第一章压力容器基本知识

■第一章压力容器基础知识压力容器安全技术主讲：殷恒富■目录第一节压力容器简介第二节工艺参数第三节压力容器承受的载荷第四节压力容器常用的压力来源第五节压力容器的安全状况等级划分第六节压力容器的分类■第一章压力容器基础知识第一节压力容器的含义压力容器是指盛装气体或者液体，具有一定的压力密闭设备。从广义上讲，所有承受压力载荷的容器都应该算压力容器。■第一章压力容器基础知识条例》中规定：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。■《压力容器安全技术监察规程》第2条规定本规程适用于同时具备下列条件的压力容器：1)最高工作压力（Pw)大于等于0.1MPa(不含液体静压力，下同）2)内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15米，且容积（V）大于等于0.025m33)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。■第二节压力容器的参数1、工作压力和设计压力（1）压力：垂直均匀作用于物体表面单位面积上力的度量.即是中学物理学的压强P（压强）=F（压力）/S（受力面积）F:压力——牛顿（N）S:面积——米2（m2）P:压强——帕斯卡（Pa）（2）表压：仪表上所测出的压力值。是高于大气的差值■大气压力——地球表面被一层很厚的大气包裹着。大气受地心的吸引产生重力，所以包围在地球外面的大气层对地球表面及其上的物体便产生了大气压力，即所谓大气压。以往我们将海平面上的大气压力1.033公斤力/厘米2（相当于0.1MPa，MPa读作兆帕，1兆=1百万），或760毫米汞柱称为1个标准大气压。把1公斤力/厘米2（0.098MPa）的压力称为1个工程大气压。1工程大气压=0.968标准大气压=735.6毫米汞柱1公斤力/米2（9.8Pa)=1毫米水柱1公斤力/厘米2（0.098MPa)=10000毫米水柱=10米水柱■绝对压力、表压力与负压力。容器内介质（液体或气体）的压力高于大气压时，介质处于正压状态；如低于大气压时，则介质处于负压状态。容器内介质的实际压力称为绝对压力。仪表所测的压力称表压力.三者关系绝对压力=表压力+大气压力负压力=大气压-绝对压力■（3）工作压力：也称最高工作压力，最高工作压力指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。在名牌上标注。（4）设计压力：指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。2、设计温度（1）介质温度：指容器内工作介质的温度（2）金属温度：指容器受压元件沿厚度截面的平均温度。（3）设计温度：指容器在正常工作条件下，设定的容器构件用材料，可能达到的最高或最低的金属温度。■3、公称直径按容器的零部件标准化系列而选定的壳体直径。用DN及数字表示，单位是毫米焊接的圆筒形容器，公称直径指的是内径无缝钢管制成的圆筒形容器，公称直径是指它的外径。4、容器厚度（1）计算厚度：指按各计算公式计算所得的厚度（2）设计厚度：指计算厚度与腐蚀裕量之和。（3）名义厚度：指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即图样上的值。■第三节压力容器承受的载荷主要有：介质压力（内压、外压或压差）液体静压力容器的自重（含内件和填料）附属设备（隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台）重量；风载荷、地震力、雪载荷；支座反力。■第四节压力容器的压力来源容器的气体压力产生于器外(加压设备)：其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉容器的气体压力产生于容器内(工作介质)：1、容器内介质的聚集状态发生改变；2、气体介质在容器内受热，温度急剧升高；3、介质在容器内发生体积增大的化学反应等。■第五节压力容器的安全状况等级划分共分五级，一级最好，五级最差。1级：出厂资料齐全；设计、制造质量符合有关法规和标准要求，在设计条件下能安全使用。2级：与一级不同的是存在某些不危及安全可不修复或难以纠正的缺陷。3级存在某些不符合有关法规或标准的问题或缺陷，根据检验报告，确认为在法规规定的定期检验周期内，在规定的操作条件下，能安全使用。■4级：出厂资料不齐全;主体材质不明或不符合有关规定；结构和强度不符合有关法规和标准的要求；存在严重缺陷；根据检验报告，确认在法规规定的检验周期内，需要在规定操作条件下监控使用。5级:缺陷严重，难以或无法修复，无修复或修复后难以保证安全使用；检验报告结论为判废。■第六节压力容器的分类1、按容器所承受压力分类低压容器（L）：0.1≤P1.6MPa;中压容器（M）：1.6≤P10MPa;高压容器（H）：10≤P100MPa;超高压容器（U）：P≥100MPa。2、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℃■3、按在生产工艺过程中的作用原理分类（1）反应压力容器（代号R）：主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。如反应器、反应釜、聚合釜、煤气发生炉等。（2）换热压力容器（代号E）：主要用于完成介质的热量交换的压力容器。如管壳式余热锅炉、热交换器、冷凝器等■(3)分离压力容器（代号S）：主要用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器。如分离器、过滤器吸收塔等（4）储存压力容器（代号C其中球罐代号B）：主要用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质压力容器。如各种型式的储罐。压力容器中如同时具备两种以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的主要作用来划分品种。■4、按照安全的重要程度分类《容规》对压力容器的分类1.下列情况之一的，为第三类压力容器：1)高压容器；2)中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；3)中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且压强和体积的（ＰV）乘积大于等于10MPa·m3)；4)中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且ＰV乘积大于等于0.5MPa·m3);5)低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且ＰV乘积大于等于0.2MPa·m3);6)高压、中压管壳式余热锅炉；■7)中压搪玻璃压力容器；8)使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；9)移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车[液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车]和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；10)球形储罐（容积大于等于50m3);11)低温液体储存容器（容积大于5m3)。■2.下列情况之一的，为第二类压力容器（本条第一款规定的除外）：1)中压容器；2)低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；3)低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；4)低压管壳式余热锅炉；5)低压搪玻璃压力容器。3.低压容器为第一类压力容器（本条第1款、第2款规定的除外）■第二章压力容器常用钢材的基本知识第一节压力容器用钢的主要力学性能第二节压力容器对所用钢材的基本要求第三节压力容器用钢的主要元素组成第四节压力容器钢材的常见分类方法与牌号第五节压力容器常用钢材第六节事故案例分析■第二章压力容器常用钢材的基本知识第一节压力容器用钢的主要力学性能力学指标主要包括强度、塑性、硬度、和韧性等强度:金属材料在外力的作用下对变形或断裂的抗力。（1）屈服强度：指钢材在开始塑性变形时单位面积上所承受的拉力，表明材料抵抗塑性变形的能力。（2）抗拉强度：材料在断裂前单位面积上所承受的最大拉力，是材料承受能力的极限，表明钢材抵抗断裂的能力。（3）蠦变极限：反应材料高温下的变形问题。（4）持久强度：反应材料高温下的变形问题。■2、塑性：塑性是指金属材料发生残余变形（变形不能完全恢复）的性能。塑性变形:构件在外力作用下发生变形,当外力撤除后变形不能完全消失的永久变形。变形：金属材料在一定的外力作用下，构件的形状或尺寸发生变化，这种变化称为材料的变形。（1）、延伸率：试件被拉断后的总长与原长比值的百分数。（2）、断面收缩率：试件被拉断后的断面缩减值与原截面积比值的百分数。L1-L0L0×100%△=F0-F1F0×100%Ψ=■3、韧性：表征材料抵抗冲击功的性能。αK=AK/FAK——冲击试验机的摆独锤冲断试样时所作的功，J/mm2;F——试样槽口处的初始截面（mm2)。■4、硬度：材料抵抗更硬物压入的能力。同样的重量，压痕越深，说明材料越软。硬度分为布氏硬度（钢球）、洛氏硬度（120°锥角金刚石）、维氏硬度和肖氏硬度（钢球弹跳的高度）常见的是布氏硬度(HB)■第二节压力容器对所用钢材的基本要求1、具有良好的力学性能包括强度、塑性和韧性。2、具有良好的工艺性能加工及可焊性3、具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能4、钢材在高温下应具有的性能5、钢材在低温下应满足的要求■第三节压力容器用钢的主要元素组成碳钢是以铁为基本成分，含有少量碳元素的铁碳合金，且含有极少量有益元素锰和硅，碳钢中还有少量杂质元素硫和磷。按作用分基本元素、添加元素和残留元素。基本元素有铁和碳。添加元素有锰mn、钼mo、钒v、镍ni、铬cr、钛ti、硼B等残留元素有硫、磷、锰、硅、氧、氢、氮等各元素对钢的影响见P23■碳对钢材的工艺性能的影响压力容器大多数是用钢板滚卷或冲压后焊接制成的，所以要求压力容器用钢要具有良好的工艺性能，即具有冷塑变形能力和可焊性。前者可以通过控制塑性指标得到保证；而可焊性是取决于钢材的含碳量（对碳钢）或碳当量（对合金钢）。碳钢和普通低合金钢其含碳量分别小于0.25%和0.30%时，一般都具有良好的可焊性。对合金钢常用碳当量Ccq。公式为：■公式：日本：英国：Ccq=C+Si+Mn+Ni+Cr+Mo+V(%)246405414Ccq=C+Mn+Cr+Mo+V+Ni+Cu(%)6515碳当量不超过0.45%的合金钢具有良好的可焊性。■第四节压力容器钢材的常见分类方法与牌号按钢的化学成份、金属品质、冶炼方法以及制造加工形式的不同进行分类。1、按化学成份分类：碳钢和合金钢2、按金属品质分类：普通钢、优质钢、高级优质钢。3、按脱氧程度分类：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。4、按制造加工形式分类：铸钢、锻钢、热轧钢、冷轧钢。■5、压力容器常用钢种牌号表示方法碳素结构钢：由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。如Q320AF优质碳素结构钢：钢号开头的两位数字表示钢的含碳量，以平均含碳量的万分之几表示。■合金结构钢：钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均含碳量的万分之几表示。不锈钢和耐热钢：钢号中含碳量以千分之几表示，如钢中碳含量小于0.03%,钢号前以00表示.钢中含碳量小于0.08%时钢号前以0表示。钢中主要合金元素以百分之几表示，而微量合金元素的表示方法与合金结构钢相同。■第五节压力容器常用钢材压力容器用钢对于不同用途的压力容器，其工作压力、工作温度、介质特性各部相同。在常温或中温工作下的锅炉、压力容器，常用的钢材有碳钢和低合金钢。压力容器常用的钢管牌号有：碳素钢管10、20、20g。低合金钢管16Mn、12CrMo等。■石油化工常用的不锈钢有0Cr13、0Cr17Ti、0Cr17Mn3Mo2N低温（-20℃）容器用钢，要求在最低使用温度下仍具有较好的韧性，以防产生脆性破坏。高温容器用钢：400—500℃范围用锰钒钢；500—600℃用铬钼钢。■第六节事故案例分析1996年10月2日20时5分，宁夏化工厂合成氨装置4115-1段4115-V1甲醇水分离罐，在正常生产工况下破裂甲醇工艺气泄漏着火，继而发生爆炸，造成该设备粉碎性破裂，罐体炸成19块，严重的人员伤亡，直接经济损失165万，装置停工12天。■起火的经过10月2日19时45分,宁夏化工厂合成车间