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1.2压力容器基本知识

1.2.1概述

1.2.1.1压力容器的定义及用途

从广义上说，凡承受流体介质压力的密闭壳体都可称作压力容器。

按GB150-1998《钢制压力容器》的规定，设计压力低于0.1MPa的容器属于常压容器，而设计压力高于0.1MPa的容器属于压力容器。

从安全角度看，单纯以压力高低定义压力容器不够全面，因为压力不是表征安全性能的唯一指标。

在相同压力下，容器的容积越大，其积蓄的能量就越多，一旦发生破裂造成的损失和危害也就越大。

此外，容器内的介质特性对安全的影响也很大，气体的危害程度大于液体，尤其易燃易爆的气体或液化气体，如果容器发生事故，除了爆炸造成的损失外，由于介质泄漏或扩散而引起的化学爆炸、起火燃烧、中毒污染，导致的后果极其严重。

因此，压力、容积、介质特性是与安全相关的三个重要参数。

《压力容器安全技术监察规程》从安全管理角度出发，将同时具备下列三个条件的容器称为压力容器：

l.最高工作压力（Pw）大于等于0.1MPa（不含液体静压力）；

2.内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大干等于0.15m，且容积（V）大于等于0.025m3；

3.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。

《特种设备安全监察条例》附则中规定，压力容器的含义是：

盛装气体或液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力（Pw）大于或等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa×L的气体或液化气体和最高工作温度高于或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等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPa×L的气体、液化气体和标准沸点等于或低于60℃的液体的气瓶；医用氧舱等。

可以认为这个规定是对压力容器作出的最权威的定义，只要符合上述规定的容器即为压力容器，其设计、制造、安装、使用、检验、修理和管理都必须接受安全监察。

压力容器是工业生产中的常用设备，它广泛地用于石油、化工、动力、食品等行业中，尤其是石油化工，许多化学反应过程都需要在有压力的条件下才能进行，或者要用增高压力的方法来加快反应速度，如用乙烯和水（高压过热蒸汽）制造乙醇（酒精），就需要在7.0MPa下进行；用氮和氢合成氨则要在32.MPa下才能较好地反应。

这样，不但反应器本身是压力容器，而且必须经过的精制、加热或冷却等工艺过程中所使用的所有的设备也都是压力容器。

在人们的日常生活中也离不开压力容器，如压缩空气是一种使用得最为普遍的动力源。

它可以带动气锤、风镐或其他风动工具进行加工、矿山开采等。

压缩空气来源于空气压缩机，而空气压缩机的辅助设备如气体冷却器、油水分离器、储气罐等都是压力容器。

压力容器发生事故时不仅使容器本身遭到破坏，往往还会诱发一连串恶性事故，给国民经济造成重大损失。

如1979年12月吉林煤气公司液化石油气球罐的爆炸，引起燃烧，并使附近的三个同样的球罐和5000只气瓶爆炸，约600吨液化石油气流出燃烧，大火持续燃烧20小时，死伤近百人，直接经济损失达500余万元。

又如某电化厂一个盛装液氯介质的容器发生爆炸后，约有4吨的液氯介质外流，造成大面积的毒害区，中毒范围波及7.35平方公里。

压力容器的潜在的危险性，还表现在其使用条件比较苛刻：

它要承受大小不同的压力载荷（有时还是脉动的）和其他附加载荷（如重力、地震、风载等）；容器内的压力还会因操作失误或反应异常而升高，往往在尚未被发现的情况下容器即被破坏；不少压力容器工作时不仅承受较高的压力，同时还经常处于高温或低温状态。

此外内部介质的特性对容器的运行安全和使用寿命影响较大，尤其是化工容器，其介质常常具有强烈的腐蚀性（氢腐蚀、硫化氢腐蚀、各种浓度的酸、碱、盐腐蚀等）。

要保证容器长期安全运行，就必须在设计、选材、制造、检验和使用管理上严格要求，所以世界上许多国家都设置了专门机构，负责压力容器的安全监督工作。

1.2.1.2压力容器的主要工艺参数

压力容器的工艺参数是进行压力容器强度计算和结构设计的主要依据。

工艺参数是由生产的工艺要求确定的。

影响压力容器设计的主要工艺参数有压力、温度、直径等。

1.压力容器的压力参数

压力容器的压力参数有工作压力（操作压力）、最高工作压力和设计压力。

工作压力（操作压力）是指压力容器在正常的操作条件下，压力容器所承受的内（外）部表压力。

工作压力是由生产工艺的要求决定的。

最高工作压力对于承受内压的压力容器，其最高工作压力是指在正常使用过程中，容器顶部可能出现的最高压力；对于承受外压的压力容器，其最高工作压力是指在正常使用过程中，容器可能出现的最高压力差值；对于夹套容器，其最高工作压力是指在正常使用过程中，夹套顶部可能出现的最高压力差值。

一般用来表示。

设计压力是指在相应设计条件下用以确定压力容器壳体壁厚及其元件尺寸的压力，用P来表示。

在正常的情况下，设计压力应等于或略高于最高工作压力。

公称压力为了提高制造质量，并降低制造费用，增加零部件的互换性，使容器及其零部件的制造趋于标准化，把标准化后的压力数值称为公称压力，容器设计时应尽量采用标准的公称压力系列参数。

容器的公称压力是指容器在规定温度下的最大操作压力。

用符号Pg来表示。

2.压力容器的温度参数

压力容器的温度参数有工作温度（操作温度）、设计温度。

工作温度（操作温度）是指容器在操作过程中，在工作压力（操作压力）下壳体可能达到的最高或最低温度。

设计温度是指容器在操作过程中，在相应的设计压力下壳体或元件可能达到的最高或最低温度。

3.直径

一般所说的容器直径系指其内径，单位多用mm表示

出于标准化的需要，把容器的直径按尺寸大小排成一定数目的系列，该系列中的各尺寸称为容器的公称直径，用符号Dg来表示。

在确定容器直径时应选取与之相近的公称直径，以利于封头、法兰等零部件的标准化。

1.2.1.3压力容器的分类

压力容器的使用极其普遍，型式也很多，根据不同的要求，压力容器的分类方法可以有很多种，例如：

按容器的壁厚可分为：

薄壁容器和厚壁容器。

一般认为当容器的壳体厚度大于容器内直径的1／10时为厚壁容器，小于或等于至1／20时属于薄壁容器；按容器的承受压力方式可分为：

内压容器和外压容器。

当容器内部承受压力时称内压容器，当容器外部承受压力时称外压容器，如夹套容器、真空容器等；按容器的工作温度可分为：

高温容器、常温容器、低温容器。

一般情况下，当压力容器的工作温度小于等于—20℃时称为低温容器；当压力容器的工作温度大于等于金属材料的蠕变开始温度时称为高温容器；按容器壳体的几何形状可分为：

球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器。

从安全的角度出发目前广泛采用的比较重要的分类方法有两种：

1.按压力容器的安全重要程度分类。

《压力容器安全技术监察规程》根据容器在使用中的重要作用、设计压力以及介质的危害性程度，从高到低将压力容器依次分为第三类压力容器、第二类压力容器以及第一类压力容器：

（1）第三类压力容器下列情况之一的容器：

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0.5MPa·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，它包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车（液化气体运输车、低温液体运输车、永久气体运输车）和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；

10）球形容器（容积大于等于50m3）；

11）低温液体储存容器（容积大于5m3）。

（2）第二类压力容器下列情况之一的容器（除了已被规定为第三类压力容器的以外）：

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）低压储存容器和低压反应容器（仅限易燃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）第一类压力容器

介质为无毒、非易燃低压容器和易燃或毒性程度为中度危害介质的低压换热容器、分离容器为第一类压力容器。

由于压力容器品种规格极其复杂繁多，按《压力容器安全技术监察规程》划分第三类压力容器、第二类压力容器以及第一类压力容器的具体规定也较多，为便于对照查找，现将压力容器分类归纳成表，见附录C。

按照《压力容器安全技术监察规程》的规定分类，压力容器的类别和介质有很大的关系，因此确定介质毒性程度和爆炸程度是一个重要的方面。

《压力容器安全技术监察规程》中规定：

压力容器中化学介质毒性危害和易燃介质的划分参照HG20660《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的规定，无规定时，按下述原则确定毒性程度：

极度危害（I级）最高容许浓度＜0.1mg／m3

高度危害（Ⅱ级）最高容许浓度0.1～＜1.0mg／m3

中度危害（Ⅲ级）最高容许浓度1.0～＜10mg／m3

轻度危害（Ⅳ级）最高容许浓度≥10mg／m3

当压力容器的介质为混合物质时，应以介质的组分并根据毒性或易燃介质的划分原则，由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门提供介质毒性程度或者是否属于易燃介质的依据，无法提供依据时，按毒性危害程度或爆炸危险程度最高的介质确定。

2.根据使用情况分类。

按使用情况不同，压力容器可分为固定式容器和移动式容器两大类。

我国对这两类容器分别制订了不同的规程或技术规范。

例如对移动式容器中的气瓶制订了《气瓶安全监察规程》，对铁路罐车和汽车罐车分别制订了“管理规定”。

（1）固定式容器

固定式容器的特点是：

具有固定的安装和使用地点，工艺操作条件和操作人员都比较固定。

它可以按用途和工作压力进一步分类。

1）按用途分类：

根据容器在生产工艺过程中所起的主要作用不同，可以归纳为四大类，即反应容器、储存容器、换热容器和分离容器。

a.反应容器：

主要用来完成介质化学反应的设备，如反应器、聚合釜、变换炉和氨合成塔等。

考虑到反应容器的操作条件复杂，压力不易控制，发生爆破的危险性大，因而对其设计、制造、使用等方面提出严格的要求。

b.储存容器：

主要用以储备工作介质，以保持工艺操作压力稳定，保证生产的连续进行。

介质在容器内一般不发生化学或物理的变化。

常见的压缩气体或液化气体储罐、压力缓冲器都属于这一类。

大型的储存容器多做成球形容器，小型的储存容器常为卧式圆筒形容器。

这类容器的操作条件没有反应容器复杂，但是由于容积比较大，储存的介质多，即使在操作压力比较低的情况下，其爆炸的潜在的能量也是很大的，因而对这类容器也提出了比较严格的要求。

c.换热容器：

主要用来使介质在容器内实现热交换，以达到生产工艺过程中所需要的将介质加热或冷却的目的。

如热交换器、冷却器、蒸发器、废热锅炉等。

换热容器的型式很多，就传热方式来分，可以有蓄热式、直接式、间接式三种，现在常用的是直接式和间接式两种，前者将高温介质直接传给低温介质，使介质被加热或冷却。

这种情况只适用于两种介质可以互相混合的场合。

如蒸煮锅、消毒器、水洗塔等。

后者是通过换热元件来进行的，常见的有蛇管式、列管式、排管淋洒式等。

d.分离容器：

分离容器的主要作用是让介质通过容器时，利用降低流速、改变流动方向或用其它物料吸收等方法来分离气体中的混合物，以达到净化气体或提取回收杂质中的有用物料的目的。

在分离容器中主要介质不发生化学反应，压力都是来自器外，如分离塔、净化器、回收塔、洗涤塔、吸收塔等。

2）按压力来分类：

压力是压力容器最主要的一个参数，压力越高，爆炸的能量越大。

为了便于对压力容器进行分级管理和安全监督，我国《压力容器安全技术监察规程》将容器的设计压力分为四个压力级另别，即

低压容器（代号L）：

0.1MPa≤P＜1.6MPa

中压容器（代号M）：

1.6MPa≤P＜10MPa

高压容器（代号H）：

10MPa≤P＜100MPa

超高压容器（代号U）：

100MPa≤P＜1000MPa

（2）移动式容器

移动式容器是一种盛装容器。

它的主要用途是装运气体，容器在气体制造厂充装气体，然后运送到使用单位。

这类容器没有固定的地点，一般也没有专责的操作人员，使用环境经常变迁，管理比较复杂，因而也比较容易发生事故。

移动式容器按其容积的大小及结构形状分为气瓶、罐车。

气瓶外形如瓶，头部装有各种阀门，底部焊有底座，按所盛装气体的特性分为压缩气体气瓶（如氧、氢、氮、氦等）、液化气体气瓶（如二氧化碳、乙烯、氟里昂、液氨、液氯等）和溶解气体气瓶（如乙炔）。

罐车是固定安装在流动的车架上的一种卧式贮罐。

它的容积较大，常达数十立方米，罐是专门为运输液化气体用的。

由于它的直径较大，一般不宜承受高压，所以它所充装的都是低压液化气体。

包括铁路罐车（介质为液化气体、低温气体）、汽车罐车（如低温液体运输车、液化石油气罐车和液氨罐车）和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等。

1.2.1.4我国的压力容器法规和标准

我国的压力容器规范和标准是一种开放性的标准体系，它是由法规、基础标准、相关标准、附属标准及产品标准五大部分组成。

如图2-1列出了压力容器的法规标准体系关系图。

1.《固定式压力容器安全技术监察规程》与GBl50《钢制压力容器》标准的关系

法规

《特种设备安全监察条例》

《压力容器安全技术监察规程》

基础标准

《GB150钢制压力容器》等

相关标准

材料标准

材料检验法标准

材料试验法标准

附属标准

零部件标准

工艺方法标准

产品检验标准

产品标准

型式参数标准

专用产品标准

《压力容器安全技术监察规程》是压力容器的基本法规。

它以安全为基本出发点对压力容器的设计、制造、安装、检验、使用和维修提出了最基本的要求。

其权威性高于GBl50《钢制压力容器》标准和其他任何标准、规章规定，《压力容器安全技术监察规程》第5条规定“本规程是压力容器质量监督和安全监察的基本要求，有关压力容器的技术标准、部门规章、企事业单位规定等，如果与本规程相抵触时，应以本规程为准”。

所以各种标准、规章、规定的具体内容和要求，应等于或严于《容规》。

图2-1压力容器的标准体系关系

2.GB150《钢制压力容器》基础标准与相关标准、附属标准、产品标准的关系

GBl50《钢制压力容器》是基础标准，是压力容器标准体系中的核心，它以大多数压力容器为对象，着重解决共性的问题。

它引用了很多相关标准和附属标准、产品标准，这些标准都是为基础标准服务或由它派生出来的。

通俗地说，这些被引用标准是GBl50《钢制压力容器》的子标准。

相关标准包括材料标准、材料试验法标准和材料检验法标准。

例如GD6654《压力容器用碳钢及低合金钢技术条件》只是压力容器用钢应符合的条件即常说的材料的验收标准，但不是符合验收标准的所有材料都能用于压力容器。

盛装不同的介质、在不同工况条件下的压力容器对材料的要求不尽相同，因此GBl50《钢制压力容器》规定了不同的材料的使用范围以及不同工况条件下的压力容器对材料的附加要求，这就是常说的材料使用标准。

如GBl50《钢制压力容器》规定了设计温度小于—10℃大于—20℃时，厚度大于20mm的16MnR应进行设计温度下的低温冲击。

附属标准包括零部件标准（封头、法兰、人孔及支座等）、工艺方法标准和产品检验标准，它是为基础标准服务的，离开了基础标准和专门的产品标准往往无法独立应用。

例JB4730《压力容器无损检测》规定了射线、超声波、磁粉、渗透等无损检测的方法以及如何评级，但检测对象的合格级别则需要由GBl50《钢制压力容器》等基础标准来回答。

如GBl50《钢制压力容器》规定当压力容器进行100％射线检测时，底片评定的合格级别是Ⅱ级。

产品标准包括型式参数标准和专用产品标准。

其中型式参数标准是出于产品规格尺寸及结构型式的系列化、标准化需要而制定的，以便于在实际工作中选用，从而大大减少工作量。

而专用产品标准是在基础标准上，针对不同材质（如铝容器）、不同外形和结构特点（如球形容器、换热容器）的压力容器而提出的专用技术要求。

1.2.2压力容器的典型结构和特点

压力容器的类型类别虽然很多，但是它的基本构成都可以分解为筒体、端盖（封头）、法兰、开孔与接管、支座等几种元件。

本节单介绍常见压力容器结构型式。

1.2.2.1低、中压压力容器的简体结构

图1-3卧式压力容器

石油、化工生产中大量采用的低、中压容器，一般属于薄壁容器（Do／Di≤1.2；Do指容器的外径，Di指容器的内径），它的外形结构形式大都是球形和圆筒形，在个别情况下才使用矩形、串接球形、椭圆形、扁圆形等特殊形状的容器。

1.圆筒形的筒体结构形式

圆筒形筒体是低、中压容器的最常见的筒体结构，该容器便于在内部装设工艺附件并便于工作介质在内部相互作用，因此被广泛用作反应、换热和分离容器。

图2-2和图2-3为常见的立式和卧式压力容器的典型结构。

圆筒形筒体除了在直径较小的情况下可以直接采用无缝钢管外，一般都是用焊接结构，即用钢板先制成圆筒形后进行焊接。

小直径的圆筒体可采用一条纵焊缝，而大直径的圆筒体因受钢板宽度尺寸的限制，需采用二条以上的纵焊缝。

同样，长度较短的圆筒体只有与封头相组焊的两条环焊缝，长的圆筒体则有很多条环焊缝。

图1-4常见的球形储罐结构型式

2.球形容器

体积较大的压力容器一般制成球形容器，因为它的直径比较大，所以球形容器大多是由许多块按一定的尺寸压制成形的球面板组焊而成，其制造、安装有一定难度，特别是由于它的焊缝长，焊接工作量大，焊接质量和无损检测要求也较高。

球形容器一般只用作贮存容器。

《钢制球形储罐》中规定了三种结构型式，如图2-4所示。

4.2.2高压容器的筒体结构

由于承受的压力较高，高压容器的筒体一般都比较厚，在高压容器设计时，必须综合考虑其特点，选择合适的结构。

（图2-5）

图2-5高压容器的典型结构

高压容器的筒体结构型式可分为整体式和组合式两大类，整体式的筒体结构有单层锻造和整体锻造，组合式有多层包扎式、螺旋包扎式、热套式和绕制式等。

其中多层包扎式、热套式是目前使用最广泛、制造和使用经验最为成熟的简体结构型式，本节主要介绍这两种结构。

1.多层包扎式筒体结构

图1-6多层包扎式筒体

这种结构型式的筒体是由数层紧密贴合的薄钢板构成，分为内筒与层板两部分，如图2-6。

内筒一般都由厚度为15～20mm的优质钢板卷焊而成，层板则是由6~8mm的薄钢板先预弯成半圆形或瓦片形用钢丝绳（或钢带）扎紧并点焊固定在内筒上，再松去钢丝绳（或钢带），焊接纵焊缝，以此法逐层包扎直至达到设计要求的厚度。

它有以下的特点：

设计用材方便；筒体的应力分布均匀；对于腐蚀性介质只要内筒选用相应的耐蚀材料而层板仍可用普通低合金钢，从而节省了材料成本；在环焊缝附近的层板上开安全孔后可以检查内筒是否破裂，防止恶性事故的发生。

它的不足之处是：

材料的利用率低；制造工序多，制造周期长；尤其是存在深的环焊缝，探伤困难。

图1-7多层热套式筒体结构

2.多层热套式筒体结构

这种结构是采用25～50mm的中厚钢板，卷焊成若干个直径不等的圆筒，如图2-7。

每层筒的内外表面只需经粗加工或只用喷砂（或喷丸）处理而不经机加工，每相邻两层筒之间以过盈量相互配合，即套合前内筒的外径较外筒的内径略大，套合时需将外筒加热使之膨胀，然后松套在内筒上，经冷却后，外筒收缩而与内筒贴合。

此过程采用由内向外逐层套合的顺序，直至达到设计所需的壁厚。

从多层热套式筒体的制造过程可以看出：

多层热套式容器的制造工艺和单层卷焊容器的制作除了套合的过程外，其余是相近的，所以工艺容易掌握；制造的周期短；各层圆筒的对接焊缝均可100％射线探伤检验，故可保证焊接质量；通过热处理可消除绝大部分套合预应力，其残余套合预应力则可以改善筒体在受内压时沿壳壁应力分布不均匀的状况。

但由于是中厚钢板制作，所以其抗裂性能不如多层包扎筒体。

热套式高压容器的内径一般为700~4000mm，设计压力为10.5～70MPa，壁厚为50～500mm。

1.2.2.3压力容器的封头

封头（或端盖）是压力容器的重要组成部分，常见的形式有半球形、椭圆形、碟形、形及平板形。

1.半球形封头

半球形封头（图2-8）的优点和球形容器相同，受力状态较好，节省材料，壁厚只需圆筒体壁厚的二分之一，半球形封头多用于高压容器如尿素合成塔、CO2汽提塔等。

对于中、低压压力容器，为了焊接方便，以及考虑到封头冲压过程中的减薄量，封头和筒体通常取同一厚度。

2.椭圆形封头和碟形封头

椭圆形封头是由半个椭球壳和直边部分组成，如图2-9所示。

椭圆曲线的曲率半径变化是连续的，所以封头中的应力分布也比较均匀，其受力情况仅次于半球形封头。

它是目前中、低压压力容器中应用最广泛的封头形式。

长短轴之比为2的椭圆形封头称为标准椭圆形封头，其封头深度（不包括直边部分）为其直径的1／4。

图1-9椭圆形封头

图1-10碟形封头

图1-8半球形封头

碟形封头又称带折边球形封头，它由几何形状不同的三部分组成，如图2-10所示。

第一部分是以R为半径的部分球面；第二部分是高度为h的圆筒形部分；第三部分是连接以上两部分的过渡部分，其曲率半径为r。

R与r均以内表面作为圆基准，一般情况下有Ri=Di；r／Ri=0.15。

从几何形状来看，由于椭圆形封头深度较浅，因而比半球形制造方便，但相比于碟形封头则制造较难，为了保证椭球壳形状的准确则必须用模压。

碟形封头为一不连续曲面，在三部分的连接处会产生较大的边缘应力，故应力分布不象椭圆形封头那样均匀，在工程使用中不是很理想。

但当椭圆形封头的模具加工有困难时，一般则以碟形封头来代替。

椭圆形封头和碟形封头的圆筒部分，又称直边部分，其目的是为了使边缘应力不直接作用在封头与筒体相连接的焊缝上。

直边高度一般为25~50mm。

3.无折边球形封头

无折边球形封头是一块深度较小的球面体。

如图2-11所示，它结构简单、制造方便，常用作容器中两个独立受压室的中间分隔封头。

由于封头球面无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，为保证连接处的焊接质量，应使封头和与其相连的筒体厚度相近，角焊缝应采用全焊透结构。

这种封头一般只用于直径较小、压力较低的压力容器上。

4.锥形封头

锥形封头有两种结构型式，一种是无折边的锥形封头，如图2-12，另一种是带折边的锥形封头，如图2-13。

图2-11无折边球形封头图2-12无折边的锥形封头

无折边的锥形封头一般应用于半锥角≤30°，且内压不大的场合。

由于锥体与圆筒体直接连接造