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压力容器设计

引言

本文在归纳研究国内外压力容器技术发展现状的基础上，指出了当前国内压力容器制造业现状，总结了压力容器的生产制造技术。

根据经济全球化和标准国际化的趋向，提出了我国压力容器技术发展和标准化方向。

丙烷储罐是一种典型的LPG存储压力容器，随着丙烷作为民用燃料被广泛应用，丙烷的运输、存储带动了压力容器行业的发展。

本文正文部分根据目前国内压力容器的生产现状而编写的，以丙烷储罐车间设计为例，旨在为压力容器制造提供一个参考，指导压力容器生产一线的焊接工人规范焊接工艺，以此提高焊接压力容器的产品质量，保证压力容器安全使用。

一、文献综述

1.1压力容器技术概述与发展现状　……………………………………………1

1.1.1压力容器的定义　………………………………………………………1

1.1.2压力容器的概述　………………………………………………………1

1.1.3压力容器行业发展现状　………………………………………………1

1.2压力容器的制造技术…………………………………………………………4

1.2.1压力容器的分类　………………………………………………………4

1.2.1.1按压力等级分类…………………………………………………4

1.2.1.2按工艺用途分类…………………………………………………4

1.2.1.3按介质的危害程度分类…………………………………………5

1.2.1.4按安全重要程度分类……………………………………………5

1.2.1.5压力容器的代号标注……………………………………………6

1.2.2压力容器的制造　………………………………………………………7

1.2.2.1成形与装配………………………………………………………7

1.2.2.2焊接………………………………………………………………8

1.2.2.3焊接缺陷…………………………………………………………9

1.2.2.4压力容器的组装缺陷……………………………………………11

1.2.3压力容器的检验　………………………………………………………12

1.2.3.1加工成形检验……………………………………………………12

1.2.3.2焊缝检验…………………………………………………………13

1.2.3.3焊接试板和试验…………………………………………………14

1.2.3.4力学性能试验……………………………………………………16

1.2.3.5无损探伤…………………………………………………………16

1.2.3.6压力试验和气密性试验…………………………………………18

1.3焊接前后的热处理技术………………………………………………………20

1.3.1预热　……………………………………………………………………20

1.3.2后热　……………………………………………………………………20

1.3.3焊后热处理　……………………………………………………………21

1.3.3.1炉内焊后热处理…………………………………………………21

1.3.3.2炉外焊后热处理…………………………………………………21

1.4压力容器制造和技术标准发展方向…………………………………………23

1.4.1行业技术进步与方向　…………………………………………………23

1.4.2技术标准发展方向　……………………………………………………25

二、设计正文

2.1技术要求　　　　………………………………………………………………27

2.1.1储罐特性　　……………………………………………………………27

2.1.2制造依据　……………………………………………………………27

2.1.3相关标准　……………………………………………………………27

2.1.4焊接方法及所用焊材　………………………………………………27

2.2储罐各部件选用钢材　　……………………………………………………27

2.2.1筒体选材　……………………………………………………………28

2.2.2封头选材　……………………………………………………………28

2.2.3接管选材　……………………………………………………………28

2.2.4管法兰　………………………………………………………………28

2.2.5支座　…………………………………………………………………28

2.3材料尺寸的计算　　…………………………………………………………28

2.3.1壁厚的确定　…………………………………………………………28

2.3.2封头尺寸的选择　……………………………………………………29

2.4焊缝的分析与设计　　………………………………………………………30

2.4.1焊缝分析　……………………………………………………………30

2.4.2焊缝的设计　……………………………………………………………32

2.5丙烷储罐制作工艺　……………………………………………………………33

2.6.1钢材预处理　……………………………………………………………34

2.6.2钢材矫正　………………………………………………………………34

2.6.3放样、划线　……………………………………………………………34

2.6.4切割　……………………………………………………………………34

2.6.5卷板　……………………………………………………………………34

2.6.6筒体组装　………………………………………………………………35

2.6.7焊接　……………………………………………………………………35

2.6.8热处理　…………………………………………………………………35

2.6.9耐压实验　………………………………………………………………35

2.6.10安全措施　……………………………………………………………36

2.6.11除锈刷油　……………………………………………………………36

2.7设备及设备数量计算　…………………………………………………………37

2.7.1年时基数的确定………………………………………………………37

2.7.2设备的确定与数量……………………………………………………37

2.7.2.1矫平机……………………………………………………………37

2.7.2.2数控火焰切割机…………………………………………………38

2.7.2.3卷板机……………………………………………………………39

2.7.2.4手工电弧焊设备…………………………………………………39

2.7.2.5埋弧焊设备………………………………………………………41

2.7.2.6碳弧气刨机………………………………………………………42

2.7.2.7探伤设备…………………………………………………………43

2.7.2.8起重机……………………………………………………………44

2.7.2.9平板车……………………………………………………………44

2.8工作班次的确定………………………………………………………………45

2.8.1单件产品各工序生产时间……………………………………………45

2.8.2工作班次………………………………………………………………46

2.9车间人员的配置………………………………………………………………47

2.9.1生产工人的确定………………………………………………………47

2.9.2　辅助工人的确定……………………………………………………47

2.9.3其余人员的确定………………………………………………………48

2.10动力及材料需要消耗计算……………………………………………………48

2.10.1焊接时电能消耗计算………………………………………………48

2.10.2产品原材料需要量……………………………………………………49

2.10.3焊材需要量……………………………………………………………49

2.11车间平面图的绘制…………………………………………………………50

2.11.1布置方案……………………………………………………………50

2.11.2车间平面布置………………………………………………………50

2.11.2.1跨间数量的确定………………………………………………50

2.11.2.2起重高度的确定………………………………………………50

2.11.2.3车间高度和跨度的确定………………………………………51

2.11.2.4车间长度的确定　………………………………………………51

三、参考文献…………………………………………………………53

一、文献综述

1.1压力容器技术概述与发展现状

1.1.1压力容器的定义

　　器壁两侧存在着一定压力差的所有容器，统称压力容器。

这是压力容器在广义上的定义。

　　我国目前纳入《压力容器安全技术监察规程》的压力容器，应同时具备下列三个条件：

（1）、最高工作压力Pw≥0.1Mpa（不含液体静压）；

（2）、内直径（非圆形截面指其最大尺寸）不小于0.15m，且容积Ｖ≥0.025m³；

（3）、盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。

1.1.2压力容器的概述

　　压力容器产品是各工业行业均涉及的通用性产品。

广泛地存在于现代社会中，小到人们日常生活中经常接触的易拉罐、高压锅、液化气罐等，大到各行业生产装备中使用的各种“压力容器”，如万吨巨轮、深水潜艇、喷气飞机、导弹等军事装备，甚至我国成功发射的“神舟六号”返回舱等航天设备，都属于压力容器。

所以说压力容器遍布工业生产、基础建设、医药、食品、纺织、国防、科研。

航天以及人们日常生活等国民经济的各个领域。

由于压力容器在承压状态下工作，并且所处理的介质多为高温或易燃易爆，一旦发生事故，将会对人们的生命和财产造成不可估量的损失，因此世界各国均将压力容器作为特种设备予以强制性管理。

我国对这类设备的监督管理机构是国家质量监督检验检疫总局。

中国已经加入WTO，我国的压力容器行业已经不可避免地面临国际市场的激烈竞争。

在新形势下，压力容器生产厂家应充分认识自身的优势与不足，改变观念，实行国际压力容器生产的通行做法，使产品早日走出国门。

1.1.3压力容器行业发展现状

　　压力容器在化学、化肥、炼油、石油化工等行业应用广泛；在液化石油气、化工原料气的储运，核电站设备中也起着重要作用。

因此，压力容器制造业有着举足轻重的作用，在国民经济中占有非常重要的地位。

中国是生产压力容器大国，生产的目的主要是满足国内的需求。

生产厂家接近3200家，目前持有压力容器制造许可证的达接近300多家，有ASME授权许可证的有50多家。

与国外的同类厂家相比较，我国的压力容器制造企业规模普遍偏小，专业化程度较低、小而全，生产成本高。

我国压力容器产业集中度相对较低。

从而形成效率低、成本高的弱势，并且产品结构不合理，高性能的压力容器有待提高和开发，此外设备和工艺技术水平的总体落后使得原材料消耗量增大，增加了产品的成本。

　　我们的市场环境还有待进一步的改善：

（1）、尚未建立起来强大的、国际化的工程公司：

从世界范围内的压力容器出口大国的实践分析，国际化的工程公司可以带动本国的压力容器行业的发展。

（2）、制造厂家的市场分工和专业化生产格局还没有形成，停留在低价竞争的水平上。

（3）、标准的国际化认可：

由于历史的原因，我国的压力容器行业以保证内需为主，从观念上没有国际接轨的意识，我国的标准不为世界的其它国家认可，难以进入国际市场。

（4）、质量体系的严格实施：

由于长期计划经济观念的影响，质量意识仍然是我国压力容器制造企业的薄弱环节，把国家标准作为企业的最高质量控制水平的现象还在延续。

图表12006年我国压力容器细分产品数目单位：

万台

资料来源：

华经视点研究中心

在制造能力和水平上，我国压力容器制造业也有了很大的飞跃。

大批制造厂陆续取得美国ASMEU和U2许可证，缩小了我国压力容器制造业与国外先进国家在技术水平和能力上的差距，甚至在某些方面已经达到或超过国外同类产品水平。

图表22006-2007年我国压力容器行业成长指标对比图

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　资料来源：

国家统计局

但是我国压力容器主要是低附加值产品出口,利用的是国内廉价的劳动力和低价资源，稍有技术含量的产品所占比例仅为8％左右。

我国锅炉、压力容器有一定的出口，能够承担生产出口产品的企业有200余家，全年创汇超过3亿美元。

进出口总额大约6亿～8亿美元，全行业外贸依存度不足10%，大大低于全国40%的水平。

由于我国的市场经济体制还不完善，工厂的管理水平和用人机制以及技术开发投入与国外的差距对我国金属压力容器制造能力的充分发挥和总体质量水平的进一步提高还有很严重的制约作用。

加之我国加入WTO，压力容器的关税大幅降低，非法定检验市场的开放，使更多的国外产品、制造企业和检验公司进入我国市场，加剧了市场竞争。

2006年，我国金属压力容器的进口额达到3.16亿元，在这种情况下，原有的国内市场份额将重新分配，使我国压力容器制造业受到一定程度的影响和冲击。

所以当前我国压力容器制造业形势还是十分严峻，即面临机遇，又面临挑战。

压力容器产品市场分工和专业化生产格局是这一行业发展的必然趋势，只有找准企业在市场中的位置，才能使企业走上良性循环的发展道路，才能使我国压力容器行业跳出低价格恶性竞争的怪圈。

1.2压力容器的制造技术

1.2.1压力容器的分类

压力容器的种类繁多，不同类别的压力容器，其存在的危险程度也不同。

所以，应对不同类别的压力容器采用不同的管理方法和管理工作措施。

为便于压力容器的设计、制造、安装使用和维护、检修、检验等，按类别进行全过程的跟踪管理，必须对压力容器进行分类。

1.2.1.1按压力等级分类

工作压力是压力容器最主要的一个参数。

从安全角度考虑，容器的工作压力越大，发生爆炸的可能性和危险性也越大。

所以，按其设计压力进行分级，便于对压力容器进行管理和监督。

我国现行的《压力容器安全技术监察规程》，是按压力容器的设计压力（P）划分为低压、中压、高压、超高压四个等级。

其具体的划分标准如下：

（1）、低压（代号L）0.1MPa≤p＜1.6MPa

（2）、中压（代号M）1.5MPa≤p＜10MPa

（3）、高压（代号H）10MPa≤p＜100MPa

（4）、超高压（代号U）p≥10MPa

压力容器的设计压力在以上四个等级范围内，分别称为低压公容器、中压容器、高压容器、超高压容器。

1.2.1.2按工艺用途分类

压力容器根据在生产中所起的作用，可归纳为四在类。

（1）、反应容器（代号R）主要用于完成介质的物理、化学反应。

这类容器的压力源于两种，即加压反应和反应升压。

常用的反应容器有：

反应釜、高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸压釜、煤气发生炉等。

（2）、换热器（代号E）主要用于完成介质的热量交换，达到生产工艺过程中所需要的将介质加热或冷却的目的。

其主要过程是物理过程。

按传热的方式可分为蓄热式、直接式和间接式三种，较常见的是直接式和间接式。

常用的有管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器、消毒器、染色器、蒸炒锅、溶剂预热器、蒸脱机、蒸汽发生器、水夹套等。

（3）、分离压力容器（代号S）　　主要用于完成介质的流体压力平衡、缓冲和气体净化分离。

介质在分离器内通过降低流速、改变流动方向或用其他物料吸收、溶解等方法来分离气体中的混合物，达到净化气体或提取其中有用物料的目的。

分离器的名称较多，按容器的作用分为分离器、净化器、回收塔、吸收塔、洗涤塔、过滤器等。

（4）、储存压力容器（代号C，其中球罐代号为R）　　主要用于储存或盛装气体、液体液化气体等介质，保持介质压力稳定。

常用的压缩空气储罐、压力缓冲罐等，都属于这类容器。

由于工作介质不发生物理或化学变化，所以结构较简单，一般由壳体、出入人孔、接管和一些外部附件（如支座、保温层、扶梯等）构成。

常为直立或卧式圆筒形容器，大型的储罐则为球罐。

1.2.1.3按介质的危害程度分类

压力容器的介质在发生事故的时的危害程度，取决于介质的物理、化学特性，也就是说介质是否易燃、易爆或有毒性。

《压力容器安全技术监察规程》中注明，压力容器中化学介质的毒性程度和易燃介质的划分，参照HGZO660《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。

易燃介质是指与空气的爆炸下限不高于10%，或爆炸上限和下限之差不低于20%的气体，如乙烷、乙烯、氯甲烷、环氧乙烷、环丙烷、氢、丁烷、丁二烯、丙烷、丙烯等。

介质的有毒性质则参照GB5044《职业性接触毒物危害程度分组》的规定，按其最高允许浓度的大小分为发下等级。

（1）、极度危害（Ⅰ）级　最高允许质量浓度小于0.1mg/m³

（2）、高度危害（Ⅱ）级最高允许质量浓度小于0.1-1.0mg/m³

（3）、中度危害（Ⅲ）级最高允许质量浓度小于1.0-10mg/m³

（4）、轻度危害（Ⅳ）级最高允许质量浓度大于或等于10mg/m³

压力容器的毒性程度分级原则，也是按以上的分级规程中的标准确定。

（1）、毒性程度为Ⅰ－Ⅱ级的介质如氟、氟酸、氢氰酸、光气、氟化氢、碳酸氟、氯等。

（2）、毒性程度为Ⅲ级的介质如二氧化硫、氨、一氧化碳、氯乙烯、氧化乙烯、硫化乙烯、二硫化碳、乙炔、硫化氢等。

（3）、毒性程度为Ⅳ级的介质如氢氧化钠、四氟乙烯、丙酮等。

压力容器中的物质为混合物质时，应以介质的组分，并按上述毒性程度或易燃介质的划分原则来划分。

由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门，提供介质的毒性程度或爆炸危险程度最高的介质确定。

1.2.1.4按安全重要程度分类

《压力容器安全技术监察规程》中，将适用范围的压力容器按安全重要程度分为三类。

（1）、第三类压力容器（代号为Ⅲ）

a、高压容器。

b、毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器。

c、易燃或毒性程度为中度危害介质、且设计压力与容积Ｖ的乘积大于或等于10MPa.m³（PV≥10MPa.m³）的中压储存容器。

d、易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV≥0.5MPa.m³的中压反应容器。

e、毒性程度为极度和高度危害介质，且PV≥0.2MPa.m³的低压容器。

f、高压、中压管壳式余热锅炉，包括用途属于压力容器，并主要按压力容器标准、规程进行设计和制造的直接受火焰加热的压力容器。

g、中压搪玻璃压力容器。

h、使用按相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa的强度级别较高的材料制造的压力容器。

i、移动式压力容器包括铁路槽车（介质为液化气体、低温液体罐）或汽车［液化气体运输车（半挂）、低温液体运输车（半挂）］和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等。

j、容积大于等于50m³的球形储罐。

k、容积大于等于5m³的低温绝热压力容器。

（2）、第二类压力容器（代号Ⅱ）

a、中压容器。

b、毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器。

c、易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器。

d、低压管壳或余热锅炉。

e、低压搪玻璃压力容器。

（3）、第一类压力容器（代号Ⅰ）

除列入第三类、第二类的低压容器之外的所有低压容器。

1.2.1.5压力容器的代号标注

上述的分类代号，与容器的分类同等重要。

压力容器注册编号的前三位代

号分别是上述分类法的代号，如图1[1]。

图　1压力容器代号标注

第一个代号表示容器的类别，罗马数字Ⅰ表示第一类压力容器、Ⅱ表示第二类压力容器、Ⅲ表示第三类压力容器。

第二个代号表示的压力等级，英文字母L表示低压、M表示中压、H表示高压、U表示超高压。

第三个代号表示压力容器的用途，英文字母R表示反应容器、E表示换热容器、S表示分离容器、字母C表示储存容器、B表示球形容器、LA表示液化气体汽车槽车、LT表示液化气体铁路槽车。

1.2.2压力容器的制造　

压力容器的主体，大部分都是由圆形筒体和旋压（冲压）成形的封头连接（焊接）在一起而组成的，这是最常用的方法。

1.2.2.1成形与装配

封头的成形大致可分为两类，一种是在水压机（或油压机）上，利用胎具压制成形。

另一种则是在旋压机上旋压成形。

无论采用哪种成形方法，封头最好是利用整块钢板制作。

必须拼接时，焊缝的布置要符合有关标准的规定。

封头在压制过程中，钢板各部分产生了复杂的变形，各部分的壁厚也会产生不同程度的减薄。

影响壁厚变化的主要因素是：

材料的性能，如铝制墙头的减薄量，比钢制封头大的多；封头的形状，如半球形封头要比椭圆球形封头的减薄量大。

上下胎模之间的间隙越大，变形越严重；钢板的加热温度越高，变形越大。

一般情况下，压力容器上的封头，大都采用压制成形。

筒体通常是用钢板在专用的滚板机上弯卷成形，再将筒节对焊而成。

钢板厚度较小时，可以采用冷卷；当钢板弯卷变形较大（超过5%），或钢板太厚，卷板机功率不足时，可以采用热卷。

用卷板机卷制筒节的一般过程是：

矫平钢板（厚度大于20mm时可不矫平）、根据展开图尺寸划线、下料（可用机械法或氧-乙炔气割）、焊接坡口加工、拼接钢板、滚制盛开装配纵焊缝、焊接、在滚板机上矫圆、装配各筒节和封头间环焊缝。

最后对纵环焊缝进行无损检验。

在上述工序中，纵缝各环缝的装配与焊接，是影响容器制造质量的主要环节。

装配间隙的大小，视焊接方法和钢板的厚度而定。

装配纵焊缝是，应尽量把钢板两端沿厚度方向对齐，防止产生“错边”。

错边量一般不超过钢板厚度的10%,且最大不超过3mm。

环缝装配包括筒节与筒节和筒节与封头两种。

环缝装配时，错边量一般不超过钢板厚度的15%，且最大不超过5mm。

各焊缝焊接完成生，要进行对焊缝的无损探伤检验和缺陷的返修。

此后的工序大致是在壳休上按图面给定的方位划出开孔线，并检查是否正确；按划线切割开孔、装焊接管及人孔、焊缝无损探伤、进行水压试验最后进行油漆包装。

1.2.2.2焊接

壳体的焊接，尤其筒体（包括封头、筒节、设备法兰等）纵缝、环缝的焊接，是压力容器制造过程中的关键工序。

常用的焊接方法有手工电弧沓、埋弧自动焊和电渣焊。

目前，筒体的焊接几乎全部采用埋弧自动焊接。

只有当筒体钢板太厚的情况下，才采用电渣焊。

手工电弧焊只是当需要封底焊时或焊接缺陷返修时才使用。

（1）、焊缝布置　　壳体上的焊缝要尽量均匀合理。

焊缝重叠或相距太近，会增加焊接残余应力，恶化焊接接头的力学性能，增加产生裂纹等缺陷的可能性。

压力容器的壳体上，不能采用十字焊缝，相邻两筒体的纵向焊缝、封头的拼接焊缝与相邻筒体纵焊缝，都必须相互错开，其焊缝中心间距至少不大于壁厚的3倍，且不小于300m，如图1所示[1]。

（a）筒体之间纵焊缝　　　　　　　　　　　　　　（b）开孔补强与筒体焊缝

图1焊缝间距示意图

凸形封头，应该尽量采用整块钢板制成。

封头必须拼接时，允许由两块钢板拼成，拼接焊缝离墙头中心线的距离，应不超过筒体直径的25%,并不得通过扳边人孔。

且不得布置在人孔扳边圆弧上。

如图2所示[1]。

　　　　　（a）扇形拼接封头　　　　　　　　　　（b）带扳边人孔拼接封头

图2封头拼接焊缝的间距示意图

由中心圆板和扇形板组成的压力容器半球形封头，焊接