第2章压力容器的基本知识

7第二章压力容器的基本知识§2-1压力容器一、压力(一)压力及单位均匀地垂直作用于单位面积上的力，实际上就是压强。MKS制→国际单位制(SI)→1牛顿/米2=1Pa(帕斯卡)=10-6MPaCGS制→1dyn/cm2(达因/厘米2)=1μbar(微巴)=10-6bar工程单位→1Kgf/cm2(公斤力/厘米2)=1工程大气压(at)(atm)标准大气压或物理大气压→在纬度为450的海平面上(即重力加速度为9.80665米/秒2处)，大气的压力相当于在每平方厘米的面积上作用着1.0332公斤力。表压力——压力表上所指示的压力值是指容器中的压力与容器周围大气压力之差，这个压力值称作表压力，是相对值。绝对压力——表压力+容器周围的大气压力。(二)压力的形成——气体的分子与分子之间存有很大的间隙，分子引力甚小，因而分子在其中就可以不受分子力的约束而作无规则的运动。无数个分子频繁地碰撞器壁的结果，自然就会对器壁产生一个持续而稳定的垂直作用力，这样就形成了气体的压力。气体压力的大小决定于在单位时间内气体分子对器壁的碰撞次数和每个分子对器壁冲击力的大小。碰撞次数取决于：①单位容积内气体的分子数；②分子的平均运动速度。冲击力取决于：①气体的分子质量(一般是一定的)；②分子的运动速度。所以气体的压力与它的分子的平均运动速度的平方以及单位容积内的气体分子数成正比。二、压力容器定义及其运行特性(一)压力容器的定义承受流体介质压力的密闭壳体都可属于压力容器。我们能考虑的压力容器是指那些相对来说比较容易发生事故，而且事故的危害性比较大的特殊设备。它们需要由专门的机构进行监督，并按规定的技术管理规范进行制造和使用。压力容器的界限，国际上还没有一个完全统一的规定，它的界限范围就应该从发生事故的可能性和事故危害性的大小来考虑。一般来说，压力容器发生爆炸事故时，其危害的严重程度与压力容器的工作介质，工作压力及容积有关。工作介质是指容器内所盛装的、或在容器中参加反应的物质。压力容器爆破时所释放的能量与它的工作介质的物性状态有关。一个容积为10米3，工作压力为11个绝对大气压的容器：①空气爆破时释放能量(气体绝对膨胀所作的功)1.3×107焦耳；②如果装水时释放能量为2.16×103焦耳；前者为后者的6200倍。一般都不把介质为液体的容器列入作为特殊设备的压力容器的范围。这里所说的液体是8常温下的液体，而不包括：饱和液体——温度高于其标准沸点，如锅炉中的高温饱和水。液化气体——标准沸点在常温(或环境温度)以下的液体。所以从工作介质的状态这一方面来考虑划分压力容器的界限范围，它应该包括压缩气体、水蒸汽、液化气体和工作温度高于其标准沸点的饱和液体。工作压力——表压为一个大气压为下限。容积——最好有一个下限，有些国家以工作压力(大气压)×容积(米3)≥0.2作为下限。按照GB150-1998钢制压力容器的规定，设计压力低于0.1MPa的容器属于常压容器，而设计压力大于或等于0.lMPa的容器属于压力容器。从安全角度考虑，压力并不是表征压力容器安全性能的唯一指标。在相同压力下，容器容积的大小不同，意味着容器内积蓄的能量也不同，一旦发生破裂或爆炸造成的危害也不同。此外，容器内盛装的介质特性也影响了设备的安全性能。因此，压力、容积、介质特性是关联到压力容器安全的三个重要指标。中国《压力容器安全技术监察规程》中定义同时具备下列三个条件的容器可作为压力容器。①最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力）；②内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于或等于0.15m，且容积大于或等于0.025m3；③盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。按中国《特种设备安全监察条例》附则的规定，压力容器的含义是：盛装气体或者液体，承受一定压力的密闭设备，其最高工作压力大于或等于0.lMPa(表压），且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa•L的气体或液化气体和最高工作温度高于或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等于0.2MPa(表压），且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPa•L的气体或液化气体和标准沸点等于或低于60°C的液体气瓶；医用氧舱等。(二)压力容器的运行特性I压力①器外产生压力：（1）气体压缩机：是用机械方法来提高气体压力的一种机器。1）容积型压气机：通过缩小气体的体积、增加气体的密度来提高气体的压力。如：螺杆式、活塞式、转子式、滑片式等。2）速度型压气机：通过增加气体的流动速度、并使气体的动能转变为势能来提高气体的压力。如：离心式，轴流式、混流式等。工作介质为工作介质为压縮气体的压力容器，可能达到的最高压力一般也只限于保持压气机出口的气体压力，除非气体在器内温度大幅度升高或产生其他物理化学变化。（2）蒸汽锅炉或余热锅炉：用加热的方法将水蒸发而产生水蒸汽的一种设备。1个绝对大气压下：沸腾水的比容为1.043升/公斤，饱和蒸汽的比容为1725升/公斤。也就是说，水变为相同压力的水蒸汽时体积约增大1700倍。工作介质为水蒸汽的压力容器，其可能达到的最高压力也只限于锅炉的出汽压力。有时候压力容器所需要的蒸汽压力小于锅炉的出汽压力，则在容器的蒸汽进口管上装设减压阀，调整减压阀即可得到容器所需的蒸汽压力。②器内产生压力：（1）器内介质的聚集状态发生改变：一般是液态或固态物质在器内受热，因而蒸发或分解为气体，体积剧列膨胀。容器密闭，密度增加，压力增高如：氨0℃9时饱和蒸气压4.38绝对大气压→50℃，20.7绝对大气压。（2）介质在器内受热温度剧列升高（一般是少见的）：温度每升高1℃压力的增加等于它在0℃时压力的1/273。查理定律：温度升高1℃，压力增大1/273。如果发生聚合反应，产生大量的聚合热，压力也会剧烈增高。（3）介质在器内发生体积增大的化学反应：碳化钙加水，产生乙炔；密闭容器电解水（1m3→1240m3氢气+620m3氧气），体积增大近2000倍II温度容器的设计温度是指在正常操作情况时，在相应的设计压力条件下，壳壁或受压元件可能达到的最高或最低（≤﹣20℃)温度。温度是压力容器材料选用的主要依据之一，也是压力容器设计和使用中需要考虑的因素。III介质特性由用途和生产工艺所决定的压力容器的介质品种繁多复杂，从安全方面考虑，对介质的特性主要考虑三个方面：一是介质与压力和温度相关的物理特性；二是介质对材料的腐蚀性；三是介质的化学特性，主要是易燃和易爆性质，以及毒性程度。(三)压力容器的基本要求对压力容器最基本的要求是在确保安全的前提下长期有效地运行，因此压力容器应满足以下几个方面的要求。1)强度强度是指容器在外力作用下不失效和不被破坏的能力。压力容器的受压元件都应有足够的强度，以保证在压力、温度和其他外载荷作用下不发生塑性变形、破裂或爆炸等事故。2)刚度刚度是指容器在外力作用下保持原来形状的能力。与强度不同，容器或容器的部件往往不会由于强度不足发生破裂，但会由于过大的变形而丧失正常的工作能力，如容器及管道的法兰，由于刚度不足产生翘曲变形而发生密封泄漏，使密封失效。3)稳定性稳定性是容器在外力作用下保持其几何形状不发生突然改变的性能，如外压薄壁圆筒可能会突然压瘪而失稳。4)密封压力容器往往盛装一些易燃、易爆或有毒的介质，一旦泄漏，不仅会对环境带来污染，还可能引起财产的损失和人员伤亡，因而对其密封性能的要求至关重要，如搅拌反应釜搅拌轴处的轴封。5)使用寿命压力容器的设计使用年限一般为10〜15年，对于高压容器等重要的容器，设计使用年限可为20年。容器的设计使用年限与其实际使用年限是不同的，如果操作使用得当，检验维修的好，则实际使用年限可能会比设计使用年限长得多。压力容器的使用年限主要取决于容器的腐蚀、疲劳和磨损等。6)制造与维修压力容器的结构应便于制造、安装和检查，以保证容器安全运行。如采用标准化的零部件、设置尺寸适宜的人孔和检查孔。此外，容器的外形和尺寸上还应考虑运输的方便。§2-2压力容器的分类①按容器的壁厚分：薄壁容器(厚度≤1/10内径)，厚壁容器。②按壳体承受压力方式分：可分为内压容器和外压容器。容器的内部介质压力大于外界压力时为内压容器；反之，则为外压容器。真空容器是指内部压力小于一个绝对大气压（0.IMPa)的外压容器。10内压容器按其设计压力，可划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级，见表1-4。③按容器工作壁温分：可分为常温容器（-20〜200℃）、中温容器（在常温和高温之间）、高温容器（达到蠕变温度，对碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃）和低温容器（-20℃）。④按壳体几何形状分：球形、圆筒形、圆锥形、轮胎形。⑤按制造方法分：焊接容器，锻造、铆接、铸造、组合式等。⑥按构造材料分：可分为金属制的和非金属制的两类。金属容器中，又可分为钢制容器(低碳钢、普通低合金钢、不锈钢等）、铸铁容器及有色金属容器（钛、铝等）。非金属材料既可作容器的衬里，又可作独立的构件。⑦按容器安放形式分：立式容器，卧式等。⑧压力容器按使用特点和安全管理方面分类：可分为固定式容器和移动式容器两大类。固定式容器具有固定的安装和使用地点，工艺操作条件和操作人员都比较固定。移动式压力容器分为汽车罐车、铁路罐车、罐式集装箱和长管拖车。按其结构形式分为常温裸型、堆积绝热型、真空粉末绝热型及高真空多层绝热型。移动式压力容器属于贮运容器，主要盛装和运输压缩气体、液化气体和溶解气体。由于这类容器活动范围大，环境条件变化复杂，在运输和装卸过程中容易受到外界的冲击、振动，甚至可能发生碰撞或倾翻，一旦发生事故，带来的危害性可能更严重，所以对此类压力容器的设计、制造、检验和使用管理要求更高。⑨按容器在生产工艺过程中的用途分：可分为反应容器、盛装（贮运）容器、换热容器和分离容器四大类。即用来完成介质化学反应的设备为反应容器；用以盛装工作介质的设备为盛装(贮运）容器；用来使介质在容器内实现热交换的设备为换热容器；让介质通入容器内，利用降低流速、改变流向或用其他物料吸收等方法来进行分离，以达到净化介质或提取其中有用物料的目的为分离容器。1.盛装容器盛装容器的作用主要是用来储备数量较多的工作介质，以保持介质压力的稳定，保证生产的持续进行。工作介质在器内一般不发生化学的或物理的性质的变化。常用的压缩气体和液化气体贮罐(槽）、计量槽、压力缓冲器等都属于这种容器。2.反应容器反应容器的主要作用是为工作介质提供一个进行化学反应的密闭空间。容器内的压力有的是从器外产生的，即工作介质经过加压后才进入容器内进行反应。这种反应容器多数是因为介质的反应需要在有压力的情况下才能进行，或者是需要通过增高压力来加速化学反应，所以要在器内维持一定的压力。这种反应容器的操作一般是连续性的，压力比较稳定，没有太多的周期性波动。也有的反应容器，压力是在器内产生的，即工作介质在器内发生体积增大的化学反应。这种反应容器，旧式的多数是间歇式或半间歇式的，因此器内压力有较频繁的周期性波动。反应容器在工作介质发生化学反应的同时，往往还伴有温度的变化，所以常要装设一些附属装置，如加热或冷却装置、搅拌装置等。常见的反应锅、聚合釜、合成塔等都属于反应容器。3.换热容器换热器的作用主要是使工作介质在容器内进行热量交换，以达到生产工艺过程中所需要的将介质加热或冷却的目的。换热容器的型式很多，就传热方式来分，可以有蓄热式、直接式和间接式三种。蓄热式换热器中装有热容量较大的填充物，高温介质与低温介质交替从容器内通过，热量由高温介质传给器内的填充物，再由填充物传给低温介质。这种换热容器在压力容器中极为少见。直接式换热器是将加热（冷却）介质和被加热（冷却）介质在容器内直接接触，热量直接由高温介质传给低温介质，因此它只适用于两种介质不会互相混和或允许相互掺合的场合。这种换热容器多数是用水蒸汽直接加热一些物体，如蒸煮锅、消毒器等。或用水直接冷却一些有压力11的气体，如水洗塔等。前者，容器内的压力为水蒸汽的压力。后者，器内的压力为气体压力。间接式换热器是参与换热的两种介质在容