化工设备设计基础第二章容器设计基础

第二篇化工容器设计第二章容器设计基础第一节概论压力容器的特点应用的广泛性压力容器的特点锅炉、换热器、加热炉=圆筒外壳+传热管束核反应堆=圆筒安全壳+核反应零部件塔器=圆筒外壳+传质元件（浮阀、填料等）反应釜=圆筒夹套+搅拌器压缩机、真空泵=圆筒气缸+活塞透平机、泵=蜗壳+叶轮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。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1～2×10－5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.5～21.0MPa；高压聚乙烯为100～200MPa；合成氨为10～100MPa；人造水晶高达140MPa；温度从-196ºC低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆、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。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。安全的高要求压力容器的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14～16MPa，工作温度为250～330ºC，容器内直径7800mm，壁厚317mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.5～25MPa，工作温度为450～550ºC，内直径为3000～5000mm，壁厚为200～400mm，重400～2600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。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5498.7571万只；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。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。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（AOTC）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：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1962-196710030070.7×10－41251.25×10－41321.32×10－41967-1972105400161.5×10－41231.17×10－41391.32×10－4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）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。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、容器的结构壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、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。二、容器的分类压力容器分类•按容器的形状•按承压性质•按管理•其它按容器壁温按金属材料按应用情况按容器的形状按容器形状分类名称特点方形\矩形容器平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难,多用作贮罐圆筒形容器筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最广按承压性质内压：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真空：内部压力小于一个绝压的外压容器表4-1内压容器的分类容器分类设计压力p（MPa）低压容器0.1≤p＜1.6中压容器1.6≤p＜10高压容器10≤p＜100超高压容器p≥100按管理表4-2安全检查规程使用范围项目条件最高工作压力pwpw≥0.1MPa，不包括液体静压内径Di，容积VDi≥0.15m且V≥0.025m3介质气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。第一类压力容器、第二类压力容器、第三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器表4-3毒性危害程度分级指标分级Ⅰ极度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中毒危害Ⅳ轻度危害急性中毒吸入＜200mg/m3200mg/m3~2000mg/m3~＞20000mg/m3经皮＜100100~500~＞2500经口＜2525~500~＞5000急性中毒易中毒后果严重可中毒，愈后良好偶可中毒无中毒但有影响慢性中毒患病率高较高偶有发生有影响慢性中毒后果继续进展不能治愈可基本治愈可恢复无严重后果可恢复无不良后果致癌性人体致癌可疑致癌动物致癌无致癌性最高容许浓度＜0.10.1-1.0-＞10常见化学介质光气、汞、氰化氢甲醛,苯胺、氟化氢、二氧化硫,硫化氢,氨名称说明三类容器（1）高压容器；（2）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pV大于等于10MPa·m3中压储存容器；（4）中度危害介质，且pV大于等于0.5MPa·m3中压反应容器；（5）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的低压容器；（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；（10）容积大于等于50m3的球形储罐；（11）容积大于5m3的低温液体储存容器。二类容器（1）中压容器；（2）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压储存容器；（4）低压管壳式余热锅炉；（5）低压搪玻璃压力容器。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。判断题：判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？1）φ2000的液氨储罐2）p为4MPa的剧毒介质容器3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。按容器壁温常温容器：壁温-20℃至200℃；高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；中温容器：在常温和高温之间；低温容器：壁温低于-20℃,-20℃至-40℃为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。按材料金属容器:钢制,铸铁,有色金属容器非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。按材料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、铝板及钛材。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、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等按应用情况反应压力容器（Ｒ）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；换热压力容器（Ｅ）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；按应用情况分离压力容器（Ｓ）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存压力容器：（Ｃ，球罐为Ｂ）储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。三、容器的零部件标准容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)标准化、系列化，许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。两个基本参数：公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。㈠公称直径1.压力容器的公称直径钢板卷焊公称直径是内径。300(350)400(450)500(550)600(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）设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表2-5或表2-7所规定的公称直径。封头的公称直径与筒体一致。2.管子的公称直径也称公称口径、公称通径。有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管(GB8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB647986)等。有缝管的公称直径：公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制mm，英制in。公称直径15mm或1/2英寸，外径21.3mm，壁厚2.75mm（普通）3.25mm（加厚）有缝管的公称直径：每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。管路附件也用公称直径表示。无缝钢管的公称尺寸：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表示。为公称外径与公称厚度。在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管。管径在57mm以内常选用冷拔管。冷拔管的最大外径为200mm；热轧管的最大外径为630mm。3.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、封头的公称直径。DN2000法兰，DN2000鞍座还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DN200管法兰另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，DN80(Dg80)视镜是指窥视孔的直径为80mm。㈡公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件