1、压力容器检验员培训压力容器基础知识济南市锅炉压力容器检验研究所毛文帮2008年10月压力容器简介一、广义压力容器的定义所谓容器，通常的说法是：由物体构成用于盛装物料的空间构件。通俗地讲，就是化工、炼油，医药，食品等生产所用的各种设备外部的壳体都属于容器。 不言而喻，所有承受压力的密闭容器称为压力容器，或者称为受压容器。二、压力容器的压力源 容器所盛装的，或在容器内参加反应的物质，称之为工作介质。 常用压力容器的工作介质是各种气体、水蒸汽或液体，所以我们这里主要讲气体介质的压力来源。压力来源可以分为气体压力的产生或增大，它来自容器内或容器外二类。 容器的气体压力产生于器外时，其压力源一般是气体压
2、缩机或蒸汽锅炉。气体压缩机主要有容积型(活塞式、螺杆式、转子式，滑片式等)和速度型(离心式、轴流式、混流式等)两类。容积型气体压缩机是通过缩小气体的体积，增加气体的密度来提高气体压力的。而速度型气体压缩机则是通过增加气体的流速，使气体的动能转变为势能来提高气体压力的。工作介质为压缩气体的压力容器，其可能达到的最高压力为气体压缩机出口的气体压力(当然，气体在容器内温度大幅度升高或产生其他物理化学变化使压力升高的情况除外）。 蒸汽锅炉是利用燃料燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸汽的一种设备。由于在相同压力下水蒸汽的体积是饱和水的1000多倍， 2容器的气体压力产生于容器内时，其原因有：容器内介质
3、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。由于介质的聚集状态发生改变而产生或增加压力的，一般是由于液态或固态物质在容器内受热(如周围环境温度升高，容器内其他物料发生放热化学反应等)、蒸发或分解为气体，体积剧烈膨胀，但因受到容器容积的限制，气体密度大为增加，因而在器内产生压力或使原有的气体压力增加。例如二氧化硫，当温度低于10.1(标准沸点)时，它在密闭容器内的蒸气压力低于大气压力，而当温度升高至60时，呈液态的二氧化硫便大量蒸发，其蒸气压力即升高到11.25绝对大气压。又如高分子聚合物固态聚甲醛，受热后“解聚变为气态，体积约增大1065倍，在
4、密闭容器内也会产生很高的气体压力。 由于气体介质在容器内受热而产生或显著增加压力的情况一般是少见的。只有因特殊原因，气体在容器内吸收了大量的热量，温度大幅度升高时压力显著增加的情况才会发生。例如有些贮装易于发生聚合反应的气体容器(如某些碳氢化合物贮罐)，在合适条件下单分子气体可以局部发生聚合反应，产生大量的聚合热，使容器内的气体受热，温度大幅度上升，使压力剧烈增高，有时还会因此而发生容器超压爆破事故。 由于介质在容器内发生体积增大的化学反应而压力升高的例子较多，例如用碳化钙加水经化学反应生成乙炔气体，体积大为增加，在密闭的容器内会产生较高的压力。又如电解水制取氢和氧的反应，因为1米3的水可以分
5、解成1240米3的氢气和620米3的氧气，体积约增大2000倍，在密闭的容器内也会产生很高的压力。 常用的压力容器中，气体压力在容器外增大的较多，在容器内增大的较少。但后者危险性较大，对压力控制的要求也更严格。三、压力容器界限 在此讨论的压力容器，主要是指那些容易发生事故，而且事故的危害性较大，须由专门机构进行监督，并按规定的技术管理规范进行制造和使用的压力容器。也就是对压力容器划个界限，哪些按一般设备对待，哪些按特殊设备对待。因而所讲得的系指按特殊设备对待的压力容器。 1划分压力容器的界限应考虑的因素，主要是事故发生的可能性与事故危害性的大小两个方面。目前国际上对压力容器的界限范围尚无完全统
6、一的规定。一般说来，压力容器发生爆炸事故时，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。工作介质是液体的压力容器，由于液体的压缩性极小，因此在容器爆破时其膨胀功，即所释放的能量很小，危害性也小。而工作介质是气体的压力容器，因气体具有很大的压缩性，容器爆破时膨胀功，即瞬时所释放的能量很大，危害性也就大。由此可见，工作介质为液体时，即使容器爆破，其危害性也是比较小的，所以一般都不把这类介质为液体的压力容器列入作为特殊设备的压力容器范围内。值得注意的是，这里所说的液体，是指常温下的液体，不包括最高工作温度高于其标准沸点(即标准大气压下的沸点)。2、 特种设备安全监察条例 、容规对压
7、力容器有相应的界定四、压力容器的基本要求1强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。强度是在压力的作用下不允许产生塑性(永久)变形,是涉及安全的主要问题。2刚度：刚性是在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产 生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等；3稳定性：在外力作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。4耐久性5密封性五、压力容器的工艺参数 压力容器的工艺参数是由生产的工艺要求确定的，是进行压力容器设计和安全操作的主要依据。压力容器的主要工艺参数为压力和温度。 （一）压力 这里主要讨论压力容器工作介质的压力，即压力容器工作时所承受的主要载荷。压
8、力容器运行时的压力是用压力表来测量的，表上所显示的压力值为表压力。在各种压力容器的规范中，经常出现工作压力、最高工作压力和设计压力等概念，观将其定义分述如下。 1工作压力。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压力(即不包括液体静压力)。 2最高工作压力。系指容器顶部在工艺操作过程中可能产生的最大表压力(即不包括液体静压力)。压力超过此值时，容器上的安全装置就要动作。容器最高工作压力的确定与工作介质有关。 3设计压力。系指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。一般不小于最高工作压力，由于考虑问题的角度不一样，不同规范对设计压力的选取原则可能会略有差异。 容规规定
9、容器的设计压力，应略高于容器在使用过程中的最高工作压力。装有安全装置的容器，其设计压力不得小于安全装置的开启压力或爆破压力。（二）温度 1介质温度，系指容器内工作介质的温度，可以用测温仪表测得 2.设计温度；压力容器的设计温度不同于其内部介质可能达到的温度，系容器在正常工作过程中，在相应设计压力下，表壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。 设计规定，对设计温度的选取有如下规定： (1)当容器的各个部位在工作过程中可能产生不同温度时，可取预计的不同温度作为各相应部位的设计温度。 (2)对有内保温的容器，应作壁温计算或以工作条件相似容器的实测壁温作为设计温度。六、压力容器的分类 压力容器的型式繁多
10、。根据不同压力容器可有许多分类方法，常用的有以下几种（一）按压力分类 按所承受压力(P)的高低，压力容器可分为低压，中压，高压，超高压四个等级。具体划分如下： 1低压容器，0.P1.6MPa ; 2中压容器：1.6P10MPa; 3高压容器，10P100MPa。（二）按壳体承压方式分类 按壳体承压方式不同，压力容器可分为内压(壳体内部承受介质压力)容器和外压(壳体外部承受介质压力)容器两大类。 这两类容器是截然不同的，其差别首先反映在设计原理上，内压容器的壁厚是根据强度计算确定的，而外压容器的设计则主要考虑稳定性问题。其次，反映在安全性上，外压容器相对内压容器安全。（三）按设计温度分类 按设计
11、温度(t)的高低，压力容器可分为低温容器(t20)，常温容器(20t1000m，且H/D30或D1000m，且H/D25； 基本风压q0.5KN/m2或地震烈度8度时。圆锥形裙座的半锥角15。 裙座上须开孔： 排气孔 裙座顶部须开设80100的排气孔，以排放可能聚结在裙座与封头死区的有害气体。对于有人孔的矮裙座或者顶部在封头拼接焊缝处开有缺口的可以不开设排气孔。 排液孔 裙座底部须开设80100的排液孔，一般孔径50，中心高50mm的长圆孔。 人孔裙 座上须开设人孔，以方便检修；人孔一般为圆形，当截面削弱受到限制或为方便拆卸塔底附件（如接管等），可开长圆孔。 引出管通道孔 裙式支座 考虑到管子
12、热膨胀，在支承筋与引出管之间应保留一定间隙。 裙座与塔体封头连接 裙座直接焊接在塔底封头上，可采用对接焊缝或搭接焊缝。在没有风载荷或地震载荷时，对接焊缝承受容器重量产生的压缩载荷，搭接焊缝则承受剪切载荷。相比而言，搭接焊缝受力情况较差，在一些小塔或受力较小的情况下采用。 裙座与塔壳体过渡段 塔壳设计温度低于-20或高于250时，裙座壳顶部分的材料应与塔下封头材料相同，裙座壳体过渡段长度取4倍保温层厚度，但不小于500mm；对奥氏不锈钢塔，其裙座壳体过渡段高度不小于300mm，材料同底封头。 裙座保护层 当塔内或周围容器内有易燃、易爆介质时，一旦发生火灾，裙式支座型式会因温度升高而丧失强度，故裙
13、座应设防火层。当裙座D1500mm时，仅外面敷设防火层；当裙座D1500mm时，两侧均敷设50 mm石棉水泥层。当塔内操作温度很高，塔体与裙座的温度差引起不均匀热膨胀，会使裙座与塔底封头连接焊缝受力情况恶化，此时须对裙座加以保温。鞍式支座 鞍式支座是由底板、腹板、筋板和垫板组焊而成。它适用于双支点支承的钢制卧式容器的支座。 鞍式支座型式： 按鞍座实际承载的大小分为轻型（A） 、重型（B）两种。 鞍座分固定式（F）和滑动式（S）两种安装形式。 鞍式支座 图2.2-5 鞍式支座鞍式支座 鞍式支座型式选择： 重型鞍座可满足卧式换热器，介质比重较大或L/D较大卧式容器的要求；轻型鞍座则满足一般卧式容器
14、的使用要求。 容器因温度变化，固定侧应采用固定鞍座；滑动侧采用滑动鞍座。固定鞍座一般设在接管较多的一侧。采用三个鞍座时，中间鞍座宜选固定鞍座，两侧鞍座可选滑动鞍座。 为改善容器的受力情况，将垫板四角倒圆；并在垫板中心开一通气孔，以利于焊接或热处理时气体的排放；为使垫板按实际需要设置或与容器等厚，标准中垫板厚度允许改变。 对于DN900mm容器，鞍座分为带垫板和不带垫板两种 考虑到封头的加强作用，鞍座应尽可能靠近封头，即A应小于或等于D0/4，从受力情况考虑，A不宜大于0.2L。当需要时，A最大不得大于0.25L。 当容器基础是钢筋混凝土时，滑动鞍座底板下面必须安装基础垫板。基础垫板必须保持平整
15、光滑。法兰法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。法兰分类主要有以下方法：（1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。（2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。 宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰连接，一般用于压力很低场合。 窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周内的法兰连接。(3)按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。 整体法兰：指法兰环、颈部及圆筒三者有效地连接成一整体的法兰，共同承受法兰力矩的作用。 松式法兰：指法兰与圆筒未能有效地连接成一整体的法兰，计算中认为法兰力矩完全由法兰环本身来承担。典型松式法
16、兰有活套法兰。 任意式法兰：指整体性程度介于上述二者间的法兰。其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构，但可作为一个接构元件，共同承受法兰力矩。 法兰密封面:法兰密封面分为平面密封面、凹凸面密封面、榫槽面密封面。 平面法兰密封面具有结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里等的优点，由于这种密封面和垫片的接触面积较大，如预紧不当，垫片易被挤出密封面。也不宜压紧，密封性能较差，适用于压力不高的场合，一般使用在PN2.5MPa的压力下。 凹凸面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个凹面和一个凸面。安装时易于对中，能有效地防止垫片被挤出密封面，密封效果优于平面密封。 榫槽面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个榫面
17、和一个槽面。密封面更窄。由于受槽面的阻挡，垫片不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷和腐蚀。安装时易于对中，垫片受力均匀，密封可靠，适用于易燃、易爆和有毒介质的运用。只是由于垫片很窄，更换时较为困难。压力容器法兰 压力容器法兰标准为JB4701 4707-2000压力容器法兰。它包括法兰、垫片及等长双头螺柱等8个标准。其中法兰分三种：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰及长颈法兰。其中长颈法兰受力情况最好，甲型平焊法兰受力最差，故长颈法兰使用范围最宽。 甲型平焊法兰一般采用钢板制作，由于其最大厚度有限，所以只能适用于低压情况，为此只宜配用软垫片，如石棉橡胶板，匹配螺柱、螺母材料可选用Q235-A。对于乙型平
18、焊法兰和长颈对焊法兰，对PN1.5），内、外壁应力水平相差大， 不可能简化。C.采用锻造方法制造，对材料（锻件）要求高强度，优良的 塑性、韧性，无可焊性要求。D.内、外壁要求精加工，零、部件间多采用法兰、螺纹连 接，机加工量大，要求高。E.尚无统一的标准，许多问题尚待研讨。2. 设计要求: 对开孔、形状过渡区等应力集中部位应进行应力分析计算校核。3制造要求: 原材料（锻件）质量是关键，要求采用真空脱气喷粉、炉外精炼、电渣重熔等先进冶炼技术，保证钢的纯净度，保证优良力学性能（强度、塑性、韧性、断裂韧性等）。锻造比一般应大于3, 制造期间至少做二次（热处理前后各一次）100%超声（探母材），筒体表
19、面应做100%磁粉或渗透, 内、外表面均需精加工，对表面粗糙度有较严要求（防应力集中）。超高压容器基本知识 4提高耐压强度（承载能力）的途径:A.采用多层热套结构: 利用层间过盈，使外筒对内筒材料造成预压应力，在承受内压时使各层的应力水平趋于均匀，提高了外层材料的利用率。超高压热套与高压热套容器的三大区别： 层间过盈量的选取：前者经精确力学计算；后者按套合工艺选取。套合表面：前者需经精加工（以确保过盈量准确）；后者无需加工或只需粗加工。后者需通过热处理消除套合应力；前者不允许。B.自增强处理:通过压力使内壁材料屈服，外壁仍属弹性，造成内壁材料承受预压应力，从而提高其初始屈服压力。自增强压力应经
20、慎重计算与控制，并关注材料本身的屈服比。C. 采用绕丝结构: 在内筒外缠绕高强度不锈钢丝，在缠绕时可通过加热等办法精确控制缠绕预应力，使内筒材料呈预压缩状态。压力容器结构设计的一般要求1. 结构的重要性-设计计算的基础，对安全与经济性影响极大。结构设计的基本要求是安全、方便制造与检验。任何结构都不是万能的，需合理设计与选择。 2. 筒体结构：筒体结构分为整体式与组合式两大类A.整体式：整体式结构即满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）是由一整块连续钢材构成。常见整体式结构有：单层焊接（应用最广）、锻造（主要用于超高压）、锻焊（用于大型重要工况）、无缝管（小容器）。B.组合式：满足强度、
21、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）由板-板、板-带、板-丝组合而成，主要用于高压容器。板-板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等板-带有型槽绕带、扁平纲带 、板-丝有绕丝（主要用于超高压）压力容器结构设计的一般要求整体式与组合式之比较p在安全性方面组合式优于整体式，理由如下： 以薄攻厚，中厚板、薄板性能优于厚板;缺陷只能在本层内扩展；危险的纵缝（整体包扎含环缝）化整为零，各层均布；安全泄放孔，利于报警；预应力增加安全裕度。 p组合式工艺复杂，生产周期长，且不适于做热容器压力容器结构设计的一般要求3.封头结构：分为凸形封头、锥形封头、平盖等三大类 A.凸形封头:p 依形状（受力）分为半球、椭圆、
22、碟形、球冠。受力前优于后，制造方便后优于前。p 制造方法主要为冲压（适于批量）、旋压（适于单件）。 p 制造方式主要有整板成形（小封头）；先拼板后成形（大、中型封头）；分辨成形后组焊（特大型封头）。B.锥形封头p 主要用于变速或方便卸料；p 依半顶角分为30（无折边）、45（大端折边）、60（大、小端折边）；p 主要制造方法卷焊C.平盖p 包括平盖和锻造平底封头等，与筒体连接分为可拆与固接。 p 制造方法多为锻造压力容器结构设计的一般要求4. 开孔补强结构 补强圈:加工方便,但补强效果有限,使用范围有一定限制厚壁管补强；另加补强元件(锻件)补强:受力好,将角度改为对接易保证焊接质量,但加工复杂
23、.5. 法兰：法兰与密封垫、紧固件合为一个结构整体，属可拆结构，其基本功能是连接与密封，法兰结构与设计计算应三位一体综合考虑。法兰与密封垫、紧固件合为一个结构整体，属可拆结构，其基本功能是连接与密封，法兰结构与设计计算应三位一体综合考虑。法兰按其整体性程度分为三种:整体法兰-法兰、法兰颈与容器（或接管）合为一整体，强度与刚性好，连接与密封效果好，但加工困难；松式法兰-法兰未能与容器（或接管）有效合为一整体，连接与密封效果较差，但加工方便；任意式法兰介于二者之间。平面密封密封效果差，但加工方便;凹凸面密封-单面限制垫片流动，密封效果较好，但加工较难;椎槽密封双面限制垫片流动，密封性好，但加工复杂
24、结构设计的一般要求6. 焊接结构6.1 焊接结构的主要作用为方便施焊，从结构上保证焊透，且尽 量减少焊接工作量。6.2 焊接结构与工艺因素（工人技能、习惯、方法、装备等）关系密切，设计者可提要求，具体结构与尺寸原则上应由制造 方确定，标准（GB150附录J）为提示性，非强制。7. 其他结构设计的注意事项7.1 尽量避免外形突变,关注倒角、倒圆。7.2 开孔（尤其是大孔）尽量开在强度裕量大的部位，如平盖、筒体端部，它们的厚度是由刚性及螺栓个数、排列与上紧空 间决定的。结构设计的一般要求7. 其他结构设计的注意事项7.3 应尽量避免静不定结构（如卧式容器只允许双鞍座），对 静不定结构（如球罐支承）应做特殊考虑。7.4 应注意防止过大的温差应力，如膨胀节的设置，支承中的 活动支承。7.5 支承设计中除考虑承重能力外，还应考虑支座反力对壳体 的影响，决定是否加垫板。7.6 对法兰螺栓通孔、地脚螺栓通孔跨中均布的考虑。谢谢各位
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