压力容器的概述

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：0．1．MPa≤p<1．6MPa；(2)中压容器：1．6MPa≤p<100MPa；(3)高压容器：10MPa≤p<100MPa；(4)超高压容器，p>100MPa。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：pV<196．2kJ、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：pV≥196．2kJ、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；pV≥490．5kJ、易燃或有毒介质的中压反应容器；pV≥4905kJ、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。