设计压力designpressure设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件，其值不低于工作压力。3.1.4计算压力calculationpressure在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力等附加载荷。3.1.5试验压力testpressure进行耐压试验或泄漏试验时，容器顶部的压力。3.1.6最高允许工作压力maximumallowableworkingpressure（MAWP）在指定的相应温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。该压力是根据容器各受压元件的有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的，且取最小值。注：当压力容器的设计文件没有给出最高允许工作压力时，则可以认为该容器的设计压力即是最高允许工作压力。3.1.7设计温度designtemperature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。3.1.8试验温度testtemperature进行耐压试验或泄漏试验时，容器壳体的金属温度。3.1.9最低设计金属温度minimumdesignmetaltemperature设计时，容器在运行过程中预期的各种可能条件下各元件金属温度的最低值。3.1.10计算厚度requiredthickness按本标准相应公式计算得到的厚度。需要时，尚应计入其他载荷（见4.3.2）所需厚度。对于外压元件，系指满足稳定性要求的最小厚度。3.1.11设计厚度designthickness计算厚度与腐蚀裕量之和。3.1.12名义厚度nominalthickness设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。3.1.13有效厚度effectivethickness名义厚度减去腐蚀裕量和材料厚度负偏差。3.1.14最小成形厚度minimumrequiredfabricationthickness受压元件成形后保证设计要求的最小厚度。3.1.15低温容器low-temperaturepressurevessel设计温度低于-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器；以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器。二、设计的一般规定1、设计依据容器设计单位（设计人员）应严格依据用户或设计委托方所提供的容器设计条件进行容器设计，应考虑容器在使用中可能出现的所有失效模式，提出防止失效的措施。容器受压5元件的强度、刚度和稳定性计算按GB150.3或规范性引用文件的规定。对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，经设计单位技术负责人批准，可按本标准进行设计，并按JB4732附录C补充疲劳分析和评定，同时满足其相关制造要求。2、设计载荷设计时应考虑以下载荷：a）内压、外压或最大压差；b）液体静压力，当液柱静压力小于设计压力的5%时，可忽略不计；需要时，还应考虑下列载荷：c）容器的自重（包括内件和填料等），以及正常工作条件下或耐压实验状态下内装介质的重力载荷；d）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台的的重力载荷；e）风载荷、地震力、雪载荷；f）支座、底座圈、支耳及其他型式支承件的反作用力；g）连接管道和其他部件的作用力；h）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；i）冲击载荷，包括压力急剧波动引起的冲击载荷、流体冲击引起的反力等；j）运输或吊装时的作用力。3、设计压力①确定设计压力或计算压力时，应考虑：a）容器上装有超压泄放装置时，应按GB150.1《通用要求》附录B的规定确定设计压力；b）对于盛装液化气体的容器，如果具有可靠的保冷设施，在规定的装量系数范围内，设计压力应根据工作条件下容器内介质可能达到的最高金属温度确定；否则按相关法规确定；c）对于外压容器（例如真空容器、液下容器和埋地容器），确定计算压力时应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差；d）确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑；当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的低值；当无安全控制装置时，取0.1MPa；e）由2个或2个以上压力室组成的容器，如夹套容器，应分别确定各压力室的设计压力；确定公用元件的计算压力时，应考虑相邻室之间的最大压力差。②HG/T20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》是GB150.1《通用要求》的行业性补充标准，在符合GB150.1《通用要求》标准的前提下，对于压力容器载荷、设计压力或计算压力、设计温度、厚度附加量等设计参数的选择，更具有操作性。表2-5内压容器设计压力选取表中的内容摘选自HG/T20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》。表2-5内压容器设计压力选取表（摘选自HG/T20580）类型设计压力6无安全泄放装置不低于1.0～1.10倍工作压力装有安全阀不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（开启压力取1.05～1.10倍工作压力）装有爆破片取爆破片设计爆破压力加制造范围上限出口管线上装上安全阀不低于安全阀开启压力加上流体从容器流至安全阀处的压力降容器位于泵进口侧，且无安全泄放装置时不低于1.0～1.1倍工作压力，且以-0.1MPa外压进行校核。容器位于泵出口侧，且无安全泄放装置时不低于下面三者中大值：（1）泵的正常入口压力加1.2倍泵的正常工作扬程；（2）泵的最大入口压力加泵的正常工作扬程；（3）泵的正常入口压力加关闭扬程（即泵出口全关闭时的扬程）。容器位于压缩机进口侧，且无安全泄放装置时不低于1.0～1.1倍工作压力，且以-0.1MPa外压进行校核。容器位于压缩机出口侧，且无安全泄放装置时不低于压缩机出口压力。③按GB150.1《通用要求》3.1.3规定，设计压力不低于工作压力。HG/T20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》行业推荐标准中，设计压力一般取1.0～1.10倍工作压力。在行业内，设计人员一般都在工作压力的基础上加10%左右的裕量，以保证生产系统压力波动、安全附件失灵等特殊情况下压力容器的安全。在容器上装有超压泄放装置（安全阀、爆破片等）的情况下，设计压力不能低于超压泄放装置的开启或爆破压力。4、设计温度①设计温度的确定a）设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。b）容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度。c）元件的金属温度通过以下方法确定：——传热计算求得；——在已使用的同类容器上测定；——根据容器内部介质温度并结合外部条件确定。d）在确定最低设计金属温度时，应当充分考虑在运行过程中，大气环境低温条件对容器壳体金属温度的影响。大气环境低温条件系指历年来月平均最低气温（指当月各天的最低气温值之和除以当月天数）的最低值。②设计温度是选用制造压力容器的材料、查取材料许用应力的依据。对于金属材料，随着温度的升高，材料的强度是下降的。7根据容器内部介质温度并结合外部条件是确定设计温度的常用方法。外部条件是指容器保温隔热情况、容器所处的环境温度等。5、操作工况对有不同工况的容器，应按最苛刻的工况设计，必要时还需考虑不同工况的组合，并在图样或相应技术