一、压力容器的定义 所谓容器,通常的说法是由曲面构成用于盛装物料的空间构件。通俗地讲,就是化工、炼油、医药、食品等生产所用的各种设备外部的壳体都属于容器。不言而喻,所有承受压力的密闭容器称为压力容器,或者称为受压容器。
我国对压力容器的界限范围是根据 国务院第549号令特种设备安全监察条例第99条第二款规定压力容器是指承装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备,其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1Mpa(表压),且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa.L的气体,液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器;承装公称工作压力大于或者等于0.2MPa表压,且压力与容积德乘积大于或者等于.0Mpa.L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60摄氏度液体的气瓶,如氧舱等。
二、压力容器的分类 压力容器的分类方法很多,其主要方法有 1.按设计压力分类 按设计压力P的高低,容器可分为低压、中压、高压及超高压四个等级。其划分的范围及代号见表11。
表11 压力容器压力等级的划分 表11 压力等级 代号 设计压力范围 低压容器 L 0.1MP≤P<1.6MPa 中压容器 M 1.6MPa≤P<10MPa 高压容器 H 10MPa≤P<100MPa 超高压容器 U P≥100MPa 2.按制造材料分类 按制造材料的不同,金属容器可分为黑金属压力容器和有色金属压力容器。由于有色金属的市场价格高,制造成本高,所以往往将有色金属与碳钢不锈钢复合后制作压力容器,且只限制在特殊的情况下使用。其划分范围见表12 表12容器按制造材料的划分 铜制容器 有色金属压力容器 钛制容器 铝制容器 金属压力容器 铸钢容器 铸造容器 铸铁容器 黑色金属压力容器 碳钢 容器 钢制容器 合金钢容器 不锈钢容器 3.按按压力容器等级、品种及介质的危害程度分类 为了便于安全技术监督和管理,容规按压力容器设计压力、介质危害程度以及生产工艺过程中的作用原理将压力容器分为第一类压力容器、第二类压力容器及第三类压力容器,我国将化学介质危害分为极度危害、高度危害、中度危害、和轻度危害四个等级,具体划分见表13 表13化学介质危害程度等级划分 (1)极度危害(Ⅰ级)最高允许浓度<0.1mg/m3 (2)高度危害(Ⅱ级)最高允许浓度0.11.0mg/m3 (3)中度危害(Ⅲ级)最高允许浓度1.010mg/m3 (4)轻度危害(Ⅳ级)最高允许浓度≥10mg/m3 (1)下列情况之一,为第三类压力容器 ①高压容器;
②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乘积大于等于10MPam3);
④中压反应容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且PV乘积大于等于0.5MPam3);
⑤低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质,且PV乘积大于等于0.2MPam3);
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大于等于540MPa)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)、罐式汽车[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(面积大于等于50m3);
(2)下列情况之一的,为第二类压力容器;
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);
④低压管壳式余热锅炉;
⑤低压搪玻璃压力容器。
(3)低压容器为第一类压力容器((一)(二)中规定的除外) ①剧毒介质指进入人体量〈50g即导致肌体严重损伤或致死的介质,如氟、氢氟酸、氢氰酸、光气、氟化氢、碳酰氟等 ②有毒介质是指进入人体量大于等于50g即导致人体正常功能损伤的介质,如二氧化碳硫、氨、一氧化碳、氯乙烯、甲醇、氧化乙烯、硫化乙烯、二氧化碳、乙炔、硫化氢等 ③易燃介质指与空气混合的爆炸下限〈10,或爆炸上限与下限之差〉20的气体,如一甲胺、乙烷、乙烯、氯甲烷、环氧乙烷、环丙烷、氢、丁烷、三甲胺、丁二烯、丁烯、丙烷、甲烷等 4、从安全技术管理角度分类 按安全技术管理分类,压力容器可以分为固定式容器和移动式容器两大类。
(1)固定式容器 系指有固定的安装和使用地点,工艺条件和使用操作人员也比较固定,一般不是单独装设,而是用管道与其他设备相连接的容器。如合成塔、蒸球、管壳式余热锅炉、热交换器、分离器等。
(2)移动式容器 系指一种储装容器,如气瓶、汽车槽车等。其主要用途是装运有压力的气体。这类容器无固定使用地点,一般也没有专职的使用操作人员,使用环境经常变化,管理比较复杂,较易发生事故。
在上述分类方法中,只用第三类分类方法综合考虑了压力容器的设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等多种影响因素,分类方法比较科学、合理,因此得到了广泛的应用。
三、压力容器的结构特征及常见的破坏形式 1、压力容器的结构特征 压力容器是为介质的物理反应、化学反应、换热、储存、分离等提供一个密闭空间,其结构一般比较简单。压力容器根据其用途不同,结构形式也多种多样。主要有球形、圆筒形、箱形、锥形等。现将两种常见容器结构形式介绍如下 ⑴球形容器 球形容器的本体是一个球壳,此种结构由许多块预先按一定尺寸压制成形的球面板拼焊而成,直径较大。由于球壳是中心对称的结构,应力分布均匀,球壳体应力是相同直径圆筒形壳体应力的一半,压力截荷相同的情况下所需板材厚度最小,相同容积的结构表面积最小。因此可节省大量材料(与同压力截荷、同容积的圆筒形容器相比,可节约材料3040)。但由于制造工艺复杂、拼焊要求高,再加上内部工艺附件安装困难,故一般用于大型储罐,也有时用作蒸汽直接加热的容器。
⑵圆筒形容器 圆筒形容器是轴对称结构,此种结构没有形状突变,应力健在比较均匀,受力虽不如球形容器,但比其他结构形式好得多,制造工艺较简单,便于内部工艺附件的安装,便于工作介质的流动,因而是使用最普遍的一种压力容器。圆筒形容器一般也采用焊接结构。
2、压力容器的基本构成 压力容器一般由筒体、封头(端盖)、法兰、接管、人(手)孔、密封元件、安全附件、支座等部分组成, ⑴筒体 筒体是压力容器的重要部件,与封头或管板共同构成承压壳体,为物料的储存和完成介质的物理,化学反应及共他工艺用途提供所必需的空间。筒体通常用金属板材卷制焊接而成。
⑵封头(端盖) 封头是保证压力容器密闭的重要部件。凡是与筒体采用焊接联接而不可拆的称为封头;
与筒体以法兰等联接而可拆的,称为端盖。
⑶法兰 由于生产工艺需要和安装检修的方便,不少容器需采用可拆的连接结构,如压力容器的端盖与筒体之间、接管与管道之间的连接。这时通常采用法兰结构。法兰通过螺栓、楔口等连接件压紧密封件保证容器的密封。故法兰连接是由法兰、螺栓、螺母及密封元件所组成的密封连接件。
法兰按照所连接的部件可分为容器法兰及管法兰。前者用于容器的端盖与筒体连接;
后者用于接管(管道)与管道之间的连接。法兰按其整体性程度分成三种形式整体法兰、松式法兰和任意式法兰。
⑷密封元件 是指接触面之间或封头与筒体顶部的接触面之间,借助于螺栓等连接件压紧力可达到密封的目的。按其所用材料的不同分为非金属密封元件(石棉垫、橡胶O型环等)、金属密封元件(紫铜垫、铝垫、软钢垫等)和组合式密封元件(铁包石棉垫、钢丝缠绕石棉垫等)。按其截面形状又可分为平垫片、三角形垫片、八角形垫片、透镜式垫片等。不同的密封元件和不同的连接件相组配,构成了各种不同的密封结构。
①强制密封通过坚固端盖与筒体法兰的联接螺栓等强制方式将密封面压紧,从而达到密封的目的,如平垫密封、卡扎里密封等。
②自紧密封利用容器内介质的压力使密封面产生压紧力来达到密封目的。它的密封力随着介质压力的增大而增大,因而在较高的压力下也能保持可靠的密封性能,如组合式密封、“O”形环密封、“C”形环密封、“B”形环密封、楔形密封、八角垫和椭圆垫密封、平垫自紧密封、伍德密封、氮气式密封等。
③半自紧密封既利用容器内介质的压力,又利用坚固件的联接使密封面产生压紧力来达到密封的目的,如双锥密封就属于此。
⑸接管 适应压力容器安全运行及生产工艺的需要而设置于封头(端盖)及筒体上,用于介质的进出、安全附件的安装等。
⑹人孔、手孔 根据结构、介质等情况,压力容器需设置人孔或手孔等检查孔,用于容器的定期检验、检查或清除污物。人孔和手孔按其其形状可分为圆形及椭圆形两种;
按其封闭形式可分为外闭式及内闭式两种。
⑺安全附件 为了保证压力容器安全稳定可靠的运行,往往需要在压力容器上设置一些安全装置用以监测和监控压力容器内工作介质的参数。压力容器的安全附件主要有安全阀、爆破片、紧急切断阀、安全连锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。
⑻支座 支座是用于支承容器重量并将它固定在基础上的附加部件,其结构形式决定于容器的安装方式,容器重量及其他载荷,一般分为三大类即立式容器支座、卧式容器支座及球形容器支座。立式支座中最常见的有悬挂式支座(耳式支座)、支承式支座及裙式支座主要用于高大的直立容器(塔类)。卧式容器支座的结构形式主要有鞍式支座、支承式支座等。支承式支座只适用于小型容器;
鞍式支座常用于大中型容器;
圈座适用于薄壁容器及多于两个支承的长容器。球容器中常见的有裙式支座和柱式支座。裙式支座一般用于小型的球型容器。
3、常见的破坏形式及其预防 1、韧性破坏 (