压力容器基础知识和设计2014

压力容器设备河北工业大学张少峰涉及压力容器设计的基本法规和标准《特种设备安全监察条例》，国务院令549号，2009.1《固定式压力容器安全技术监察规程》，国家质监总局，2010.12第二版，2010.12.1施行TSGR1001—2008《压力容器压力管道设计许可规则》，2008.1.8GB150.1~150.4—2011《压力容器》2012.3.1JB4732《钢制压力容器——分析设计标准》NB/T47003.1—2009《钢制焊接常压容器》GB151-1999《管壳式换热器》5.1压力容器基础知识一、压力容器的定义压力作用下盛装流体介质的密闭容器尺寸容积形状，压力和温度条件，介质，制造材料GB150.1~150.4—2011《压力容器》2012.3.1实施，总则：适用设计压力：钢制容器不大于35MPa；其他材料制容器按相应引用标准确定。不适用：设计压力低于0.1MPa且真空度低于0.02MPa的容器（常压）。固定式压力容器：固定式压力容器是指安装在固定位置使用的压力容器（以下简称压力容器）。对于为了某一特定用途、仅在装置或者场区内部搬动、使用的压力容器，以及移动式空气压缩机的储气罐按照固定式压力容器进行监督理。《固容规》：同时具备下列条件的压力容器（适用范围）：(1)最高工作压力大于或者等于0.1MPa；(2)工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L；(3)盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。其中，超高压容器应当符合《超高压容器安全技术监察规程》的规定，非金属压力容器应当符合《非金属压力容器安全技术监察规程》的规定，简单压力容器应当符合《简单压力容器安全技术监察规程》的规定。只需要满足固容规总则、设计、制造要求的压力容器：容规适用范围内，容积大于或者等于25L的下列压力容器，只需要满足第1、3、4章的规定：(1)《简单压力容器安全技术监察规程》不适用的移动式空气压缩机的储气罐；(2)深冷装置中非独立的压力容器、直燃型吸收式制冷装置中的压力容器、铝制板翅式热交换器、空分装置中冷箱内的压力容器；(3)无壳体的套管热交换器、螺旋板热交换器、钎焊板式热交换器；(4)水力自动补气气压给水（无塔上水）装置中的气压罐，消防装置中的气体或者气压给水（泡沫）压力罐；(5)水处理设备中的离子交换或者过滤用压力容器、热水锅炉用膨胀水箱；(6)电力行业专用的全封闭式组合电器（如电容压力容器）；(7)橡胶行业使用的轮胎硫化机以及承压的橡胶模具；(8)机器设备上附属的蓄能器。固容规适用范围的特殊规定只需要满足固容规总则、设计和制造许可要求的压力容器：容积大于1L并且小于25L，或者内直径（对非圆形截面，指截面内边界的最大几何尺寸，例如矩形为对角线，椭圆为长轴）小于150mm的压力容器，只需要满足本规程总则和3.1、4.1.1的规定，其设计、制造按照相应产品标准的要求。只需满足固容规总则和制造许可要求的压力容器：容积小于或者等于1L的压力容器，只需要满足总则和4.1.1的规定，其设计、制造按相应产品标准的要求。不适用范围固容规不适用于下列压力容器：(1)移动式压力容器、气瓶、氧舱；(2)锅炉安全技术监察规程适用范围内的余热锅炉；(3)正常运行工作压力小于0.1MPa的容器（包括在进料或者出料过程中需要瞬时承受压力大于或者等于0.1MPa的容器）；(4)旋转或者往复运动的机械设备中自成整体或者作为部件的受压器室（如泵壳﹑压缩机外壳﹑涡轮机外壳﹑液压缸等）；(5)可拆卸垫片式板式热交换器（包括半焊式板式热交换器）、空冷式热交换器、冷却排管。《特种设备安全监察条例》（国务院令549号，2009.1修订）：特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内机动车辆。(承压设备3类、机电类5类）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：（1）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；（2）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；（3）氧舱。压力容器范围的界定《固容规》明确规定了压力容器的范围，包括压力容器本体和安全附件。压力容器的本体界定在下述范围内：(1)压力容器与外部管道或者装置焊接连接的第一道环向接头的坡口面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰密封面、专用连接件或者管件连接的第一个密封面；(2)压力容器开孔部分（接管、人孔、手孔等）的承压盖（封头、平盖）及其紧固件；(3)非受压元件与压力容器的连接焊缝。（GB150：非受压元件与受压元件的连接焊缝；还包括了：直接连接在容器上的非受压元件如支座、裙座等；容器的超压泄放装置（本条比固容规安全附件范围窄）受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部件。压力容器本体中的主要受压元件，包括壳体、封头（端盖）、膨胀节、设备法兰，球罐的球壳板，换热器的管板和换热管，M36以上（含M36）的设备主螺柱以及公称直径大于或者等于250mm的接管和管法兰。非受压元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如支座、吊耳、垫板等。安全附件压力容器的安全附件，包括直接连接在压力容器上的安全阀、爆破片装置、紧急切断装置、安全联锁装置、压力表、液位计、测温仪表等。二、压力容器的分类按材质：钢制压力容器、铝制焊接容器（JB/T4734)、钛制焊接容器（JB/T4745)、铜制焊接容器（JB/T4755)、镍及镍合金焊接容器（JB/T4756)、锆制压力容器（NB/T47011)按制造方法：板焊、锻焊、铸造、包扎式、绕带式容器等按承压方式：内压容器、外压容器按壁厚（k=Do/Di)：薄壁（k≤1.2）、厚壁（k＞1.2）根据设计压力p等级：低压(L):0.1MPa≤p1.6MPa，中压(M):1.6MPa≤p10MPa，高压(H):10MPa≤p100MPa，超高压(U):p≥100MPa。根据生产过程作用原理：反应压力容器（R），用于完成介质的物理、化学反应。换热压力容器（E），用于完成介质的热量交换。分离压力容器（S），用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离。储存压力容器（C，其中球罐B）用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质。在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的主要作用来划分品种。按温度：常温容器（设计温度（壁温）高于-20℃至200℃）、中温容器（200℃至材料蠕变温度）、高温容器（壁温达到材料蠕变温度：对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；）和低温容器（设计温度低于-20℃的碳钢、低合金钢、双相不锈钢、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）按形状：圆筒形、方形或矩形、球形；固容规分类：根据危险程度，容规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。由设计压力、容积和介质危害性三个因素决定压力容器类别,不再考虑容器在生产过程中的作用、材料强度等级、结构形式等因素,简化分类方法,强化危险性原则,从单一理念上对压力容器进行分类监管,突出本质安全思想。根据危险程度的不同,利用设计压力和容积在不同介质分组坐标图上查取相应的类别,简单易行、科学合理、准确唯一。1.压力容器分类时考虑的因素(1)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)容积指压力容器的几何容积,即由设计图样标注的尺寸计算(不考虑制造公差)并且圆整。应当扣除永久连接在容器内部的内件的体积。永久连接是指需要通过破坏方式分开的连接。(3)介质分组压力容器的介质分为两组,包括气体、液化气体或者介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。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:由除第一组以外的介质组成,如毒性程度为中度危害以下的化学介质,包括水蒸气、氮气等。介质毒性危害强度和爆炸危险程度按HG20660《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》规定，没有的按GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》确定。2.基本分类压力容器分类应当先按照介质特性,按照以下要求选择分类图,再根据设计压力p(单位MPa)和容积V(单位L),标出坐标点,确定容器类别。3、同腔多种介质容器分类一个压力腔内有多种介质时,按组别高的介质分类。4、介质含量极小容器分类当某一危害性物质在介质中含量极小时,应当按其危害程度及其含量综合考虑,由压力容器设计单位决定介质组别。5、特殊情况分类(1)坐标点位于图1或者图2的分类线上时,按较高的类别划分其类别。(2)1.4范围内特殊的压力容器统一划分为第Ⅰ类压力容器。6.对多腔压力容器(换热器的管程和壳程、余热锅炉的汽包和换热室、带夹套压力容器的内筒和夹套等)类别划分等作出了规定:a)对各压力腔进行类别划定时,设计压力取本压力腔的设计压力,容积取本压力腔的几何容积;b)按照类别高的压力腔作为该容器的类别并按该类别进行使用管理;c)按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。压力容器设计许可级别：（TSGR1001—2008《压力容器压力管道设计许可规则》）A1A级(1)A1级，指超高压容器、高压容器(注明单层、多层)；(2)A2级，指第三类低、中压容器；(3)A3级，指球形储罐；(4)A4级，指非金属压力容器。A2C级(1)C1级，指铁路罐车；(2)C2级，指汽车罐车、（或）长管拖车；(3)C3级，指罐式集装箱。A3D级(1)D1级，指第一类压力容器；(2)D2级，指第二类压力容器。A4SAD级指压力容器应力分析设计。不属于《固定式压力容器安全技术监察规程》、《超高压容器安全技术监察规程》范围的压力容器，其设计单位至少应当取得压力容器A级、C级或D级中任一级别的许可。三、压力容器术语（含参数）1、压力（5个压力）（1）设计压力：是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）工作压力：正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力。（3）计算压力：是指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力等附加载荷。（4）试验压力PT：耐压试验或泄漏试验时，容器顶部的压力。（5）最高允许工作压力：最高允许工作压力（MAWP）：在指定的相应温度下，容器顶部所能承受最高压力。对于需安装安全泄放装置且需进行气密性试验的容器，为使安全泄放装置的整定压力高于气密性试验压力(一般为设计压力)，应确定设备的最高允许工作压力(MAWP)；一台设备的最高允许工作压力(MAWP)是客观存在的，在工程设计中一般可不要求得到其精确值；当设计文件没有给出MAWP时，可认为设计压力为该容器的最高允许工作压力；如在图纸上标注了设备的MAWP，则应以该值来确定压力试验的最低值。MAWP由各受压元件有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷计算得到的，且取最小值。确定MAWP的一般方法1)利用关于壳体(包括筒体和封头)的最高允许工作压力计算公式求得该设备壳体的pmax；2)以该pmax对设备上所有其他的受压元件进行校核；3)如所有的校核计算结果都合格，则就取该pmax为设备的MAWP；如有一个或多个受压元件校核不合格，则应适当降低该pmax值后对不合格的元件重新校核，直到所有受压元件都校核合格。2、温度（4个温度）（1）设计温度t：在正常工况下，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。（2）工作温度