第一章 压力容器设计概论

1. 第一章 压力容器设计概论 第一节 压力容器的绪论 第二节 压力容器的特点与安全 第三节 压力容器的质量保证体系 第四节 压力容器规范和标准 第五节 压力容器材料

2. 第一节 绪论 一、压力容器的应用及地位 二、压力容器的基本结构 三、压力容器的分类 四、压力容器设计的基本要求

3. 一、压力容器的应用及地位 • 基本概念Basic Concept • 压力容器 Pressure Vessel 承受一定压力，且与外界分开形成一个封闭系统的容器，统称为压力容器。例： 所有过程装备的壳体、航天器与潜艇的壳体等; 水压机 的液压缸； 压缩机的储罐；发酵罐； 锅炉，核电站核容器； 液化石油气罐。

4. 二、压力容器的基本结构

5. 二、压力容器的基本结构

6. 二、压力容器的基本结构

7. 二、压力容器的基本结构

8. 二、压力容器的基本结构 基本承压部件 1.筒体 2.封头 3.密封装置（法兰、密 封元件、紧固件） 4.开孔（人/手孔）与 接管 5.支座 附件 6.安全附件（安全阀、爆破片） 7.测量与控制仪表

9. 一、压力容器的应用及地位 • 压力容器的应用 　　化学工业——反应釜，换热器，储罐 　　石油工业——精馏塔，换热器，储罐 　　航天————飞机，火箭，宇宙飞船 　　机械————水压机，储能器，压缩机，液压缸 　　食品————杀菌锅，发酵罐 　　印染————高压染缸 　　造纸————烘缸 　　动力————锅炉，核电站核容器 　　民用————液化石油气罐

10. (2)压力容器的地位 一、压力容器的应用及地位 贮运、传热设备 传质、分离设备 反应、工艺管道

11. 一、压力容器的应用及地位 a.过程设备

12. 一、压力容器的应用及地位 a. 过程设备

13. 一、压力容器的应用及地位 b. 过程机械

14. 一、压力容器的特点 （1）容器应用的广泛性 压力容器不仅广泛用于化学、石油化工、 医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、器、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压力温度下运行，如一个年产30万吨的乙烯 装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。

15. 二、压力容器的安全特性 • 量大面广 1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达122.22万台 ，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达51.57万台。此外全国持有压力容器制造企业合计2432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。

16. 一．压力容器的特点 （2）操作条件的复杂性 压力容器的操作条件十分复杂，甚至于苛刻。压力从1～2×10－5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.5～21.0MPa；高压聚乙烯为100～200MPa；合成氨为10～100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196oC低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐（照）、腐（蚀）、磨（损）等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。

17. 一．压力容器的特点 （3）极其严格的安全性 压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。

18. 一、压力容器的应用及地位 (2)压力容器的地位 举足轻重

19. 一、压力容器的应用及地位 (2) 压力容器的特点 压力(pressure) 温度(temperature) 介质——腐蚀性（corrosion） ——易燃易爆(burn and explode) ——有毒有害(poison and harmful) 要求在一定的压力P、温度T和化学介质M 的作用下长期安全工作，且保证密封不漏。

20. 三、压力容器的分类 分类方法： 1、按压力大小分类： 低压容器：0.1≤p＜1.6MPa 中压容器：1.6≤p＜10.0MPa 高压容器：10≤p≤100MPa 超高压容器：p≥100MPa。

21. 三、压力容器的分类 分类方法： 2、按作用原理分类: 反应容器：以化学反应为主，如氨合成塔、 HCL 反应器… 换热容器：容器的作用主要是为了进行热交换， 如列管式换热器、板式换热器… 分离容器：用于将物料分离的容器,如气提塔，旋 风分离器… 贮运容器 容器的作用主要是贮放和搬运物料， 如液化气罐、球罐、槽车…

22. 三、压力容器的分类 分类方法： 3、按安全管理分类《压力容器安全监察规程》： 1）一类容器，属于下列情况之一者： 非易燃或无毒介质的低压容器； 　易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。 2）二类容器，属于下列情况之一者： 中压容器； 　剧毒介质的低压容器； 　易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器； 　内径小于1米的低压废热锅炉。

23. 三、压力容器的分类 分类方法： 3、按安全管理分类《压力容器安全监察规程》： 3）三类容器 高压、超高压容器； 剧毒介质且Pw×V≥0.2m3·MPa的低压容器或剧 毒介质 的中压容器； 易燃或有毒介质且Pw×V≥0.5m3·MPa的中压反 应容器，或Pw×V≥5m3·MPa的中压贮运容器; 中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。

24. 四、压力容器设计的基本要求 压力容器的基本要求是安全性和经济性。 安全是核心问题，在充分保证安全的前提下，尽可能的做到经济。 经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。容器的长期安全运行，就是最大的经济。 充分保证安全不等于保守。不必要的采用过厚的壁厚，不仅浪费材料，而且厚板的材质与焊接质量效果极差。

25. 评估标准： • 功能 • 安全性 • 经济性 • 对环境的影响 • 可制造性 • 时间等 阐明问题 提出解决方案 方案评估 不采纳 改进措施或方向 确定解决方案 四、压力容器设计的基本要求 设计基本步骤

26. 四、压力容器设计的基本要求 现在特别重要的压力容器（如核容器），由于采了“按分析设计”的方法，不仅提高了安全可靠性也节了材料并降低了制造成本。下图所示的压力容器是分别按照美国机械工程师学会（ASME）锅炉与压力容器规范第VIII篇，第一分篇和第IV篇设计，可以看出“按分析设计”不仅降低了重量，并且使壁厚减厚，有利于提高制造质量。

27. 第二节 压力容器的特点与安全 一、压力容器的特点 二、压力容器安全的特征 三、压力容器事故事例 四、压力容器的检验和监控

28. 二、压力容器的安全特性 （2）事故率高 　 国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132起，严重事故274起，共死亡104人，受伤371人，直接经济损2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为1.07次/万台，0.28次/万台，0.65次/万台。

29. 二、压力容器的安全特性 危害性大 1968年英国原子能局（UKAEA）安全卫生和联合部技术委员会（AOTC）工程检验机调查使用年限在30年以内，符合英国BS15和1515等压力容器规范的一级压力容器发生破坏事故的统计情况如表所示：

30. 二、压力容器的安全特性

31. 二、压力容器的安全特性 表中的数字表明10000台容器中发生损坏事每年12.5次，达到破坏事故0.7次，事故几为1.32‰，而且这132起使用中的容器故其原因分类，89.3%，即118起是各种制造裂纹所引起。

32. 三、压力容器事故举例 1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸， 击穿5个，爆炸5个，10200公斤液氯外泄，波及 7公里范围，59人亡，779人严重中毒。 1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐炸， 引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆炸， 600吨液化气燃烧，32人亡，54 人伤。

33. 三、压力容器事故举例 1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站容器 发生核泄漏，31人亡，20个国家4亿人受害。

34. 三、压力容器事故举例 1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰酸脂储罐发生 泄漏，2580人亡，125000人中毒，5万人失明。

35. 四、压力容器的检验和监控 基本承压部件 1.筒体 2.封头 3.密封装置（法兰、密封元件、 紧固件） 4.开孔（人/手孔）与接管 5.支座 附件 6.安全附件（安全阀、爆破片） 7.测量与控制仪表

36. 四、压力容器的检验和监控 (1)制造与制造过程中的检验 a.焊接方法： 　 焊接方法通常有用户、设计师与制造厂协商　确定。实际上设计时，在结构实际是必须考虑焊接方法，否则定不出焊接接头处的细节。焊接方法包括焊接接头的结构设计、焊接材料及焊条或焊丝焊剂的选用等等。焊接方法确定以后，焊接的工艺规程则由制造厂根据经验或试验确定。对于重要的容器必须有焊接工艺试验来确定最合适的焊接工艺规程。。

37. 四、压力容器的检验和监控 (1)制造与制造过程中的检验 b.焊后热处理 是否需要焊后热处理一般根据板厚和焊位的约束程度来确定。焊后热处理的作用有个：消除或部分消除焊接残余内应力消除焊接区的脆化

38. 四、压力容器的检验和监控 (1)制造与制造过程中的检验 c.焊接区的力学性能 应当力求使焊肉、热影响区和母材的力学性能相等。一般除做焊接工艺评定时需要试板测试之外还要求在筒体纵焊缝的末端附装试板，与组焊缝同时焊完，取下以供以后做检验之用。对于重要的容器甚至还需在保留一部分试板，以防若干年后再做金相，化学成分其力学性能检验。

39. 四、压力容器的检验和监控 (1)制造与制造过程中的检验 d.制造过程中的检验 容器各部分在组焊之前必须通过各种检验，其中最重要的是焊缝质量检验，方法主要是以射线探伤与超声波探伤，辅以磁粉法和着色法以检查是否存在表面裂纹。探伤中发现的裂纹应全部消除，方法为补焊。

40. 四、压力容器的检验和监控 (2)在役检验与监控 实践证明，压力容器的爆破事故绝大多数起源与裂纹或其它缺陷的扩张。裂纹的萌生与扩张有一个过程，在投入运行前通过了检查的容器，在服役一定时间后，往往在定期检修中发现了裂纹。裂纹的萌生与扩张的原因可能是由于疲劳、应力腐蚀高温下应力的长期作用等等。　

41. 四、压力容器的检验和监控 (2)在役检验与监控 在役检验的方法以射线检验和超声波检验为主，辅以磁粉和着色检验以检测表面裂纹。一般化工厂在年度大修时进行检查，或根据有关规程分别逐年轮流检查。在核电站中已实行部分的连续监控。

42. 四、压力容器的检验和监控 (2)在役检验与监控 还有一个问题是材料在服役过程中的退化，包括金相组织的变化，晶界空穴或微裂纹的形成，氢侵袭及辐射脆化等等，最好能放置预应力挂片。 从以上阐述的压力容器质量保证系统的要点来看，在设计一台化工容器时必须充分考虑到以后的各个质量保证的环节。

43. 第三节 压力容器的质量保证体系 一、压力容器的设计要求 二、压力容器的设计方法 三、压力容器的设计准则

44. 第三节 压力容器的质量保证体系 定 义 确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有计划、系统的措施。 内 　容 材料—设计—制造与制造过程中的检验—在役检验与监控。

45. 一、压力容器的设计要求 安全性 经济性 　足够的强度 　　经济可靠的材料 　足够的刚度（或稳定性） 　　经济的制造方法 　可靠的密封性能 　　低的操作和维护费用 　一定的使用寿命 　　长周期的安全运行 　　　 安、稳、长、满、优 　原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济

46. 一、压力容器的设计要求 设计是一台压力容器诞生的第一步，也是质量保证的第一个环节。在设计时应当周密的考虑到以后各环节中可能产生的问题和相应的措施。在设计时，首先应当仔细分析用户的要求和提供的相关技术资料。根据对压力容器基本特征解，决定根据何种设计规范进行设计。根据规范的要求，容器的各部分进行应力分析。应力分析和材料选择实际上同时进行的，应力分析的结果应当是材料的性能得到充分发挥，并且尽可能使容器的各部分达到等强度。

47. 一、压力容器的设计要求 • 材料的选择是重要的设计环节，它既与容器抵抗失效的能力有关，又与制造工艺密切相关。一般说，一台压力容器的设计文件包括设计计算书，施工图， 技术要求等三部分。 • 这三部分与材料的选用，制造，检验等质量保证的各化解成为统一整体。

48. 二、压力容器的设计方法 （1）按规则设计 - GB150《钢制压力容器》基于经济方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造。

49. 二、压力容器的设计方法 （1）按规则设计 - GB150《钢制压力容器》 它是我国的第一部压力容器的国家标准。这一标准的基本思路与ASMEVIII-1的基本相同，即 “按规则设计”，该标准的适用范围如下： a.内压：0.1～35MPa b.真空：不低于2000（mmH2O） c.温度：根据钢材的许用温度及特性，，从-196度到钢材的蠕变限用温度

50. 二、压力容器的设计方法 （1）按规则设计 - GB150《钢制压力容器》 GB容器标准只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器。标准中指明有8种情况不属于其适用范围，其中有： 直接火加热的容器、经常搬运的容器、须做疲劳分析的容器、 核能装置中的容器、旋转或往复运动的机械设备中的受压气室。 设计压力低于0.1MPa的容器； 真空度低于0.02MPa的容器； 内直径小于150mm的容器； 已有其他行业标准的容器。