第二章 容器設計基礎(chǔ)

第二篇化工容器設計第二章容器設計基礎(chǔ)第一節(jié)概論神紋道/13/13611/壓力容器的特點

應用的廣泛性壓力容器的特點

鍋爐、換熱器、加熱爐=圓筒外殼

+傳熱管束核反應堆=圓筒安全殼

+核反應零部件塔器=圓筒外殼

+傳質(zhì)元件（浮閥、填料等）反應釜=圓筒夾套

+攪拌器壓縮機、真空泵=圓筒氣缸

+活塞透平機、泵=蝸殼

+葉輪

應用的廣泛性過程裝備=受壓外殼+功能內(nèi)件壓力容器的特點壓力容器不僅被廣泛用于化學、石油化工、醫(yī)藥、冶金、機械、采礦、電力、航天航空、交通運輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)部門，在農(nóng)業(yè)、民用和軍工部門也頗常見，其中尤以石油化學工業(yè)應用最為普遍，石油化工企業(yè)中的塔、釜、槽、罐無一不是貯器或作為設備的外殼，而且絕大多數(shù)是在壓力溫度下運行，如一個年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置，約有793臺設備，其中壓力容器281臺，占了35.4%。蒸汽鍋爐也屬于壓力容器，但它是用直接火焰加熱的特種受壓容器，至于民用或工廠用的液化石油氣瓶，更是到處可見。

應用的廣泛性壓力容器的特點壓力容器的操作條件十分復雜，甚至近于苛刻。壓力從1～2×10－5Pa的真空到高壓、超高壓，如石油加氫為10.5～21.0MPa；高壓聚乙烯為100～200MPa；合成氨為10～100MPa；人造水晶高達140MPa；溫度從-196oC低溫到超過一千攝氏度的高溫；而處理介質(zhì)則包羅爆、燃、毒、輻(照)、腐(蝕)、磨(損)等數(shù)千個品種。操作條件的復雜性使壓力容器從設計、制造、安裝到使用、維護都不同于一般機械設備，而成為一類特殊設備。

操作的復雜性壓力容器的特點壓力容器因其承受各種靜、動載荷或交變載荷，還有附加的機械或溫度載荷；其次，大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和液體，若容器破裂，導致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來的破壞能量極大，加上壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容易產(chǎn)生各種焊接缺陷，一旦檢驗、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂，器內(nèi)易爆、易燃、有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢必造成極具災難性的后果。因此，對壓力容器要求很高的安全可靠性。神紋道/13/13611/

安全的高要求壓力容器的特點當前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展，如核電站一個1500MW壓水堆壓力殼，工作壓力為14～16MPa，工作溫度為250～330oC，容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚317mm，重650噸；又如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為17.5～25MPa，工作溫度為450～550oC，內(nèi)直徑為3000～5000mm，壁厚為200～400mm，重400～2600噸，對這類容器的工藝要求和運行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器又有更高更嚴格的安全性要求。

安全的高要求壓力容器的安全特征1996年12月的統(tǒng)計資料表明，國內(nèi)在用固定式壓力容器多達122.22萬臺，移動式壓力容器中罐車16910輛，在用氣瓶5498.7571萬只；鍋爐總臺數(shù)也高達51.57萬臺。此外全國持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計2432個，設計單位1380個。如此龐大且潛在隱患容器的存在，以及地域廣泛的制造設計部門，自然成為國內(nèi)外政府部門特別重視其安全管理和監(jiān)察檢查的原因。

量大面廣壓力容器的安全特征國內(nèi)1998年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故132起，嚴重事故274起，共死亡104人，受傷371人，直接經(jīng)濟損失2813.58萬元。鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆炸事故率分別為1.07次/萬臺，0.28次/萬臺，0.65次/萬臺。

事故率高壓力容器的安全特征1968年英國原子能局（UKAEA）安全衛(wèi)生處和聯(lián)合部技術(shù)委員會（AOTC）工程檢驗機構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以內(nèi)，符合英國BS1500和BS1515等壓力容器規(guī)范的一級壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計情況如下表所示：

危害性大壓力容器破壞幾率

年份容器運行災難性事故a損傷事故b總計臺·年次數(shù)事故率次數(shù)事故率次數(shù)事故1962-196710030070.7×10－41251.25×10－41321.32×10－41967-1972105400161.5×10－41231.17×10－41391.32×10－4壓力容器的安全特征a.災難性事故指災難性破壞事故或無法修復的容器；b.損傷事故指有潛在危險的事故；c.事故發(fā)生率＝發(fā)生事故數(shù)/（設備臺數(shù)×運行年）表中的數(shù)字表明10000臺容器中發(fā)生損壞事故每年12.5次，達到破壞事故0.7次，事故幾率為1.32‰

，而且這132起使用中的容器事故，按其原因分類，89.3%，即118起是各種制造裂紋所引起。神紋道/13/13611/

危害性大壓力容器的事故實例1979年9月7日國內(nèi)某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個，爆炸5個，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59人死亡，779人嚴重中毒。

1979年12月18日國內(nèi)某液化氣站400M3儲罐爆炸，引發(fā)3個球罐和一個臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54人傷。壓力容器的事故實例

1986年4月28日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站壓力殼發(fā)生核泄漏，31人死亡，20個國家4億人受害。壓力容器的事故實例

1984年12月3日印度博帕爾市農(nóng)藥廠異氰甲酸脂儲罐發(fā)生泄漏，2580人死亡，125000人中毒，5萬人失明。一、容器的結(jié)構(gòu)

殼體(筒體)、封頭(端蓋)、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常低壓化工設備通用零部件標準直接選用。二、容器的分類壓力容器分類按容器的形狀按承壓性質(zhì)按管理其它

按容器壁溫按金屬材料按應用情況按容器的形狀按容器形狀分類名稱特點方形\矩形容器平板焊成，制造簡便，但承壓能力差，只用作小型常壓貯槽球形容器弓形板拼焊，承壓好，安裝內(nèi)件不便，制造稍難,多用作貯罐圓筒形容器

筒體和凸形或平板封頭。制造容易，安裝內(nèi)件方便，承壓較好，應用最廣按承壓性質(zhì)內(nèi)壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力外壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力真空：內(nèi)部壓力小于一個絕壓的外壓容器表4-1內(nèi)壓容器的分類

容器分類設計壓力p（MPa）低壓容器0.1≤p＜1.6中壓容器1.6≤p＜10高壓容器10≤p＜100超高壓容器p≥100按管理表4-2安全檢查規(guī)程使用范圍項目條件最高工作壓力pwpw≥0.1MPa，不包括液體靜壓內(nèi)徑Di，容積VDi≥0.15m且V≥0.025m3介質(zhì)氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體根據(jù)壓力等級、介質(zhì)毒性危害程度以及生產(chǎn)中的作用，壓力容器可分為三類。第一類壓力容器、第二類壓力容器、第三類壓力容器不包括核能、船舶專用、直接受火焰加熱容器表4-3毒性危害程度分級指標分級Ⅰ極度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中毒危害Ⅳ輕度危害急性中毒吸入＜200mg/m3200mg/m3~2000mg/m3~＞20000mg/m3經(jīng)皮＜100100~500~＞2500經(jīng)口＜2525~500~＞5000急性中毒易中毒后果嚴重可中毒，愈后良好偶可中毒無中毒但有影響慢性中毒患病率高較高偶有發(fā)生有影響慢性中毒后果繼續(xù)進展不能治愈可基本治愈可恢復無嚴重后果可恢復無不良后果致癌性人體致癌可疑致癌動物致癌無致癌性最高容許濃度＜0.10.1-1.0-＞10常見化學介質(zhì)光氣、汞、氰化氫甲醛,苯胺、氟化氫、二氧化硫,硫化氫,氨名稱說明三類容器（1）高壓容器；

（2）毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器；

（3）中度危害介質(zhì)，且pV大于等于10MPa·m3中壓儲存容器；

（4）中度危害介質(zhì)，且pV大于等于0.5MPa·m3中壓反應容器；

（5）毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于0.2MPa·m3的低壓容器；

（6）高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；

（7）中壓搪玻璃壓力容器；

（8）使用強度級別較高的材料制造的壓力容器；

（9）移動式壓力容器，鐵路罐車、罐式汽車和罐式集裝箱等；

（10）容積大于等于50m3的球形儲罐；

（11）容積大于5m3的低溫液體儲存容器。

二類容器（1）中壓容器；

（2）毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器；

（3）易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應容器和低壓儲存容器；

（4）低壓管殼式余熱鍋爐；

（5）低壓搪玻璃壓力容器。

一類容器不在第三類、第二類壓力容器之內(nèi)的低壓容器為第一類壓力容器。判斷題：判斷下列容器屬一、二、三類容器的哪一類？1）φ2000的液氨儲罐2）p為4MPa的劇毒介質(zhì)容器3）p為10MPa，V為800L的乙烯儲罐。

按容器壁溫常溫容器：壁溫-20℃至200℃；高溫容器：壁溫達到蠕變溫度,碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過420℃，合金鋼超過450℃，奧氏體不銹鋼超過550℃，均屬高溫容器；中溫容器：在常溫和高溫之間；低溫容器：壁溫低于-20℃,-20℃至-40℃為淺冷容器，低于-40℃者為深冷容器。按材料金屬容器:鋼制,鑄鐵,有色金屬容器非金屬材料：既可作為容器的襯里，又可作為獨立的構(gòu)件。按材料應用最多是低碳鋼和普通低合金鋼，腐蝕嚴重或產(chǎn)品純度要求高用不銹鋼、不銹復合鋼板、鋁板及鈦材。在深冷操作中，可用銅或銅合金；常用非金屬材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃鋼、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及磚、板、橡膠襯里等按應用情況反應壓力容器（Ｒ）完成物理、化學反應，如反應器、反應釜、分解鍋、聚合釜、變換爐等；換熱壓力容器（Ｅ）熱量交換，如熱交換器、管殼式余熱鍋爐、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等；神紋道/13/13611/按應用情況分離壓力容器（Ｓ）流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離，如分離器、過濾器、緩沖器、吸收塔、干燥塔等；儲存壓力容器：（Ｃ，球罐為Ｂ）儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)，如各種形式的貯罐、貯槽、高位槽、計量槽、槽車等。三、容器的零部件標準容器的零部件(例如封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡、液面計等)標準化、系列化，許多化工設備(例如貯槽、換熱器、搪玻璃與陶瓷反應器)也有了相應的標準。兩個基本參數(shù)：公稱直徑DN：指標準化以后的標準直徑，以DN表示，單位mm，例如內(nèi)徑1200mm的容器的公稱直徑標記為DN1200。公稱壓力PN：容器及管道的操作壓力經(jīng)標準化以后的標準壓力稱為公稱壓力，以PN表示，單位MPa。㈠公稱直徑1.壓力容器的公稱直徑鋼板卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。公稱直徑指鋼管外徑。159219273325377426表2-7無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mm）設計時，應將工藝計算初步確定的設備內(nèi)徑，調(diào)整為符合表2-5或表2-7所規(guī)定的公稱直徑。封頭的公稱直徑與筒體一致。2.管子的公稱直徑

也稱公稱口徑、公稱通徑。有縫管：電焊鋼管，化工廠用來輸送水、煤氣、空氣、油以及取暖用蒸汽等流體管道。無縫管：分熱軋管和冷拔管兩種。如輸送流體用無縫鋼管(GB8163-87)、石油裂化用無縫鋼管(GB9948-88)、化肥設備用高壓無縫鋼管（GB647986)等。有縫管的公稱直徑：公稱直徑近似普通鋼管內(nèi)徑的名義尺寸。公制mm，英制in。公稱直徑15mm或1/2英寸，外徑21.3mm，壁厚2.75mm（普通）3.25mm（加厚）有縫管的公稱直徑：每一公稱直徑對應一外徑，其內(nèi)徑數(shù)值隨厚度不同而不同。有縫管按厚度可分為薄壁鋼管、普通鋼管和加厚鋼管。管路附件也用公稱直徑表示。無縫鋼管的公稱尺寸：分熱軋管和冷拔管。無縫鋼管不用公稱直徑而是以外徑乘厚度表示。為公稱外徑與公稱厚度。在管道工程中，管徑超過57mm時，常采用熱軋管。管徑在57mm以內(nèi)常選用冷拔管。冷拔管的最大外徑為200mm；熱軋管的最大外徑為630mm。3.容器零部件的公稱直徑

法蘭、支座等公稱直徑是相配的筒體、封頭的公稱直徑。DN2000法蘭，DN2000鞍座還有一些零部件的公稱直徑是與它相配的管子公稱直徑DN200管法蘭另有一些容器零部件公稱直徑是指結(jié)構(gòu)中某一重要尺寸，DN80(Dg80)視鏡是指窺視孔的直徑為80mm。㈡公稱壓力工作壓力不同，相同公稱直徑的壓力容器其筒體及其零部件的尺寸也不同。將承受的壓力范圍分為若干個標準壓力等級，即公稱壓力。表2-9壓力容器法蘭與管法蘭的公稱壓力壓力容器法蘭0.250.61.01.62.54.06.4管法蘭0.250.61.01.62.54.05.0101525設計時如果選用標準零部件，必須將操作溫度下的最高操作壓力(或設計壓力)調(diào)整為所規(guī)定的某一公稱壓力等級(調(diào)整方法見第五節(jié))，然后根據(jù)DN與PN選定該零部件的尺寸。如果零件不選用標準零部件，而是自行設計，設計壓力就不必符合規(guī)定的公稱壓力。四、壓力容器的標準簡介壓力容器標準是全面總結(jié)壓力容器生產(chǎn)、設計、安全等方面的經(jīng)驗，不斷納入新科技成果而產(chǎn)生的。它是壓力容器設計、制造、驗收等必須遵循的準則。壓力容器標準涉及設計方法、選材及制造、檢驗方法等。㈠國內(nèi)標準1989我國壓力容器標準化技術(shù)委員會制訂了GB150-89《鋼制壓力容器》1998年修訂成GB150-1998，使標準更加完善。GB150《鋼制壓力容器》內(nèi)容包括：壓力容器板殼元件計算容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設計超壓泄放裝置的設置容器的制造與驗收的要求等㈡國外主要規(guī)范國外的規(guī)范主要有四個：美國ASME規(guī)范，英國壓力容器規(guī)范（BS），日本國家標準（JIS），德國壓力容器規(guī)范（AD）。1．美國ASME規(guī)范美國機械工程師協(xié)會（ASME）制定的《鍋爐及壓力容器規(guī)范》。美國國家標準該規(guī)范規(guī)模龐大、內(nèi)容完善，僅依靠其本身即可完成選材、設計、制造、檢驗、試驗、安裝及運行等全部工作環(huán)節(jié)。1．美國ASME規(guī)范與壓力容器密切相關(guān)有：第Ⅱ卷材料技術(shù)條件、第Ⅴ卷無損檢驗、第Ⅷ卷壓力容器及第Ⅸ卷焊接及釬焊評定。每年增補一次，每三年出一新版，技術(shù)先進，修訂及時，能迅速反映世界壓力容器科技發(fā)展的最新成就，為世界上影響最大的一部規(guī)范。2．英國壓力容器規(guī)范（BS）