第1章 概论Word文档格式.docx

1、104784104Pa（3080Kgf/cm2），直径约10m，壁厚约200mm，高度大于30m。煤气化反应器的壳体不仅要在蠕变条件下操作，而且还要承受硫化物的腐蚀、酸的腐蚀及氢脆，其操作环境的苛刻程度不亚于核能的钠冷却反应堆，其规格尺寸超过了目前最大的轻水型反应堆容器。核动力装置反应堆类型依据反应堆热量带出的方式不同，主要分为轻水堆、重水堆、石墨气冷堆三种。它们都是由燃料元件、堆芯结构、压力容器和控制棒驱动机构等几个主要部分组成。随着航天、海洋开发、军事等科技的发展，又为压力容器的应用开拓了新的更加广泛的领域，各类动力火箭均属压力容器，甚至作为武器用的大炮，也可视为承受反复瞬时压力的开口容器

2、。在海洋开发领域，各类深海探测器及军事上所用的潜艇，都是典型的外压容器。在民用工业领域，压力容器也获得了广泛的应用，如煤气或液化气贮罐；工业机械所用的各种蓄能器如水压机蓄势器、换热器、分离器；各类蒸煮釜、大型管道工程等。压力容器是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备。当设备发生破坏或爆炸时，设备内的介质会迅速膨胀、释放出极大的内能，这不仅使容器本身遭到破坏，瞬间释放的巨大能量还将产生冲击波，往往还会诱发一连串恶性事故，破坏附近其他设备和建筑物，危及人员生命安全，有的甚至会使放射性物质外逸，造成更为严重的后果。随着化工和石油化学工业的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽，加之规模化生

3、产的要求，许多工艺装置越来越大，压力容器的容量也随之不断增大，这对压力容器提出了更髙的安全和技术要求。我们学习这门课程不仅仅是因为压力容器的应用广泛，而主要是因为压力容器比较容易发生事故，而且事故的破坏性往往又很严重，因此它的安全问题就特别值得注意，许多工业国家都把锅炉和压力容器作为一种特殊设备，需要由专门机构进行监督，并按规定的规范进行制造和使用。在英国，使用年限在30年以内，且符合英国标准的100000（10万）台压力容器中，每年发生事故达132次，其中重大事故7次，另外据调查，英国的原子能容器的破坏率比这还要高得多。这些英国有关部门的调查的，都是一些合乎技术标准的压力容器。如果有粗制滥造

4、的情况，那破坏率将高到什么程度很难想象。另据统计，1998年我国共发生锅炉、压力容器、气瓶、压力管道爆炸事故140起，严重事故287起，共死亡130人，伤520人，直接经济损失3 021.55万元。由此可见，压力容器安全与管理的意义重大。随着科学技术水平和管理水平的提高，压力容器事故将逐渐减少。表2-10表明，20世纪90年代我国压力容器爆炸事故就比70年代和80年代有大幅度的下降。杜绝或减少压力容器安全事故是一项极为艰难、复杂和重要的工作。表1-1和表1-2分别给出了中国20012004年压力容器和气瓶事故统计表。表1-3给出了美国20012002年压力容器事故统计表。从上面的事故分析和表中

5、的事故统计可以看出， 作为特种设备的压力容器，材料的选择、结构设计、安全操作和定期检验与维护都对容器的安全性能至关重要。影响设备事故的因素是多方面的，它与技术水平，社会制度等都有比较密切的关系。但从总的情况来看，在同样的条件下，压力容器的破坏率一般都比较高，从技术的角度来分析，其原因主要是：一般压力容器的结构虽然比较简单，但其部件的受力情况还是比较复杂的，特别是在开孔附近及其结构不连续处。压力容器的使用条件比较苛刻，它不但承受着大小不同的压力载荷（在许多情况下还是脉动载荷），而且有些还在高温或深冷的条件下运行。现代的压力容器又大都是焊接结构，制造时（特别是焊接时）留下的微小缺陷在使用中遇到合适

6、的条件（如使用温度等）就会迅速扩展而突然发生破坏。与其他设备比较起来，压力容器比较容易发生超载，而且一旦超载会迅速造成破坏事故。压力容器之所以作为特殊设备，除了因为它比较容易发生事故以外，更主要的是事故的破坏性严重。压力容器发生爆炸事故，不但是整个设备遭到毁坏，而且还常常要破坏周围的设备及建筑物，并造成人身伤亡事故。因为压力容器内的介质都是有压力的气体或饱和液体，当容器爆破时，内部的介质即卸压膨胀，瞬时释放出较大的能量，这些能量除了可以将整个容器或其碎块以很高的速度飞散外，还会产生冲击波在大气中传播，从而造成更大的破坏。不但如此，在石油、化学工业的压力容器中，工作介质有很多是可燃或有毒的气体，

7、这些容器一旦在运行中损坏，除了由于容器本身爆炸所造成的破坏以外，还会由于它内部介质的向外扩散而引起化学爆炸，着火燃烧，和恶性中毒等严重事故。压力容器的事故率虽然比较高，事故危害性比较大，但事故也不是完全不可避免。为了防止压力容器发生事故，保证其安全运行，保障人民生命和财产的安全，目前中国对压力容器安全管理推行的是国家安全监察全过程控制的管理方法，即把容器设计、制造、安装、使用、检验、修理改造、事故、报废和信息反馈等各个环节作为一个系统实施管理，确保压力容器安全、经济地运行。通常，在进行压力容器设计时，要分析压力容器的使用要求和操作条件，选择合适的材料及确定合理的结构形式，并规定制造工艺和质量要

8、求。为了使压力容器在确保安全的前提下达到设计先进、结构合理、便于制造、使用可靠和造价经济等目的， 各国都制定了有关压力容器的标准、规范和技术条件，对压力容器的设计、制造、检验和使用等各个方面提出具体和必须遵守的规定。历年来，世界各国由于压力容器爆炸所造成的灾害性事故为数不少。美国东部俄亥俄州克里夫兰市一个液化天然气贮藏基地，在1944年10月20日发生重大事故。这个基地共有四台贮罐，事故从一台21.3m12.8m的圆桶形贮罐开始，其余三台直径为17.4m的球形贮罐，这台设备在使用过程中，先在其1/31/2高度突然发生脆性破裂，于是大量的可燃气体夹着液体从贮罐内喷出，接着听到雷鸣般响声，形成二次

9、空间爆炸，变成火焰，然后理整个贮罐爆炸，造成一片火海，20分钟后，又引起邻近的17.4m球罐倒塌和爆炸，灾情进一步扩大，造成128人死亡，400余人受伤，直接损失达680万美元的惨重事故。大火烧毁面积11.7万m2，受害范围65万m2。1979年9月7日，浙江省某电化厂发生氯爆事故。事故经过是：该厂液氯灌装车间由于没有严格执行安全操作规程，钢瓶灌装前未作认真检查，将一只混进氯化石蜡的钢瓶充灌液氯，引起剧烈化学反应产生高温、高压而猛烈爆炸，这只半吨液氯钢瓶的碎片又击穿五吨液氯计量贮罐一只，并引爆了旁边已灌装氯气的四只钢瓶（一吨的三只，半吨一只）。氯爆的威力很大，360m2的车间全部炸毁，附近的厂

10、房，办公楼和280多间民房，都遭到不同程度的破坏。爆炸中心是厚约50cm的水泥、石子、石块结构的地坪，被炸成直径6m，深近2m的大坑。厚度18mm的5吨吊车工字钢梁五处被击穿，钢瓶碎片最远飞越800m，现场某只钢瓶被气浪掀起，腾空30余米，附落在30m以外，打断屋梁，跌进盐库。氯爆后黄绿色的毒雾向上翻滚，高达50m左右，笼罩了整个厂区，并迅速向下风方向扩散，扩散的氯气总量约11吨左右，大量扩散的时间延续了二小时四十分钟，波及7.35（km）2的市区。除中毒伤亡的以外，眼膜充血、呕吐、咳嗽等轻微中毒的不计其数。200m以内的绿化植物被熏枯萎。死59人，中毒住院779人，直接经济损失63万元，这次

11、事故破坏力之大，在压力容器爆炸事故中为我国历史上所罕见。又如，2005年3月21日，某化肥厂发生尿素合成塔爆炸重大事故，尿素合成塔塔身爆炸成3节，导致四周设备和厂房严重受损，4人死亡，1人重伤，经济损失惨重。发生事故的尿素合成塔是1999年制造的，2000年投入使用。该塔设计工作压力21.57MPa,设计温度195C，公称容积37.5m3，工作介质为尿素溶液和氨基甲酸铵。该容器为立式高压反应容器，由10节筒节和上、下封头组成。筒节内径1400mm，壁厚110mm,总长26210mm。筒节为多层包扎结构，层板为15MnVR及16MnR板，内衬为8mm厚的尿素级不锈钢衬里；顶部为20MnMo球形锻

12、件，底部为19Mn6球形封头；端部法兰与顶盖采用双头螺栓连接，密封形式为平面齿形垫结构。尿素合成塔塔身爆炸成3节，事故第一现场残存塔基、下封头和第10节筒节，且整体向南偏西倾斜约15C，见图1-1。南侧5m处六层主厂房坍塌；西北侧20m处二层厂房坍塌；北侧、东北侧装置受爆炸影响，外隔热层脱落；东侧2个碱洗塔隔热层全部脱落，冷却排管系统全部损坏。第二现场在尿素合成塔南侧主厂房二层房顶即原三层楼上。第9节筒节破墙而入，落在主厂房三层的一个房间内。筒体两端的多层包扎板局部变形成为平板，层与层之间分离，筒节环缝处多数层板上有明显的纵向裂纹（见图1-2），爆口呈多处不规则裂纹（见图1-3）。第8节筒节以

13、上至上封头，向北偏东方向飞过一排厂房，上封头朝下、第8 节筒节朝上斜插人土中，落地处距塔基约90m，见图1-4。在朝上的第8节筒节环焊缝处，可见长约350mm的纵向撕裂，撕裂处无纵焊缝，长约850mm的环向多层板分层，断裂处焊缝呈现不规则状态。引起该尿素舍成塔爆炸的直接原因为塔体材料（包括焊缝）的应力腐蚀开裂。而引起该塔材料应力腐蚀的诱因为塔在制造过程中改变了衬里蒸汽检漏孔的原始设计，将原来竣工图中要求的堆焊插管结构改为螺纹结构。特点是在盲板上锥螺纹后再将检漏管拧入连接，见图1-5和图1-6。这种结构将导致氨渗漏检测介质和检漏蒸汽渗漏进塔体多层层板间的缝隙中， 在生产使用中可能发生泄漏，引发筒

14、体应力腐蚀。另一诱因为该塔在制造过程中，盲板材料Q235-A的纵向焊缝已被数点点焊连接方式所代替，此种结构可以进一步促成氨渗漏检测介质和检漏蒸汽渗漏进人塔体多层层板间的扩散。1-2压力容器技术进展压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别使计算机技术的飞速发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新产品所

15、代替，而冶金、机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步，是压力容器行业整体技术水平的提高的前提条件。1、 压力容器用材料的技术进展 近年来压力容器产品大型化、高参数化的趋势日益明显，千吨级的加氢反应器、一万立方米的天然气球罐等已经在我国大量应用，压力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此，耐高温、高压和耐腐蚀的压力容器用材料的研制与开发一直是压力容器行业所面临的重大课题。对此，各国均投入了大量的人力物力从事相关的研究工作。目前，压力容器用材料的主要研究成果和技术进步表现在以下几个方面：a）材料的高纯净度：冶金工业整体技术水平和装备水平的提高，极大地提高了材

16、料的纯净度，提高了压力容器用材料的力学性能指标，提高了安全性；b）材料的介质适用性：针对各种腐蚀性介质和操作工况，已研究开发出各种金属材料，使之适合各种应用条件，给设计者以更多选择的空间；c）材料的应用界限：针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断所进行的研究，准确地给出材料的应用范围。2、 计算机技术的广泛应用 在信息时代的今天，计算机技术应用已经渗透到压力容器行业的每一个领域。计算机软、硬件的每一个进步都极大地影响着压力容器行业的技术进展，其主要表现为：a）设计传统的计算机辅助设计（CAD）已逐步向计算机辅助工程（CAE）的方向发展。 计算机辅助设计（Computer Aided Design,C

17、AD），运用计算机软件制作并模拟实物设计，展现新开发商品的外型，结构，色彩，质感等特色。随着技术的不断发展计算机辅助设计应该不仅仅适用于工业，还被广泛运用于平面印刷出版等诸多领域。它同时涉及到软件和专用的硬件。CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的

18、场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组，得到的是近似的数值解，求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。 CAPP的英文全称为Computer Aided Process Planning，中文翻译为计算机辅助工艺过程设计。 CAPP是一种将企业产品设计数据转换为产品制造数据的技术，通过这种计算机技术辅助工艺设计人员完成从毛坯到成品的设计。CAPP系统的应用将为企业数据信息的集成打下坚实的基础。计算机辅助制造（Computer-aided manufact

19、uring，缩写为 CAM）是工程师大量使用产品生命周期管理计算机软件的产品元件制造过程。计算机辅助设计中生成的元件三维模型用于生成驱动数字控制机床的计算机数控代码。这包括工程师选择工具的类型、加工过程以及加工路径。综述有些 CAM 与 CAD 系统集成在一起。每一个 CAM 软件首先都要解决 CAD数据交换的问题，因为生成数据的 CAD 系统就像文字处理软件那些经常按照它自己的专有格式保存数据。通常需要 CAD 操作员将数据输出成通用的数据格式如 IGES 或者 STL 等，因为通常不需要再进行编辑所以这种格式可以较为简单。CAM 软件的输出结果通常是简单、有时也会非常大的 G代码文本，然后

20、使用直接数字控制（DNC）程序将它传送到机床。尽管长期以来人们一直梦想 CAM 软件能够独立运转，但是通常它仍然需要知识与技能都很丰富的操作员选择合适的铣刀，并且定义生成高效率的路径所需的参数及策略。随着计算机能力的不断增强和分析手段的日益多样化，设计者在结构设计阶段就可以预见到诸如焊接过程中所产生的残余应力、设备组装和运输过程中可能会出现的碰撞等问题，并在设计阶段消除这些问题，分析设计和结构优化设计已经逐渐为设计者所掌握；b）制造计算机辅助制造（CAM）技术正在逐步改变压力容器制造厂传统的工艺卡方式，质量管理意识和生产方式已经发生了深刻的变革。压力容器全过程的计算机管理使得所有控制点均能得到

21、有效的控制，极大地减少了人为失误，有效地保证了产品质量的稳定，保证了生产周期和生产成本的降低；c）焊接计算机控制的仿形焊机、激光焊机和全位置自动焊机的应用以及药芯焊丝的普遍应用，极大地提高了生产效率和产品质量；d）无损检测计算机射线实时成像、超声扫描模拟成像和多通道声发射等技术的应用，再配以专门研制的专家系统，使检测的结果更加准确和客观。特别是超声扫描模拟成像缺陷探察技术已经成功地用于核设备、加氢反应器等厚度大于100mm的重型容器。在ASME CODECASE 2235和欧洲标准中，已经将该方法正式列入，这对提高重型容器的生产效率和减少射线污染起到了积极的作用。3、 结构设计现代的压力容器结

22、构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚，体现真正满足工艺要求的设计理念，追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。a）结构的合理性设计：事实上，国外标准中对压力容器的具体结构形式不予限制，因此国外的压力容器结构所受的制约较少，给设计者很大的发挥空间，有利于设计出更加合理的结构。另外，分析设计手段的运用和验证性试验的实施为结构的合理性设计提供了必要的保障。由于我国缺少必要的应力分析手段和相关人才，在管理体制方面也存在不必要的制约因素，大多数设计者不敢脱离标准进行结构的优化设计，使得大量结构设计多年来重复使用，既存在不合理性，也严重制约了设计水平的提高；b）结构的经济性设计：压力容器的安全性和经济性的和谐统

23、一一直是设计者的追求，应力分析标准就是应此要求而出现的。焊接钢管的使用和特殊结构的应用，在很大程度上是考虑了压力容器结构的经济性。近年来，我国压力容器结构的经济性设计日益得到重视，并逐渐为用户所接受，但仍然受到我国普遍存在的设计与制造脱离的体制性弊端的制约。4、 安全系数的降低 为了增加本国产品的竞争性，降低安全系数是目前世界各国和地区压力容器标准的普遍倾向，美国（ASME）和欧洲统一压力容器标准（正在制订中）均降低了相应的安全系数，美国将nb由4.0降为3.5，欧洲统一压力容器标准的nb最小值为1.875。我国也提出了将特定材料按分析设计方法设计的安全系数nb降为2.6的提案。安全系数的降低

24、关系到压力容器标准的基础，对压力容器行业的经济性及安全性影响极大，必须慎之又慎。降低安全系数的前提条件是：a）结构分析设计水平的提高；b）制造经验的积累和制造技术水平的提高；c）更严格的材料技术要求；d）更科学的质量保证体系。1-3压力容器的规范和标准一、国外有关压力容器规范及安全监督机构这里所指的安全监察机构，一般是指锅炉、压力容器安全监察机构。1778年瓦特发明了蒸汽机以后，在欧洲工业革命中，蒸汽锅炉作为蒸汽动力和热力设备蓬勃兴起，显示了它的生命力。但是锅炉设备的频繁爆炸，严重地危及生命财产安全。从1870年1910年的四十年间，美国、加拿大、墨西哥有记录的锅炉爆炸事故有一万起左右。于是锅

25、炉和压力容器的安全问题逐渐引起了人们的普遍注意。从本世纪初期起，许多工业国家都先后成立了各种研究机构，从事压力容器的科学研究工作和制定有关技术规范，并设置专门机构负责压力容器的安全监督工作。十九世纪中叶，欧洲大陆的主要工厂为维护企业主的利益，防止锅炉爆炸，联合资聘专门的工程技术人员对锅炉的设计，制造和材料等进行研究，对在用设备进行检验。这样，相应的专职检验机构、专业保险公司应运而生。随着生产的进一步发展，这类机构和组织日益巩固和完善，逐渐形成了独立于设备制造厂和用户以外的专业监督检验机构。如联邦德国的“技术监督协会”（TV），美国的“全国锅炉压力容器检验师协会”（NBBI），法国的“蒸汽与电气

26、机械工厂主联合会”（APAVE），英国的“技术检查委员会”（AOTC）及其锅炉保险公司等都是这样发展起来的。二十世纪初，这种形式的专业机械已遍及欧洲各工业国家。专业监督检验机构成立以后，其首要任务是立法，统一标准为使所有工业企业遵守所制定的法规，标准，规程，必须得到政府部门的支持和认可。为此许多国家的政府部门都相继设立了专管机构，以批准、颁布这类法律、标准、规程。部分国家在民间监督机构的基础上成立了政府主管的监督部门，这样，不少原来的民间联合团体，由于官方的委托和认可，在某些方面代表政府行使权力，从而带有半官方性质。目前，多数国家的监督检验机构完全成为一种独立行事的专业机构，既不代表制造厂的利

27、益，又不代表用户的利益，即称为“第三方”。目前，这种“第三方”的检验已经变成一种世界性的不成文的法律。凡是锅炉、压力容器以及其它有危险的特种设备（如起重机械、电梯等）如未得到第三者的检验认可，则不得出厂，不得安装，不得使用，也不许进口。目前各国监察机构都有一套严格的技术监督制度，现根据其任务及其组成状况，大致可分为三类：国家设统一的监督机构，统管制定规程，批准设计、制造、使用的管理工作。如中国、苏联、罗马尼亚、马来西亚等。国家设监督机构，负责批准规程，批准设计和制造等工作。具体的检验工作由行业检验公司或检验师进行。如美国、英国、日本等。国家不设专门的监督机构，由历史上形成的技术权威机构或协会承

28、担监督检验工作，对这类机构的合法性，国家给予承认。如过去的联邦德国、瑞士等。压力容器是具有爆炸危险的特种设备，特种设备安全监察机构就是为了保障其安全运行而设立的机构，它的职责是制定安全监察制度、规程和标准，并保证其执行。安全监督检验机构是既不代表制造厂利益，也不代表用户利益的所谓第三方，包括压力容器在内的特种设备如果未经第三方的检验认可，则不，出厂、安装和使用，也不许进口。现将几个国家的安全监察机构概况叙述如下：目前各工业发达国家和地区大都已设立专门的锅炉、压力容器监察管理机构。其中多数为政府部门专设，有些则为政府部门认可并授权的民间技术权威机构。美国监察管理机构简介 美国其各州政府设有监察部

29、门，但权威性的机构是美国全国锅炉压力容器检验师协会（NBBI）。它成立于1919年。美国全国锅炉压力容器检验师协会是由美国各州、市及加拿大部分省的总检验师组成的，NBBI的宗旨是通过共同协商以保证承压设备的安全，同时实行锅炉压力容器设计、制造、安装、检验、修理的统一管理，使ASME锅炉及压力容器规范和在管辖区内贯彻执行NBBI检查规范。该协会的职权包括：编制统一的锅炉、压力容器管理规程和办法；对锅炉、压力容器制造厂进行检查，对按美国机械工程师协会锅炉压力容器规范制造的设备统一发钢印；对检查员进行培训、考核，并签发各级检查员证书。全国协会在哥伦布设有一所全国协会试验室，供协会各部门进行试验、研究工作。德国监察管理机构简介 德国技术监督协会（简称TV）是由政府认可并受委托的权威性监察构，它成立于1872年，最初只对锅炉实行技术监督，后来逐步扩大到锅炉、压力容器、升降机、电气装置、可燃气体贮运装置、机车、环境保护等众多方面的安全监督检验。对特种设备建立了 法律条例部令技术规范相关标准五个层次的安全法规标准体系。协会除承担具体的检验业务外，还接受政府委托的有关立法工作和制定规程、标准工作，对操作人员进行培训、考核以及为制造商、用户和政府部门提供所负责检验、