第七章化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概述

第七章概述一、容器的結(jié)構(gòu)容器一般是由殼體(又稱(chēng)筒體)、封頭(又稱(chēng)端蓋)、法蘭、支座、接口管及人孔等組成，如下圖所示。

第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)二、容器的分類(lèi)1、按容器的形狀分類(lèi)名稱(chēng)特點(diǎn)方形和矩形容器由平板焊成，制造簡(jiǎn)便，但承壓能力差，只用作小型常壓貯槽球形容器由數(shù)塊弓形板拼焊而成，承壓能力好，但由于安裝內(nèi)件不便，制造稍難，一般多用作貯罐圓筒形容器由圓柱形筒體和各種凸形封頭(半球形、橢球形、碟形、圓錐形)或平板封頭所組成。作為容器主體的圓柱形筒體，制造容易，安裝內(nèi)件方便，而且承壓能力較好，因此這類(lèi)容器應(yīng)用最廣3、按承壓性質(zhì)和能力分類(lèi)按承壓性質(zhì)可將容器分為內(nèi)壓容器和外壓容器兩類(lèi)內(nèi)壓容器按其設(shè)計(jì)壓力，可劃分為低壓、中壓、高壓和超高壓四個(gè)壓力等級(jí)

容器的分類(lèi)低壓容器中壓容器高壓容器超高壓容器設(shè)計(jì)壓力p(MPa)0.1≤p＜1.61.6≤p＜1010≤p＜100p≥1004、按容器壁溫分類(lèi)可分為常溫容器、中溫容器、高溫容器和低溫容器。低溫容器指在壁溫高于-20℃至200℃條件下工作的容器；高溫容器指在壁溫達(dá)到材料蠕變溫度下工作的容器。對(duì)碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過(guò)420℃，合金鋼超過(guò)450℃，奧氏體不銹鋼超過(guò)550℃，均屬高溫容器；中溫容器指在常溫和高溫之間的容器。低溫容器指在壁溫低于-20℃條件下工作的容器，其中低于-20℃至-40℃者為淺冷容器，低于-40℃者為深冷容器。

5、按支承形式分類(lèi)按支承形式可以分為臥式容器和立式容器6、按金屬材料分類(lèi)可分為金屬的和非金屬的。金屬容器中又可分為鋼制容器、鑄鐵容器及有色金屬容器。目前應(yīng)用最多的是低碳鋼和普通低合金鋼的容器，在腐蝕嚴(yán)重或產(chǎn)品純度要求高的場(chǎng)合，使用不銹鋼、不銹復(fù)合鋼板、鋁制鋼板及鈦材等制的容器。在深冷操作中，可用銅或銅合金；非金屬材料既可作為容器的襯里，又可作為獨(dú)立的構(gòu)件。常用的有硬聚氯乙烯、玻璃鋼、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及磚、板、橡膠襯里等。

7、按安全技術(shù)管理分類(lèi)為了加強(qiáng)壓力容器的安全技術(shù)管理和監(jiān)督檢查，根據(jù)壓力容器壓力、容積和介質(zhì)危害性將固定式壓力容器分為三類(lèi)。TSG特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程2009---2009年12月1日實(shí)施附件A壓力容器的分類(lèi)A1壓力容器分類(lèi)時(shí)考慮的因素A1.1介質(zhì)分組壓力容器的介質(zhì)分為兩組，包括氣體、液化氣體或者最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體。A1.1.1第一組介質(zhì)：毒性程度為極度危害、高度危害的化學(xué)介質(zhì)；易燃介質(zhì)；液化氣體。A1.1.2第二組介質(zhì)：由除第一組以外的介質(zhì)組成，如水蒸汽、氮?dú)獾取1.2介質(zhì)危害性介質(zhì)危害性指設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中因事故致使介質(zhì)與人體大量接觸、發(fā)生爆炸或因泄漏引起職業(yè)性慢性危害的嚴(yán)重程度，用介質(zhì)毒性危害程度和爆炸危害程度表示。A1.2.1毒性程度：綜合考慮急性毒性和最高容許濃度。極度危害最高容許濃度小于0.1mg/m3；高度危害最高容許濃度0.1～1.0mg/m3;中度危害最高容許濃度1.0～10.0mg/m3;輕度危害最高容許濃度大于等于10.0mg/m3。A1.2.2易燃介質(zhì)：指氣體或液體的蒸汽、薄霧與空氣混合形成的爆炸混合物，其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于等于20%。A1.2.3介質(zhì)毒性危害程度和爆炸危害程度采用GB5044—1985《職業(yè)接觸性毒物危險(xiǎn)程度分級(jí)》、HG20660—2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危害程度分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)。A1.2壓力指設(shè)計(jì)壓力，即設(shè)定的壓力容器頂部壓力（表壓），與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷的條件，并作為超壓釋放裝置調(diào)定壓力的基礎(chǔ)，其值不得小于壓力容器的最高工作壓力。A1.3容積是指壓力腔的幾何容積，即由設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的尺寸計(jì)算（不考慮制造公差），且不扣除內(nèi)件體積（但應(yīng)扣除與壓力容器永久性連接的內(nèi)件體積），并經(jīng)圓整后的容積。永久性連接是指只有通過(guò)破壞方式才能分開(kāi)的連接。A2壓力容器分類(lèi)A2.1壓力容器應(yīng)當(dāng)先按照介質(zhì)組別，選擇分類(lèi)圖，再根據(jù)設(shè)計(jì)壓力P（單位MPa）和容積V（單位為L(zhǎng)），標(biāo)出坐標(biāo)點(diǎn)，確定壓力容器類(lèi)別。(1)對(duì)于第一組介質(zhì)，壓力容器的分類(lèi)見(jiàn)下圖。(2)對(duì)于第二組介質(zhì)，壓力容器的分類(lèi)見(jiàn)圖新版容器分類(lèi)優(yōu)點(diǎn)考慮99版容規(guī)容器分類(lèi)方法的不足，本次修訂擬與歐盟承壓設(shè)備分類(lèi)方法的指導(dǎo)思想接軌，由設(shè)計(jì)壓力、容積和介質(zhì)危害性三個(gè)因素決定壓力容器類(lèi)別，不再考慮容器在生產(chǎn)過(guò)程中的作用、材料強(qiáng)度等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式等因素，簡(jiǎn)化分類(lèi)方法，強(qiáng)化危險(xiǎn)性原則，從單一理念上對(duì)壓力容器進(jìn)行分類(lèi)監(jiān)管，突出本質(zhì)安全思想。根據(jù)危險(xiǎn)程度的不同，仍然劃分為三類(lèi)（Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)），利用PV值在不同介質(zhì)分組坐標(biāo)圖上查取相應(yīng)的類(lèi)別，簡(jiǎn)單易行、科學(xué)合理、準(zhǔn)確唯一。8、按應(yīng)用情況可分為反應(yīng)壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器和儲(chǔ)存壓力容器。反應(yīng)壓力容器（代號(hào)Ｒ）指主要用來(lái)完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)的壓力容器，如反應(yīng)器、反應(yīng)釜；換熱壓力容器（代號(hào)Ｅ）指主要用于完成介質(zhì)熱量交換的壓力容器，如冷凝器、蒸發(fā)器等；分離壓力容器（代號(hào)Ｓ）指主要用來(lái)完成介質(zhì)的流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離的壓力容器，例如分離器、過(guò)濾器、緩沖器、干燥塔等；儲(chǔ)存壓力容器（代號(hào)Ｃ，其中球罐代號(hào)為Ｂ）主要指用于儲(chǔ)存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的壓力容器，如各種形式的貯罐、貯槽、高位槽、計(jì)量槽、槽車(chē)等。

(1)強(qiáng)度要求：即構(gòu)件在外力作用下應(yīng)具有足夠的抵抗破壞的能力。在規(guī)定的載荷作用下構(gòu)件當(dāng)然不應(yīng)破壞，包括斷裂和發(fā)生較大的塑性變形。例如，沖床曲軸不可折斷；建筑物的梁和板不應(yīng)發(fā)生較大塑性變形。強(qiáng)度要求就是指構(gòu)件在規(guī)定的使用條件下不發(fā)生意外斷裂或塑性變形。(2)剛度要求：即構(gòu)件在外力作用下應(yīng)具有足夠的抵抗變形的能力。在載荷作用下，構(gòu)件即使有足夠的強(qiáng)度，但若變形過(guò)大，仍不能正常工作。例如，機(jī)床主軸的變形過(guò)大，將影響加工精度；齒輪軸變形過(guò)大將造成齒輪和軸承的不均勻磨損，引起噪音。剛度要求就是指構(gòu)件在規(guī)定的事業(yè)條件下不發(fā)生較大的變形。

第二節(jié)容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

(3)穩(wěn)定性要求：即構(gòu)件在外力作用下能保持原有直線平衡狀態(tài)的能力。承受壓力作用的細(xì)長(zhǎng)桿，如千斤頂?shù)穆輻U、內(nèi)燃機(jī)的挺桿等應(yīng)始終維持原有的直線平衡狀態(tài)，保證不被壓彎。穩(wěn)定性要求就是指構(gòu)件在規(guī)定的使用條件下不產(chǎn)生喪失穩(wěn)定性破壞。(4)耐久性：化工設(shè)備的耐用久性是根據(jù)所要求的使用的年限來(lái)決定的。容器要求有一定的耐腐蝕以及抗疲勞、抗蠕變等性能。(5)密封性：化工設(shè)備一般要求密封性良好。(6)節(jié)省材料和便于制造。(7)方便操作和便于運(yùn)輸。標(biāo)準(zhǔn)化的意義為便于設(shè)計(jì)，有利于成批生產(chǎn)，提高質(zhì)量，便于互換，降低成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，我國(guó)各有關(guān)部門(mén)對(duì)容器的零部件(例如封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡、液面計(jì)等)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作，許多化工設(shè)備(例如貯槽、換熱器、搪玻璃與陶瓷反應(yīng)器)也有了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。第三節(jié)容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

二、容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)容器零部件標(biāo)準(zhǔn)的最基本參數(shù)是公稱(chēng)直徑DN與公稱(chēng)壓力PN；㈠公稱(chēng)直徑指標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以DN表示，單位mm，例如內(nèi)徑1200mm的容器的公稱(chēng)直徑標(biāo)記為DN1200。它主要分為三方面：1、壓力容器的公稱(chēng)直徑用鋼板卷焊制成的筒體，其公稱(chēng)直徑指的是內(nèi)徑。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的公稱(chēng)直徑系列如表7-6所示。若容器直徑較小，筒體可直接采用無(wú)縫鋼管制作。此時(shí)，公稱(chēng)直徑指鋼管外徑，如表7-7所示。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將工藝計(jì)算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，調(diào)整為符合表7-6或表7-7所規(guī)定的公稱(chēng)直徑。封頭的公稱(chēng)直徑與筒體一致。表7-6壓力容器公稱(chēng)直徑（mm）GB9019-88300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

表7-7無(wú)縫鋼管制作筒體時(shí)容器的公稱(chēng)直徑（mm）1592192733253774262、管子的公稱(chēng)直徑為了使管子、管件連接尺寸統(tǒng)一，采用DN表示其公稱(chēng)直徑（也稱(chēng)公稱(chēng)口徑、公稱(chēng)通徑)?；S用來(lái)輸送水、煤氣、空氣、油以及取暖用蒸汽等一般壓力的流體，管道往往采用電焊鋼管，稱(chēng)有縫管。有縫管按厚度可分為薄壁鋼管、普通鋼管和加厚鋼管。其公稱(chēng)直徑不是外徑，也不是內(nèi)徑，而是近似普通鋼管內(nèi)徑的一個(gè)名義尺寸。每一公稱(chēng)直徑，對(duì)應(yīng)一個(gè)外徑，其內(nèi)徑數(shù)值隨厚度不同而不同。公稱(chēng)直徑可用公制mm表示，也可用英制in表示，見(jiàn)表7-8。

表7-8水、煤氣鋼管的公稱(chēng)直徑輸送、外徑與壁厚（mm）GB3902-82公稱(chēng)直徑外徑壁厚（mm）in（mm）普通鋼管（mm）加厚鋼管（mm）61/810.02.002.5081/413.52.252.75103/817.02.252.75151/221.32.753.25203/426.82.753.5025133.53.254.003242.33.254.004038.03.504.25管路附件也用公稱(chēng)直徑表示，意義同有縫管。

工程中所用的無(wú)縫管，如輸送流體用無(wú)縫鋼管(GB8163-87)、石油裂化用無(wú)縫鋼管(GB9948-88)、化肥設(shè)備用高壓無(wú)縫鋼管（GB6479-86)等，標(biāo)記方法不用公稱(chēng)直徑，而是以外徑乘厚度表示。標(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)此外徑與厚度為公稱(chēng)外徑與公稱(chēng)厚度。

輸送流體用無(wú)縫鋼管和一般用途無(wú)縫鋼管分熱軋管和冷拔管兩種。冷拔管的最大外徑為200mm；熱軋管的最大外徑為630mm。在管道工程中，管徑超過(guò)57mm時(shí)，常采用熱軋管。管徑在57mm以內(nèi)常選用冷拔管。

3、容器零部件的公稱(chēng)直徑有些零部件如法蘭、支座等的公稱(chēng)直徑，指的是與它相配的筒體、封頭的公稱(chēng)直徑。DN2000法蘭是指與DN2000筒體(容器)或封頭相配的法蘭。DN2000鞍座是指支承DN2000mm容器的鞍式支座。還有一些零部件的公稱(chēng)直徑是與它相配的管子公稱(chēng)直徑表示的。如管法蘭，DN200管法蘭是指連接DN200mm管子的管法蘭。另有一些容器零部件，其公稱(chēng)直徑是指結(jié)構(gòu)中的某一重要尺寸，如視鏡的視孔、填料箱的軸徑等。DN80(Dg80)視鏡，其窺視孔的直徑為80mm。

㈡公稱(chēng)壓力容器及管道的操作壓力經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)壓力稱(chēng)為公稱(chēng)壓力，以PN表示，單位MPa。由于工作壓力不同，相同公稱(chēng)直徑的壓力容器其筒體及其零部件的尺寸也就不同。為了使石油、化工容器的零部件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，必須將其承受的壓力范圍分為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力等級(jí)，即公稱(chēng)壓力。表7-9列出了壓力容器法蘭與管法蘭的公稱(chēng)壓力。

設(shè)計(jì)時(shí)如果選用標(biāo)準(zhǔn)零部件，必須將操作溫度下的最高操作壓力(或設(shè)計(jì)壓力)調(diào)整為所規(guī)定的某一公稱(chēng)壓力等級(jí)(調(diào)整方法見(jiàn)第五節(jié))，然后根據(jù)DN與PN選定該零部件的尺寸。表7-9壓力容器法蘭與管法蘭的公稱(chēng)壓力（MPa）

壓力容器法蘭0.250.61.01.62.54.06.4

管法蘭0.250.61.01.62.54.05.0101525第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和加工性能等一、力學(xué)性能決定許用應(yīng)力強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等1、強(qiáng)度是指材料抵抗外加載荷而不致失效破壞的能力

抵抗外力的靜強(qiáng)度按所抵抗外作用形式可分為抵抗沖擊外力的沖擊強(qiáng)度抵抗交變外力的疲勞強(qiáng)度常溫下抵抗外力的常溫強(qiáng)度按環(huán)境溫度可分為高溫下抵抗外力的高溫強(qiáng)度低溫下抵抗外力的低溫強(qiáng)度常溫強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度σs和抗拉(壓)強(qiáng)度σb(σy)屈強(qiáng)比σs/σb適當(dāng)蠕變強(qiáng)度σn：在高溫時(shí)，材料抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力持久強(qiáng)度σD：在給定溫度下，促使試樣經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力疲勞強(qiáng)度σ-1：σ-1,以106-107次不被破壞的應(yīng)力2、硬度局部抵抗能力彈性、強(qiáng)度與塑性的綜合性能指標(biāo)壓入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和維氏硬度(HV)低碳鋼σb=0.36

HB高碳鋼σb=0.34

HB灰鑄鐵σb=