压力容器基本知识

压力容器基本知识山东特检泰安分院2013.05主要内容1.压力容器简介2.压力容器的工艺参数3.压力容器的基本要求4.压力容器的分类5.压力容器常用的钢材6.压力容器的应力及其对安全的影响第一节压力容器简介压力容器又称受压容器，是生产和人民生活中不可缺少的一种设备，广泛应用于工业、农业、国防、医疗卫生等行业和领域。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，压力容器的使用越来越广泛。压力容器不仅数量多，增长速度快，而且结构特殊，类型复杂，操作条件苛刻，发生事故的可能性较大。与其他生产装置和设备不同，压力容器发生事故时，不仅本身遭到破坏，往往还会诱发一系列恶性事故，会给国民经济和人民财产造成重大损失，因此它的安全问题就特别值得注意。我国和其他许多工业国家都设有专门的机构，对压力容器进行安全管理和监督检查，并要求按规定的技术规范进行设计、制造和使用管理。作为压力容器操作人员，正确使用和维护压力容器，保证压力容器安全运行是应尽的职责。为了帮助操作人员丰富理论知识和提高实际操作水平，本章将讲解一些与压力容器有关的基本知识。本节主要内容1压力2压力容器的压力源3压力容器界限4压力容器在工业生产中的应用1压力1.1压力的定义1.2大气压力1.3绝对压力1.4绝对压力、表压力及大气压力之间的关系1.1压力的定义压力的单位是牛顿，用“N”表示，面积的单位是平方米，用“m2”表示，压强的单位是帕斯卡，简称帕，用“Pa”表示。1帕斯卡=1牛顿/平方米，即1Pa=1N/m2。从上述分析可知，压力与压强是两个概念不同的物理量，但在压力容器上或一般工程技术上，人们习惯于将压强称为压力。因此，未加说明时，本书中以后所说的压力实际上就是压强。1.2大气压力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。大气层越厚，密度越大，压力就越大，反之压力就越小。所以大气压力不是恒定不变的，高山上的大气压就比海平面上的小。工程上为了计算方便，把1千克力/厘米2（0.098MPa）的压力称为1个工程大气压，它与标准大气压之间的换算关系为：1工程大气压=0.968标准大气压=735.6毫米汞柱如果以水柱高度来计算压力时，其换算关系为：1千克力/米2（9.8Pa）=1毫米水柱1千克力/厘米2（0.098MPa）=10000毫米水柱=10米水柱1.3绝对压力绝对压力（P绝）。容器内介质的实际压力称为绝对压力，绝对压力等于表压力（又叫相对压力）与当地大气压力之和。表压力与负压力容器内介质（液体或或气体）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。用各种压力表测量容器介质的压力得到的压力数值称为表压力或表压（P表）。当容器内介质的压力等于大气压力时，压力表的指针在零位，即表压为零。当容器内介质的压力大于大气压时，压力表的指针才会转动，表上才有读数。此时压力表的读数就是容器内介质压力超出大气压的部分，即表压为正压力。当容器内介质的压力低于外界大气压时，真空表的压力值即为介质的压力低于大气压力的部分，表压为负压力或真空，简称负压。1.4绝对压力、表压力及大气压力三者之间的关系绝对压力、表压力及大气压力三者之间的关系为：P绝=P表+P大气由上式可知，只有当压力表是负数时，绝对压力才有可能小于大气压力，二出现负压力P负。P负=P大气-P绝人们通常所说的容器压力或介质压力均指表压力而言。2压力容器的压力源容器所盛装的或在容器内参加反应的物质被称为工作介质。常用压力容器的工作介质是各种压缩气体或蒸汽，所以这里主要讲气体介质的压力来源。压力来源可以分为气体压力的产生或增大来自容器内或容器外两类。2.1容器的气体压力产生于容器外容器的气体压力产生于容器外时，其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉。其中，气体压缩机主要有容积型（活塞式、螺杆式、转子式、滑片式等）和速度型（离心式、轴流式、泪流式等）两类。容积型气体压缩机是通过缩小气体的体积，增加气体的密度来提高气体压力的；而速度型气体压缩机则是通过增加气体的流速，是气体的动能转变为势能来提高气体压力的工作介质为压缩气体的压力容器，其可能达到的最高压力为压缩机出口的气体压力（气体在容器内温度大幅度升高或发生其他物理化学变化时压力升高的情况除外）。蒸汽锅炉是利用燃料燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸气的一种设备。在相同压力下水蒸气的体积是饱和水的1000多倍，汽包（或锅筒）的体积有限，随着水不断受热蒸发，蒸汽密度不断增加，压力也随之增大。所以工作介质为水蒸气的压力容器，其可能达到的最高压力为锅炉出口处的蒸汽压力。2.2容器的气体压力产生于容器内容器的气体压力产生于容器内时，其原因有容器内介质的聚集状态发生改变，气体介质在容器内受热，温度急剧升高，介质在容器内发生体积增大的化学反应等。由于介质的聚集状态发生改变而产生或增加压力的，一般是由于液态或液态物质在容器内受热（如周围环境温度升高。容器内其他物料发生放热化学反应等）。蒸发或分解的气体，体积剧烈膨胀，但因受到容器容积的限制，气体密度大为增加，因而在容器内产生压力或使原有的气体压力增加。由于气体介质在容器内受热而产生或显著增加压力的情况一般是少见的，只有特殊原因，气体在容器内吸收了大量的热量，温度大幅升高时压力显著增加的情况才会发生，有时还会因此而发生容器超压爆炸事故。由于介质在容器内发生体积增大的化学反应而压力升高的例子较多，例如用碳化钙加水经化学反应生成乙炔气体，体积大为增加，在密闭的容器内会产生较高的压力。又如电解水制取氢和氧的反应，因为1立方米的水可以分解成1240立方米的氢气和620立方米的氧气，体积约增大2000倍，在密闭的容器内也会产生很高的压力。常用的压力容器中，气体压力在容器外增大的较多，在容器内增大的较少。但后者危险性较大，对压力控制的要求也更严格。3压力容器界限压力容器定义的所谓容器，通常的说法是由曲面构成用于盛装物料的空间，通俗地讲，就是化工、炼油、医药、食品等生产所用的各种设备外部的壳体都属于容器。不言而喻，所有承受压力的密闭容器均被称为压力容器，或者被称为受压容器。本书讨论的压力容器，主要是指那些容易发生事故，而且事故的危害性较大，须由专门机构进行监督，并按规定的技术管理规范进行制造和使用的压力容器。即按特殊设备对待的压力容器。3.1划分压力容器界限应考虑的因素划分压力容器的界限应考虑的因素主要有事故发生的可能性与事故危害性的大小两个方面。目前国际上对压力容器的界限范围尚无完全统一的规定。一般说来，压力容器发生爆炸事故时，其危害性大小与工作介质的状态、工作压力及容器的容积等因素有关，工作介质是液体的压力容器，由于液体的压缩性极小，因此在容器爆炸时其膨胀功，即所释放的能量很小，危害性也小。而工作介质是气体的压力容器，因气体具有很大的压缩性，容器爆炸时的膨胀功，即瞬时所释放的能量很大，危害性也就大。划分压力容器的界限，除了考虑工作介质的状态外，还应考虑容器的工作压力和容积这两个因素。一般说来，工作压力越高，容积越大，容器储存的能量越大，爆炸时释放出来的能量也越大，所以事故的危害性也就大。但压力和容积的划分不像工作介质那样有一个比较明确的界限，都是人为地规定一个比较合适的下限值，如工作压力的下限值规定为1个大气压（0.098MPa，表压）。至于压力容器的容积下限值应如何规定才合适却很难说，所以有些国家不是单独规定容积的下限值，而是以容器的工作压力和容积的乘积达到某一规定数值作为下限条件。3.2我国压力容器的界限范围国家质量技术监督检验检疫总局颁发的《压力容器安全技术监察规程》规定同时具备下列三个条件的容器作为特殊设备来管理：（1）最高工作压力（Pw）大于等于0.1MPa（不包括液体静压力，下同）；（2）内直径大于等于0.15m，且容积（V）大于等于0.025m3；（3）介质为气体、液化气体和最高工作温度高于等于标准沸点（指在1个大气压下的沸点）的液体。《特种设备安全监察条例》中压力容器的定义为：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2.5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1.0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。LMPaLMPa2009年8月31日由国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局批准颁布的《固定式压力容器安全技术监察规程》对我国压力容器的界限范围做了明确划分。《固容规》适用于同时具备下列条件的压力容器：（1）工作压力大于或者等于0.1MPa（注1）；（2）工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5（注2）；（3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体（注3）。LMPa注1：工作压力，是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）。注2：容积，是指压力容器的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算（不考虑制造公差）并且圆整。一般应当扣除永久连接在压力容器内部的内件的体积。注3：容器内介质为最高工作温度低于其标准沸点的液体时，如果气相空间的容积与工作压力的乘积大于或者等于2.5时，也属于本规程的使用范围。LMPa其中，超高压容器应当符合《超高压容器安全技术监察规程》的规定，非金属压力容器应当符合《非金属压力容器安全技术监察规程》的规定，简单压力容器应当符合《简单压力容器安全技术监察规程》的规定。4压力容器在工业生产中的应用压力容器在各个工业领域中应用广泛，如化学工业、石油化工、炼油、制药、炸药、化肥、食品工业、水泥、冶金、涂料、合成树脂、合成橡胶、塑料、合成纤维、造纸、深海探测器、潜水舱、火力发电站、航空、深冷、运输贮罐、原子能发电等等。就当前来说，以石油化学工业应用的最为普遍。石油化学工业生产工艺复杂，火灾爆炸危险性大，产品品种多，与生产、人民生活及国防密切相关，在国民经济中占有极其重要的地位。在石油化工企业中，压力容器可以作为一种简单的盛装容器，用以贮存有压力的气体、蒸汽或液化气体，如液氮贮罐、氢气、氯气贮罐等，这类容器内部一般没有其他的工艺装置，可以单独构成一台设备，或者作为其他装置的一个独立部件；压力容器也可以作为其他石油化工设备的外壳，为各种化工单元操作（如化学反应、传质、传热、分离、蒸馏等）提供必要的压力空间，并将该空间与外界大气隔离，此时压力容器不能作为一台独立设备存在，其内部必须装入某些工艺装置（俗称内件）才能构成一台完整的设备，如氨合成塔、尿素合成塔、废热锅炉、二氧化碳吸收塔、氮分离器等。压力容器除了用于工业生产外，还用于基本建设、医疗卫生、地址勘探、文教体育等国民经济各部门。第二节压力容器的工艺参数压力容器的工艺参数是根据生产工艺的要求确定的，是进行压力容器设计和安全操作的主要依据。压力容器的主要工艺参数为压力、温度和介质。2.1压力2.2温度2.3介质2.1压力在各种压力容器的规范或标准中，经常出现工作压力、最高允许工作压力和设计压力等概念，现依据GB150.1-2011《压力容器》将其定义分述如下：1.工作压力：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。2.最高允许工作压力：在指定的相应温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。该压力是根据容器各受压元件的有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的，且取最小值。3.设计压力：设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件，其值不低于工作压力。4.试验压力：进行耐压试验或泄漏试验时，容器顶部的压力。常温储存液化气体压力容器的设计压力常温储存液化气体压力容器的设计压力，应当以规定温度下的工作压力为基础确定：（1）常温储存液化气体压力