过程设备设计过程装备与控制工程教研室

ProcessEquipmentDesign过程设备设计过程装备与控制工程教研室第1章1.压力容器导言1.1压力容器总体结构1.2压力容器分类1.3压力容器规范标准1.1压力容器总体结构1.1.1压力容器基本组成外壳一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定温度和压力的密闭空间。筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。需根据筒体的直径、长度和壁厚，确定结构形式。筒体筒体直径较小（一般小于500mm时），可用无缝钢管制作，此时筒体上没有纵焊缝。直径较大时，筒体可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒，再用焊缝将两者焊接在一起，形成整圆筒。焊缝的方向和圆筒的纵向，即轴向平行，因此称为纵向焊缝，简称纵焊缝。长度较短的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就制成了一台压力容器外壳。当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，需要先用钢板卷焊成若干段筒体（某一段筒体称为一个筒节），再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。筒节与筒节之间、筒体与端部封头之间的连接焊缝，由于其方向与筒体轴向垂直，因此称为环向焊缝，简称环焊缝。圆柱形筒体按其结构可分为：单层式筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成，即器壁只有一层（为防止内部介质腐蚀，衬上的防腐层不包括在内）。单层筒体按制造方式又分为单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式等几种。组合式筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上互不连续的材料构成。组合式筒体按结构和制造方式又可分为多层式和缠绕式两大类缠绕式多层式封头容器不需开启时，可把封头和筒体焊接在一起，从而有效地保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量。根据几何形状的不同：封头球形球冠形椭圆形蝶形锥壳平盖凸形封头对于因检修或更换内件的原因而需要多次开启的容器，封头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间就必须要有一个密封装置。密封装置螺栓法兰连接（简称法兰连接）是一种应用最广的密封装置，它的作用是通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。开孔与接管由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对容器已开设的孔，还应进行开孔补强设计，以确保所需的强度。1.压力容器导言1.1压力容器总体结构1.2压力容器分类1.3压力容器规范标准1.2压力容器分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关，如设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害程度愈高，压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。因此，需要对压力容器进行合理分类。1.2.1介质危害性毒性是指某种化学毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒物剂量与毒性反应之间的关系。介质危害性指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等，其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。毒性毒性大小一般以化学物质引起实验动物某种毒性反应所需要的剂量来表示。设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，中国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。毒性程度对法兰的选用影响很大，主要体现在法兰的公称压力等级上，介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。易燃性可燃气体或蒸气与空气组成混合物，当混合物中可燃气体含量满足完全燃烧条件时，则其燃烧反应最为剧烈。若其含量减少或增加，火焰燃烧速度则会降低，而当浓度低于或高于某一限度值时，就不再燃烧和爆炸。可燃气体或蒸气与空气的混合物遇着明火能够发生爆炸的浓度范围称爆炸浓度极限，爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合物中的体积百分比来表示。爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的介质，一般称为易燃介质。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体和液化气体。1.2.2压力容器分类世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，本节着重介绍中国《压力容器安全技术监察规程》中的分类方法。按压力等级分类内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下：按承压方式分类，压力容器可分为内压容器与外压容器。低压(代号L)容器0.1MPa≤p＜1.6MPa;中压(代号M)容器1.6MPa≤p＜10.0MPa;高压(代号H)容器10MPa≤p＜100MPa;超高压(代号U)容器p≥100MPa。按容器在生产中的作用分类:根据压力容器在生产工艺过程中的作用：反应压力容器(代号R)换热压力容器(代号E)分离压力容器（代号S)储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）用于完成介质的物理、化学反应。用于完成介质的热量交换用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质在一种压力容器中，如同时具备两个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按安装方式分类有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。a.固定式压力容器b.移动式压力容器按安全技术管理分类:压力容器的危险程度还与介质危险性及其设计压力p和全容积V的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反映压力容器的危险程度。《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危险性以及容器在生产过程中的作用的综合分类方法，以有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为三类：a.第三类压力容器具有下列情况之一的，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0.5Pa·m3）；⑤低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且乘积大于等于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；⑩球形储罐（容积大于等于50m3）；低温液体储存容器（容积大于5m3）。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；⑾低温液体储存容器（容积大于5m3）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。具有下列情况之一的，为第二类压力容器：b.第二类压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器可见，国内压力容器分类方法综合考虑了设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素。c.第一类压力容器例如因盛放的介质特性或容器功能不同，即根据潜在的危害性大小，低压容器可被划分为第一类或第二类甚至第三类压力容器。讨论（1）多腔压力容器的分类多腔压力容器按类别高的压力腔作为该容器的类别并按该类别进行使用管理。但应按每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。对各压力腔进行类别划分时，设计压力取本压力腔的设计压力，容积取本压力腔的几何容积。（2）容积如何计算指压力容器的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算并圆整，且不扣除内件体积的容积。（3）世界各国压力容器分类是否相同由于各国的经济政策、技术政策、工业基础和管理体系的差异，压力容器的分类方法也互不相同。直接采用国际标准或国外先进标准设计压力容器时，应先将其转化为企业标准。（4）进口压力容器进口压力容器的国外制造企业必须取得国家质量监督检验检疫总局颁发的安全质量许可证书，并按规定进行安全性能监督检验、使用登记和定期检验。支座腿式支座支承式支座耳式支座裙式支座安全附件安全附件：连锁装置；警报装置；计量装；泄放装置压力容器安全附件主要有：安全阀爆破装置紧急切断阀安全联锁装置压力表液面计测温仪表等1.1.2压力容器零部件间的焊接各部件间的连接大多需要经过焊接，对焊接进行质量控制是整个容器质量保证体系中极为重要的一环。虽然焊接质量控制还涉及到许多焊接工艺过程问题，但设计环节的主要任务是焊接结构设计和确定无损检测方法、比例及要求。焊接结构设计涉及到接头的形式（如对接、搭接、角接），以及接头的坡口形式、几何尺寸等。平盖球冠形封头返回椭圆封头球形封头1.压力容器导言1.1压力容器总体结构1.2压力容器分类1.3压力容器规范标准1.2压力容器分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关，如设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害程度愈高，压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。因此，需要对压力容器进行合理分类。1.2.1介质危害性毒性是指某种化学毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒物剂量与毒性反应之间的关系。介质危害性指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等，其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。毒性毒性大小一般以化学物质引起实验动物某种毒性反应所需要的剂量来表示。设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，中国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。毒性程度对法兰的选用影响很大，主要体现在法兰的公称压力等级上，介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。易燃性可燃气体或蒸气与空气组成混合物，当混合物中可燃气体含量满足完全燃烧条件时，则其燃烧反应最为剧烈。若其含量减少或增加，火焰燃烧速度则会降低，而当浓度低于或高于某一限度值时，就不再燃烧和爆炸。可燃气体或蒸气与空气的混合物遇着明火能够发生爆炸的浓度范围称爆炸浓度极限，爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合物中的体积百分比来表示。爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的介质，一般称为易燃介质。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体和液化气体。1.2.2压力容器分类世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，本节着重介绍中国《压力容器安全技术监察规程》中的分类方法。按压力等级分类内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下：按承压方式分类，压力容器可分为内压容器与外压容器。低压(代号L)容器0.1MPa≤p＜1.6MPa;中压(代号M)容器1.6MPa≤p＜10.0MPa;高压(代号H)容器10MPa≤p＜100MPa;超高压(代号U)容器p≥100MPa。按容器在生产中的作用分类:根据压力容器在生产工艺过程中的作用：反应压力容器(代号R)换热压力容器(代号E)分离压力容器（代号S)储存压力容器（代号C，其中球罐代