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压力容器基础知识主讲:陶广峰一、压力容器的定义压力的概念：在压力容器设计中，谈及压力，如果没有特别指明，通常是指表压力，即指该容器的内部压力与环境大气压力的差值。如果容器内部压力高于大气压力，则表压力为正，表示该容器承受内压作用；如果容器内部压力低于大气压力，则表压力为负，表示该容器承受外部压力作用，其绝对值又称为真空度。一、压力容器的定义压力容器的定义：根据《特种设备安全监察条例》规定的压力容器定义：A、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等于2.5MPa·L的气体、液化气体，以及最高工作压力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；一、压力容器的定义B、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、液化气体标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶、氧舱等。二、GB150容器的适用范围压力容器的定义：在GB150适用范围内的压力容器可以习惯地称为“GB150容器”，其压力、温度和截面尺寸的限定参数规定如下：1.设计压力设计压力p适用范围以数轴表示如下:pMPa-0.1-0.0200.1352.设计温度GB150适用的设计温度范围取决于钢材允许的使用温度范围。3.容器截面尺寸大于等于150mm对于圆形截面：直径；对于矩形截面：对角线；对于椭圆截面：长轴。二、GB150容器的适用范围GB150不适用的各类容器：直接火焰加热的容器；经常搬运的移动式容器；在动设备中自成整体或作为部件的容器；要求作疲劳分析的容器；已有其他行业标准或专门管辖的容器：如核能装置中的容器，制冷、制糖、造纸等轻工行业中的某些专用容器。二、GB150容器的适用范围三、容规的管辖范围在压力容器安全技术监察规程（简称《容规》）管辖范围内的压力容器可以习惯地称为“容规容器”。容规容器是同时具备下述压力、容积和介质三方面条件的容器。三、容规的管辖范围1.最高工作压力pw最高工作压力范围以数轴表示如下：pMPa-0.100.1100w三、容规的管辖范围2.容器截面尺寸和容积内直径（对于非圆形截面指最大尺寸）大于等于150mm且容积大于等于25L。注：对于容积小于25L的高压容器仍属于容规容器。三、容规的管辖范围3．盛装介质——气体；——液化气体；——最高工作温度高于等于标准沸点的液体。三、容规的管辖范围容规不适用的各类容器：超高压容器；各类气瓶；非金属材料制造的压力容器；核压力容器、船舶和铁路机车上的附属压力容器、国防或军事装备用的压力容器、真空下工作的压力容器、各项锅炉安全技术监察规程适用范围内的直接受火焰加热的设备（如烟道式余热锅炉等）；三、容规的管辖范围正常运行最高工作压力小于0.1MPa的压力容器（包括在进料或出料过程中需要瞬时承受压力大于等于0.1MPa的压力容器，不包括消毒、冷却等工艺过程中需要短时承受压力大于等于0.1MPa的压力容器）。机器上非独立的承压部件（包括压缩机、发电机、泵、柴油机的气缸或承压壳体等，不包括造纸、纺织机械的烘缸、压缩机的辅助压力容器）；无壳体的套管换热器、波纹板换热器、空冷式换热器、冷却排管。四、压力容器的分类压力容器的形式、品种繁多。根据不同的要求，压力容器的分类方法有很多种：1.按壁厚分：薄壁容器（容器外径与内径之比小于等于1.2）和厚壁容器（容器外径与内径之比大于1.2）。2.按材质分：钢制压力容器、铝制焊接容器、钛制焊接容器和非金属容器。四、压力容器的分类3.按承压方式分：内压容器和外压容器。当容器内部承受压力时称为内压容器，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。4.按工作温度分：高温容器、常温容器、低温容器。一般情况下，当工作温度低于或等于-20℃时称为低温容器，当压力容器的工作温度高于或等于金属材料的蠕变开始温度时称为高温容器。四、压力容器的分类5.按壳体的几何形状分：球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器。6.按设计压力分：低压（L）0.1MPa≤p＜1.6MPa；中压（M）1.6MPa≤p＜10MPa；高压（H）10MPa≤p＜100MPa；超高压（U）p≥100MPa。7.按盛装介质毒性分：轻度危害、中度危害、高度危害、和极度危害。四、压力容器的分类8.按压力容器在生产过程中的作用原理分：反应压力容器（代号R，如反应器、反应釜、分解锅、分解塔等）；换热压力容器（代号E，如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器等）；分离压力容器（代号S，如分离器、过滤器、集油器、洗涤器、缓冲器、吸收塔等）储存压力容器（代号C，其中球罐代号B，如液化石油气球罐）。四、压力容器的分类9.《压力容器安全技术监察规程》（简称《容规》）根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、以压力等级为主线、同时考虑容器的容积和盛装介质的危害性等因素，从高到低将压力容器依次分为第三类压力容器、第二类压力容器以及第一类压力容器。四、压力容器的分类⑴第三类压力容器下列情况之一的容器为第三类压力容器：a）高压容器；b）中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c）中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于或等于10MPa·m3）；d）中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于或等于0.5MPa·m3）；e）低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于或等于0.2MPa·m3）；f）高压、中压管壳式余热锅炉；四、压力容器的分类g）中压搪玻璃压力容器；h）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或等于540MPa）的材料制造的压力容器；i）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；j）球形容器（容积大于等于50m3）；k）低温液体储存容器（容积大于5m3）。四、压力容器的分类⑵第二类压力容器下列情况之一的容器（已被规定为第三类压力容器的除外）为第二类压力容器：a）中压容器；b）低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c）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）；d）低压管壳式余热锅炉；e）低压搪玻璃压力容器。四、压力容器的分类⑶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、分离容器为第一类压力容器。按照《容规》的规定分类，压力容器类别和介质的化学特性有很大的关系。关于介质的化学特性分类，按易燃易爆性质分，可分为易燃、可燃、助燃和惰性四种；按毒性程度分，又可分为极度危害（Ⅰ）、高度危害（Ⅱ）、中度危害（Ⅲ）、轻度危害（Ⅳ）四级。五、压力容器划定范围GB150和《容规》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零部件（受压元件），具体是：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接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件。③非受压元件与压力容器本体连接的焊接接头。六、压力容器设计基础1、压力：工作压力pw：工作压力（操作压力）是指压力容器在正常的工作情况下，所要求的内（外）部表压力，工作压力是根据生产工艺的要求决定的，是容器设计的基础数据。设计压力p：设计压力指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计条件；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。在正常情况下，设计压力应等于或略高于最高工作压力。六、压力容器设计基础试验压力：在压力试验时，容器顶部的压力。①耐压试验：耐压试验的目的是最终检验容器的整体强度和可靠性，以高于设计压力的试验介质综合考查容器的制造质量、各受压元件的强度和刚性、焊接接头和各连接面的密封性能等。②耐压试验有如下方式：液压试验：以水或者其他液体为介质的耐压试验；气压试验：以空气、氮气或其他惰性气体为介质的耐压试验；混合耐压试验：是液压试验和气压试验的组合。在现行标准和工程实践中，耐压试验称为压力试验。六、压力容器设计基础③耐压试验的一般要求：GB150规定，容器制成后应经压力试验，这里的压力试验特指耐压试验。耐压试验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。压力试验一般采用液压试验。对于不适合作液压试验的容器，例如容器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验，进行气压试验必须满足GB150第10.9.5条的要求。六、压力容器设计基础GB150第10.9.5条10.9.5气压试验10.9.5.1气压试验应有安全措施。该安全措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部门检查监督。试验所用气体应为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体。10.9.5.2试验压力为设计压力的1.15倍。10.9.5.3试验温度a)碳素钢和低合金钢容器，气压试验时介质温度不低于15℃；b）其他钢种容器气压试验温度按图样规定。六、压力容器设计基础10.9.5.4试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查，如有泄漏，修补后重新试验。初次泄漏检查合格后，再继续缓慢升压到规定试验压力的50%，其后按每级为规定试验压力的10%的级差逐级增至规定的试验压力。保压10min后将压力降至规定试验压力的87%，并保持足够长的时间后再次进行泄漏检查。如有泄漏，修补后再按上述规定重新试验。六、压力容器设计基础工作压力≤设计压力＜试验压力工作压力≤设计压力＜液压试验(1.25设计压力)工作压力≤设计压力＜气压试验(1.15设计压力)六、压力容器设计基础2、厚度厚度是压力容器最主要的结构参数，是在规定的载荷条件下，保证结构强度和结构刚度以及使用寿命的基本条件之一。因此确保压力容器可靠性能的各种厚度是标准中给予严格规定的技术内容。计算厚度：考虑计算压力，按标准给定的计算方法计算得到的厚度。是在规定的载荷条件下保证容器强度、刚度或者稳定要求的厚度。设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和。是在规定载荷条件下保证容器强度、刚度或者稳定要求的同时，保证规定的设计寿命的厚度。六、压力容器设计基础名义厚度：设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至规格厚度。一般为标注在设计图样上的厚度。有效厚度：名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。决定容器真正承载能力的厚度，一般用来校核容器的强度和稳定性；也是确定最大允许工作压力的参数。钢材厚度：压力容器壳体的钢材厚度是指实际用于制造该壳体元件的材料厚度，是决定容器制造技术条件的厚度。六、压力容器设计基础计算厚度设计厚度=计算厚度+腐蚀裕量名义厚度=设计厚度+钢材负偏差+圆整至规格厚度=计算厚度+腐蚀裕量+钢材负偏差+圆整至规格厚度有效厚度=名义厚度-腐蚀裕量-钢材负偏差=计算厚度+圆整至规格厚度钢材厚度=名义厚度-钢材负偏差=计算厚度+腐蚀裕量+圆整至规格厚度计算厚度≤（有效厚度、设计厚度）≤钢材厚度≤名义厚度六、压力容器设计基础最小成形厚度：指设计要求的、容器成形后的最小厚度。壳体加工成形且不包括腐蚀裕量的最小厚度对GB-150-1998《钢制压力容器》所管辖容器壳体圆筒的最小厚度要求，主要目的是保证容器安装、运输过程中的刚性，具体规定如下：a）对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm；b）对高合金钢制容器，不小于2mm。碳素钢和低合金钢制换热器圆筒的最小厚度公称直径400～≤700＞700～≤1000＞1000～≤1500＞1500～≤2000固定式管板681012六、压力容器设计基础3、焊接接头系数焊接接头系数φ是指对接焊接接头强度与母材强度之比值。用以反映由于焊接材料、焊接缺陷和焊接残余应力等因素使焊接接头强度被削弱的程度，是焊接接头力学性能的综合反