压力容器的设计制造和检验

化工过程设计概论化工设计第7章化工过程分析,安全工程与生态工业系统王静康教授化工过程设计概论第7章化工过程分析,安全工程与生态工业系统教材依据•本“化工设计”教材(496页)：是高等教育‘十五’、‘十二.五’国家级规划教材,希望同学课下参考教材学习。第一节系统可靠性与可靠度分析第二节安全性与损失的预防第三节风险性分析与评估第四节工业系统安全工程第五节化工厂安全设计概述第六节单元操作的绿色环保措施第七节工业生态系统第八节产品生命周期分析与评价化工过程设计概论第五节化工厂安全设计概述一、工厂的定位、选址和布局二、化工工艺设计三、化工单元区域规划四、压力容器的设计、制造和检验五、化工装置维护六、公用工程设施安全化工过程设计概论三、化工单元区域规划单元装置和设施的安全设计•考虑设施的可靠性，以及关闭时备用设备或紧急贮存器的提供。•排水系统的恰当设计是必要的。排水系统的优化设计应该是，一旦易燃液体泄漏出来，就立即排离加工单元，导入蓄污池。•装置的抗污染也是重要的。例如，应用蒸汽灭火一般是起稀释泄出物的作用，消防蒸汽供应线应该与正常蒸汽供应线隔离开，消除烃类泄出物渗入正常蒸汽的任何可能性。压缩空气的过程污染可以应用物理隔离的方法避免。化工过程设计概论地面水和污水也必须隔离排放。对于情性气体，既要保证日常操作和紧急状态下充足的供应量，又要防止被污染。三、化工单元区域规划单元装置和设施的安全设计对于加工易燃液体或气体的区域，应该尽可能采用敞开结构。这既可以有助于气体或蒸气泄漏物的扩散通风，又可以提供最大可能的爆炸排放面积，而且还有利于救火。粉尘捕集装置和过滤器也应该设置于没有其他过程的敞开区域。化工过程设计概论四、压力容器的设计、制造和检验•（一）、压力容器概述•1．压力容器规范化•早在19世纪末就有了对锅炉和压力容器规范化的要求。20世纪最初的十年，发生了近一万起锅炉爆炸，造成了约一万人的死亡和约一万五千人的伤残。这些血的教训使人们对压力容器制造和安装的规范化有了更清醒的认识,1911年美国机械工程师协会成立了一个专门委员会，后来被称为锅炉规范委员会。规范压力容器的设计、制造、检验和鉴定。•在我国，原国家劳动总局1979年颁布了《气瓶安全监察规程》；1980年颁布了《蒸汽锅炉安全监察规程》；1981年颁布了《压力容器安全监察规程》。化工过程设计概论•2．非燃火压力容器分类•压力容器可以粗分为蒸汽锅炉和非燃火压力容器两大类型。非燃火压力容器有多种分类力法。压力容器按照其工艺功能可以划分为四个类型。•(1)反应容器：主要用来完成物料的化学转化。如反应器、发生器、聚合釜、合成塔、变换炉等。•(2)换热容器：主要用来完成物料和介质问的热量交换。如热交换器、冷却器、加热器、蒸发器、废热锅炉等。•(3)分离容器：主要用来完成物料基于热力学或流体力学的组元或相的分离。如分离器、过滤器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔、萃取器等。•(4)贮运容器：主要用来完成流体物料的盛装、贮存或运输。如贮罐、贮槽和槽车等。四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论压力容器按照其设计压力p的大小，可以划分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器四个类型。•(1)低压容器，0.1MP3≤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：p＞100MPa。四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论压力容器按照设计压力p和容积V，结合容器的工艺功能和其中物料的危险性,划分为以下三个类型：•(1)第一类容器：非易燃或无毒介质的低压容器；易燃或有毒介质的低压换热容器和低压分离容器。•(2)第二类容器：pV＜196.2kJ剧毒介质的低压容器;易燃或有毒介质的低压反应容器和低压贮运容器；内径＜1m的低压废热锅炉；一般介质的中压容器。•(3)第三类容器：pV≥l96.2kJ、剧毒介质的低压容器；内径＞1m的低压废热锅炉；中压废热锅炉；pV≥490.5kJ、易燃或有毒介质的中压反应容器；pV≥490.5kJ、易燃或有毒介质的低压贮运容器；剧毒介质的中压容器；高压或超高压容器。四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论3．结构材料的机械性能•结构材料在受到外力作用时，会有抵抗变形和断裂的能力,称为结构材料的机械性能。主要包括强度、塑性、韧性、硬度等。•(1)强度:常用强度指标有抗拉强度、屈服强度、疲劳极限和屈强比。•(2)塑性：塑性是指材料在外力作用下产生塑性形变的能力。代表塑性指标的是延伸率和断面收缩率。•(3)韧性：又称冲击韧性，是指材料抵抗冲击载荷的能力。•(4)硬度：是指材料抵抗硬物侵入的能力。•(5)安全系数：安全系数是承压设备设计中的一项基本因素，是为了在设备使用期间对可能损害设备安全的各种因素提供适当的安全裕度。•四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论（二）、压力容器设计•1.设计的一般要求•(1)设计单位资格•发给设计许可证书，方可承担设计任务。无证单位不得自行设计压力容器。•压力容器设计，应由设计单位技术负责人批准。设计图纸上应该有设计、校对和审批人员三级签字。设计总图除上述要求外，还必须有单位技术负责人签字和《压力容器设计单位批准书》的编号和批准日期。没有设计单位批准书的编号和批准日期的图纸不得在社会上流通，制造单位可以拒绝加工。•全国性锅炉定型设计，须经国务院主管部门和国家劳动人事部门审批。非全国性锅炉定型设计则要经过省、自治区、直辖市主管部门和同级劳动部门审批。锅炉总图上应该有劳动部门锅炉压力容器安全监察机构的审批标记，无审批标记的总图不得流通。四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论(2)压力容器结构•压力容器设计应该尽可能避免应力的集中或局部受力状况的恶化。受压壳体的几何形状突变或其他结构上的不连续．都会产生较高的不连续应力。因此，应该力求结构上的形状变化平缓，避免不连续性。•在压力容器中，总是不可避免地存在一些局部应力较高或对部件强度有所削弱的结构，如开孔、转角、焊缝等部位。能够引起应力集中或削弱强度的结构应该互相错开。四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论•压力容器封头从力学的角度分析球形最理想在相同的直径和压力下，球形封头所需壁厚最小。但是由于它的深度太大，加工制造比较困难．一般很少采用。用的比较多的是椭圆形封头。•在封头半径与高度的比值相同的情况下，碟形封头比椭圆形封头存在较大的弯曲应力，故应尽量少采用碟形封头。无折边球形封头使筒体产生较大的附加弯曲应力，因而只适用于直径较小、压力较低、无毒非易燃流体的容器。锥形封头只在工艺条件确实需要的情况下才采用。平板角焊封头一般不宜用于压力容器。•压力容器壳体上的开孔，如人孔、手孔和检查孔等，一般应为圆形、椭圆形或长圆形。壳体上所有开孔都应与焊缝错开。容器开孔，受压壳体因结构不连续而引起应力集中，在孔的边缘产生很高的局部应力。为了降低壳体开孔边缘的局部应力．在开孔处应进行补强。四、压力容器的设计、制造和检验(2)压力容器结构化工过程设计概论•(3)材料的选用•材料的质量和规格应该符合国标、部标和有关的技术要求。选用的钢材要有良好的机械性能，即强度高、塑性和韧性好、冷脆倾向较低、缺口和时效敏感性不明显。钢板的分层和夹渣等缺陷较少，无白点和裂纹。•承压元件必须采用镇静钢，不宜采用沸腾钢。由于沸腾钢是在不完全脱氧的条件下炼得的，含氧量较高，硫、磷等杂质分布不均匀。而镇静钢脱氧完全，组织均匀，冲击韧性也较好。四、压力容器的设计、制造和检验化工过程设计概论2．设计基础•(1)设计压力和设计温度•对于非旋转容器，设计压力一般要高出操作压力0.1MPa或10％；而旋转容器的设计压力则要高出预期的最高压力的5％一10％。设计温度通常要高出不会引起规范许可应力减少的最高温度30℃。比如，在180℃操作的碳钢容器，其设计温度为350℃而不是210℃。容器设计压力应该标记基于部件最小壁厚的最大允许工作压力，而不能标记用于计算最小壁厚的压力。化工过程设计概论•(2)最小板材厚度•设计规范规定，大直径压力容器的板材厚度不应小于(D－2.54)／1000，其中，D是筒体的最小直径(单位m)，焊接结构的最小板厚度许多组织规定为5mm或6mm。2．设计基础化工过程设计概论•(3)外压或真空•许多过程容器是在外压或真空下，或偶尔是在这些条件下操作。设计规范规定规范容器，偶尔承受0.1MPa及其以下的外压，无需考虑外压结构的规范要求。•在应用这项规范时，应该充分考虑到各种可能的后果，如罐体破裂时的人员危险，更换容器的费用，内容物泄出的财产损失和危险等。2．设计基础化工过程设计概论•(4)材料选择•材料在设计压力和温度下的允许应力并不需要过量的壁厚。一些材料，如铜、铝、它们的合金和铸铁都有具体的温度限度。•过程容器结构材料预期的腐蚀阻力，可以在容器操作同样的条件下近似测出。•高纯度的需要可能会限制材料的选择，但是这并不意味着最昂贵的材料是最好的。当压力和温度条件允许时，可以采用金属镀层、玻璃、橡胶、铅板、塑料衬套等，而不必采用贵重的合金。•要求制造商提出替代建议，例如，不锈钢与铝比较以及金属包层材料与固体合金比较等。化工过程设计概论•(5)非压力负荷•容器及其支架的设计必须与以下各项负荷匹配：容器及其内容物的重量；料盘、隔板、蛇管等内件的重量；装置、搅拌器、交换器、转筒等外件的重量；建筑物、扶梯、平台、配管等外部设施的重量；固定负载和移动负载的重量；隔离板和防火墙的重量；风力和地震负荷；支撑耳柄、环形加强肋以及热梯度的作用。这些负荷都可以引起过量的局部应力。2．设计基础化工过程设计概论•(6)支架•立式容器—船用立柱和耳柄支撑，有时还会用到环形槽钢或折边。•大型卧式容器常用三个或更多的鞍形托架支撑。•对于小型容器，不管是卧式的还是立式的，其支架的设计由于支撑附件造成的二次应力、扭矩和剪切力，可能会比大型容器复杂得多。2．设计基础化工过程设计概论•(7)封头•压力容器封头有半球形、椭球形、锥形、准球形、平板形等几种类型。在材料、直径和压力负荷都相同的条件下，前四种类型封头的壁厚按序增加，而平板形封头的壁厚还没有简单的计算关系。•半球形封头在各种类型封头中应力分布最好、而且一定的容积所需要的材料最少。但是球形封头会使筒体产生较大的附加弯曲应力，因而只适用于直径较小、压力较低的无毒、非易燃介质的容器。•长短轴之比为2的椭球形封头与准球形封头比较，前者的应力分布要好一些；直径超过1.5m、压力负荷在1MPa以上，前者的制造也要经济一些。与凸面形和碟形封头一样，椭球形封头大小也是由其内径而不是由其外径来决定。2．设计基础化工过程设计概论•锥形封头一般是冲压、而不是滚压或旋压制造．其制造费用相当高。锥形封头常用于蒸煮或提炼容器，有时用于排除固体或浓稠物料。截头锥形封头常用做容器直径不同的两部分之间的过渡段。设计规范允许在某些情况下，可以应用无过渡转向节的锥形封头，但这些封头只能在低温、低压条件下使用。•标准折边碟形封头的碟形曲面半径应该等于或小于封头折边的外径，但凸面和折边间的过渡转向节的半径应不小于封头折边外径的6％，而且不小于封头壁厚的三倍。•平板焊接封头除小型低压容器密封外，一般压力容器不宜采用。平板封头会把严重不连续的应力引入圆柱形壳体，如确需应用，壳体和封头应该有足够的厚度，而且要采用全焊透的焊接结构。2．设计基础化工过程设计概论（三）、压力容器的制造和安装•1．压力容器制造•为了确保压力容器的制造质量，国家规定凡制造锅炉、压力容器的专业单位，须经主管部门和劳动部门的审查、批准，发给制造许可证书，无证单位不准制造承压设备。非专业单位若自制自用压力容器，须办理申请、审查和批准手续。化工过程设计概论2．压力容器安装•锅炉和压力容器的专业安装单位须经劳动部门审核批准方可从事承压设备的安装工作。安装作业必须严格执行国家规范，按安装规程的要求施工。安装过程应该对安装质量分段验收和总体验收。验收由使用单位和安装单位共同进行，总体验收应有上