全面详解压力容器

压力容器基本概念1.压力容器的基本法规标准1.1法律、规程、条例《特种设备安全法》（升级、取代国务院（2009）549号《特种设备安全监察条例》（20140101实施）；TSGR0004－2009《固定式压力容器安全技术监察规程》（20101201实施）（简称《固容规》；TSGR0005－2009《移动式压力容器安全技术监察规程》（20101201实施）；TSGR1001－2008《压力容器压力管道设计许可规则》（20030101实施）《锅炉压力容器制造监督管理办法》（国质监22号令-20030101实施）1.2（强制性）技术标准GB150.1∽4-2014《压力容器》（取代GB150-1998)通用规定、材料、设计、制造与检验常规设计--弹性失效（20120301实施）简称GB150；GB151-1999《管壳式换热器》（GB/T151-2014《热交换器》(20150401实施）；JB4732-1995《钢制压力容器－分析设计标准》应力分析设计--弹塑性失效。2.压力容器的管辖(适用)范围2.1TSGR0004-2009《固容规》）(★★★监检)①PW5≥0.1MPa；②PV≥2.5MPa.L；③盛装介质为气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。2.2GB150.1∽4-2011《压力容器》①P≮0.1MPa，且≯35MPa，或者真空度（外压）不低于0.02MPa；②设计温度：－269℃～900℃；③内直径：不小于150mm。3.压力容器的分类3.1按作用原理分类：反应、换热、分离、储存。3.2按压力等级分类《固容规》，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＜100MPa；4）超高压（代号U），p≥100.0MPa。3.3按危险性分类《固容规》，先把压力容器的介质按危害性分为以下两组。第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质；易燃介质；液化气体；第二组介质：由除第一组以外的介质组成，如水蒸汽、氮气等。然后，根据介质特性组别：设计压力p（单位Mpa）容积V（单位为L）综合划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。具体分类查表确定。3.4按压力容器设计、制造许可证分类A、B、C、D、SAD五个大级别。A级（1）A1级：超高压容器、高压容器；（2）A2级：第Ⅲ类低、中压容器；（3）A3级：球形储罐；（4）A4级：非金属压力容器B级：气瓶C级：（1）C1级：铁路罐车；（2）C2级：汽车罐车、长管拖车；（3）C3级：罐式集装箱。D级（1）D1级：第Ⅰ类压力容器；（2）D2级：第Ⅱ类压力容器。SAD级。应力分析设计压力容器。3.5按温度分类GB150规定，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，属于低温容器。特殊要求:材料、设计、结构、制造、检验3.6其它分类方法按容器主体材料分有：钢制（碳素钢、低合金钢、高合金钢）、铝制、钛制、其它有色金属等。按结构形式分有：单层、锻焊、多层包扎、绕带、绕板、热套、无缝。按容器截面形状分有：圆形截面、非圆形截面。按主轴线方向分有：立式、卧式。按容器壁厚分有：薄壁、厚壁。压力容器的结构和主要零部件2.封头也是压力容器最主要的组成部分；通常有椭圆封头、碟形封头、半球形封头、锥形封头、平盖封头、球冠封头等封头已标准化，最新标准为GB/T25198-2010《压力容器用封头》。2.1椭圆形封头长短半径比例为2：1的标准椭圆的一半，带25或40mm直边。2.2.碟形封头由半径为R的球面，半径为r的连接球面与高度为h的直边三部分组成。2.3.半球形封头一般为标准半球形状，一般不带直边。应力状态好，但加工制造困难，仅用于高压或直径大的容器。2.4.锥形封头：角度可变，两端分别可带圆弧和直边。2.7钢制封头冲压后的壁厚变化4设备法兰是容器与介质输送管道或仪表、安全附件管道等进行连接的附件。又称压力容器法兰，用于连接壳体与壳体、壳体与平盖、壳体与管板。标准：JB/T4700~4707-2000分甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰三种类型。密封面分突面（RF）、凹凸面（MFM）和榫槽面（TG）三种密封面。5支座压力容器的支撑结构。标准：JB/T4712-2007分鞍式支座、耳式支座、腿式支座和支撑式支座四种类型。还有非标的裙式支座，简称裙座。7压力容器视镜简称视镜，最新标准：HG21619-1986视镜玻璃为钢化硼硅玻璃。根据结构分带颈和不带颈两种，用于特材容器时有衬里或衬垫结构。8压力容器膨胀节简称膨胀节，最新标准：GB16749-1997作用：用于压力容器、换热器、常压容器及管道，能实现短距离伸缩，缓解温度差和材料热膨胀系数不同等造成的轴向应力。类型主要分ZX、ZD、HF、HZ四种，常用的是HF型和ZD型：9检查孔（人孔与手孔）最新标准：HG21514~21535-95和HG21594~21604-99。人孔规格：DN400-DN600,手孔规格：DN100-DN250.人孔结构、法兰型式、密封面类型、垫片类型和材料及标准件材料配套选用。常用的人孔结构有：回转盖式、水平吊盖式和垂直吊盖式。法兰型式包括PL型、SO型和WN型。密封面主要有RF，MFM和TG三种，高压下可能用到RJ型。垫片主要有石棉橡胶板，柔性石墨复合垫和聚四氟乙烯包覆垫三种，在压力较高的设备中,可用到缠绕垫和金属环垫。连接标准件是螺柱/螺母或螺栓/螺母，材料主要是8.8/8级和35CrMoa/30CrMo。10补强圈最新标准：JB/T4736-2002。用于弥补开孔处壳体的强度.被补强圈覆盖的焊接接头，要打磨平齐，并100%RT,级别按壳体。安装补强圈时，应将螺孔放在壳体最低的位置。安装后由螺孔通入0.4-0.5MPa的空气进行检漏，检查焊缝质量。11垫片相关标准：HG/T20606～20613-2009，HG/T20627～20633-2009，JB/T4705～4706-2000，JB/T4718/4719/4720-1992等。用于各种法兰之间的密封，根据介质、设计压力和设计温度可选择非金属平垫片、聚四氟乙烯包覆垫片、柔性石墨复合垫片、金属包垫片、金属缠绕垫片、齿形组合垫片、金属环垫片等各种类型。制造压力容器的主要材料1.钢材（1）机械性能1、材料的强度2、材料的塑性3、材料的韧性4、材料的硬度5、温度对钢的机械性能的影响（2）钢材的耐蚀性能注意：耐蚀性不是材料的固有特性，它随材料的工作条件而改变。例如：铁、碳钢、不锈钢、铜不同条件下的耐蚀性。工程应用意义：选材硫酸—碳钢；尿素—S31603（3）钢材的化学成份与钢材牌号1、钢材的常用合金元素及其作用（铁、碳之外）元素名称作用Mn抑制FeS生成，防止热脆；细化珠光体组织；提高淬透性。Si提高淬透性和抗回火性；增强在大气环境中的耐蚀性。Cr增加淬透性；提高高温抗氧化性；增加热强性。Ni细化铁素体提高塑性和韧性；改善耐蚀性；提高热强性。Mo提高淬透性；增加热强性；增强耐蚀性(有机酸及还原性介质)。Ti固溶强化；增加回火稳定性；提高抗晶间和应力腐蚀能力。V增加回火稳定性；细化晶粒提高韧性；提高σn和σD；抗氢腐蚀。Nb增加回火稳定性；细化晶粒提高韧性；改善焊接性。Al固溶强化；细化晶粒；改善抗高温氧化性和对H2S气体耐蚀性。2、钢材牌号1）碳钢的编号A以钢材的屈服点及质量等级进行编号，如：Q235A.F，各字符含义如下：Q—钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；235表示钢材的屈服强度为235MPa。A、B、C、D—分别为质量等级；F—沸腾钢“沸”字汉语首位字母；B—半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；Z—镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ—特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母；在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ”符号予以省略。B碳钢编号除按屈服强度编号外，还有一种编号方法，以钢材的含碳量的万分之几表示：如10#钢、20#钢等，其碳含量分别为0.1%和0.2%。（详见南社百科）2）合金钢的编号数字＋化学元素符号＋数字表示，第一个数字表示钢材的碳含量，以万分之几表示，后面的数字表示合金元素的含量，以百分之几表示，中间的化学元素符号表示合金元素的种类，当合金元素含量≤1.5%时，一般省略中间的数字。如：16Mn表示碳含量为0.16%，Mn含量≤1.5%3）特殊钢的编号A体不锈钢，含碳量≯0.1%(晶间腐蚀)---低碳、超低碳当含碳量≤0.08%及0.04%时分别用0(08)以及00(03)表示。如:0Cr18Ni9（S30408)、00Cr17Ni14Mo2(S31603)。3压力容器用钢的一般要求1、化学成分（C、P、S限制）1）用于焊接的碳素钢和低合金钢C≤0.25％、P≤0.035％、S≤0.035％。2）压力容器专用钢中碳素钢和低合金钢（钢板、钢管和钢锻件）的磷、硫含量应当符合下列要求：a碳素钢和低合金钢钢材基本要求，P≤0.030％、S≤0.020％；bRm大于等于540MPa的钢材，P≤0.025％、S≤0.015％；c用于设计温度低于-20℃，并且Rm小于540MPa的钢材，P≤0.025％、S≤0.012％。d用于设计温度低于-20℃，且Rm大于等于540MPa的钢材，P≤0.020％、S≤0.010％。2、机械性能：足够高的强度、良好的韧性和塑性、足够的断裂韧性、低的无塑性转变温度（NDT）。3、制造工艺性能：良好的塑性、可焊性（C、Ceq、Pcm、焊接接头硬度）。4、特殊性能：耐高温、耐低温和耐腐蚀性。二、钢板常用钢号：Q235-B，Q235-C，GB/T3274-2007《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》Q245R，GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》。2）化学成分与力学性能碳素结构钢钢板化学成分见下表3）使用限制：钢号标准钢板状态容器设计压力（MPa）钢板使用温度（℃）容器壳体用钢板厚度(mm)容器中的介质Q235-BGB/T3274-2007热轧≤1.620~300≤16不得用于毒性为高度和极度介质Q235-C热轧≤1.60~300≤16同上Q245RGB713-2014热轧、正火≤3520~475≤100无限制GB150，对Q235-B，Q235-C的使用，还做了特别限制AP≤0.035％、S≤0.035％B厚度大于等于6要做冲击试验，C钢板应进行冷弯试验。制造、供应麻烦，趋向淘汰。4）使用场合（1）机械性能：较高的强度和硬度，较好的塑性和韧性。（2）加工工艺性能：具有良好的加工性。可铸、锻、切削和各种冷热加工，低碳钢具有良好的焊接性能。（3）耐腐蚀性能：耐腐蚀性较差。但对农硫酸和温度不高的稀碱液具有耐蚀性。使用限制：①与合金钢相比强度较低，只能用于压力不很高的中小型容器；②耐腐蚀性差，不能用于腐蚀性介质；③使用温度范围较窄，不能用于高温或低温场合。1.3低温用钢钢板（同时具备高强度和良好的低温韧性。适用于在-20℃低温工况下运行的压力容器）1）钢板牌号：16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR，GB3531-2014《低温压力容器用低合金钢板》；07MnNiVDR、07MnNiMoVDR，GB19189-2011《压力容器用调质高强度钢板》；2）使用与限制：钢号标准钢板状态容器设计压力（MPa）钢板使用温度（℃）容器壳体用钢板厚度(mm)冲击试验温度（℃）16MnDRGB3531-2014正火、正火加回火通常≤35-40～3506～100-4015MnNiDR通常≤35-45～1006～60-4509MnNiDR通常≤35-70～3506～100-7007MnNiMoVDRGB19189-2011调质通常≤35-40～35016～60-451.4中温抗氢钢（耐热钢）钢板（具有较高的高温强度（400～600℃）和良好的抗氢腐蚀性能（≥200℃）。1）钢板牌号：15Cr