压力容器培训讲义

压力容器培训讲义4/21/2020第一讲压力容器基础知识4/21/2020特种设备的概念《特种设备安全监察条例》对特种设备的定义：是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内机动车辆。4/21/2020压力容器简介压力•垂直作用在物体表面的力，叫做压力，用F表示。•垂直作用在物体表面单位面积上的力，叫压强，用P表示。•P=F/S，计量单位“帕斯卡”，简称“帕”，用“Pa”表示。•1帕=1牛顿/米24/21/2020压力的概念其他压力的单位：KPa、MPa、kgf/cm2、bar、psi•几种换算关系：•1kgf/cm2=0.098MPa≈0.1MPa；1bar=0.1MPa;1psi=0.006895MPa；KPa=103Pa；MPa=106Pa•从上述分析可知，压力与压强是两个概念不同的物理量，但是在一般工程技术上，人们习惯于将压强称为压力。4/21/2020压力的概念（一）大气压力概念：地球表面覆盖一层厚厚的大气，受地心的吸引产生重力，所以地球表面的大气层对地表及其上的物体产生大气压力，即所谓的大气压。大气压随着高度升高而减小，所以高山上的大气压比海平面上的小。为了使计算有个基准点，将海平面的大气压101.325kPa称做一个标准大气压（物理大气压）。相当于0.1MPa。1工程大气压=1千克力/厘米2=0.098MPa4/21/2020•（二）绝对压力、表压力与负压力•正压力:当容器内介质压力高于大气压时；•负压力:当容器内的压力低于大气压力时，称负压或真空。•绝对压力：压力容器内的实际压力。•表压力:压力表的读数，容器内介质压力超出大气压力的部分。•绝对压力、表压力两者关系：P绝=P表+P大气。•通常所说的压力均指表压力。4/21/2020压力表、真空压力表4/21/2020•压力容器的压力源•（1）来自外部，其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉。•容积型压缩机:通过压缩气体体积，增加气体密度来提高气体压力。•速度型压缩机:通过增加气体流速，使气体的动能转变为势能来提高压力。•蒸汽锅炉:是利用燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸汽的设备。•（2）来自内部:液化气体饱和蒸汽压；介质在容器内发生体积增大的化学反应等。4/21/2020•压力容器的定义•《特种设备安全监察条例》2009版•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。4/21/2020•压力容器的特点•应用广泛，特别是石油化工行业，约占压力容器总数的50%。此外，还广泛用于机械、冶金、航空、医疗、电力等国民经济各部门和日常生活中。•事故率高（压力和温度、介质复杂、局部应力、连续运转）•后果严重（冲击波、碎片、介质）•因此，生产（设计、制造、安装、改造和维修）、使用、检验检测及监督检查等环节全过程管理。4/21/2020压力容器的基本要求•强度抵抗破坏的能力•刚度抵抗变形的能力•稳定性保持固有形状不变的能力•耐久性使用寿命•密封性可拆处和焊接连接处4/21/2020•一、压力•压力容器工作时所承受的主要载荷。•（一）工作压力:系指压力容器在正常工作情况下,其顶部可能达到的最高压力（表压力）。•（二）设计压力:在相应设计温度下用以确定容器计算壳体厚度的压力。压力容器工艺参数4/21/2020•二、温度•温度表示方法：摄氏温标℃•华氏温标℉•开氏温标K•摄氏温标=5/9×（华氏温标-32）=开氏温标–273.16•（一）介质温度，容器内工作介质的温度，用测温仪表测量。•（二）设计温度，容器在正常工作过程中，在相应设计压力下，表面或金属元件可能达到的最高或最低温度。•4/21/2020压力容器工艺参数•三、介质:压力容器内盛装的物料(气、液或气液混合态)•1、易燃（爆）介质•易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的气体。如乙烷、乙烯、氢、丁烷、丁二烯、丁烯、丙烷、丙烯、甲烷、一氧化碳等均为易燃介质。•4/21/20202、毒性介质•化学介质毒性程度参照GB5044《职业接触性毒物危险程度分级》分为：（1）极度危害（Ⅰ级）最高允许浓度＜0.1mg/m3（2）高度危害（Ⅱ级）最高允许浓度0.1~1.0mg/m3（3）中度危害（Ⅲ级）最高允许浓度1.0~10mg/m3（4）轻度危害（Ⅳ级）最高允许浓度≥10mg/m33、腐蚀性介质4、混合物质的介质4/21/2020压力容器的分类•一、按设计压力分类•（1）低压容器：0.1MPa≤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：100MPa≤P。•二、按壳体承压方式分类•内压容器，主要考虑强度指标；•外压容器，主要考虑稳定性。4/21/2020内外压•蒸汽加热反应炉4/21/2020•三、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℃。•四、从安置方式分类•（一）固定式容器，固定的安装和使用地点，工艺条件和使用操作人员也比较固定，一般不单独装设，而是用管道与其他设备连接的容器。•（二）移动式容器，无固定地点，环境经常变化，管理比较复杂，容易发生事故。如气瓶、汽车槽车等。4/21/2020移动式压力容器4/21/2020•五、按在生产工艺过程中的作用原理分类•（一）反应容器（代号R）主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，例如各种反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、变换炉、煤气发生炉等；•（二）换热容器（代号E）主要是用于完成介质的热量交换的压力容器，例如各种热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器等；•（三）分离容器（代号S）主要是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，例如各种分离器、过滤器、集油器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等；•（四）储存容器（代号C，其中球罐代号B）主要是用于储存或者盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，例如各种型式的储罐。4/21/2020•六、《固定式压力容器安全技术监察规程》分类•（一）III类容器•（二）II类容器•（三）I类容器•1、介质分组•（1）第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。•（2）第二组介质，除第一组以外的介质。•压力容器发生爆炸时，其危害性大小与工作介质、工作压力及容器的容积等因素有关。4/21/2020•2、根据设计压力P（MPa）和容积（L），标出坐标点，确定压力容器类别。•目前在用的压力容器，依然按原来的出厂资料分类；新生产的压力容器，根据其依据的标准来分类。•《固定式压力容器安全技术监察规程》于2009.12.01起施行，所有新生产的容器均按附件A分类。4/21/2020•第一组介质4/21/2020•第二组介质4/21/2020安全状况等级•对在用容器安全状况的整体评价•分为1、2、3、4、5级•与检验周期的确定密切相关4/21/2020储存容器、分离容器4/21/2020反应容器、换热容器4/21/20204/21/2020压力容器常用的钢材•一、对选用钢材的要求•重点考虑钢材的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性。•（一）机械性能•1、强度：材料承受外力而不破坏的能力。•屈服强度和抗拉强度•2、塑性：材料在外力作用下产生不能恢复原状的永久变形而又不破裂的能力。•3、韧性：材料抵抗冲击负荷的能力。•4、硬度：材料的软硬程度。反映材料弹性、塑形、强度和韧性的综合指标。•（二）工艺性能（冷塑性和焊接性能）•（三）耐腐蚀性4/21/2020（一）普通碳素钢•主要以字母Q+屈服强度值命名，后面还会加上表示质量的等级的ABCD等，如Q235B（二）优质碳素钢•以含碳量的万分比数值及用途表示，如20g（Q245R）•(三)低合金钢•以含碳量加上主要其他元素表示：如16MnR•含碳量万分之几二、压力容器常用钢材4/21/2020•（四）低温用钢•如0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、16MnDR•（五）高温用钢•15MnVR、15CrMo、0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti•(六)抗氢腐蚀钢•15Mo、Cr6Mo•新GB713-2008对命名方法的修改•将碳素钢、优质碳素钢和低合金高强钢的命名作了统一，均用原碳素钢的命名方法表示，如：原20g、20R均改为Q245R，原16MnR改为Q345R。而原铬钼钢、钼钢的命名方法基本不变。4/21/2020压力容器的应力及其影响•一、应力•应力是材料力学一个重要概念。它是由压力产生的，是材料内部单位面积上受到的力。单位是Pa、MPa。•应力与压力是不同的两个概念。•二、应力种类•薄膜应力压力、自重、风载、地震等•温差应力热胀冷缩•局部应力不连续部位•组装质量•焊接残余应力4/21/2020压力容器的应力及其影响•三、对压力容器安全性的影响•更改用途或操作参数•控制升温降温（高鉻钼钢先升温后升压及先降压后降温）•局部应力导致裂纹和应力腐蚀开裂•不同应力对压力容器具有不同的影响形式与结果，但最终都能导致容器失效。4/21/2020第二讲压力容器结构•压力容器的结构形式是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定。•压力容器一般由壳体、封头（端盖）、法兰、密封元件、人孔与接管、支座等部分组成。•结构形式有：球形、圆筒形、箱型、锥形及其他。4/21/20204/21/2020压力容器的基本构成•一、壳体•壳体是压力容器最主要的组成部分，是储存物料或完成化学反应所需的压力空间，其形状有圆筒形、球形、箱形、锥形和异形等，最常用的是前两种。•（一）圆筒形壳体•特点：轴对称，圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，承载能力较高，且易于制造，便于内件的设置和拆装，因而应用广泛。•1、筒体：筒体直径较小可以用无缝钢管（500mm）；较大时用钢板卷焊。•2、封头与端盖：凡与筒体焊接连接而不可拆卸的，称为封头；与筒体以法兰等连接而可拆的，称为端盖。4/21/2020•（二）球形壳体•容器壳体呈球形，又称球罐。•特点：中心对称，受力均匀；在相同的壁厚条件下，球形壳体的承载能力最高，即在同样的内压下，球形壳体所需要的壁厚最薄，仅为同直径、同材料圆筒形壳体壁厚的1/2（不计腐蚀裕量）；在相同容积条件下，球形壳体的表面积最小。•经济性：壳壁薄和表面积小，制造时可以节省钢材，比如容积相同时，球形容器要比要比圆筒形节省30%~40%的钢材。此外，表面积小，对于用做需要与周围环境隔热的容器，还可以节省隔热材料和减少热传导。•不足：制造比较困难，工时成本高；用于反应、传质或传热容器时，既不便于在内部安装工艺内件，也不便于内部互相作用的介质流动。•球罐一般用于储存容器。4/21/2020球形容器的优缺点圆筒形容器的特点球形容器：1、环向应力等于径向应力；2、在相同直径和工作压力下，球形容器受力均匀；3、当直径和工作压力时，壳体簿、体积较大，建造费用较低；4、球体体积较大；5、仅用于盛装容器。圆筒形容器：1、环向应力等于两倍的径向应力2、尽量使受环向应力作用的纵向焊缝减至最少，一般纵向焊缝的质量要求比环向焊缝的高3、用途广泛4/21/2020球罐4/21/2020二、密封元件•定义：可拆连接结构中起密封作用的元件。•材料：非金属密封元件，如石棉橡胶板、橡胶O形环、塑料垫、尼龙垫等；金属密封元件，如紫铜垫、不锈钢垫、铝垫等；组合密封元件，如铁皮包石棉垫、钢丝缠绕石棉垫•强制密封通过紧固端盖与筒体端部的螺栓等连接件强制将密封面压紧来达到密封的目的。如平垫密封、卡扎里密封•自紧密封利用容器