压力容器的设计、制造和检验.doc

仅供参考整理安全管理文书压力容器的设计、制造和检验 日期：_ 单位：_第 1 页 共 20 页压力容器的设计、制造和检验一、压力容器概述1压力容器规范化早在19世纪末就有了对锅炉和压力容器规范化的要求。20世纪最初的十年，发生了近一万起锅炉爆炸，造成了约一万人的死亡和约一万五千人的伤残。这些血的教训使人们对压力容器制造和安装的规范化有了更清醒的认识。1907年，美国Massachusetts州继1905年和1906年两次灾难性的锅炉爆炸之后，提出了世界上第一部锅炉制造和安装的法规。循着Massachusetts州的范例，美国其他州和城市也制定出了蒸气锅炉制造、安装和检验的不同形式的法规或条例。不同州的技术规范缺乏一致性，使得制造者无法制造出其他州可以接受的标准锅炉。制造出的锅炉不能运出州界，一个州的有资格的锅炉检验员也得不到其他州的承认。要求订出蒸气锅炉和压力容器制造的标准规范的呼声越来越强烈，为解决这个问题，美国机械工程师协会于1911年成立了一个专门委员会，后来被称为锅炉规范委员会。美国机械工程师协会非燃火压力容器规范对压力容器没有给出定义。压力容器一般是指装有加压流体用于完成某项过程的封闭容器，例如贮罐、热交换器、蒸发器和反应器等。规范规定压力容器的范围还包括容器外的管线，终止于管线端焊连接的第一条焊缝、螺栓连接的第一个法兰面、或类似连接的第一个有连接迹象的点或面。美国非燃火压力容器规范的短评U-1列出了超出规范权限的一些例外。这些例外是必须的还是已被解除，不同地区有很大的不同。有关这方面的细节，需要查阅“锅炉和压力容器的法规和条例说明书”，或向有管辖权的地方管理机构咨询。非规范压力容器是指不能满足设计、制造、检验和鉴定规范的最低要求的容器。这些容器不打印规范代号，除非有特殊的裁定，不得在接受美国机械工程师协会规范的区域安装。目前，许多国家都设置了压力容器规范的立法和管理机构，颁布了各自的压力容器规范。在我国，原国家劳动总局1979年颁布了气瓶安全监察规程；1980年颁布了蒸汽锅炉安全监察规程；1981年颁布了压力容器安全监察规程。2非燃火压力容器分类压力容器可以粗分为蒸汽锅炉和非燃火压力容器两大类型。两者在压力容器规范中一般都作为专项处理。后者是化学工程和工艺人员最常接触的，这一部分将只介绍非燃火压力容器的分类。非燃火压力容器应用面广，种类繁多。根据不同的侧重点，可以有多种分类方法。压力容器按照其工艺功能可以划分为反应容器、换热容器、分离容器和贮运容器四个类型。(1)反应容器；主要用来完成物料的化学转化。如反应器、发生器、聚合釜；合成塔、变换炉等。(2)换热容器：主要用来完成物料和介质间的热量交换。如热交换器、冷却器、加热器、蒸发器、废热锅炉等。(3)分离容器：主要用来完成物料基于热力学或流体力学的组元或相的分离。如分离器、过滤器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔、萃取器等。(4)贮运容器：主要用来完成流体物料的盛装、贮存或运输。如贮罐、贮槽和槽车等。承受压力负荷是压力容器的显著特征。压力容器按照其设计压力p的大小，可以划分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器四个类型。(1)低压容器：01MPap16MPa；(2)中压容器：16MPap100MPa；(3)高压容器：10MPap100MPa；(4)超高压容器，p100MPa。以上是压力容器根据其工艺功能或设计压力的单一的分类方法。从安全监察的角度，应该综合考察压，力容器设计压力的大小、其中物料的危险程度以及所属过程的复杂性和潜在危险，进行压力容器的综合分类。我国原国家劳动总局在压力容器安全监察规程中提出了压力容器的综合分类方法。压力容器按照设计压力户和容积V，结合容器的工艺功能和其中物料的危险性，划分为以下三个类型：(1)第一类容器：非易燃或无毒介质的低压容器；易燃或有毒介质的低压换热容器和低压分离容器。(2)第二类容器：pV1962kJ、剧毒介质的低压容器；易燃或有毒介质的低压反应容器和低压贮运容器；内径1m的低压废热锅炉；一般介质的中压容器。(3)第三类容器：pV1962kJ、剧毒介质的低压容器，内径1m的低压废热锅炉；中压废热锅炉；pV4905kJ、易燃或有毒介质的中压反应容器；pV4905kJ、易燃或有毒介质的低压贮运容器；剧毒介质的中压容器；高压或超高压容器。3结构材料的机械性能结构材料在受到外力作用时，会有抵抗变形和断裂的能力。这种能力称为结构材料的机械性能。常规机械性能主要包括强度、塑性、韧性、硬度等。(1)强度常用的强度指标有抗拉强度、屈服强度、疲劳极限和屈强比。抗拉强度是指材料在拉伸试验中所能承受的最大表观应力。其数值等于拉断前试样所承受的最大拉力与试样原始横截面面积的比。屈服强度又称为屈服极限，是指材料在拉伸实验中出现屈服现象时的应力值。所谓屈服是指材料在拉伸实验中，载荷不再增加甚至有所减少时仍继续塑性变形的现象。如果有些材料屈服现象不明显或无屈服现象，则以塑性变形量达到试样原始长度的2时的应力，定义材料的屈服强度。疲劳极限是指材料经一千万次循环而不发生破坏的最大应力值。对于绝大多数压力容器，即使频繁地开车和停车、加压和卸压、升温和降温，循环次数也不至于达到十万次以上。故一般只是绘出材料的低周疲劳曲线，采用低循环次数时不发生疲劳的最大应力值，作为材料的疲劳极限。在压力容器强度计算时，一般只是做疲劳分析，以校核强度计算结果。屈强比是指屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比是表征材料机械性能的特征参数。屈强比越小，发生脆性破坏的可能性越小。但屈强比太小，材料的强度水平就不能充分发挥。屈强比越大，承载能力越强，但塑性下降，容器易发生脆性破坏。(2)塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性形变的能力。代表塑性指标的是延伸率和端面收缩率。延伸率这一塑性指标并不反映在强度计算中，但和制造过程中的冷加工和焊接等关系密切，从而和压力容器的使用安全直接相关。延伸率低，在锤击、剪切、冷卷、冲压等冷操作和焊接时，可能产生裂纹，甚至脆性断裂；使运行中的容器塑性贮备的安全性降低。(3)韧性韧性又称为冲击韧性，是指材料抵抗冲击载荷的能力。从能量观点认为材料在变形过程中，当吸收的能量达到某一数值时便发生断裂，利用断裂前吸收的能量的大小来衡量材料的韧性。材料的韧性用锤击一定形状缺口试样的冲击功来表示。压力容器用钢材在满足强度要求并具有良好塑性的情况下，有时(特别是在低温下)仍不可避免脆断，故对压力容器用钢还要有韧性要求。(4)硬度硬度是指材料抵抗硬物侵入的能力。由于测定方法不同，表示硬度指标的方法有多种，如用金刚石压人法，称为洛氏硬度；用钢球压入法，称为布氏硬度。(5)安全系数安全系数是承压设备设计中的一项基本因素，是为了在设备使用期间对可能损害设备安全的各种因素提供适当的安全裕度。二、压力容器设计1设计的一般要求压力容器的设计应该符合规范、手续完备、选材得当和结构合理，应该符合安全可靠和经济合理的要求。(1)设计单位资格为确保压力容器的设计质量，国家规定凡设计锅炉、压力容器的专业单位，须经主管部门和劳动部门的审查、批准，发给设计许可证书，方可承担设计任务。无证单位不准自行设计压力容器。压力容器设计，应由设计单位技术负责人批准。设计图纸上应该有设计、校对和审批人员三级签字。设计总图除上述要求外，还必须有单位技术负责人签字和压力容器设计单位批准书的编号和批准日期。没有设计单位批准书的编号和批准日期的图纸不得在社会上流通，制造单位可以拒绝加工。全国性锅炉定型设计，须经国务院主管部门和国家劳动人事部门审批。非全国性锅炉定型设计则要经过省、自治区、直辖市主管部门和同级劳动部门审批。锅炉总图上应该有劳动部门锅炉压力容器安全监察机构的审批标记，无审批标记的总图不得流通。(2)压力容器结构压力容器设计应该尽可能避免应力的集中或局部受力状况的恶化。受压壳体的几何形状突变或其他结构上的不连续，都会产生较高的不连续应力。因此，应该力求结构上的形状变化平缓，避免不连续性。在压力容器中，总是不可避免地存在一些局部应力较高或对部件强度有所削弱的结构，如开孔、转角、焊缝等部位。能够引起应力集中或削弱强度的结构应该互相错开。压力容器封头从力学的角度分析球形最理想，在相同的直径和压力下，球形封头所需壁厚最小。但是由于它的深度太大，加工制造比较困难，一般很少采用。用的比较多的是椭圆形封头。在封头半径与高度的比值相同的情况下，碟形封头比椭圆形封头存在较大的弯曲应力，故应尽量少采用碟形封头。无折边球形封头使简体产生较大的附加弯曲应力，因而只适用于直径较小、压力较低、无毒非易燃流体的容器。锥形封头只在工艺条件确实需要的情况下才采用。平板角焊封头一般不宜用于压力容器。压力容器壳体上的开孔，如人孔、手孔和检查孔等，一般应为圆形、椭圆形或长圆形。壳体上所有开孔都应与焊缝错开。容器开孔，受压壳体因结构不连续而引起应力集中，在孔的边缘产生很高的局部应力。为了降低壳体开孔边缘的局部应力，在开孔处应进行补强。(3)材料的选用材料的质量和规格应该符合国标、部标和有关的技术要求。选用的钢材要有良好的机械性能，即强度高、塑性和韧性好、冷脆倾向较低、缺口和时效敏感性不明显。钢板的分层和夹渣等缺陷较少，无白点和裂纹。承压元件必须采用镇静钢，不宜采用沸腾钢。由于沸腾钢是在不完全脱氧的条件下炼得的，含氧量较高，硫、磷等杂质分布不均匀。焊接时裂纹倾向较大，厚板焊接时有层状撕裂倾向。同时沸腾钢在钢水浇模时残留氧与钢中的碳化合为一氧化碳，气体排出时使钢呈沸腾状态，极易在钢锭内形成小气泡，成为钢材内部缺陷。而镇静钢脱氧完全，组织均匀，冲击韧性也较好。选用的钢材要有良好的工艺性能，即轧制、成型；锻造、焊接等冷热加工性能。选用的钢材要有对介质的耐腐蚀性。低温容器用钢的突出问题是低温下的脆性破裂。高温下材料的强度是温度和时间的函数，短时高温强度不能正确反映材料的高温强度特征，必须采用长时高温强度。材料的高温强度指标主要是蠕变限和持久强度。蠕变限是指材料在某确定的高温下工作十万个小时引起允许的总变形的应力。持久强度是指在一定的工作温度下经历指定工作期限后，不引起蠕变破坏的最大应力。另外，高温下材料的抗氧化能力和抗腐蚀能力都明显下降。2、设计基础(1)设计压力和设计温度对于非旋转容器，设计压力一般要高出操作压力01MPa或10；而旋转容器的设计压力则要高出预期的最高压力的510。设计温度通常要高出不会引起规范许可应力减少的最高温度30。比如，在180操作的碳钢容器，其设计温度为350而不是210。这是因为有两个温度的许可应力是相同的。如果容器规范标记的是较低的温度，将来一旦需要提高操作温度，规范标记就得变更至希望增加到的温度，从而会造成混乱。同样的理由，容器设计压力应该标记基于部件最小壁厚的最大允许工作压力，而不能标记用于计算最小壁厚的压力。(2)最小板材厚度大直径低压容器的板材厚度常是任选的而不是基于设计压力计算出来的。这使得计算出的最大允许工作压力远大于设计压力。在制造厂中，如果不用卡箍把壳体部分固定成圆柱形，大直径薄板壳体就无法加工。应用厚板材可以简化加工程序，同时易于装配和安装，这是薄板壳体加工中板材厚度经常超标的主要原因。设计规范规定，大直径压力容器的板材厚度不应小于(D254)1000，其中，D是筒体的最小直径(单位m)。焊接结构的最小板厚度许多组织规定为5mm或6mm。(3)外压或真空许多过程容器是在外压或真空下，或偶尔是在这些条件下操作。设计规范规定规范容器，偶尔承受01MPa及其以下的外压，无需考虑外压结构的规范要求，在应用这项规范弃权时，应该充分考虑到各种可能的后果，如罐体破裂时的人员危险，更换容器的费用，内容物泄出的财产损失和危险等。外压设计是一项在许多徒然花费的容器中反复试验的工作。几乎在所有情况下，真空设施和密封管的使用费用都比真空设计费用低。除非掌握可靠的制造成本，设计者应该向制造厂提供几种可供估价的替代设计方案。(4)材料选择结构材料选择在多数情况下都属经验问题。过去证明满意的材料，除非有充分的更换理由，在类似情况下很可能又被使用。当缺乏经验时，必须考虑以下一些因素。材料在设计压力和温度下的允许应力并不需要过量的壁厚。一些材料，如铜、铝、它们的合金和铸铁都有具体的温度限度。过程容器结构材料预期的腐蚀阻力，可以在容器操作同样的条件下近似测出。实际操作的腐蚀速率与在实验室实验测得的模拟操作腐蚀速率，由于许多不可预见的操作因素，经常会有很大不同。对于没有类似操作条件经验的新过程，经受腐蚀的咨询是需要的，高纯度的需要可能会限制材料的选择，但是这并不意味着最昂贵的材料是最好的。当压力和温度条件允许时，可以采用金属镀层、玻璃、橡胶、铅板、塑料衬套等，而不必采用贵重的合金。要求制造商提出替代建议，例如，不锈钢与铝此较以及金属包层材料与固体合金比较等；这样做常是合理的、有益的。在壁厚等于或小于127mm的情况下，金属包层材料对于降低消耗不一定起作用。虽然金属包层材料的成本比固体合金的低，但两者的制造成本近乎相等，所以两者的总成本相差无几。(5)非压力负荷容器及其支架的设计必须与以下各项负荷匹配：容器及其内容物的重量；料盘、隔板、蛇管等内件的重量；装置、搅拌器、交换器、转筒等外件的重量；建筑物、扶梯、平台、配管等外部设施的重量；固定负载和移动负载的重量；隔离板和防火墙的重量；风力和地震负荷。除上述之外，还必须考虑支撑耳柄、环形加强肋以及热梯度的作用，这些负荷都可以引起过量的局部应力。(6)支架立式容器一般用立柱和耳柄支撑，有时还会用到环形槽钢或折边。对于用立柱或耳柄支撑的大型容器，应该详细考察支撑物对壳体的作用。可以有几种方式完成折边连接，比较一致的意见是，折边和壳体外径应该相同，折边和封头转向节平焊连接。这种连接方法只适用于椭球形或球形封头；对于凸面或碟形封头，折边应该和底封头凸缘的外径吻合，角焊连接。大型卧式容器常用三个或更多的鞍形托架支撑。对于铆接结构，每个铆接环缝与一个鞍形托架邻接，防止铆接缝的泄漏，这是普通的实践。设计和安装鞍形托架，可以应用封头的强度保持壳体的圆度，应用加强环也可以实现这个功能。对于小型容器，不管是卧式的还是立式的，其支架的设计由于支撑附件造成的二次应力、扭矩和剪切力，可能会比大型容器复杂得多。(7)封头压力容器封头有半球形、椭球形、锥形、准球形、平板形等几种类型。在材料、直径和压力负荷都相同的条件下，前四种类型封头的壁厚按序增加，而平板形封头的壁厚还没有简单的计算关系。半球形封头在各种类型封头中应力分布最好，而且一定的容积所需要的材料最少。但是球形封头会使筒体产生较大的附加弯曲应力，因而只适用于直径较小、压力较低的无毒、非易燃介质的容器。长短轴之比为2的椭球形封头与准球形封头比较，前者的应力分布要好一些；直径超过15m、压力负荷在1MPa以上，前者的制造也要经济一些。与凸面形和碟形封头一样，椭球形封头的大小也是由其内径而不是由其外径来决定。锥形封头一般是冲压、而不是滚压或旋压制造，其制造费用相当高。锥形封头常用于蒸煮或提炼容器，有时用于排除固体或浓稠物料。截头锥形封头常用做容器直径不同的两部分之间的过渡段。设计规范允许在某些情况下，可以应用无过渡转向节的锥形封头，但这些封头只能在低温、低压条件下使用。标准折边碟形封头的碟形凸面半径应该等于或小于封头折边的外径，但凸面和折边间的过渡转向节的半径应不小于封头折边外径的6，而且不小于封头壁厚的三倍。平板焊接封头除小型低压容器密封外，一般压力容器不宜采用。平板封头会把严重不连续的应力引入圆柱形壳体，如确需应用，壳体和封头应该有足够的厚度，而且要采用全焊透的焊接结构。三、压力容器的制造和安装1压力容器制造为了确保压力容器的制造质量，国家规定凡制造锅炉、压力容器的专业单位，须经主管部门和劳动部门的审查、批准，发给制造许可证书，无证单位不准制造承压设备。非专业单位若自制自用压力容器，须办理申请、审查和批准手续。材料复验是保证承压设备制造质量的第一关，直接关乎承压设备的使用安全和寿命。材料复验的主要内容是：材料必须具有质量合格证明书；根据材料的机械性能和化学成分进行必要的复验，以证实材料的可靠性；复验程序必须按有关的技术标准进行。压力容器制造可以采用栓接、铆接、锻冶、浇铸、钎接等连接方法的一种或多种的组合。虽然过去一些年，管式锅炉的管座与蒸气和水的箱体一直采用螺栓连接，但到了目前除法兰外，螺栓连接已不再广泛用于压力容器的结构中。铆接结构也几乎成为过去的事情。加工圆柱形壳体，如果其壁厚和直径的比值较大，滚压和冲压难以成型。所以锻法除锻造零配件外，也广泛用于高压筒体的加工中。浇铸适用于特殊形状筒体的加工。根据压力容器标准，铸铁有确定的压力和温度限制，而铸钢没有这些限制。使用锌铜合金的钎焊多用于公用设施小型空气筒的加工，且限制温度最高到2078，壁厚最大到254cm。许多非铁材料采用钎焊。除少数特殊情况外，几乎所有的工业用压力容器都是焊接结构。焊接工艺有许多种，如钎焊、锻焊、气焊、铝热剂焊、电弧焊、感应电焊、接触电阻焊、射流焊接等。压力容器一般采用手工的或自动的，电弧焊或气焊。对于焊接的工艺要求和操作者的资格，锅炉和压力容器规程都有详细的说明。因为焊接接头往往存在着某些焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合、咬边等；存在着组织和性能的不均匀性。因此，焊接接头的质量直接反映了压力容器的制造质量。为提高焊接质量，制造厂除严格焊工的培训和考核外，还应该保持良好的焊接环境；按评定合格的焊接工艺施焊；做好焊接的预热、后热及焊后的热处理工作。2压力容器安装锅炉和压力容器的专业安装单位须经劳动部门审核批准方可从事承压设备的安装工作。安装作业必须严格执行国家规范，按安装规程的要求施工。安装过程应该对安装质量分段验收和总体验收。验收由使用单位和安装单位共同进行，总体验收应有上级主管部门和劳动部门参加。设计中考虑的安全技术措施，制造中有关安全的技术要求，在安装时也应满足。此外，支柱、平台、扶梯等附件的制作和安装都应该符合有关规定的要求。安装中还应考虑基础沉降危险及接管安全的问题。组装焊件不得用强力使焊件对正；组装所需的焊接耳柄、拉筋板等应采用与容器相同的或焊接性能相似的材料；现场组装的焊接容器应对焊缝做表面探伤。对于胀接，为保证质量事前应做好试胀工作，确定合理的胀管率。在胀接过程中应随时检查胀口的质量，及时发现并消除缺陷。四、压力容器定期检验压力容器的定期检验，由当地锅炉和压力容器安全监察机构授权或批准的检验单位进行。从事检验的人员应经当地劳动人事部门考核批准。1检验周期压力容器的定期检验周期，可分为外部检查、内外部检验和全面检验三个类型的周期。检验周期由使用单位根据容器的技术状况和使用条件自行确定。但至少每年作一次外部检查，每三年作一次内外部检验，每六年作一次全面检验。压力容器遇有以下情况，检验周期应予缩短：用于强腐蚀介质并在运行中发现有严重缺陷，每年至少进行一次内部检验；无法进行内部检验的容器，每三年进行一次耐压试验；使用期已达15年，每两年进行一次内外部检验；使用期已达20年，每年进行一次内外部检验；介质对容器材料的腐蚀情况不明，材料焊接性能差或制造时多次产生裂纹并经多次返修的容器，交付使用满一年后应进行内部检验。另外，压力容器停用两年以上，恢复使用前应进行内外部检验，必要时进行全面检验。压力容器的检验周期在以下情况可以适当延长：非金属衬里完好、壳体无损坏，全面检验周期可适当延长，但不得超过八年；非腐蚀介质或有可靠的金属衬里，经12次内部检验确认无腐蚀，全面检验周期也可适当延长，但不得超过九年。检验周期的延长应慎重考虑，必须有可靠的科学依据。2检验内容(1)外部检查外部检查的主要内容是：压力容器及其配管的保温层、防腐层及设备铭牌是否完好无损；容器外表面有无裂纹、变形、腐蚀和局部鼓包；焊缝、承压元件及可拆连接部位有无泄漏；容器开孔有无漏液漏气迹象；安全附件是否完备可靠；紧固螺栓有无松动、腐蚀；设备基础和管道支撑是否适当，有无下沉、倾斜、裂纹、不能自由胀缩等不良迹象；容器运行是否符合安全技术规程。(2)内外部检验除外部检查的各款项外，内外部检验还包括以下内容：内外表面的腐蚀、磨损情况；所有焊缝、封头过渡区、接管处、人孔附近和其他应力集中部位，有无裂纹，衬里有无突起、开裂、腐蚀或其他破损；高压容器的主要紧固螺栓应进行宏观检查并做表面探伤。(3)全面检验全面检验除包括内外、部检验的全部款项外，还应该做焊缝无损探伤和耐压试验。3压力试验压力容器的耐压试验和气密性试验，应在内外部检验合格后进行。除非规范设计图纸要求用气体代替液体进行耐压试验，不得采用气压试验。需要进行气密性试验的压力容器，要在液压试验合格后进行。耐压试验是检验容器强度、制造工艺质量等的综合性试验，而气密性试验是为了检验容器的严密性。如果压力容器的设计压力是p，液压试验的压力为125p；气压试验的压力，低压容器为120p，中压容器为115p。对于高压或超高压容器，不采用气压试验。气密性试验一般在设计压力下进行。耐压试验后，压力容器无泄漏、无明显变形；返修焊缝经无损探伤检查无超标缺陷；要求测定残余变形率的，容积残变率10，或径向残变率003，即可认为压力容器耐压试验合格。对于气密性试验，达到规定的试验压力后保持30min，在焊缝和连接部位涂肥皂水进行试验。小型容器亦可浸于水中进行试验。无气泡即可认为合格。五、压力容器安全附件安全附件是承压设备安全运行的重要组成部分。选用安全附件应满足两个基本要求，即安全附件的压力等级和使用温度范围必须满足承压设备工作状况的要求，制造安全附件的材质必须适应承压设备内介质的要求。安全阀、压力表和水位计是锅炉必不可少的安全附件。此外，还有高低水位报警器、引送风连锁装置、火焰监视器和紧急切断阀、防爆门和排污装置以及温度和流量测量仪表。用于压力容器的安全附件包括安全阀、爆破片、紧急放空阀、液位计、压力表、单向阀、限流阀、温度计、喷淋冷却装置、紧急切断装置、静电消除装置、防雷击装置等。下面简单地介绍压力容器最常用的几种安全附件。(1)安全阀安全阀的选用，应该根据压力容器的工作压力、温度、介质特性来确定。压力不高的承压设备大多选用杠杆式安全阀；高压容器多半选用弹簧式安全阀。流量大、压力高的承压设备应选用全开式；介质为易燃易爆或有毒