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1、第三篇第三篇 容器设计容器设计第十章第十章 容器设计基础容器设计基础第一节第一节 概概 论论一、容器的结构一、容器的结构 壳体壳体(筒体筒体)、封头、封头(端盖端盖)、法兰、支座、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。备通用零部件标准直接选用。二、容器的分类二、容器的分类压力容器分类压力容器分类按容器的形状按容器的形状 按承压性质按承压性质 按管理按管理其它其它按容器壁温按容器壁温按金属材料按金属材料按应用情况按应用情况按容器的形状按容器的形状按容器形状分类按容器形状分类名称名称特特 点点方形方形矩矩形容器形容器平板焊成，制造简便
2、，但承压能平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽力差，只用作小型常压贮槽球形容球形容器器弓形板拼焊，承压好，安装内件弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难不便，制造稍难,多用作贮罐多用作贮罐圆筒形圆筒形容器容器 筒体和凸形或平板封头。制造容筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，易，安装内件方便，承压较好，应用最广应用最广按承压性质按承压性质 内压：内部介质压力大于外界压力内压：内部介质压力大于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力真空：内部压力小于一个绝压的外压真空：内部压力小于一个绝压的外压容器容器表表4-1 内压容器的分类内
3、压容器的分类 容器分类容器分类设计压力设计压力 p（MPa）低压容器低压容器0.1p1.6中压容器中压容器1.6p10高压容器高压容器10p100超高压容器超高压容器p100按管理按管理表表4-2 安全检查规程使用范围安全检查规程使用范围项目项目条件条件最高工作最高工作压力压力pwpw0.1MPa，不包括液体静压不包括液体静压内径内径Di，容积容积VDi0.15m 且且 V0.025m3介质介质气体、液化气体或最高工作温气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体度高于等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒性危害程度以根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为及生产中
4、的作用，压力容器可分为三类。三类。第一类压力容器、第二类压力容器、第一类压力容器、第二类压力容器、第三类压力容器第三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器加热容器表表10-3 10-3 毒性危害程度分级毒性危害程度分级指指 标标分分 级级极度危害极度危害高度危害高度危害 中毒危害中毒危害 轻度危害轻度危害 急性中急性中毒毒吸入吸入 200 mg/m3200 mg/m32000 mg/m320000 mg/m3经皮经皮100100 500 2500经口经口2525 500 5000急性中毒急性中毒易中毒后易中毒后果严重果严重可中毒，可中毒，愈后良好愈后
5、良好偶可中毒偶可中毒无中毒但无中毒但有影响有影响慢性中毒慢性中毒患病率高患病率高较高较高偶有发生偶有发生有影响有影响慢性中毒后果慢性中毒后果 继续进展继续进展不能治愈不能治愈可基本治可基本治愈愈可恢复无可恢复无严重后果严重后果可恢复无可恢复无不良后果不良后果致癌性致癌性 人体致癌人体致癌可疑致癌可疑致癌动物致癌动物致癌无致癌性无致癌性最高容许浓度最高容许浓度 0.10.1-1.0-10常见化学介质常见化学介质 光气、汞、光气、汞、氰化氢氰化氢甲醛甲醛,苯胺、苯胺、氟化氢、氟化氢、二氧化硫二氧化硫,硫化氢硫化氢,氨氨名称名称说明说明三类容器三类容器（1）高压容器；高压容器；（2）毒性程度为极度和
6、高度危害介质的中压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；（3）中度危害介质，且中度危害介质，且pV大于等于大于等于10MPam3中压储存容器；中压储存容器；（4）中度危害介质，且中度危害介质，且pV大于等于大于等于0.5MPam3中压反应容器；中压反应容器；（5）毒性程度为极度和高度危害介质，且毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于乘积大于等于0.2MPam3的低压容器；的低压容器；（6）高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉；（7）中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；（8）使用强度级别较高的材料制造的压力容器；使用强度级别较高的材料制造的压力容器；（9）移动
7、式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；（10）容积大于等于容积大于等于50 m3的球形储罐；的球形储罐；（11）容积大于容积大于5 m3的低温液体储存容器。的低温液体储存容器。二类容器二类容器（1）中压容器；中压容器；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；（3）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；压储存容器；（4）低压管壳式余热锅炉；低压管壳式余热锅炉；（5）低压搪玻璃压力容器。低压搪玻璃压力容器。一类容器一类容器
8、不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。判断题：判断题：判断下列容器属一、二、三类判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？容器的哪一类？1 1）20002000的的液氨储罐液氨储罐2 2）p p为为4MPa4MPa的剧毒介质容器的剧毒介质容器3 3）p p为为10MPa10MPa，V V为为800L800L的乙的乙烯储罐。烯储罐。按容器壁温按容器壁温常温容器：壁温常温容器：壁温-20-20至至200200；高温容器：壁温达到蠕变温度高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢碳素钢或低合金钢容器，温度超过或低合金钢容器，温度超过
9、420420，合金钢超过合金钢超过450450，奥氏体不锈钢超，奥氏体不锈钢超过过550550，均属高温容器；，均属高温容器；中温容器：在常温和高温之间；中温容器：在常温和高温之间；低温容器：壁温低于低温容器：壁温低于-20,-20-20,-20至至-4040为浅冷容器，低于为浅冷容器，低于-40-40者为深者为深冷容器。冷容器。按材料按材料金属容器金属容器:钢制钢制,铸铁铸铁,有色金属容器有色金属容器非金属材料：既可作为容器的衬里，非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。又可作为独立的构件。按材料按材料应用最多是低碳钢和普通低合金钢，应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重或产品
10、纯度要求高用不锈腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金；在深冷操作中，可用铜或铜合金；常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等按应用情况按应用情况反应压力容器（）完成物理、化学反应压力容器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；聚合釜、变换炉等；换热压力容器（）热量交换，如热换热压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式
11、余热锅炉、冷却器、交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；冷凝器、蒸发器等；按应用情况按应用情况分离压力容器（）流体压力平衡缓分离压力容器（）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存压力容器：（，球罐为）储储存压力容器：（，球罐为）储存、盛装气体、液体、液化气体等存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。高位槽、计量槽、槽车等。三、容器的零部件标准三、容器的零部件标准容器的零部件容器的零部件(例如封头、法兰、例如
12、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液支座、人孔、手孔、视镜、液面计等面计等)标准化、系列化，标准化、系列化，许多化工设备许多化工设备(例如贮槽、换热器、例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相也有了相应的标准。应的标准。两个基本参数：两个基本参数：公称直径公称直径DNDN：指标准化以后的标指标准化以后的标准直径，以准直径，以DNDN表示，单位表示，单位mmmm，例如内径例如内径1200mm1200mm的容器的公称的容器的公称直径标记为直径标记为DN1200DN1200。公称压力公称压力PNPN：容器及管道的操作容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称压力经标准化以
13、后的标准压力称为公称压力，以为公称压力，以PNPN表示，单位表示，单位MPaMPa。公称直径公称直径1.1.压力容器的公称直径压力容器的公称直径 钢板卷焊公称直径是内径。钢板卷焊公称直径是内径。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)240025002600280030003200340035003600380040004200440045004600480050005200540055005600580
14、06000 容器直径较小，可直接用无缝钢容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。管制作。公称直径指钢管外径。159219273325377426表4-5 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）v设计时，应将工艺计算初步设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符确定的设备内径，调整为符合表合表4-44-4或表或表4-54-5所规定的公称所规定的公称直径。直径。v封头的公称直径与筒体一致。封头的公称直径与筒体一致。2.2.管子的公称直径管子的公称直径 也称公称口径、公称通径。也称公称口径、公称通径。有缝管：电焊钢管，化工厂用来输有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气
15、、油以及取暖送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。用蒸汽等流体管道。无缝管：分热轧管和冷拔管两种。无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管如输送流体用无缝钢管(GB 8163-(GB 8163-87)87)、石油裂化用无缝钢管石油裂化用无缝钢管(GB(GB 9948-88)9948-88)、化肥设备用高压无缝化肥设备用高压无缝钢管（钢管（GB 647986)GB 647986)等。等。有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：v公称直径近似普通钢管内径的名公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制义尺寸。公制mmmm，英制英制inin，见，见表表4-64-6。公称直径公称直径15mm
16、15mm或或1/21/2英寸，外径英寸，外径21.3mm21.3mm，壁厚壁厚2.75mm2.75mm（普通）普通）3.25mm3.25mm（加厚）加厚）有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：v每一公称直径对应一外径，其内每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。径数值随厚度不同而不同。v有缝管按厚度可分为薄壁钢管、有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。普通钢管和加厚钢管。v管路附件也用公称直径表示，意管路附件也用公称直径表示，意义同义同无缝钢管的公称尺寸：无缝钢管的公称尺寸：分热轧管和冷拔管。分热轧管和冷拔管。无缝钢管不用公称直径而是以外径乘无缝钢管不用公称直径而是以外径乘
17、厚度表示。为公称外径与公称厚度。厚度表示。为公称外径与公称厚度。在管道工程中，管径超过在管道工程中，管径超过57mm57mm时，时，常采用热轧管。管径在常采用热轧管。管径在57mm57mm以内以内常选用冷拔管。常选用冷拔管。冷拔管的最大外径为冷拔管的最大外径为200mm200mm；热轧管的最大外径为热轧管的最大外径为630mm630mm。3.3.容器零部件的公称直容器零部件的公称直径径 法兰、支座等公称直径是相配的筒法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。体、封头的公称直径。DNDN20002000法法兰，兰，DNDN20002000鞍座鞍座还有一些零部件的公称直径是与它还有一些零部
18、件的公称直径是与它相配的管子公称直径相配的管子公称直径DNDN200200管法兰管法兰另有一些容器零部件公称直径是指另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，结构中某一重要尺寸，DNDN80(80(DgDg80)80)视镜是指窥视孔的直径为视镜是指窥视孔的直径为80mm80mm。公称压力公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。筒体及其零部件的尺寸也不同。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。即公称压力。表表4-74-7压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰与
19、管法兰的公称压力压力容器法兰0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4管法兰0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 5.0 10 15 25v设计时如果选用标准零部件，必设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力或设计压力)调整为所规定的某调整为所规定的某一公称压力等级一公称压力等级(调整方法见第调整方法见第五节五节)，然后根据，然后根据DNDN与与PNPN选定该选定该零部件的尺寸。零部件的尺寸。v如果零件不选用标准零部件，而如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符是自行设计，设计压力就不必符合规定的
20、公称压力。合规定的公称压力。四、压力容器的标准简介四、压力容器的标准简介压力容器标准是全面总结压压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。及制造、检验方法等。国内标准国内标准v19891989我国压力容器标准化技术委员会制我国压力容器标准化技术委员会制订了订了GB150-89GB150-89钢制压力容器钢制压力容器v
21、19981998年修订成年修订成GB150-1998GB150-1998，使标准更加使标准更加完善。完善。vGB150GB150钢制压力容器钢制压力容器内容包括：内容包括：压力容器板壳元件计算压力容器板壳元件计算容器结构要素的确定容器结构要素的确定密封设计密封设计超压泄放装置的设置超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等容器的制造与验收的要求等 国外主要规范国外主要规范国外的规范主要有四个：国外的规范主要有四个：美国美国ASMEASME规范，规范，英国压力容器规范（英国压力容器规范（BSBS），），日本国家标准（日本国家标准（JISJIS），），德国压力容器规范（德国压力容器规范（ADAD）
22、。）。1 1美国美国ASMEASME规范规范v美国机械工程师协会（美国机械工程师协会（ASMEASME）制定制定的的锅炉及压力容器规范锅炉及压力容器规范。美国国。美国国家标准家标准v该规范规模庞大、内容完善，仅依该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作检验、试验、安装及运行等全部工作环节。环节。1 1美国美国ASMEASME规范规范v与压力容器密切相关有：与压力容器密切相关有：第第卷卷 材材料技术条件、第料技术条件、第卷卷 无损检验、第无损检验、第卷卷 压力容器及第压力容器及第卷卷 焊接及钎焊焊接及钎焊评
23、定。评定。v每年增补一次，每三年出一新版，每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。世界上影响最大的一部规范。2 2英国压力容器规范英国压力容器规范（BSBS）vBS 5500BS 5500非直接火熔焊压力容器非直接火熔焊压力容器是由英国标准协会（是由英国标准协会（BSIBSI）负责制定。负责制定。v由两部规范合并而成：由两部规范合并而成：一部相当于一部相当于ASMEASME第第卷第一册的卷第一册的BS BS 15001500一般用途的熔融焊压力容器标一
24、般用途的熔融焊压力容器标准准，另一部是近似于德国另一部是近似于德国ADAD规范的规范的BS BS 15151515化工及石油工业中应用的熔融化工及石油工业中应用的熔融焊压力容器标准焊压力容器标准。3.3.日本国家标准日本国家标准（JISJIS）于于8080年代初制定了两部基础标准，年代初制定了两部基础标准，一部是参照一部是参照ASMEASME第第卷第卷第1 1册制定的册制定的JIS B 8243JIS B 8243压力容器的构造压力容器的构造，另一部是参照另一部是参照ASMEASME第第卷第卷第2 2册制定册制定的的JIS B8250JIS B8250特定压力容器的构造特定压力容器的构造。此外
25、，还有与压力容器相关的标准此外，还有与压力容器相关的标准JIS B JIS B 82408240冷冻压力容器冷冻压力容器、JIS B8241JIS B8241无缝钢制气瓶无缝钢制气瓶及及JIS B8242JIS B8242圆筒圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造形液化石油气贮罐（卧式）构造等。等。4.4.德国压力容器规范德国压力容器规范（ADAD）ADAD压力容器规范是由七个部门编制的：压力容器规范是由七个部门编制的：职工联合会、职工联合会、锅炉压力容器管道联合会、锅炉压力容器管道联合会、化学工业联合会、化学工业联合会、冶金联合会、冶金联合会、机械制造者协会、机械制造者协会、大锅炉企业主技术协会及
26、技术监督大锅炉企业主技术协会及技术监督会联合会（会联合会（VDTUVVDTUV）。）。vADAD规范在技术上有许多独特的观点，规范在技术上有许多独特的观点，它在世界上也是具有广泛影响的规范。它在世界上也是具有广泛影响的规范。vADAD规范与规范与ASMEASME规范相比，特点：规范相比，特点：ADAD规范只对材料屈服极限取安全系规范只对材料屈服极限取安全系数，且取数较小。因此产品厚度薄、重数，且取数较小。因此产品厚度薄、重量轻；量轻；ADAD规范允许用较高强度级别钢材；规范允许用较高强度级别钢材；在制造要求方面，在制造要求方面，ADAD规范没有规范没有ASMEASME详尽，这样可使制造厂具有较大详尽，这样可使制造厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和创新。创新。思考题思考题 ：1.1.压力容器按照压力、温度、监察压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？管理各是怎样分类的？2.2.钢板卷制的筒体和成型封头的公钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢称直径指的是哪个直径？无缝钢管制作筒体时，公称直径指的是管制作筒体时，公称直径指的是哪个直径？哪个直径？3.3.判断容器属几类？判断容器属几类？