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压力容器基础知识 江苏省南通质量技术监督局高滇义 第一节压力的一般概念 一 力和力的单位1 力 是一个物体对另一个物体的作用 这个作用使物体的运动状态发生改变或物体的形状发生改变 力不能离开物体单独存在 力的大小 A 根据物体运动状态发生改变的程度 B 物体的形状发生改变的程度来衡量 2 力的单位 根据牛顿第二定律 物体运动的加速度与作用力成正比 而与它的质量成反比F mam 表示物体的质量 单位千克 Kg a 表示物体运动的加速度 单位 米 秒2 m s2 F 表示力 单位牛顿 N 力的法定计量单位是牛顿 1Kg的物体产生1m s2加速度的力为1N 工程上用千克力 kgf 作力的单位 1kgf 9 81N 二 压力和压力的单位 1 压力 均匀垂直作用在物体表面的力称为压力 均匀垂直作用在物体表面单位面积的压力称为压强 工程上一般把压强称为压力 用P表示 2 压力的单位 牛顿 米2 N m2 即表示将1牛顿的力均匀垂直作用在1平方米的面上所产生的压力 又称为帕斯卡 Pa 简称帕 1帕 1牛顿 米2或1P 1N m21MPa 兆帕 106Pa1MPa 10 2kgf cm21kg cm2 0 098MPa 三 表压力和绝对压力P绝 P表 0 1MPa 1 表压力 指压力表上直接指示的压力值 又是指容器内的压力与容器周围大气压力的差值 用P表表示 它是一个相对值 2 绝对压力 实际上作用在容器器壁上的压力应该是压力表上指示的压力再加上容器周围的大气压力 这个绝对真实的压力称为 绝对压力 用P绝表示 四 气体压力的形成 一切物质都是由分子构成的 在容器中运动着的分子碰撞器壁产生冲击力 由此产生一个持续而稳定的作用力 而总的作用力总是垂直地作用于器壁 这样就形成了气体压力 气体压力不仅仅作用于容器的底部 而是作用于整个器壁上 因此提高气体温度 增大气体密度 加速气体分子运动速度都可以使气体压力增高 五 压力容器的压力来源 气体的压力由器外产生 增大 气体的压力由器内产生 增大 1 在器外产生 增大 压力的情况 压力来源于气体压缩机或蒸汽锅炉等 一般通过缩小气体的体积 增大气体的密度 加速气体的流动速度来提高气体的压力 这类容器最高压力一般只限于保持压力源出口的气体压力 2 在器内产生 增大 压力的情况 A 器内介质的聚集状态发生改变 B 介质在器内受热温度剧烈升高 C 介质在器内发生体积增大的化学反应等 第二节温度的一般概念 一 温度及温度的测量仪器温度 表示物体冷热程度的物理量 测量仪器 温度计 A 水银 B 酒精 C 电阻 D 热电偶 二 温度的表示方法 A 摄氏温标 将在标准大气压下水的结冰温度定为0度 把水的沸腾温度 沸点 定为100度 在二者之间等分为100格 每格为1度 又称为百分温度 用 表示 B 华氏温标 将在标准大气压下水的冰点定为32度 沸点212度 二者之间等分为180格 每格为1度 用 0F 表示 C 绝对温标 开氏温标 以水的三相点 冰 水 水蒸气三相平衡共存的温度 定为273 16K 其分度法与摄氏温标相同 用 K 开尔文 表示 又称为热力学温度 三 换算 摄氏温标 5 9 华氏温标 32 开氏温标 273 16华氏温标 9 5 摄氏温标 32 9 5 开氏温标 273 16 32开氏温标 摄氏温标 273 16 5 9 华氏温标 32 273 16 第三节压力容器的介质分类及特性 一 介质分类根据 压力容器安全技术监察规程 中规定的HB20660 压力容器中化学介质毒性危害及爆炸危险程度分类 的规定 无规定时按表1 2 1 易燃介质 与空气混合爆炸下限 10 或爆炸上限和下限之差 20 的气体 2 毒性危害程度分类 1 毒性的含义毒物 凡作用于人体产生有毒作用的物质称为毒物 中毒 毒物侵入人体后与人体组织发生化学或物理化学作用 并在一定条件下 破坏人体的正常生理功能或引起某些器官或系统发生暂时性或永久性病变的现象 毒性 用空气中该毒物的浓度来表示 即 mg m3 g m3 空气中允许的浓度越小 毒性越大 2 分类 极度危害高度危害中毒危害轻度危害 参照HB20660 压力容器中化学介质毒性危害及爆炸危害程度分类 的规定分为四级 二 一些常见介质的物理 化学特性 1 蒸汽 水的气态形式 分子式 H2O无色 无味 与蒸汽相关的几个定义 饱和温度 在一定压力下不断对水加热 水温渐渐升高 最后达到饱和温度 饱和温度与压力有关 压力 饱和温度相应 即一定压力对应一定饱和温度 饱和水 达到饱和温度的水 饱和蒸汽 达到饱和温度的蒸汽 过热蒸汽 在一定压力下对饱和蒸汽加热 可以提高蒸汽的温度 这种蒸汽称过热蒸汽 2 空气 混合物 无色 无臭 无味 分子量28 96体积百分比为 N278 O221 惰性气体0 94 CO20 03 灰尘及其它杂质0 03 与空气相关的几个参数 密度 00C 760mmHg 1 2928kg m3临界温度132 42 132 52K临界压力3 65 3 64MPa临界密度328 320kg m3沸点 压力760mmHg 78 8K液态空气密度 温度78 8K 873kg m3汽化热213kj kg 空气在工业生产中的作用 易压缩 作动力使用 物料输送 料液搅拌 管道吹净 在压力容器生产中用作气密性试验和气压试验的介质 3 氧气 无色 无味气体 分子式O2 微溶于水 氧气的物理性质 密度 在标准状态下 1 429kg m3比重 对空气 1 105 182 980C时 变为天蓝色透明液体 218 40C时 变为蓝色固体结晶临界温度 118 370C临界压力4 91MPa 氧的化学性质 活泼易于其它物质生成氧化物 氧化反应 放出热量 能助燃 可与H2 C2H2 CH4 CO按比例混合 成为可燃混合气体 有火源或产生引爆条件 能引起爆炸 各种油脂与压缩氧气接触可自燃 4 氢气 分子式H2无色 无味 无毒易燃气体分子量2 0158是最轻的气体氢的主要特性 着火 燃烧 爆炸 着火温度 空气中5850C 氧气中5600C 燃烧性能极好 氢氧焰可达3400K的高温爆炸极限 空气中4 0 75 氧气中4 7 94 5 氮气 分子式N2无色 无味 窒息性气体密度 标准状态下 1 25kg m3比重 对空气 0 967 195 300C时无色液体 210 10C时雪状固体工业上常作为置换 试验等用气 6 惰性气体 氦N2 氖Ne 氩Ar 氪Kr 氙Xe 氡Rn化学性质不活泼 很难和其它元素发生化学反应 故称为惰性气体 空气中总含量占0 94 左右 7 一氧化碳 分子式CO毒性很强 无色 易燃气体密度 标准状态下 1 25kg m3相对密度 对空气 0 967熔点 常压下 2050C沸点 常压下 1920C爆炸极限 空气中 12 5 75 爆炸极限 氧气中 15 5 93 9 空气中最高允许浓度30mg m3 8 甲烷 CH4无色 无臭 易燃气体密度0 7167kg m3比重 对空气 0 55熔点出 182 50C沸点 161 50C爆炸极限 空气中 3 5 14 爆炸极限 氧气中 5 1 61 9 二氧化碳 CO2 碳酸气 又称为碳酸酐 无色 无臭 有酸味的无毒性的窒息性气体 密度 在标准状况下 1 978kg m3相对密度 对空气 1 529密度 压缩液态时 370C 101kg m3沸点 78 50C干冰密度 液态CO2凝成固体 1 56kg L熔点 0 51MPa 56 60C 10 氯气 Cl2草绿色带有刺激性臭味毒性强的气体密度 标准状态下 3 214kg m3相对密度 对空气 2 49沸点 34 60C熔点 1020C液化 1 0 59 0 67MPa 常温 20 250C 2 400C 350C 常压变为绿色透明液体气化 在00C时 1L液氯可气化成450L以上气态氯 液氯气化时吸收大量的热 常见储液罐表面结霜 11 氨 NH3无色 刺激臭味 有毒气体密度 标准状态下 0 771kg m3相对密度 对空气 0 5971沸点 33 40C熔点 77 7C爆炸极限 空气中 15 28 爆炸极限 氧气中 13 5 79 最高容许浓度 室内 30mg m3 氨的危害性 氨和氯接触发生低温自燃 引起爆炸 氨气刺激鼻黏膜引起窒息 使咽喉红肿 咳嗽 声音嘶哑 眼皮红肿 长期在高浓度氨气作用下 引起肺气肿 肺炎 对神经系统也有刺激作用 并能破坏呼吸机能和血液循环 皮肤接触引起化学性灼伤 使皮肤红肿 起疮糜烂 12 氟里昂 F11 F12 F13 F14 F21 F22 F23 F112 F113 F114 F142 F152等 与水接触分解 无毒 无臭 除F152 氟乙烷 易燃 易爆外 其它不易着火 与空气混合不爆炸 2000C对金属无腐蚀 能溶于水 与油脂可互相溶解 沸点与种类有关 分子量大 绝热指数低 压缩终点温度和凝固点低故用作制冷剂 F142除外 13 氟化氢 HF 和氢氟酸 氟化氢以H2F2存在 无色气体或液体 相对密度 对空气 气体1 27液体0 987沸点19 40C熔点 83 70C在空气中发出烟雾 蒸气有强烈的腐蚀性和毒性 与水以任意比例互溶为氢氟酸 氟化氢的特性 氟化氢具有强腐蚀性 能与绝大部分物质发生反应 能腐蚀玻璃 须用铅制 腊制 塑料制器皿存放 无水物应储存与冷却的银器中 可用于蚀刻玻璃 标字 刻度 也可供制氟化物 如氟硼酸 氟硅酸等化合物 也可用作有机合成的催化剂和氟化剂 14 氯甲烷 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 又叫氯仿 CCl4 又称四氯化碳 四氯甲烷与乙醇 乙醚可按任何比例混合不会燃烧 可作溶剂 有机物的氯化剂 香料的浸出剂 纤维以及制氧工业的脱脂剂 灭火剂 分析试剂 四氯化碳特性 密度 4 200C 1 595熔点 22 80C沸点760C最高容许浓度 空气中 25mg m3 15 二氧化硫 SO2又称亚硫酸酐 无色 刺激性气体 常温下加压到0 39MPa表压时能液化成无色液体 密度 2 927kg m3液体密度 00C 1 434熔点 76 10C沸点 100C最高允许浓度 空气中 15mg m3用途 气体用于制三氧化硫 硫酸等 液态是良好的有机溶剂 用于精制各种润滑油 并作冷冻剂等 16 液化石油气 由丙烷 丙烯 正丁烷 异丁烷等为主要成分组成的混合物 易燃介质 气态比空气重 密度为空气的1 5 2倍 丙烷 C3H8 临界温度96 810C临界压力4 17Mpa临界密度220kg m3沸点 常压下 42 20C熔点 1870C最高热值93600KJ m3爆炸极限 200C 与空气混合的容积比 2 1 9 5 膨胀系数水的16倍 丙烯 C3H6 无色气体 分子量42 10临界温度91 4 92 30C临界压力4 41 4 47MPa沸点 常压下 47 70C熔点 185 20C爆炸极限 200C 与空气混合的体积百分比 2 0 11 0 正丁烷 C4H10 无色气体 分子量58 12临界温度152 030C临界压力3 79MPa沸点 常压下 0 50C熔点 183 30C爆炸极限 200C 与空气混合的体积百分比 1 6 8 5 异丁烷 C4H10 无色气体临界温度134 940C临界压力3 53MPa临界密度222kg m3沸点 100C爆炸极限 200C 与空气混合的体积百分比 1 9 8 5 17 环氧丙烷或称氧化丙烯 C3H6O无色液体 有醚的气味密度 4 200C 0 859沸点350C用途 1 制造丙二醇 泡沫塑料 2 醋酸纤维素 硝酸纤维素和树脂等的溶剂 18 环氧乙烷 或称氧化乙醚 透明液体 有醚味 高浓度时有刺激性臭味 有毒最高容许浓度 空气中 5mg m3闪点 开口法 180C熔点 112 50C沸点10 40C比重 40C 0 9966折射率1 3614爆炸极限 常压下 3 100 燃点 常温下 4200C自爆点 密闭 5710C 19 乙炔 CH CH又称电石气 纯乙炔无臭无毒 是单纯的窒息性气体 工业中因含杂质有特殊臭味 易燃 密度1 17kg m3相对密度0 91熔点 81 80C升华点 83 60C燃点3300C爆炸极限 空气中 2 5 81 氧气中 2 8 93 乙炔是一种化工原料 还广泛用于金属的焊接 切割 加热 第四节压力容器的含义和分类 一 压力容器的含义从广义上讲 包括所有承受压力载荷的密闭容器 压力容器安全技术监察规程 所辖范围内的压力容器 二 属 容规 管辖范围内的压力容器 同时具备下列条件 最高工作压力 Pw 0 1MPa 不含液体静压力 内直径 非圆形截面指其最大尺寸 0 15 且容积 V 0 025m3 盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体 三 压力容器的分类 1 按使用位置分类固定式容器 有固定的安装和使用地点 一般不单独装而是用管道与其它设备相连 工艺条件及操作人员相对固定 如反应釜 热交换器 吸收塔 储罐 球罐等 移动式容器 无固定的安装 使用地点 如液化气汽车罐车 铁路罐车 各种气瓶 2 按设计压力分类 低压中压高压超高压划分范围及代号见P19表1 6 3 按压力容器在生产工艺过程中的作用原理分 反应压力容器 代号R 换热压力容器 代号S 分离压力容器 代号S 储存压力容器 代号C 其中球罐代号B 4 按容器壁厚分类 薄壁容器 壁厚 容器内径的1 10厚壁容器 壁厚 容器内径的1 10公式计算 K D0Di式中 D0 外径 mm Di 内径 mm 当K 2时为薄壁容器 K 1 2时为厚壁容器 5 按容器工作温度分类 低温常温高温 6 按容器压力等级 品种及介质的毒性或易燃危害程度分 1 第一类压力容器 2 第二类压力容器 3 第三类压力容器 7 其他分类 按容器制造材料分类 见P21表1 7按压力容器制造许可证级别划分 见P24表1 9 第五节压力容器的使用特征 一 生产工艺要求高压力容器使用单位 特别是石油 化工行业 生产线长 容器种类多 数量多 相互关联 连续化生产 集中控制自动控制 DCS 对设备的运行可靠性要求高 二 使用条件比较恶劣