中国化工装备手册：化工设备概述.doc

上海化科实验器材有限公司 中国实验室器材网 中国化工装备产品手册（第二版）第一章 化工设备概述（文档摘录于 上海化科实验器材有限公司 化科在线 ）化工机械可分为设备和机器两部分。化工设备占化工厂装备的8肠以上，如各种压力下的储存容器、换热容器、反应容器、分离容器等。这些设备虽然内部结构不同，操作条件各异，但就其外壳而言，从受力分析和设计计算分析，都属于压力容器范畴。压力容器是指承受内压力或外压力的密封容器，其结构形式主要为圆柱形，还有球形或其他形状。圆柱形容器是由筒体、封头、法兰、接管等零部件构成。我们在此所谈的压力容器是指容器及与其连为整体的连通受压零部件，包括容器接管与外管道焊接连接的第一道环向焊缝，螺纹连接的第一个螺纹接头，法兰连接的第一个法兰连接密封面，专用连接件或管件连接的第一个密封面，容器开孔的承压封头、平盖及其紧固件，支座、加强圈以及安全附件等。 一、压力容器的应用范围及特点 压力容器广泛用于化工、石油、核能、冶金、海洋、宇航、食品、医药、轻工、城建等各行各业，主要有反应容器、换热容器、分离容器和储存容器等。压力容器具有以下特点: (1)压力容器是生产过程中的工艺设备，其结构与性能必须满足生产工艺的要求.由于生产工艺的多样性，压力容器只能是多品种非标准的产品。对用户而言，也只能是单台设计，单台制造，很少能买到成品。 (2)由于生产工艺是在易燃、易爆、高温、低温、高压、强腐蚀、强辐射及容器内可能盛装有毒性介质等苛刻条件下运行，因而要求压力容器必须安全可靠。对于承受表压. IMPa以上压力的各种压力容器，国家进行压力容器安全技术监察。 (3)压力容器技术是一门综合性技术，涉及到化工过程原理、应用力学、材料科学、冶金工艺、焊接技术、检测技术、电子计算机等多种技术领域。 二、压力容输的设计、制造、使用管理休系 国家对承受表压Q. 1MPa以上压力的各种压力容器进行压力容器安全技术监察。 1.压力容器的设计单位 压力容器的设计单位必须获得省级以上含省级)主管部门批准及同级劳动部门备案的压力容器设计单位批准书，否则，不得设计压力容器。根据设计单位的技术水平，分别认可其具有设计第一类、第二类或第三类压力容器的资格。设计总图上应盖有压力容器设计单位资格印章，审核和审定人员应经资格认可，并持有相应类别的审查人员资格证书。 2。压力容器的制造单位 为了进一步完善和规范压力容器制造资格的管理工作，逐步实现法制化，用法规代替文件管理，根据锅炉压力容器安全监察暂行条例的规定，制定了压力容器制造单位资格认可与管理规则。压力容器制造许可证实行分级管理，制造许可证的级别划分和发证部门见表1-1。 3，压力容器的使用单位 压力容器投人运行后，使用单位必须对压力容器的安全技术管理负责。使用单位要将投人运行的压力容器向地市级劳动部门锅沪压力容器安全监察机构申报和办理使用登记手续。使用单位还要认真安排对在役压力容器的定期检查制度，并将年度检验计划上报劳动部门.压力容器的定期检验分为外部检查、内外部检验和耐压实验。外部检查和内外部检验的内容及安全状况等级的判断，要遵从劳动部颁发的在用压力容器检验规程. 三、压力容登的分类 压力容器的分类方法很多，压力容器安全技术监察规程(以下简称容规)按以下几种方法分类。 (一)按压力容器品种划分 容规按压力容器在生产过程中的作用原理，将压力容器分为以下4种。 1.反应压力容器(代号R):主要是用来完成介质的物理、化学反应的压力容器，如反应器、反应釜、分解塔、聚合釜、高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉等; 2，换热压力容器(代号:主要是用来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、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、硫化锅、消毒锅、染色器、供缸、破化锅、煤气发生炉水夹套等; 3.分离压力容器(代号S):主要是用来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、清洗塔、钢洗塔、干操塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等; 4.储存压力容器(代号C,其中球罐代号$):主要是用来储存盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，如各种型式的储罐。 如果一种压力容器同时具有2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。 (四)按管理分类 按照压力容器的压力等级、品种、介质毒性程度和易燃介质的划分，容规将压力容器分为3类. 1。下列情况之一的为第三类压力容器: t1)高压容器; C)中压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质); (3)中压储存容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积1MPam); (4)中压反应容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且v乘积)0甲SMPa m) ; (5)低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pv乘积妻. 21VIPam3); (6)高压、中压管壳式余热锅炉; (7)中压搪玻璃压力容器; (8)使用强度级别较高(指相应标准中抗拉强度规定值下限)5 40MPa )的材料制造的压力容器; (9)移动式压力容器，包括铁路罐车(介质为液化气体、低温液体)、堆式汽车液化气体运输(半挂)车、低温液体运输(半挂)车、永久气体运输(半挂)车和罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体)等; (10)球形储罐(容积5C3m); (11)低温液体储存容器容积5m)o2.下列情况之一的为第二类压力容器(第1条规定的除外):(1)中压容器;(2)低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质);(3)低压反应容器和低压储存容器(仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质);t4)低压管壳式余热锅炉;C5)低压搪玻璃压力容器。3.低压容器为第一类压力容器(第1、第2条规定的除外) 压力容器除按以上几种方法分类外，还有其他分类方法。例如按容器受压情况分为内压容器和外压容器。按容器筒体的外径D0与内径Di的比值K =D0rW的大小，可分为薄壁容器甲1)和厚壁容器Cx. i7。按容器的使用温度又可分为常温容器,高温容器指壁温达到材料蛹变温度的容器，对碳素钢或低合金钢容器温度超过42a0C,合金钥(如Cr-Ma钢)超过4500C，奥氏体不锈钢超过5500C、低温容器(指壁温低干一2 d0C条件下工作的容器，其中一40一200C者为浅冷容器，低于一40者为深冷容器)。按安全管理和技术监督分为固定式容器和移动式容器2类，前者容器有固定位置并由支座支承，大部分容器属于此类;后者容器没有固定位置，如槽车、气瓶等，此类容器为了安全，设计时取材的安全系数较大。 四、压力容拐的设计准则 压力容器设计分为常规设计和应力分析设计。常规设计是基于弹性失效准则，采用最大主应力理论建立的强度条件，将应力控制在许用应力以下;应力分析设计是基于塑性失效准则，采用最大剪应力理论建立的强度条件，以详细而严格的应力分析为设计基础，根据各类应力的特点分别给出不同的限制条件。此外，对于某些特殊容器，还有不同的设计准则。压力容器的设计内容包括强度计算和结构设计。 1_,常规设计 常规设计是按设计规范的规定进行的设计。大量的容器破坏试验结果表明，由塑性较好的材料制成的容器从开始承受压力到发生爆破，大致经历4个阶段，其变形和试验压力之间的关系曲线可用材料的应力一应变图表示，见图1-20图中oA为第一阶段，称弹性变形阶段。在此阶段，容器壳体的应力和变形随试验压力的增加而成正比地增加。AB为第二阶段，称屈服阶段。在此阶段，容器壳体首先由内壁开始屈服，随着试验压力的增加，屈服区域逐渐由内壁向外壁扩展，直至整个截面全部屈服为止。此时，试验压力虽然不继续增加，而容器壳体的塑性变形却不断增大，此时的压力称屈服压力(p.)，对应的应力称屈服应力(as)。对于不同的材料，屈服阶段长短不一，如低碳钢制造的压力容器在常温下屈服阶段比较明显，塑、韧性较差的某些高强钢则不明显o BC为第三阶段，称强化阶段。当试验压力增加到屈服压力后，容器壳体虽然发生了大量的塑性变形，但未立即发生爆破，而是发生“应变强化”现象，使容器壳体产生承受更高压力的能力，所以屈服后试验压力还可以继续增加，直至到C点以后发生爆破。因此，压力容器可分为弹性失效、塑性失效和爆破失效3种失效形式。 为了防止容器壳体产生失效甚至破坏，控制或避免过大的弹性和塑性变形是各国压力容器厚度计算公式的基础。美国锅炉和压力容器规范ASME第八篇第一分篇压力容器、日本ISE $243受压容器结构规范、英国BS 550fl非直接火压力容器、原西德AD受压容器规范、中国国标GI3 150 钢制压力容器等，均是以弹性失效准则为依据，采用不同强度理论的设计规范，即常规设计规范，在设计时只考虑静载荷的作用。根据这些公式能确定筒体或部件中平均应力的大小，只要此值限制在弹性范围的某一许用值内，则筒体或部件就是安全的。对于局部应力、温度或压力的波动引起的交变应力、材料中因存在裂纹而引起的峰值应力等都不予考虑，或只从结构上作粗略的局部加强。为了保证容器的安全运行，一般都采用较高的安全系数。 2.应力分析设计 应力分析设计是将容器在各种条件下的应力状况进行分类，然后按各类应力的不同性质和特点具体地、有针对性地规定其许用应力范围，以达到容器在各种复杂条件下安全可靠地运行及经济合理地使用材料的目的。我国713 4732钢制压力容器另一规定和美国ASME第八篇第二分篇均属应为分析设计规范，它们还对要求作疲劳分析的容器的计算、制造和检验等项作了具体的规定。 3.超高压容器设计 由于超高压容器筒壁很厚，径向应力和周向应力相当，薄壁容器的设计理论已不再适用。超高压容器目前还没有正式的设计规范，但一般按屈服压力和爆破压力来进行设计。其安全系数必须同时满足:以爆破压力为基准的取大于或等于2. 5，以屈服压力为基准的取大于或等于2。 4核能容器设计 核能容器长期受堆芯裂变时产生的强烈中子流和了射线辐射，导致容器材料的冲击韧性和延展性降低，增加了发生脆性破坏的可能性;另外，必须严格防止容器内放射性物质的泄漏。故对其密封结构和整个容器的安全可靠性有极其严格的要求。与一般压力容器相比，在设计、选材、制造、检验、操作、维修等环节均有其特殊要求及专门规范供选用。但国内目前还没有正式规范，可按美国ASME第三篇核动力装置设备进行设计。 5.直接受火焰加热容器设计 可按照B 2194水管锅炉受压元件强度计算的规定，或采用美国ASME第一篇动力锅炉和第四篇采暖锅炉进行设计。 6.经常搬运的容器的设计 经常搬运的容器，如气瓶、汽车槽车、铁路槽车等，不仅承受内压或外压，搬运中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击。与一般容器相比，在结构、使用和安全方面均有其独自的要求。气瓶安全监察规程、溶解乙炔气瓶安全监察规程、液化气体铁路槽车安全管理规定、液化石油气汽车槽车安全管理规定，对此类容器的设计、制造、充装、检验、运输、储存等均作了具体而明确的规定。 在具体进行压力容器设计时，应根据用户提供的原始数据和工艺条件图，选择合理的结构形式，拟定主要尺寸，选择适当材料，运用准确可靠的计算公式和计算软件进行强度计算，确定最佳结构尺寸，使容器各部位均能满足所需强度、刚度要求，然后绘制产品图样，编制制造工艺和质量要求，确保容器安全可靠、技术先进和经济合理。 五、压力容器术语 1.工作压力在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力(系指表压力，下同)。 2.最大工作压力在正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。 3.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压力。该压力是根据容器受压元件的有效厚度计算所得。 4.设计压力指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，其值不低于工作压力。 5.计算压力指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5%设计压力时，可忽略不计。 6甲试验压力指在压力试验时，容器顶部的压力。 7.工作温度在正常工作情况下，容器内的介质温度。 8.最高(低)工作温度在正常工作情况下，容器内介质可能出现的最高(低)握度。 9，设计温度容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。标志在铭牌上的设计温度应是壳体设计温度的最高或最低值。 10.试验温度指压力试验时，壳体的金属温度。 11.公称直径对于钢板卷焊成的简体，是指容器的内直径;当采用钢管作简体时，是指钢管的外直径。 12.厚度附加值设计容器受压元件时所考虑的附加厚度，包括钢板或钢管的厚度负偏差和腐蚀裕量。 13.最小厚度为满足制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求，根据工程实践经验，对壳体元件规定的不包括腐蚀裕量在内的最小厚度口。 七、压力容器技术发展趋势 1.超高压容器、预应力铸铁容器、有色金属容器、高强度塑料容器和高温容器等的结构与一般压力容器大不相同，设计这些容器还没有相应的正式标准和规范，还零要通过研究开发、数值计算和工程实践去创建和完善; 2.在材料方面，低焊接冷裂纹敏感性CF-62钢经过试验，将在高参数球形容器上得到应用; 3.核电和化工装置所用的大型厚壁