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压力容器制造监督管理

《压力容器制造监督管理》

武宝华

辽宁电力行业协会锅炉压力容器质量技术监督中心

前言

电站压力容器是电力生产中广泛使用的具有爆炸危险性的一类特殊设备。

压力容器若设计制造质量不佳、管理不善或使用不当，就可能发生爆炸性事故。

一旦发生爆炸或泄漏，会造成生命财产重大损失，甚至可能带来环境灾难。

为了确保压力容器的安全性，国家和电力行业都先后颁布了一系列相关规程标准。

压力容器安全监察与管理已逐步进入法治化管理的轨道，坚持“安全第一，预防为主”的方针，以人为本，以法令法则、规程标准为准绳，以管理技术及安全技术为手段，通过对压力容器实施全过程规范、有序、法治、科学化监督与管理，确保压力容器安全经济运行。

锅炉压力容器安全监督是一种技术性较强、涉及领域较广的管理工作，作为一名锅炉压力容器安全监督工程师，必须十分熟悉自己的业务工作内容，熟练掌握相关的专业知识和法规标准。

本《压力容器制造监督管理》以国家颁布的法规标准和电力行业的规程规定为依据，介绍了压力容器的基础知识和电站常用的压力容器，详细阐述了压力容器设计、制造等环节的基本要求和监督制造方面的管理内容，简介了压力容器的典型事故案例、破坏失效形式，以及国家、行业有关法律法规。

本内容是锅炉压力容器安全监督管理专业较为理想的培训教材，也可供从事发电厂设备管理和监造人员、检验人员阅读和参考。

由于本《压力容器制造监督管理》编辑成培训讲义时间仓促，难免存在错漏之处，敬请读者提出宝贵意见，以便我们在今后进行改进和完善。

编者

2007年5月

《压力容器制造监督管理》

目次

第一单元压力容器基础知识

第一节压力容器概述

第二节压力容器工艺参数

第三节压力容器分类

第四节压力容器安全装置

第二单元电站压力容器设计制造

第一节电站压力容器设计

第二节电站压力容器制造与监督管理

第三节电站压力容器的破坏型式与事故处理

第三单元国家、行业法律法规

一、压力容器安全技术监察规程

二、电力工业锅炉压力容器安全监察规程

三、锅炉压力容器产品安全性能监督检验规则

附录1：

压力容器常用法规标准

附录2：

国内外压力容器标准差异对照

附录3：

压力容器安全技术监察规程

附录4：

电力工业锅炉压力容器安全监察规程

附录5：

锅炉压力容器产品安全性能监督检验规则

第一单元压力容器基础知识

第一节压力容器概述

一、压力容器的定义

在工业生产过程中，单元操作的装置一般分二大类：

运动的装置称为机器，静止的装置称为设备。

容器是指工业生产中所有各种设备外部壳体的总称,是由曲面构成用于盛装物料的空间构件。

压力容器就是在有压力下工作的密闭容器。

我们通常所说的压力容器是指满足质技监局锅发［1999］154号《压力容器安全技术监察规程》（简称“容规”）第2条规定的容器。

即同时满足下列三个条件的容器为压力容器，见表1-1-1～表1-1-5。

表1-1-1压力容器的定义（三个界定参数是“且”的关系）

参数界定

设备名称

最高工作压力（PW）

（注1）

内直径和容积

（非圆形截面指其最大尺寸）

盛装介质

依据

压力容器

大于等于0.1MPa

（不含液体静压力）

大于等于0.15m,且容积（V）（注2）大于等于0.025m3

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（注3）

“容规”第2条1款

表1-1-2压力容器定义有关的注解

注解号

注释主题

解释

依据

注1

最高工作压力（PW）

承受内压

PW指在正常使用过程中，顶部可能出现的最高压力

“容规”第2条

1款的注解

承受外压

PW指在正常使用过程中，可能出现的最高压力差值；对夹套容器指夹套顶部可能出现的最高压力差值

注2

符号

p代表设计压力；pw代表最高工作压力；V代表容积

容积（V）

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）并圆整，且不扣除内件体积的容积

多腔容器压力划分与管理、设计的规定

多腔压力容器（如换热器的管程和壳程、余热锅炉的汽包和换热器、夹套容器等）按照类别高的压力腔进行使用管理

但应按每个压力容器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

注3

与符合介质定义条件等同处理的问题

容器内主要介质为最高工作温度低于标准沸点的液体时，如气相空间（非瞬时）大于等于0.025m3,且最高工作压力大于等于0.1MPa时，也属于本规程的适用范围

有些作为整装设备配套的容器以“容规”第2条1款“压力容器”定义的三条要求衡量，虽然不完全吻合，但是由于它们在使用中的重要性和危险性，“容规”有条件地纳入了压力容器安全监察范围里，具体见表1-1-3。

表1-1-3按“容规”第三、四章要求管理的容器

管理要求

对象名称

依据

按“容规”设计、制造、安装、使用、修理改造的要求管理

与移动压缩机一体的非独立的容积≤0.15m3的储罐、锅炉房的分汽缸

“容规”第2条2款

容积小于0.025m3的高压容器

深冷装置中非独立的压力容器、直燃型吸收式制冷装置中的压力容器、空分设备中的冷箱

螺旋板换热器

水力自动补气气压给水（无塔上水）装置中的气压罐，消防装置中的气体给水（泡沫）压力罐

水处理设备中的离子交换或过滤用压力容器、热水锅炉用膨胀水箱

电力行业专用的全封闭式组合电器（电容压力容器）

橡胶行业使用的轮胎硫化机及承压的橡胶模具

压力容器本体除了壳体外，还包括它的安全附件和保护装置，同样应按“容规”有关要求进行管理，具体见表1-1-4。

表1-1-4受监督“压力容器”的附件

管理范围

安全、保护附件名称

依据

受监压力容器（表1-1～表1-3）的安全附件和保护装置

安全阀

“容规”第2条3款

爆破片装置

紧急切断装置

安全联锁装置

压力表

液面计

温度计

压力容器的管理范围，除了本体范围内，还外延到与其它部、器件的接口，具体见表1-1-5。

表1-1-5“压力容器”本体外的管理范畴界定

管理范畴界定

包括的对象名称

依据

压力容器本体外的管理范围

压力

容器

与外部管道或装置焊接的第一道环向焊缝的焊接坡口

“容规”第2条4款

与外部螺纹连接的第一个螺纹接头

与外部法兰连接第一个法兰密封面

与外部法兰连接专用连接件或管件连接的的第一个密封面

压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件

非受压元件与压力容器本体连接的焊接接头

二、压力容器的基本构成

压力容器的结构形式是多种多样的，

它是根据容器的作用、工艺要求、加工

设备和制造方法等决定的。

一般由壳体

（筒体、封头）、连接件、密封元件、

接管和人孔（手孔）、支座等组成。

见图

1-1-1。

图1-1-1压力容器的基本构成

1-接管；2-端盖；3-法兰；4-筒体；5-加强圈；6-人孔；7-封头；8-支座

（一）壳体

壳体是压力容器最主要的组成部分。

贮存物料或完成化学反应所需要的压力空间，大部分是由它构成的，所以壳体的容积（直径和长度）大小往往是根据工艺要求确定的。

其形状有圆筒形、球形、锥形、箱形和组合形等。

最常用的是圆筒形、球形和锥形（组合型）三种。

见表1-1-6。

表1-1-6压力容器壳体分类

壳体分类

图示

图注

球形

1.顶部极板（北极板）；2.上温带板（北温板）；3.赤道带板；4.下温带板；5.底部极板；6.拉杆；7.下部盘梯；8.支柱；9.中间平台；10.上部盘梯；11.顶部平台

圆筒形

1.封头；2.筒体；3.支座；

4.接管

锥形（组合型）

1、接管；2.锥底；3.支座；4.筒体；

5.封头

箱形容器（消毒柜）

1.箱体；2.快开门；3.排污管；

4.支腿

1.圆筒形容器

其形状特点是轴对称，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，便于内件的设置和装拆，因而获得广泛的应用。

圆筒形壳体由一个圆柱形的筒体和两端的封头或端盖组成。

（1）筒体。

一般的容器筒体，当直径较小时，可用无缝钢管制作，当直径较大时，用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在压力机压制成二个半圆，再把钢板边缘用焊接方法连接，形成一个完整的圆柱体。

圆筒形筒体分类见表1-1-7。

表1-1-7圆筒形壳体的分类

分类

特点

应用

整体式

单层卷焊

筒体的器壁在厚度方向是由一连续完整的材料所构成，也就是器壁只有一层。

优点是结构简单，加工工序少，制造方便。

传热性能好

中低压容器由于壁厚较薄，多为整体式筒体，除直径较小时采用无缝钢管外，电站压力容器大多采用单层卷焊的制造方式

整体锻造

锻焊

拉拔

电渣重熔

锻造

铸锻焊

组合式

多层包扎

筒体的器壁在厚度方向上是由二层或两层以上互不连续的材料构成。

厚度没有限制，适应大型化发展的需要，节省贵重钢材。

运行安全上优于整体式

用于大型化高参数的容器。

电站容器一般不采用

多层热套

扁平钢带倾角错绕

槽形绕带

多层绕板

绕丝

松套胀合

（2）封头与端盖。

凡与筒体焊接连接而不可拆，称为封头；与筒体以法兰等连接而可拆的，称为端盖。

封头形式分类见表1-1-8。

表1-1-8封头形式分类及连接方式选用原则

封头形式分类

包括

连接方式的选用原则

封头图

按几何形状分类

凸形封头

半球形、椭圆形、碟形和无折边球形封头

1、对于组装后不再需要开启的容器，如无内件或虽有内件而不需要更换、检修的容器，封头和筒体采用焊接连接形式;

2、对需要开启的容器，封头（端盖）筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间必须装置密封件

锥形封头

不带折边的锥形封头和带折边的锥形封头

平板形封头

平板形

（平盖）封头

2.球形、园锥形壳体

容器壳体呈球形，又称球罐。

其形状特点是中心对称，通常采用焊接结构，由于球形容器一般直径都较大，难以整体成型，因而大多由许多块预先按一定尺寸压制成型的球面板拼焊而成。

球形、园锥壳体结构特点，见表1-1-9。

表1-1-9球、园锥形壳体结构特点及应用

壳体分类

优点

缺点

应用情况

球形

受力均匀：

球体各截面所受的应力均相同

制造比较困难，工时成本高，往往要采用冷压或热压成型法

一般只用于中、低压的贮装容器，如液化石油气贮罐、液氨贮罐等；有时也采用球形壳体作为用蒸汽直接加热的容器，如造纸工艺中用于蒸煮纸浆的“蒸球”等

承载能力高：

在同样的内压和内径下，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（不计腐蚀裕度）

用于反应、传质或传热容器时，既不便于在容器内部安装工艺内件，也不便于内部相互作用的介质的流动

在相同容积条件下，壳体的表面积最小：

不但可以节省制造用材，若作为需要与环境隔热的容器，还可以节省保温材料或减少热的传导

圆锥形

作为收缩器或扩大器可以逐渐改变流体介质的流速，或者作为锥底便于粘稠结晶或固体物料的排出

与筒体连接处因形状突变，承受压力载荷时，将产生较大的附加弯曲应力,成为结构上的薄弱环节

在工程上很少用，通常除因生产工艺有特殊要求时采用

（二）连接件

连接件是容器和管道中起连接作用的部件，一般采用法兰螺栓连接结构。

压力容器中的反应、换热、分离等容器，由于生产工艺和安装检修的需要，封头和筒体需采用可拆连接结构时，就要使用连接件。

此外，容器的接管与外部管道连接也需要连接件。

法兰通过螺栓起连接作用，并通过拧紧螺栓使垫片压紧而保证密封。

法兰、密封元件的分类和应用特点见表1-1-10～表1-1-11。

表1-1-10法兰的分类和应用特点

名称

分类

特点

应用情况

法兰

管法兰

用于管道连接和密封

容器外部接管采用的法兰

容器法兰

（整体式、活套式、和任意式）

用于容器端盖和筒体连接

高低压加热器，小型的低压除氧器等采用

表1-1-11密封元件的分类和应用特点

名称

分类

特点

应用情况

密封元件

非金属密封元件

如石棉橡胶板、橡胶O型环、塑料垫、尼龙垫等

制造简单，成本低。

低温低压密封性能好

压力较低（≤2.5MPa）温度较低（≤300℃）的系统

金属密封元件

如紫铜垫、不锈钢垫、铝垫等

强度高，耐热性好

压力较高（≥6.4MPa），温度较高（≥300℃）的系统

组合式密封元件

如铁皮包石棉垫、钢丝缠绕石棉垫

密封性能好，具有良好的压缩性和回弹性

用于压力温度较高且常出现波动的系统

（四）接管、开孔（人孔、手孔）

（1）接管。

接管是压力容器与介质输送管道或仪表、安全附件管道等进行连接的附件。

常用的接管有三种形式，即螺纹短管、法兰短管与平法兰，见表1-1-12。

表1-1-12接管的分类和用途

名称

分类

简图

特点

用途

接

管

螺纹短管

螺纹短管式接管是一段带有内螺纹或外螺纹的短管，短管插入并焊接在容器的器壁上，短管螺纹用来与外部管件连接

一般用于连接直径较小的管道，如接装测量仪表等

法兰短管

法兰短管式接管一端焊有管法兰，一端焊接容器的器壁上，法兰用于与外部管件连接

各类容器广泛采用

平法兰

平法兰接管是法兰短管式接管去掉短管的一种特殊型式。

它实际上就是一个直接焊在容器开孔上的一个管法兰。

不过它的螺孔与一般管法兰的孔不同，是一种带有内螺纹的不穿透孔。

这种接管与容器的连接有贴合式和插入式两种型式

常用于容器的视镜

2）开孔。

为便于检查、清理容器的内部，装卸、修理容器内件及满足工艺的需要，一般压力容器都开有人孔和手孔。

手孔的大小要使人的手能自由的通过，并考虑手上还可能握有装拆工具和供安装的零件。

一般手孔的直径不小于150mm。

对于内径不小于1000mm的容器，如不能利用其它可拆装置进行内部检验和清洗时，应开设人孔。

人孔和手孔的尺寸应符合有关标准的规定。

手孔和人孔有圆形和椭圆形两种。

椭圆孔的优点是容器壁上的开孔面积可以小一些，而且其短径可以放在容器的轴向上，这就减小了开孔对容器强度削弱。

对于立式圆筒形容器来讲，椭圆型人孔也适宜于人的进出。

手孔和人孔的封闭形式有内闭式和外闭形两种，见表1-1-13。

表1-1-13手孔和人孔的封闭形式

名称

分类

简图

特点

应用

开孔

内闭式

孔盖放在孔壁里面，用两个螺栓（手孔则为一个螺栓）把在孔外放置并支承在孔边的横杆（又称压马）与密封面压紧。

这种型式多采用椭圆孔和带有沟槽的孔盖，因为这样便于放置垫片和安装孔盖。

内闭式人孔盖板的安装虽较困难，但密封性能好，容器内介质的压力可以帮助压紧孔盖，有自紧密封的效用

高压加热器、氢气储罐和乙炔发生器等

外闭式

一个带法兰的短管和一个平板型盖或稍压弯的不折边球形盖，用螺栓或双头螺拄紧固，盖上还焊有手柄。

开启次数较多的人孔常采用绞接的回转盖

除氧器、空气罐、扩容器等

（五）支座

支座是用来支撑容器重量并将它固定在基础上的附加部件。

支座的结构型式取决于容器的安装方式、容器重量及其它载荷，一般分为三大类，具体见表1-1-14。

表1-1-14容器支座

支座分类

名称

图示

应用

立式容器支座

悬挂式支座（耳式支座）

中小型立式容器，扩容器、低压加热器等

支承式支座

中小型立式容器，扩容器、空气罐等

裙式支座

高大的立式容器，热网加热器、储气罐等

腿式支座

小型立式容器，扩容器、储气罐等

卧式容器支座

鞍式支座

常用于大中型容器

圈座

适用于薄壁容器及多于两个支承的容器

支撑式支座

适用于小型容器

球形容器支座

裙式支座

一般用于小型的球形容器

柱式支座

用于大型的球形容器

第二节压力容器工艺参数

工艺参数是由生产工艺要求确定的，是进行压力容器强度计算、结构设计和安全操作的主要依据。

压力容器的主要工艺参数有压力、温度、直径、容积、介质等。

一、压力

介质的压力，是压力容器在工作时所承受的主要外力。

物理学中，压力是指垂直作用于物体表面上的力，把垂直作用于物体单位面积上的力，称为压强。

工程上，习惯于把物理学中的压强称为压力。

压力容器中的压力是用压力表来测量的，压力表上标识的压力叫做表压力，它表示容器内部介质压力超过周围大气压力的差值。

容器内的绝对压力应为表压力加上周围的大气压力。

压力的分类和意义见表1-2-1。

表1-2-1压力的分类和意义

压力容器分类

压力分类

承受内压的压力容器

承受外压力的压力容器

夹套压力容器

依据

最高工作压力

指在正常使用过程中，顶部可能出现的最高压力（不包括液柱静压力）

压力容器在正常使用过程中，可能出现的最高压力差值

夹套顶部可能出现的最高压力差值

“容规”

第2条注1

工作压力（也称操作压力）

在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力（不包括液柱静压力）

GB150-1998《钢制压力容器》第3.4条、附录B2

最大允许工作压力

在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力（该压力是容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值）

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设计载荷条件，设计压力和设计温度的组合是容器最为苛刻的工作条件①

计算压力

在相应的设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力（当元件所承受的液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计）

试验压力

压力试验时，容器顶部的压力（不包括液柱静压力）

公称压力

指在规定温度下的最高操作压力②，是一种经标准化后的压力数值，按等级归纳成一定数量的系列，该系列中的各压力值称为公称压力

注①设计压力不得低于最高工作压力，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全阀的开启压力和爆破片的爆破压力。

②公称压力是制定压力容器通用零部件标准的重要参数之一，它可以大大简化封头、法兰、螺栓等通用零部件的设计、制造，有利于它们的标准化、系列化。

当选用这些零部件的压力级时，应根据相应的设计温度和设计压力选用相应公称压力级别。

设计压力选取，见表1-2-2。

表1-2-2设计压力的选取原则

容器类型

设计压力的选取原则

一般介质容器

容器上装有安全泄放装置：

设计压力取等于或略大于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力加上所选爆破片制造范围的上限

单个容器上无安全泄放装置，而在工艺系统中装有安全泄放装置时：

可根据容器在系统中的工作情况，以最高工作压力增加适当裕度作为设计压力，一般为最高工作压力的1.05～1.1倍

装有液化气体的容器

根据容器的充装系数和可能达到的最高温度来确定设计压力（“容规”第25～27条）

壳体金属温度仅由大气气温条件确定的压力容器

先求出物料温度和相应的蒸汽压力，然后确定设计压力

外压容器

取不小于在实际运行过程中可能出现的最大内外压力差

真空容器

按外压设计，其设计外压为

1

装有安全装置：

取最大内外压力差的1.25倍或0.1MPa两者中较小者

2

无安全装置：

取0.1MPa

3

对带有夹套的真空容器：

按1、2原则选取，再加上夹套内压力

带中间封头的压力容器

中间封头的设计压力应按实际操作中可能出现的两种压力的最不利的组合来确定

试验压力选取，见表1-2-3。

表1-2-3压力容器试验压力

容器类型

试验方法

试验压力

公式中符号含义

依据

内压容器

液压试验

PT＝1.25P[σ]/[σ]t

PT________试验压力，MPa；

P________设计压力，MPa；

[σ]________容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa；

[σ]t________容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa

GB150第3.8条

气压试验

PT＝1.15P[σ]/[σ]t

外压容器和真空容器

液压试验

PT＝1.25P

气压试验

PT＝1.15P

所有容器

气密性试验

PT＝P

注1.容器铭牌上有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替P。

2.容器各元件（筒体、封头、接管、法兰及紧固件等）所用材料不同时，应取各元件材料的[σ]/[σ]t比值中最小者。

二、温度

温度的分类和选取原则见表1-2-4。

表1-2-4温度的分类和选取原则

温度分类

表示

选取原则

工作温度

操作温度

通常取正常操作条件下，容器内物料的温度

金属温度

容器受压元件沿截面厚度的平均温度

对于无加热或无冷却的容器，且有保温绝热层：

可以认为介质的极限温度即为容器壳体的温度

当无保温绝热时：

应根据操作条件和环境温度的影响来确定

对于两侧有热交换介质的元件金属温度：

应根据介质的物性、温度、传热条件计算确定

设计温度

在容器正常操作时，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度

当金属温度≥0℃时，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度

当金属温度＜0℃时，则设计温度不得高于元件金属可能达到的最低金属温度

试验温度

在压力试验时容器壳体的金属温度

各种材料制造的压力容器的压力试验温度根据材料的脆性转变温度和GB150的规定选取

三、直径和公称直径、容积和介质

压力容器公称直径、容积、介质的含义见表1-2-5。

表1-2-5压力容器公称直径、容积、介质的含义

名称

表示

工程含义

公称直径

由于标准化的需要，把容器的直径按尺寸大小，排列成一定数目的系列，该系列中的各尺寸称为公称直径

一般所说的容器直径系指其内径

当容器壳体采用无缝钢管制造时，容器的公称直径指钢管的外径

容积

压力容器的几何容积

其值按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；容器为不同生产工艺提供承压空间，容积大小决定于生产工艺要求，决定容积值的关键是直径与长度

介质

容器内的工作流体

介质按其易燃程度和毒性程度进行分类

分类依据：

划分方法按照HG20660《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的规定和《压力容器安全技术监察规程》“附件一”的规定

四、厚度

GB150中规定的压力容器厚度和意义及相互关系见表1-2-6。

表1-2-6压力容器厚度和意义及相互关系

名称

意义

代号

计算公式

依据

计算厚度

指按公式计算得到的厚度

δ

强度计算公式

GB150

第3.4条

设计厚度

计算厚度与腐蚀裕量之和

δd

δd＝δ＋C2

名义厚度

设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度

δn

δn＝δd＋C1并圆整

有效厚度

名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差

δe

δe=δn-C

最小厚度

考虑制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求。

其值不包括腐蚀裕量

δmin

1）对碳钢和低合金钢容器

当内径Di≤3800mm时，δmin＝2Di/1000mm,且≥3mm;

当内径Di＞3800mm时，δmin按运输和现场制造安装条件确定。

2）对不锈钢容器，δmin＝2mm

GB150

第3.5条

腐蚀裕量

考虑容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度消弱减薄的厚度裕量