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第一章压力容器基础知识总述压力容器在工业中应用非常广泛，而且已经深入到千家万户之中。作为压力容器操作人员，保证压力容器安全运行，是自己应尽的职责。全国特种设备事故风险分析为了提高操作人员的理论知识和实际操作水平，本章将详细讲解压力容器的基本知识。第一节压力容器简介一、压力垂直作用在物体表面的力，叫做压力，用F表示。当人们在烂泥路上行走时，两脚常会陷得很深，如果在路面上铺一块木板，从木板上走，就不会下陷。所以是否会陷入路面，不仅与路面承受的压力大小有关，而且与受力面积（S）有关。单位面积上承受的力，叫做压强，用P表示。P=F/S，计量单位“帕斯卡”，简称“帕”，用“Pa”表示。几种换算关系：1kgf/cm2=0.098MPa≈0.1MPa从上述分析可知，压力与压强是两个概念不同的物理量，但是在一般工程技术上，人们习惯于将压强称为压力。（一）大气压力概念：地球表面覆盖一层厚厚的大气，受地心的吸引产生重力，所以地球表面的大气层对地表及其上的物体产生大气压力，即所谓的大气压。大气压随着高度升高而减小，所以高山上的大气压比海平面上的小。为了使计算有个基准点，将海平面的大气压1.0331kgf/cm2称做一个标准大气压。相当于0.1MPa。（二）绝对压力、表压力与负压力正压力，当容器内介质压力高于大气压时；负压力，相反。绝对压力，压力容器内的实际压力。表压力，压力表的读数，容器内介质压力超出大气压力的部分。负压力，当容器内的压力低于大气压力是，称负压或真空。绝对压力，表压力与负压力三者关系：P绝=P表+P大气。当表压为负时，P负=P大气-P绝。通常所说的压力均指表压力。二、压力容器的定义《特种设备安全监察条例》2009版，第九十九条第（二）款：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；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；氧舱等。三、压力容器的压力源（1）来自外部，其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉。容积型压缩机，通过压缩气体体积，增加气体密度来提高提起压力。速度型压缩机，通过增加气体流速，使气体的动能转变为势能来提高压力。蒸汽锅炉，是利用燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸气的设备。（2）来自内部，容器内介质的聚集状态发生改变；气体介质在容器内受热，温度急剧升高；介质在容器内发生体积增大的化学反应等。四、压力容器界限（一）划分压力容器界限应考虑的因素主要从两个方面，事故发生的可能性与事故危害性的大小。压力容器发生爆炸时，其危害性大小与工作介质的状态、工作压力及容器的容积等因素有关。盛装液体介质时，由于液体压缩性小，因此爆炸时其膨胀功，所释放的能量很小，危害性也小。盛装气体介质时，气体的压缩性很大，爆炸时释放的能量巨大，危害性就非常大。（二）我国压力容器的界限范围主要是指条例中的规定，压力容器定义五、压力容器在工业生产中的应用应用非常广泛，特别是石油化工行业，约占压力容器总数的50%。除工业外，广泛用于基本建设、医疗卫生、地质勘探、文体教育等国民经济各部门。第二节压力容器工艺参数一、压力压力容器工作时所承受的主要载荷。（一）工作压力也称操作压力，系指容器顶部在正常工艺操作时的把压力。（二）最高工作压力，容器顶部在工艺操作过程中可能产生的最大表压力。（三）设计压力，在相应设计温度下用以确定容器计算壁厚及其元件尺寸的压力。二、温度（一）介质温度，容器内工作介质的温度，用测温仪表测量。（二）设计温度，容器在正常工作过程中，在相应设计压力下，表面或金属元件可能达到的最高或最低温度。第三节压力容器的分类一、按压力分类（1）低压容器：0.1MPa≤P＜1.6MPa；（2）中压容器：1.6MPa≤P＜10MPa；（3）高压容器：10MPa≤P＜100MPa；（4）超高压容器：100MPa≤P。二、按壳体承压方式分类内压容器，主要考虑强度指标；外压容器，主要考虑稳定性。三、按设计温度分类低温容器：t≤-20℃；常温容器：-20℃＜t＜450℃；高温容器：t≥450℃。四、从安全技术管理角度分类（一）固定式容器，固定的安装和使用地点，工艺条件和使用操作人员也比较固定，一般不单独装设，而是用管道与其他设备连接的容器。（二）移动式容器，无固定地点，环境经常变化，管理比较复杂，容易发生事故。如气瓶、汽车槽车等。五、按在生产工艺过程中的作用原理分类（一）反应容器（代号R）（二）换热容器（代号E）（三）分离容器（代号S）（四）储存容器（代号C，其中球罐代号B）六、《压力容器安全技术监察规程》分类（一）第三类容器（二）第二类容器（三）第一类容器目前在用的压力容器，依然按原来的出厂资料分类；新生产的压力容器，根据其依据的标准来分类。《固定式压力容器安全技术监察规程》，于2009.12.01起施行，过度期一年，届时所有新生产的容器均按附件A分类。第四节压力容器常用的钢材一、对选用钢材的要求重点考虑钢材的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性。（一）机械性能1、强度2、塑性3、韧性（二）工艺性能（三）耐腐蚀性二、压力容器常用钢材及使用范围（一）碳素钢（二）普通低合金钢（三）特殊条件下使用的容器用钢第五节压力容器的应力及其影响一、各种载荷所产生的应力（一）由压力而产生（二）由重力而产生（三）由温度而引起（四）由风载荷引起（五）其他如地震、容器周围较大的附件等二、应力对容器安全的影响第二章压力容器结构本章主要介绍钢制压力容器基本结构的相关知识。包括基本构成、圆筒结构、封头、法兰连接结构、密封结构、支座这六个方面。第一节压力容器的基本构成一、壳体壳体是压力容器最主要的组成部分，是储存物料或完成化学反应所需的压力空间，其形状有圆筒形、球形、锥形和组合形等，最常用的是前两种。（一）圆筒形壳体特点：轴对称，圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，承载能力较高，且易于制造，便于内件的设置和拆装，因而应用广泛。1、筒体：筒体直径较小可以用无缝钢管（500mm）；较大时用钢板卷焊。2、封头与端盖：凡与筒体焊接连接而不可拆卸的，称为封头；与筒体以法兰等连接而可拆的，称为端盖。（二）球形壳体容器壳体呈球形，又称球罐。特点：中心对称，受力均匀；在相同的壁厚条件下，球形壳体的承载能力最高，即在同样的内压下，球形壳体所需要的壁厚最薄，仅为同直径、同材料圆筒形壳体壁厚的1/2（不计腐蚀裕量）；在相同容积条件下，球形壳体的表面积最小。经济性：壳壁薄和表面积小，制造时可以节省钢材，比如容积相同时，球形容器要比要比圆筒形节省30%~40%的钢材。此外，表面积小，对于用做需要与周围环境隔热的容器，还可以节省隔热材料和减少热传导。不足：制造比较困难，工时成本高，往往采用冷压或热压成型；用于反应、传质或传热容器时，既不便于在内部安装工艺内件，也不便于内部互相作用的介质流动。球罐一般用于储存容器。二、连接件一般是法兰连接，法兰通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使垫片压紧而保证密封。用于管道连接和密封的法兰称管法兰；用于容器端盖和筒体连接和密封的称容器法兰。容器法兰按结构分为整体式、活套式和任意式三种。详见第四节。三、密封元件定义：可拆连接结构的容器中起密封作用的元件。材料：非金属密封元件，如石棉橡胶板、橡胶O形环、塑料垫、尼龙垫等；金属密封元件，如紫铜垫、不锈钢垫、铝垫等；组合密封元件，如铁皮包石棉垫、钢丝缠绕石棉垫等。详见第五节。四、接管、开孔及其补强结构（一）接管压力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。形式：螺纹短管式、法兰短管式与平法兰式。螺纹短管式：一段带有内螺纹或外螺纹的短管，插入并焊接在容器的器壁上，螺纹用来与外部件连接。主要用于连接测量仪表，直径较小。法兰短管：一端焊有管法兰，一端插入并焊接在容器器壁上，短管长度一般不小于100mm。当外面有保温时，短管要求更长。多用于直径稍大的接管。平法兰式接管：法兰短管式接管除掉了短管的一种特殊型式。直接焊接在容器开孔上的一个管法兰。螺孔是一种带有内螺纹的不穿透孔。（二）开孔用途：为了便于检查、清理容器的内部，装卸、修理工艺内件及满足工艺的需要，一般开设手孔和人孔。手孔的大小要使人的手能自由通过，并考虑手上还可能握有装卸工具和供安装的零件。一般手孔直径不小于150mm。人孔的大小应能使人钻入，一般内径大于等于1000mm的容器，不能利用其他可拆装置进行内部检验和清洗时。椭圆孔优点：容器壁上的开孔面积可以小一些，而且其短径可以放在容器的轴向，这样就减小开孔对容器强度的削弱。内闭式：孔盖放在孔壁里面，用两个螺栓（手孔一个）把压马紧压在孔外放置并支承在孔边的横杆上。安装虽然比较困难，但是密封性能很好，容器内介质的压力可以帮助压紧孔盖，有自紧密封效果。所以多用在高温或有毒气体容器上。外闭式：一般是一个带法兰的短管和一个平板型盖或稍压弯的不折边的球形盖，用螺栓固定。开启次数多的用铰接的回转盖。（三）开孔补强结构开孔减小容器壁的受力面积，同时造成不连续而产生应力集中，对容器安全运行极为不利。所以要开孔补强。整体补强，增加容器整体壁厚，显然不合理；一般采用局部补强的方法。1、补强圈补强结构，在开孔边缘焊接一个加强圈，经过计算，达到要求。2、厚壁短管补强结构，将开孔连接的短管加厚，适用于开孔尺寸较小的容器。3、整体锻造补强结构，先把开孔与部分球壳锻造成一个整体，再车制成形后与壳体进行焊接。五、支座支承与固定压力容器，见第六节。第二节圆筒体结构一、整体式筒体（一）单层卷焊式筒体优点：1、结构成熟，使用经验丰富，理论较完善；2、制造工艺成熟，工艺流程较简单，材料利用率高；3、便于热处理，提高材料性能；4、开孔、结构及内件装设容易处理；5、零件少，生产管理方便；6、使用温度无限制。缺点：1、壁厚受限制；2、规格相同的产品，单层卷焊所用钢板厚度最大，性能差异大，产生脆性破坏的危险性大；3、壁厚方向应力分布不均，材料利用不够合理。（二）整体锻造式筒体在钢坯上采用钻孔或热冲孔方法先开一个孔，加热后在孔中穿一心轴，然后在锻压机上进行锻压成形，最后经过切削加工制成。用于超高压场合，质量好、使用温度无限制等优点。需要大型设备，材料利用率低，结构上存在与单层卷焊相同的缺点。一般只用在内径为300~500mm的小型容器上。（三）锻焊式筒体在整体锻造的基础上，将若干筒体与端部法兰组焊而成。只有环缝，没有纵缝。保持了整体锻造的优点。（四）铸-锻-焊式筒体随着铸造、锻造技术提高和焊接工艺的发展而出现的一种新型筒体。（五）电渣重熔筒体近年发展起来的一种制造过程高度机械化、自动化的筒体结构型式。无需大型工装设备，工时少，造价低，器壁内各部分材质比较均匀，无夹渣与分层等缺陷。是一种很有前途的制造高压容器的工艺。二、组合式筒体（一）多层板式筒体结构优点：1、可以通过制造工艺过程在层板间产生预应力，使壳壁上的应力沿壁厚分布比较均匀，壳体材料可以得到较充分的利用，所以壁厚可以稍薄；2、当容器的介质具有腐蚀性时，可以采用耐腐蚀的合金钢作内筒，而用碳钢或低合金钢作层板，能充分发挥不同材料的长处，节省贵重金属；3、当壳壁材料中存在裂纹等严重缺陷时，缺陷一般不易扩展到其他各层；4、由于使用薄板，具有较好的抗裂性能，所以脆性破坏的可能性较小；5、是在制造上不需要大型锻压设备。缺点：多层板厚壁筒体与锻制的端部法兰或封头的链接焊缝，常因两连接件的热传导情况差别较大而产生焊接缺陷，有时还会因此