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压力容器制造单位工艺责任工程师 培训讲义 二0一一年七月 自我介绍 郝文生 Email: Tel: +86 429 2980488 Fax: +86 429 2980610 -中航黎明锦西化工机械（集团）有 限责任公司-总工程师/副总经理 -全国全国锅炉压力容器标准化技术 委员会移动式压力容器分技术委员 会委员兼副秘书长 -中国机械工程学会压力容器制造分 委会-副主任委员 -全国化学工业机械设备标准化技术 委员会委员-副主任委员 第1章 概述 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 第3章 压力容器制造质量保证体系的建立及运行 第4章 压力容器制造的主要工序及装备 第5章 压力容器的检验及竣工资料 第6章 计算机技术在压力容器制造及工艺编制中的应用 第7章 压力容器制造专题 第8章 压力容器制造案例 日程安排 第一天 上午第一部分 下午第二部分 第二天 上午第三部分 下午第四部分 第三天 上午第五部分 下午第六七部分 压力容器制造质量的重要性 液氨贮槽爆炸事故 发生日期： 1987年6月22日 发生单位：安徽省毫州市化肥厂 事故经过： 5月31日停车检修，至6月20日开车时，发现液 氨数量不足，即向市蛋品厂借用液氨贮槽去太和化肥厂求 援液氨。21日运回740Kg，22日又去装790Kg，在返回途 中，路经某乡农贸市场时，氨罐尾部冒出白烟，随后发生 爆炸，把重74.4kg的后封头向后推出64.4m，直径0.8m、 重约770Kg的罐体挣断4股八号铅丝组成的加固绳，冲断氨 罐支架及卡车龙门架，摧毁驾驶室，挤死驾驶员，途中撞 死3人后停在97m远处。喷出的大量白色氨雾，87位农民 灼伤中毒，汽车后部200棵树和约7000m2的庄稼被烧毁。 最后造成10人死亡19人有后遗症，47人中毒。 压力容器制造质量的重要性 原因分析-液氨贮罐质量低劣。 该贮罐全部焊缝均未开坡口，焊缝熔合面极小 ，焊接质量极差，X光探伤表明，焊缝全部未焊 透； 封头冲刷问题严重，无直边，封头直径与焊体 直径不相等，平均错边7.5mm，最大错边15mm ； 集油筒与筒体焊接角焊缝不合要求，开孔无加 强，焊后未进行整体退火处理和探伤； 压力容器制造质量的重要性 制造质量不良引起的氨冷凝器爆炸事故 (1).设备情况： 300000吨年化肥厂氨冷凝器是列管式高 压冷凝设备，管程设计压力为20Mpa，壳程设 计压力为1.6Mpa，工作温度为2525。管 程介质为氨、氮气，壳程介质为液氨，壳体内 径420mm，壁厚8mm，封头内径350mm，壁 厚32mm，管板厚45mm，管板和封头材质为 20g。 压力容器制造质量的重要性 氨冷凝器的封头与管板联接采用平面焊结构。 几起事故的爆破断口都发生在管板与封头联接 处的环焊缝上。从断口上可清楚地看到：焊缝 根部未焊透，长度占80，深度一般24mm， 最深达6mm。断口检查：这种氨冷凝器的爆炸 断口中部表面平滑平坦，经电镜观察有明显的 疲劳断裂特征，断口外部表面租糙，则属强度 不足而塑性撕裂。 压力容器制造质量的重要性 （2）.爆炸事故原因分析：氨冷凝器的爆炸 原因，主要是设计不当，制造时焊接工艺 不当产生的根部未焊透等缺陷，在实际运 行中存在的疲劳循环载荷(压力、温度波 动、频繁启停等)的作用下，导致疲劳裂 纹萌生和扩展，以致引起设备疲劳断裂， 即低周循环应力下的疲劳断裂。 压力容器制造质量的重要性 设计时技术要求不严：氨冷凝器管板与 封头焊接连接属角焊缝结构，这种结构上 的不连续性使环缝根部表面应力很高，所 以在设计此种结构时必须慎重对待。 压力容器制造质量的重要性 我国钢制压力容器管板与壳体、封头的连 接应采用全焊透结构。美国ASME锅炉及压力容 器规范D4焊接接头章节中规定了全焊透的角 焊缝接头；英国BS5500非直接火压力容器附 录E“推荐用于压力容器的焊接连接”其中管板与壳 体、封头的角焊缝推荐双面焊结构，当壳体、封头 壁厚超过16mm时必须采用全焊的焊缝；联邦德国 AD压力容器规范也规定，当采用平面焊根部 有未焊透结构时，能够承受的疲劳循环次数只有全 焊透结构的五分之一的次数，考虑变动载荷时焊缝 结构则必须是全焊透的。 压力容器制造质量的重要性 然而该氨冷凝器中的管板与封头的焊接连 接采用的单面焊结构型式，未明确提出必 须全焊透的技术要求。这种易于发生根部 未焊透的角焊透，在我国标准和美国 ASME等规范中，都明确不允许。 压力容器制造质量的重要性 制造质量差，通过爆破断口解剖观察到： .根部未焊透严重，占周长的80，最深达 6mm； .有24mm大气孔一处和三处夹渣，最大尺 寸为810mm； .焊缝中发现超出规范规定的硅酸盐夹渣，局 部有增碳引起的小裂纹。 .埋弧自动焊缝的裂口靠管板一侧，断裂起源 于焊缝根部未焊透处，并靠管板一侧沿着与轴 成为60方向在焊缝中扩展，直至失效破环。 压力容器制造质量的重要性 从氨冷凝器的制造工艺和解剖发现的 问题，可以看出其焊接工艺是不合理的， 在施工中没有采用单面焊双面成型的特殊 焊接工艺和焊接方法，如氩弧焊封底等工 艺方法来防止末焊透，而采用了一般的焊 接方法，并用45mm焊条进行封底，如 此粗的焊条作封底施焊必将发生未焊透。 压力容器制造质量的重要性 对于高压容器封头一侧的环焊缝焊前 应采取预热，高压换热器的管箱焊后需要 进行消除应力的热处理。该设备在施工时 ，没有进行焊前预热、焊后热处理的工艺 措施。这样，焊缝一侧为32mm的封头， 另一侧为45mm厚的管板，刚性大，散热 快，焊接时焊接残余应力较大，且容易在 管板一侧出现未焊透、未熔合乃至微裂纹 等缺陷。 压力容器制造质量的重要性 此外，焊接工艺管理也是不健全的。如没 有焊接工艺评定，焊条管理也是欠妥的， 以至采用了45mm的封底焊条，出现 了超出常规的硅酸盐夹渣等现象。 压力容器制造质量的重要性 制造质量检验不严：该氨冷凝器的制 造单位擅自将超声波探伤灵敏度从2mm 平底孔降低到3mm平底孔，以致未能有 效地查出焊缝中存在的缺陷。 综上所述，该氨冷凝器在设计上有缺 陷，在制造上没有可靠的焊接工艺，加之 使用压力、温度波动频繁，因此氨冷凝器 的爆炸事故是不可避免的。 压力容器制造质量的重要性 二0一0年三月事故 压力容器制造质量的重要性 压力容器制造质量的重要性 压力容器制造质量的重要性 压力容器制造质量的重要性 原因： 1.焊条用错 2.焊前预热存在问题 3.焊后消氢处理存在问题 压力容器制造质量的重要性 印度尼西亚PT Petro Widada公司 时间：2004年月日 压力容器制造质量的重要性 地点：印度尼西亚东爪哇省锦石镇 后果：至少人受伤，150多人吸入有害 气体而住院，7000多人逃离家园。 原因：焊缝断裂 第 1 章 概 述 压力容器的诞生是随着动力装备的诞生而诞生的 十七世纪的英国资产阶级革命，推翻了英国的封建专制 制度，建立了以资产阶级和土地贵族联盟为基础的君主立宪 制度，从而成为世界上第一个确立资产阶级政治统治的国家 。资产阶级利用国家政权加速推行发展资本主义的政策和措 施，促进了工业革命各种前提条件的迅速形成。 第 1 章 概 述 随着英国君主立宪制的确立，加速了圈地运动，产 生了大批无产者。同时海外贸易和殖民地的开发，使大 量财富集中到英国资产阶级手中。 经典力学、热力学 等学科的理论创新也为工业革命带来了契机。 1769年詹姆斯瓦特根据前人的成果，成功发明了单向 蒸汽机。 第 1 章 概 述 1782年又制造出双向蒸汽机。蒸汽机的出现推 动了工业革命的发展。1800年，英国拥有蒸汽 机321台、5210匹马力。1825年猛增到15000台 、375000匹马力。 瓦特发明蒸汽机后，人们知道了锅炉的作用， 工业上开始大量使用锅炉作为动力源。压力容 器的诞生是随着动力装备的诞生而诞生的。 从此，压力容器广泛地应用于石油、化工、机械、冶金 、轻工、航空、航天、国防等工业部门的生产以及人民的生 活。在化肥、炼油、化工、农药、医药、有机合成等行业， 压力容器都是主要的生产设备。 压力容器是具有爆炸危险性的承压类特种设备，它承载 着高压、高温、低温、易爆、剧毒或腐蚀介质的作用，一且 发生爆炸或泄漏往往并发火灾、中毒等灾难性事故，造成严 重的环境污染，会给社会经济、企业生产和人民生活带来损 失和危害，直接影响社会安定。 第 1 章 概 述 压力容器承受各种静、动载荷或交变载荷，有些还有 附加的机械或温度载荷。其运行温度和压力变化范围相当 宽广：从-196的低温到1000以上的高温；从真空到 300MPa的超高压。上述因素使压力容器从设计、制造到 使用都不同于一般机械设备。因此，压力容器比一般的机 械设备有着更高的安全要求。 第 1 章 概 述 1.1压力容器的定义及分类 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，而设计压力大于或等于 0.1MPa的容器则属于压力容器。 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 第 1 章 概 述 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。 固定式压力容器安全技术监察规程(以下简称： 容规)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： 第 1 章 概 述 工作压力大于或等于0.1MPa(工作压力，是指压力容器 在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力)； 工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL (容积， 是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）并且圆整。一般应当扣除永久连接在压力 容器内部的内件的体积。)； 盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于 或者等于其标准沸点的液体（容器内介质为最高工作温度低 于其标准沸点的液体时，如果气相空间的容积与工作压力的 乘积大于或者等于2.5MPaL时,也属于本规程的适用范围。 第 1 章 概 述 2003年3月颁布的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2.5MpaL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10MPaL的气体、液化气体和标准 沸点等于或低于60液体的气瓶；医用氧舱等。 这是对压力容器作出的最权威的定义，其设计、制造、安 装、使用、检验、修理、改造和管理都必须接受安全监察。 第 1 章 概 述 压力容器的形式、品种繁多，其分类方法有很多种： 按材质分类: 分为钢制压力容器、铝制焊接容器、钛制 焊接容器和非金属容器等； 按制造方法分类：分为板焊容器、锻焊容器、铸造容 器、包扎式容器、绕带式容器等； 按壳体承压方式分类：分为内压容器、外压容器； 按壁厚分类：分为薄壁容器(容器外径与内径之比小于 或等于1.2)和厚壁容器(容器外径与内径之比大于1.2)； 第 1 章 概 述 按压力容器的设计压力(p)分类： a)低压(代号L) 容器 0.lMPap 1.6MPa b)中压(代号M) 容器 1.6MPap 10MPa； c)高压(代号H) 容器 10MPap 100MPa； d)超高压(代号U)容器 p 100MPa。 按压力容器在生产工艺过程中的作用原理分类：分为反 应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。 a)反应压力容器(代号R)：主要是用于完成介质物理、化学 反应的压力容器，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、高压 釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸球、煤气发生炉等； 第 1 章 概 述 b)换热压力容器(代号E)：主要用于完成介质的热量交换的压 力容器，如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发 器、加热器、消毒锅、烘缸等； c)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的压力容器，如分离器、过滤器、集油器、 缓冲器、洗涤器、吸收塔、干燥塔、分汽缸、除氧器等； d)储存压力容器(代号C，其中球罐代号B)：主要是用于储存 和盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，如储罐。 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时 ，应按工艺过程中的主要作用来划分品种。 第 1 章 概 述 按固定式压力容器安全技术监察规程的规定分类： 容规将适用范围内的压力容器划分为三类。 关于压力容器的类别划分的归纳见容规附录A表A-1。 1.2压力容器的基本结构 压力容器虽然种类繁多，形式多样，但其基本结构都是一 个密闭的壳体。壳体内部大多数情况下都有内件，有的内件与 壳体一样也承受一定压力，此时这些内件与壳体就都属于受压 元件，在制造过程中都要按要求认真对待。 常见的压力容器多为圆筒形壳体，其基本结构主要由以下几个 大部件组成： 第 1 章 概 述 1.2.1筒体 一台容器的筒体通常由用钢板卷焊而成的一个或多个 筒节组焊而成，这时的筒体有纵焊缝和环焊缝。这种结构 的容器通常称为板焊结构的压力容器。也有些小直径容器 筒体用无缝钢管制成。对于厚壁高压容器的筒体还经常采 用数个锻造筒节通过环缝焊接连接而成，这种结构的容器 则称为锻焊结构的压力容器。此外，厚壁容器筒体的结构 还有热套式、多层包扎式和绕带等多种形式，它们都是厚 壁筒体的一些特殊制造方式。 第 1 章 概 述 1.2.2封头 按几何形状不同，封头有椭圆形封头、碟形封头、锥形 封头以及平盖等形式。封头和筒体组合在一起构成一台容器 的主要组成部分，因此,封头也是最主要的受压元件之一。 从制造方法上分，封头有整体成形和分片成形后组焊成一体 的两种形式。一般来讲，当封头的直径较大，已超出制造厂 模具生产能力且不采用旋压时,多采用分片成形方法制造。 根据封头的成形方式来划分，有冷压成形、热压成形和 旋压成形等几种。对于壁厚较薄、直径较小的封头，一般采 第 1 章 概 述 用冷压成形。当封头板厚度较大时，一般采用热压成形。 对于直径较大且壁厚较薄的封头，采用旋压成形方法制造 是最经济、最合理的选择。采用调质钢板或正火钢板制造 的封头或封头瓣片，为不破坏其钢板状态的力学性能，往 往采用多点冷压成形法制造。 1.2.3接管和法兰 为使容器壳体与外部管线连接或供人进入容器内部，在 一台容器上总是要设置接管和法兰，这些接管和法兰也是 容器壳体的主要组成部分。 第 1 章 概 述 1.2.4密封元件 密封元件是两法兰密封面之间保证容器内部介质不发生 泄露的关键元件。不同的工况条件要求有不同的密封结构形 式和不同材质及形式的密封垫片，中低压设备常常采用平垫 ，高压设备常常采用环型垫。 a)常用垫片的种类 垫片的种类很多，主要有非金属垫片、聚四氟乙烯包覆 垫、金属缠绕垫、金属包覆垫、柔性石墨复合垫、齿形组合 垫、金属垫片等等。 第 1 章 概 述 b）常用垫片材料特性及适用范围 石棉橡胶垫 石棉橡胶垫片耐热性能好，有适宜的弹性，在大多数化学介 质中有较好的耐腐蚀性，且制造方便，价格便宜，是石油化工 使用最广泛的非金属平垫。 缺点：石棉橡胶垫在使用过程中很容易发生应力松弛现象， 影响它的密封性能和寿命，难以满足大型石油化工设备的高参 数和长周期的要求。此外石棉是人们公认的致癌物，从上世纪 70年代起，世界上不少国家已陆续制订法律将其列人禁用范围 ，随着人们对设备密封要求的提高以及密封技术的发展，石棉 橡胶材料已逐步为其他新材料所代替，使用量正逐渐减少。 第 1 章 概 述 聚四氟乙烯包覆垫 聚四氟乙烯包覆垫是一种适合强腐蚀介质和不允许物料有 污染的医药、食品和石油化工行业中需洁净介质用的非金属 软垫片，垫片的压缩率要求大于20，回弹率大于30，应 力松弛小于45，允许泄露率应不大于10X 1 O-4cm3s ；垫片厚度一般为3mm，其中嵌入层为2mm，纯聚四氟乙烯 包覆层厚度为05mm。 柔性石墨复合垫 柔性石墨复合垫片是由冲齿的金属芯板与膨胀石墨粒子复 合的板材制成的一种石墨增强垫片。可作为石棉橡胶垫片与 第 1 章 概 述 金属缠绕垫片之间的一种过渡垫片。在某种情况下可代替柔 性石墨缠绕垫，以减少螺栓力，又不改变密封效果，同时亦 可作为无石棉平垫片使用。 柔性石墨复合垫片适用于以下介质：对液体有水、油品、 溶剂、酸、碱、液态烃、低温液化气等；对气体有空气、氢 气、油气、高温烟气、蒸汽、烃类及各种渗透性强的气体等 。 金属包覆垫 金属包覆垫片是一种半金属垫片，这种垫片的金属有软钢 、不锈钢、铝板和特殊合金等它兼有金属和非金属的特性 ，其密封性能良好，可制成形状复杂的垫片，广泛用于换热 器 第 1 章 概 述 各部位的密封。由于石棉橡胶板为金属所包覆，不直接与高温 介质接触，在一定程度上提高了垫片的耐温耐压性能。 金属包覆垫的缺点： 从密封机理看，金属包覆垫是金属与金属的接触密封，在 这种状态下，要达到良好的密封性就必须施加相当高的密封比 压，而在这样高的比压下，作为填充材料的石棉橡胶板往往已 被压坏而失去作用，另一方面，在使用过程中，石棉橡胶板的 应力松弛也会导致压紧应力减少而使其丧失密封性能，其使用 寿命难以满足现代设备长周期运转的要求。因此，在高参数、 重要场合已逐渐为其他性能更好的垫片所取代。 第 1 章 概 述 缠绕垫片 缠绕垫片是半金属垫片中最理想的一种。垫片的主体 由V型或M型金属带填加不同的软填料用缠绕机螺旋绕制 而成。为加强垫片主体和准确定位，设有金属制内环和外 环(定位环)。常用的金属带为不锈钢，软填料为特制石棉 、柔性石墨、聚四氟乙烯，其中柔性石墨缠绕垫片应用比 较广泛。柔性石墨缠绕垫片具有良好的密封性能，能适应 高温高压参数的要求，其回弹性也较好，在温度和压力变 化的场合仍能保持较好的密封性(其密封性指数通常可达 1.010-4cm3S)。 第 1 章 概 述 缠绕垫片的缺点： 由于结构和制造方面的原因，缠绕垫片比较容易“散架”和“ 压溃”。所谓“散架”包括二种情况：一是在制造、运输和安装过 程中垫片发生散开而损坏。这是由于缠绕垫片结构上只是通过 缠绕互相咬合成形，使垫片无法形成整体牢固的结构，因而很 容易散开损坏，给垫片的运输和安装造成困难，这种情况尤以 大规格垫片(如换热器设备上的垫片)为甚。二是缠绕垫片在使 用过程中受到很大的压紧力，外层用以固定的焊点在周向力的 作用下很容易发生拉脱损坏，使整个垫片“散架”，最终导致密 封失效。由于周向应力的大小与直径成正比，垫片的规格越 第 1 章 概 述 大，拉脱损坏就越易。所谓“压溃”是垫片在使用时受很大的压 紧比压，填充物受压产生的内应力向内径方向作用于内层钢 带，使钢带受到外压力作用，当外压力超过一定值时，由钢 带围成的钢带圈犹如薄壁容器受过分外压力作用而失去稳定 性，局部地方向内凹陷，使垫片发生损坏，导致密封失效。 压紧力越高，垫片尺寸越大，就越容易发生“压溃”。 齿形组合垫 齿形组合垫片是一种金属软垫片，密封效果优于金属平垫 ，主要用于中、高压力和高温度的压力容器和管道阀门的密 封。齿形组合垫在法兰压紧力下，不仅被封闭的覆盖层材 第 1 章 概 述 料高度压缩，而且金属骨架产生弹性变形，使之成为具有高弹 性的垫片，因而不仅能适应参数变化的场合而且其使用寿命长 ，能长期保持良好的密封性能。 由于齿形组合垫是带金属骨架的整体结构，在运输和使用 安装时不必担心像缠绕垫片那样会“散架”，而且垫片厚度适当 、安装方便，可避免缠绕垫片通常因厚度较大而容易产生压扁 的现象。齿形组合垫的性能优异、安全可靠、适应性广、价格 适中可广泛用于各种参数场合。 第 1 章 概 述 金属环型垫 金属环型垫，其按截面形状可分为八角垫和椭圆垫。这种垫 片是整体金属加工而成，能耐高温、高压，安全性高，能形成 高比压的金属线密封，而且具有一定弹性和压力自密封作用， 适应设备参数变化的场合使用。但这种密封结构较复杂，不仅 法兰表面要求加工出高精度的梯形槽，而且垫片本身的制造精 度要求较高，因而密封联接的成本也较高。在实践中还发现法 兰表面的梯形槽不仅削弱了法兰的强度，其根部也是应力集中 的部位，因此，还会造成法兰的整体损坏。此外这种垫片要求 安装技术高，安装不好就难以达到预期的密封效果。这种垫片 一般可用于密封要求较高和参数变化的高温高压场合。 第 1 章 概 述 1.2.5内件 在容器壳体内部的所有构件统称为内件。有的内件如 换热器中的换热管也是一种受压元件，而且是主要受压元 件；有的容器内件尺寸要求十分严格，如塔体内的塔盘和 塔板等，对其不平度都有一定要求。所以笼统的认为内件 不是承压件，其制造质量无关大局，不会影响设备的安全 使用，这种观点极其错误的。 第 1 章 概 述 1.2.6容器支座 压力容器是通过支座对其进行支承。支座不但承受设 备本身自重加上介质的重量，还要承受风载荷、地震载荷 给容器造成的附加载荷等。因此，容器支座是容器的主要 受力元件之一。 支座的形式有多种，对于立式容器常见的支座有柱式支 座、裙式支座、悬挂式支座等；卧式容器主要采用鞍式支 座和悬挂式支座；球形容器大多采用柱式支座等。 第 1 章 概 述 1.2.7管板 管板是主要受压元件之一。可用锻件、钢板、复合板等材料 制作。 具体执行GB151管壳式换热器。 （1）拼接管板的对接接头应进行100%射线检测或超声检测。 （2）堆焊复合管板堆焊前应作堆焊工艺评定。 1.2.8膨胀节 膨胀节也是主要受压元件之一。其制造应按GB16749进行， 但波形膨胀节与换热器壳体组装时，还应执行GB151的相关要求 。 第 1 章 概 述 1.3压力容器的失效模式 压力容器在规定的使用期限内，因设计结构不合理、制造 质量不良、使用维护不当或其他原因而失去按原设计参数正常 工作的效能，称为压力容器失效。 一般工业设备失效的后果是设备无法使用，导致生产不能 正常运行。但压力容器失效不仅仅于此。由于使用工况和介质 的特殊性，其失效的后果可能更严重，包括快速破裂引起的爆 炸、有毒物质或易爆物质的泄漏引起的中毒、燃烧或爆燃，往 往危及人身和财产安全，甚至发生巨大的灾害性事故。 压力容器失效分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效 四大类。其中强度失效是压力容器最主要的失效形式。 第 1 章 概 述 1.3.1 强度失效 强度失效是指因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，包 括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。 韧性断裂 韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接 近所用材料的强度极限，即由于一次应力过高引发的断裂。其 特征是断裂后的容器有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周 长延伸率可达10%-20。导致一次应力过高的主要原因有两 个方面：厚度过薄和内压过高，可能的情况是： 第 1 章 概 述 a.厚度未经强度计算或强度计算错误，例如非法设计制造的压 力容器； b.制造时用错材料，把低强度等级材料当作高强度等级材料； c.使用过程中厚度减薄，包括因腐蚀、冲蚀、机械磨损等原因 而减薄； d.操作失误，超压且安全装置未起作用，包括运行操作失误或 耐压试验操作失误； e.液体受热膨胀，例如液化气体过量充装后温度上升导致容器 破裂； f.化学反应失控引起超压； g.压力较高的气体进入设计压力较低的容器，其容器内产生的 气体无法排出等。 第 1 章 概 述 .脆性断裂 脆性断裂是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于 材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态 下发生，故又称为低应力脆断。其特征是：断裂时容器没有 鼓胀，即无明显的塑性变形，其断口齐平，并与最大应力方 向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。由于脆性 断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全 附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多。 材料自身脆性和缺陷，这两种原因都会引起压力容器脆 性断裂： 第 1 章 概 述 a.材料选用不当； b.焊接与热处理不当使材料脆化； c.低温条件下材料脆化； d.长期在高温下运行材料脆化； e.应变时效导致材料脆化； f.存在严重的原始缺陷、制造缺陷，或使用中产生危险缺 陷，在较大的应力条件下，也会发生脆性断裂。 第 1 章 概 述 .疲劳断裂 使用中的压力容器，在交变载荷作用下，经一定循环 次数后产生裂纹和突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断 裂。交变载荷是指大小和(或)方向都随时间周期性(或无规 则)变化的载荷，它包括压力波动，开车停车，加热或冷却 时温度变化引起的热应力变化，振动引起的附加交变载荷 等等。需要指出的是，原材料或制造过程中的各种缺陷， 会在交变载荷的作用下产生裂纹及裂纹扩展而加速压力容 器疲劳破坏。 第 1 章 概 述 疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂 纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。随着交变载荷反复作用 次数的增加，疲劳裂纹不断扩展，当疲劳裂纹扩展到一定值时， 才会发生疲劳破坏。因此，疲劳破坏需要有一定时间。但由于疲 劳源于局部应力较高的部位，破坏时容器总体应力水平较低，没 有明显的变形。导致疲劳断裂的原因有： a.结构设计不良。例如半顶角很大的锥形封头、大开孔末补强 、不焊透的焊接结构等等； b.不正常的操作。例如未按疲劳设计的容器承受多次数的应力 循环、工作压力或温度不正常的周期性大幅度波动； c.制造质量差。例如焊缝错边或棱角度超差、余高过高且过渡 不圆滑、存在严重焊接缺陷等等。 第 1 章 概 述 .蠕变断裂 压力容器在高温下长期受载，随着时间的增加金属材料持 续发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压 力容器断裂的现象，称为蠕变断裂。按断裂前的变形来看，蠕 变断裂具有韧性断裂的特征；但从断裂时的应力来看，蠕变断 裂又具有脆性断裂的特征。 压力容器蠕变断裂的破坏比较少见，主要是因为在材料、 设计或工艺上采取了适当措施。压力容器蠕变变形的典型例子 是焦炭塔，由于高温及温度压力周期性波动，导致筒体变形。 第 1 章 概 述 .腐蚀断裂 因为均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的大面 积凹坑，所引起的断裂一般有明显的塑性变形，具有韧性断 裂特征；而因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂则没有明显 的塑性变形，则具有脆性断裂的特征。 1.3.2 刚度失效 由于构件弹性变形过度引起的失效，称为刚度失效。例 如，露天立置的塔在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形 ，会破坏塔的正常工作；管板或法兰的弹性变形过大而导致 无法密封。 第 1 章 概 述 1.3.3失稳失效 在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形 状引起的失效，称为失稳失效。 容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，临 界压力与材料的强度无关，主要取决于容器的尺寸和材料的弹 性性质。只有当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非 弹性失稳时，临界压力才与材料的强度有关。 大直径薄壁的外压容器、夹套容器设计和检验时都需要考 虑失稳失效问题。夹套容器耐压试验时，为防止容器筒体失稳 ，在夹套试压的同时往往需要在内容器内保持一定的内压。 第 1 章 概 述 1.3.4泄漏失效 由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。泄漏不仅有可 能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。设 计压力容器时，应重视可拆式接头和不同压力腔之间的连接 接头(如换热管和管板的连接)的密封性能。 除上述失效需要考虑外。需要指出的是，在多种因素作 用下，压力容器有可能同时发生多种形式的失效，即交互失 效，如腐蚀介质和交变应力同时作用时引发的腐蚀疲劳，高 温和交变应力同时作用时引发的蠕变疲劳等等。 第 1 章 概 述 1.4压力容器制造的基本要求 1.4.1执行压力容器制造许可证制度 要想制造压力容器产品，必须取得相应级别的压力容器 制造许可证，按批准的范围生产压力容器，未经取得批准或 超过批准范围生产压力容器是非法的。贯彻执行压力容器制 造许可证制度从管理体系上规范了容器制造业的行为，这是 确保压力容器制造质量的根本前提，也是对压力容器制造的 最基本的要求。 制造许可证并不是一劳永逸的，为了保证其持续有效性 ，还要按周期进行换证审查，国内国外都是如此。 第 1 章 概 述 1.4.2要具有一定的制造能力 对一个压力容器的制造单位来讲，应具有一定技术素质的人 员、技术力量和相应的工艺装备，并应有与制造级别相适应的 生产场地和相应设施。这是对压力容器制造要求的硬件条件。 1.4.3要具有完善的压力容器制造质量保证体系 压力容器制造单位必须要建立完善的压力容器制造质量保证 体系，这是保证生产出合格的压力容器产品至关重要的条件之 一。每一个压力容器制造厂都应编制有符合自己运作情况的 质量保证手册，程序文件（管理制度）和工艺守则等企业标 准。 第 1 章 概 述 1.4.4制造时要贯彻设计图样及压力容器风险评估报告 的要求 风险评估报告是参照API580基于风险的检验、 API581基于风险的检验基础资源文档及容规和 GB150而编制。 API510标准规定：可以根据风险评估的结果用以制定容器 的制造、检验策略。比如：根据失效机理选择合适的制作方法 、检验方法、检验部位和降险措施。也可以根据风险评估的结 果调整规范所要求的外部检验、内部检验或在线检验周期。 第 1 章 概 述 美国标准接受风险评估的结果，并用以调整规范所要求 的检验周期，并被美国各州法规所引用；API579和API 580 、API581以及API510、API570、API650的结合提供了完整 的风险评估、确定检验的优先次序和维修计划、合于使用评 价以及检验的标准体系。 因此，容器制造单位应当根据风险评估报告所识别的主 要失效模式和容器制造检验要求，合理地确定制造工艺和检 验工艺。 第 1 章 概 述 1.5压力容器的制造方法 压力容器形式多、结构复杂、制造技术要求高，压力 容器结构的发展与制造技术的发展紧密相关。在本世纪30 年代，压力容器的生产全靠锻造，其大小受钢锭尺寸和锻 造能力的限制。后来随着焊接技术的发展，出现了卷焊容 器、多层容器、绕带容器等多种结构的压力容器。压力容 器按其筒体结构分，其制造方法主要分成两大类、若干品 种。见图1.1所示。 第 1 章 概 述 1.5.1整体锻造容器： 在大型水压机上将钢坯锻造成圆筒形，然后经加工 组装成容器。此方法可以采用较高强度的钢材，但需具 备大型的冶炼、锻造及热处理设备，金属切削量大，成 本较高，整体锻造容器多用于压力较高、尺寸较小、壁 厚较大的容器，如超高压聚乙烯反应器等。 第 1 章 概 述 压力容器制造方法 单层容器多层容器 锻造法厚钢板制造法热套法 层板包扎法 绕带法 绕板法 整板包扎法 整体锻造法 锻造法 瓦片堆焊法 卷焊法 成型钢带绕制法 扁平钢带绕制法 图1.1 压力容器制造法分类 第 1 章 概 述 1.5.2锻焊容器： 在水压机上，将钢坯锻造成若干筒节，然后对其进行机械 加工，经加工后组对焊接。此方法可应用于较小的钢锭及锻造 、热处理设备。如：生产筒体壁厚为180毫米以下的容器。 1.5.3瓦片拼焊容器： 将筒体分成两片或多片，利用压力机分片压制成形。分片 成形后再通过焊接拼接成整体的方法。 第 1 章 概 述 1.5.4板焊容器： 将钢板在卷板机上卷成筒节，然后组装焊接成容器。此 法生产效率高、工序少、工艺简单，是现代压力容器的主要 生产方法。但要求生产厂必须配备相应的卷板机、电焊机、 埋弧焊机以及相应的热处理及无损检测设备等。 1.5.5热套容器： 采用2540毫米的中厚钢板卷焊成型后，再采用热套法 制造筒节。套合后需要进行热处理，以降低套合预应力水平 。此种容器可用中板取代厚板，用一般制造卷焊容器的设备 来制造大型厚壁容器。此类容器可做氨合成塔，尿素合成塔 ，甲醇合成塔等。 第 1 章 概 述 1.5.6成型绕带容器： 在内筒外表面以一定的预应力热绕数层具有特殊断面的 钢带。这种方法避免了深厚焊缝。制造工艺大部分机械化， 生产效率高。但是，对钢带尺寸公差要求严格，缠绕技术要 求高，需要有专用设备。可用于制造氨合成塔等高压容器。 1.5.7扁平绕带容器： 在内筒的外表面成一定的倾角错绕数层扁平钢带。此方 法材料来源广泛，工艺简单，生产周期短，成本低。在小化 肥容器方面得到广泛的应用。 第 1 章 概 述 1.5.8多层包扎容器： 在内筒外面用612mm钢板逐层包扎成筒节，然后组 装焊接成容器，此种容器的制造条件要求不高，设备简单 。但是生产周期较长，钢板材料利用率低。多层容器的筒 壁内应力沿壁厚分布均匀。由于层板的纵焊缝错开，焊缝 削弱影响小，破坏时无碎片，安全性高。可做化肥、化工 高压容器。 第 1 章 概 述 1.59绕板式容器： 在内筒的外表面连续绕上多层厚3.25mm的薄钢板制 成筒节，再组装连接成容器。这种方法，制造工艺简单， 没有纵向焊缝，材料利用率高达90%以上，但需要宽材， 否则环焊缝太多。此法生产的压力容器主要用于氮肥工业 。 上述几种压力容器制造方法，国内均已采用。目前压 力容器的生产仍以单层卷焊容器为主。但是，对于厚壁容 器，经常采用包扎方法。 第 1 章 概 述 第一章复习题 1.常见的压力容器失效模式有哪些 2.垫片的作用是什么 3.压力容器的制造特点是什么 4.目前常用的容器封头有椭圆形、碟形、 半球形、锥形、平盖等，从受力情况看， 从好到差依次排列如何 5.从安全角度阐述与压力容器安全相关的 重要参数 第一章复习题 6.如何制造小直径筒节 7.压力容器是具有爆炸危险性的承压类特种 设备，它承载什么作用 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 锅炉不仅在固定的装置上使用，而且也用在机车， 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 和轮船等移动装置上 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 科技发明是一把双刃剑 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 自从压力容器诞生起，人们尽管在设计和建造这些火 管锅炉时都特别谨慎，但是仍然发生过不少爆炸事故： 1865年4月27日，在美国的密西西比河上发生了一起轮船 上的火管锅炉爆炸事故， sultana号船上燃起了大火，20分 钟后船就下沉了，致使1500名乘客死亡。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 1894年10月11日，在美国的宾夕法尼亚州的 shamokin市的一座煤矿中的锅炉也发生爆炸，虽然死亡 的人数不多，但36台火管锅炉中有27台发生了爆炸，其 原因是这些锅炉放置在一起，发生了连锁反应。 压力容器规范和标准并不是天生就有的，压力容器规范 和标准的历史，可追溯到压力容器和锅炉经常发生事故而使 人们深为关注的那个时期。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 在1859年到1860年的两年中，在美国由于锅炉爆炸 而损失了27艘内河轮船。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 当时，在为保护人身安全而采取了许多措施，最值 得一提的是，在早期的铁路运输中规定： “敞篷货车，特别是运棉花的敞篷货车要放在蒸汽机 车与乘客车厢之间。” 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 其目的是什么呢？目的就是要保证乘客的人身安全。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 紧接着，英国的曼彻斯特工程保险公司为了适应利 物浦曼彻斯特地区这种铁路运输的办法，成为世界上第 一批制定了受压锅炉设计和建造规程、以减少其危险性 的公司之一。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 到了十九世纪末和二十世纪初，有人倡议拟定锅炉 与压力容器的设计与建造规程，但没有成功。 究其原因是：大多数设备制造厂不想让其他人分享 它们各自在设计与制造中的“秘诀”。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 时间到了1905年，血的教训使规范的进程首先在马 萨诸塞州出现了曙光： 1905年3月10日在美国马萨诸塞州的Boockton制鞋厂 发生了火管锅炉爆炸的事故，死亡58人，伤117人，整 个制鞋厂受到了严重破坏。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 1906年12月6日马萨诸塞州lunn市的一个制鞋厂由 于一台火管锅炉的爆炸而完全被破坏。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 鉴于上述事故，马萨诸塞州的州长专门成立了一 个委员会，开始着手制定锅炉的设计和制造规范，供 马萨诸塞州使用。 1907年8月30日，该委员会颁布了供马萨诸塞州 使用的规程。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 榜样的力量是无穷的。 1911年10月24日俄亥俄州也通过了一个与马萨诸塞 州非常相似的规程。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 因为美国的法律体系采用的是大陆法，美国的各个 州都有自己的法律。 E.D. Meior上校认为有必要制定一个能被各州接受 的锅炉与压力容器设计和制造规程。 时间到了1911年，在Meior上校的倡导下，成立了 一个委员会，并着手起草一套规程。该委员会有7名委 员，他们分别来自制造厂、保险公司和大学。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 在他们的共同努力下，1915年2月13日颁布了第一部 ASME规范 Rules for the construction of Stationary Boilers and for Allowable Working Pressures, 1914 Edition, American Society of Mechanical Engineers, New York ,1915 （ 固定式锅炉建造规程和许用工作压力，1914版）。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 在1914年规范出版以后，ASME规范又陆续增加了其 它一些卷。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 正因为特种设备具有危险性，而且在社会和经济生 活中广泛使用，如果设计、制造、安装、使用或管理不 当发生事故，不仅会造成严重人身伤亡及财产损失，也 会对正常的社会经济秩序产生重大影响，所以，其安全 保证需要由政府通过法律、行政、经济等多种手段和措 施强制推行。 2.1国外压力容器法规 2.1.1美国压力容器标准、法规体系结构 美国联邦政府没有统一的锅炉压力容器专项法律法规。联邦政 府只对罐车、气瓶和长输管道等跨洲使用承压设备制定法律、规章 。联邦运输部负责管理和监督罐车、气瓶和长输压力管道。 锅炉压力容器的安全立法体现在各州，分别在州劳动法、行政法、 工业法、注释法等法律中设置专门章节（或条款）对承压设备的安 全提出要求。美国的49个州有锅炉、压力容器方面的法律。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 美国锅炉压力容器的设计、建造安装主要依据 ASME规范的要求进行监督管理。 美国的压力容器使用、定期检验、修理、改造及安 全附件主要依据NBBI的有关规程进行监督管理。 美国锅炉压力容器设计制造检验标准体系见图2.1。 图2.1美国锅炉压力容器设计制造检验标准体系图 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 美国压力容器规范ASME 1、ASME 2、ASME 3和 ASME 12 美国机械工程师学会（简称ASME）锅炉及压力容器委员会颁发的 锅炉及压力容器建造规范自1914年发表第一版以来（1915年春实施 ）已经90余年。规范内容也由第一版的固定式锅炉发展到包含锅炉 、压力容器以及核容器的材料、结构、制造、检验的美国标准。规范严 格地按照符合美国国家标准的程序编写，不仅审定委员会的组成考虑了 主管部门以及与之有利害关系的各个方面，而且无论是规范的增补或上 升为正文公布，都经过公开征求意见和公开评论，以广泛听取工业界、 学术界、管理机构和公众的意见，保证了规范内容的正确性和严肃性。 所以ASME锅炉及压力容器建造规范已被美国绝大多数州及加拿大 各省所认可，同时，也是世界上公认的压力容器行业的权威规范。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 ASME锅炉及压力容器建造规范是多年经验和科 技发展的总结，包含了极为丰富的资料，其中第卷为 锅炉及压力容器,分为三篇,1压力容器,即通常所 称“按规则设计”；2压力容器另一规程，即通常 称之为“按分析设计”；ASME3高压容器；ASME- -12移动式压力容器。压力容器涉及到压力容器 建造的各个方面。由于规范的内容丰富，编排方式又有些 特殊，前后关联，不但涉及本卷各章节，还涉及其他各卷 的内容，如材料（ASME第卷）、无损检测（ASME第 卷）、焊工和焊接工艺评定（ASME第卷）等。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 美国机械工程师学会（ASME）锅炉及压力容器建造 规范（BoilerPressure Vessel Code）完全是根据生产 实践的需要，从无到有，从简单到丰富，积累了近一个世 纪的宝贵经验，逐步完善而形成的。该规范一直在不断发 展、不断完善，是当今世界上包含类型最多、规模最庞大 、内容最丰富的锅炉及压力容器规范，为众多国家所参照 、仿效的权威性规范。 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 2.1.2日本压力容器标准、法规体系结构 日本锅炉压力容器的法规和标准是一个比较复杂的“分散 型”体系，如图2.2日本锅炉压力容器法规标准体系图所示。 图2.2日本锅炉压力容器法规标准体系图 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 第2章 压力容器法规、安全技术规范、标准 由于日本的强制性法规和标准不统一，表现方式各不相同， 为了使标准和各自的法令、规定一致，尽可能相互通用，剔除重 复检查，实行有效的认证体制，提出了压力容器JIS标准和强制 性法规与技术基准的整合，新的压力容器JIS标准体系于2003年 9月30日颁布实施，形成了JIS8265和JIS8266标准，组成了新的 压力容器JIS标准体系。 日本有