第2章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

第二篇化工容器設(shè)計(jì)

第3章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析第4章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)第5章外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)第6章容器零部件第2章容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)第二篇化工容器設(shè)計(jì)

設(shè)備，如何滿足工藝要求？——結(jié)構(gòu)！下一步考慮的問題：第二篇化工容器設(shè)計(jì)

化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第二篇化工容器設(shè)計(jì)

臥式容器換熱器塔設(shè)備反應(yīng)釜第二篇化工容器設(shè)計(jì)

第二篇化工容器設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)？※都有一個(gè)外殼；※都是密閉的；※具有一定的壓力；※盛放的都是液體或氣體化工壓力容器承受壓力載荷的密閉容器第2章容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)主要內(nèi)容：一、容器的分類與結(jié)構(gòu)二、容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化三、壓力容器的安全監(jiān)察四、容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求2.1容器的分類與結(jié)構(gòu)容器的概念

化工生產(chǎn)所用各種設(shè)備外部殼體的總稱。如反應(yīng)釜、塔、熱交換器、各種貯罐、貯槽等均具有外殼，這個(gè)外殼就是容器。

壓力容器用途極為廣泛，設(shè)備形式也多種多樣，它們是如何分類？（一）按容器的形狀分類（1）方形和矩形容器：由平板焊成，制造簡單但承壓能力低，只用作小型常壓貯槽；（2）球形容器：由數(shù)塊球瓣拼焊而成。承壓能力好，但內(nèi)件安裝不便，制造較難，一般用作貯罐。（3）圓筒形容器：它是由圓柱形筒體和封頭組成。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，此類容器得到了廣泛的應(yīng)用。2.1容器的分類與結(jié)構(gòu)容器的分類方法很多，可以按用途分，也可以按容器的形狀、承壓性質(zhì)、結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計(jì)壓力高低、容器的壁溫及安全監(jiān)察要求等分。（二）按承壓性質(zhì)和能力分類（1）內(nèi)壓容器：當(dāng)容器內(nèi)部介質(zhì)的壓力大于外部壓力時(shí)，為內(nèi)壓容器，容器設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮強(qiáng)度問題。（2）外壓容器：當(dāng)容器外部壓力大于內(nèi)部介質(zhì)壓力時(shí)為外壓容器，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮穩(wěn)定問題。通常，對(duì)內(nèi)壓容器按照其壓力的大小分為以下幾種：常壓容器：p<0.1MPa；

低壓容器：0.1MPa

p<1.6MPa；L

中壓容器：1.6MPa

p<10MPa；M

高壓容器：10MPa

p<100MPa；H超高壓容器：p≥100MPaU2.1容器的分類與結(jié)構(gòu)（三）按壁溫分類（1）常溫容器：工作壁溫在-20～200℃。（2）高溫容器：指壁溫達(dá)到材料蠕變（p.5）溫度的容器。對(duì)于碳鋼或低合金鋼容器，溫度>420℃，合金鋼（Cr-Mo鋼）>450℃，奧氏體不銹鋼>550℃，均是高溫容器。（3）中溫容器：壁溫介于常溫和高溫之間。（4）低溫容器：在壁溫低于-20℃條件下工作的容器。

-40～-20℃之間的為淺冷容器；低于-40℃者為深冷容器。2.1.1容器的分類

（四）按用途分類2.1.1容器的分類

（五）按安裝方式分類分為:固定式壓力容器:固定安裝使用地點(diǎn)，工藝條件和操作人員也比較固定。

移動(dòng)式壓力容器:屬于貯運(yùn)容器，流動(dòng)范圍大、環(huán)境變化大、操作人員不易固定，管理比較復(fù)雜。如氣瓶、氣桶、槽車。2.1.1容器的分類

（六）按安全綜合分類

為便于安全技術(shù)管理和監(jiān)督、檢查，根據(jù)壓力容器承受的壓力高低、介質(zhì)的危害程度、容積大小以及生產(chǎn)過程中的重要性將容器（不包括核能容器、船舶上的專用容器和直接受火焰加熱的容器）分為以下三類。（1）一類容器（2）二類容器（3）三類容器2.1.1容器的分類

2.1.1容器的分類

（1）一類容器:屬于下列情況之一者為一類容器。

⊙非易燃或無毒介質(zhì)的低壓容器；

⊙易燃或有毒介質(zhì)的低壓分離容器或換熱容器。2.1.1容器的分類

（2）二類容器:屬于下列情況之一者為二類容器。

⊙中壓容器；

⊙劇毒介質(zhì)的低壓容器；

⊙易燃或有毒介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器或貯運(yùn)容器；

⊙低壓管殼式廢熱鍋爐；

⊙低壓搪玻璃壓力容器。2.1.1容器的分類

（3）三類容器:屬于下列情況之一者為三類容器。

⊙高壓、超高壓容器；

⊙劇毒介質(zhì)且最高工作壓力p與容積V的乘積

p×V≥0.2MPa

m3的低壓容器或劇毒介質(zhì)的中壓容器。

⊙易燃或有毒介質(zhì)且p×V≥0.5MPa

m3的中壓反應(yīng)容器，或p×V≥10MPa

m3的中壓貯運(yùn)容器；

⊙中壓廢熱鍋爐或內(nèi)徑大于1米的低壓廢熱鍋爐。2.1.1容器的分類

2.1.1容器的分類

壓力容器類別簡易判斷表介質(zhì)性質(zhì)

非易燃無/輕毒易燃、中度毒性高度、極度毒性PV值Mpa.m3

≥0.5≥10

≥0.2低壓換熱

一類容器

分離

儲(chǔ)存

反應(yīng)

中壓換熱

二類

分離

容器

儲(chǔ)存

反應(yīng)

三類

高壓

容器

2.1.1容器的分類

其中,介質(zhì)的危害性:

指介質(zhì)的毒性、易燃性、腐蝕性、氧化性等。其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性。補(bǔ)充：常見易燃及有毒介質(zhì)分類常見易燃介質(zhì)：一甲胺，乙烷，乙烯，氯甲烷，環(huán)氧乙烷，環(huán)丙烷，氫，丁烷，三甲胺，丁二烯，丁烯，丙烷，丙烯，甲烷等。毒性程度舉例：※極度危害、高度危害介質(zhì)：氟，氫氰酸，光氣，氟化氫，碳酰氟，氯等；※中度危害介質(zhì)：二氧化硫，氨，一氧化碳，氯乙烯，甲醇，氧化乙烯，硫化乙烯，二硫化碳，乙炔，硫化氫等；※輕度危害介質(zhì)：氫氧化鈉，四氟乙烯，丙酮等。

壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性程度和易燃介質(zhì)的劃分參照HG20660-2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》的規(guī)定。2.1.1容器的分類無規(guī)定時(shí)按下述原則確定毒性程度：（毒性大小，以化學(xué)物質(zhì)引起實(shí)驗(yàn)動(dòng)物某種毒性反應(yīng)所需的劑量來表示。）（1）極度危害（I級(jí)）：最高允許濃度<0.1mg/m3（2）高度危害（II級(jí)）：最高允許濃度0.1~<1.0mg/m3（3）中度危害（III級(jí)）：最高允許濃度1.0~<10mg/m3（4）輕度危害（IV級(jí)）：最高允許濃度≥10mg/m3

（介質(zhì)毒性程度愈高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴(yán)重，對(duì)材料選用、制造、檢驗(yàn)、管理的要求愈高）2.1.1容器的分類

如:小白鼠2.1.1容器的分類

舉例：指出下列容器屬于一、二、三類中的哪一類？1、Φ1500，設(shè)計(jì)壓力為10Mpa的管殼式余熱鍋爐。

2、設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa，容積為1m3的氯化氫氣體貯罐。

分析：高壓容器，肯定是三類。分析：低壓容器、pv值=0.6mpa.m3、極度危害介質(zhì),屬三類。2.1.1容器的分類

舉例：指出下列容器屬于一、二、三類中的哪一類？3、Φ2000，容積為20

m3的液氨貯罐。分析：V>5m3貯存容器、介質(zhì)：低溫液體，屬三類。4、Φ800,設(shè)計(jì)壓力為0.6mpa,介質(zhì)為非易燃和無毒的管殼式余熱鍋爐。分析：低壓管殼式鍋爐、介質(zhì)：非易燃和無毒，屬二類。5、設(shè)計(jì)壓力為1.5Mpa的搪玻璃容器。分析：低壓搪玻璃容器，屬二類。

容器一般是由幾個(gè)殼體（如圓筒殼、圓錐殼、橢球殼）組合而成。再加上連接法蘭、支座、接口管、人孔、手孔等零部件。如下圖所示，是一個(gè)臥式容器的結(jié)構(gòu)圖。2.1.2容器的結(jié)構(gòu)臥式容器三維動(dòng)畫圖2.1.2容器的結(jié)構(gòu)（1）筒體：儲(chǔ)存物料或完成化學(xué)反應(yīng)所需要的壓力空間（2）封頭：與筒體等部件形成封閉空間（3）安全附件：主要有安全閥、壓力表、液面計(jì)、控溫儀表等（4）法蘭：用于筒體間或筒體與封頭、管道之間連接2.1.2容器的結(jié)構(gòu)2.1.2容器的結(jié)構(gòu)2.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化2.2.1標(biāo)準(zhǔn)化的意義設(shè)計(jì)——無需計(jì)算和制圖，按已有標(biāo)準(zhǔn)圖選擇。制造——有利于成批生產(chǎn)，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高競爭力。維修——備件規(guī)格尺寸通用，實(shí)現(xiàn)互換性。通商貿(mào)易——國內(nèi)、國際間通用，消除貿(mào)易障礙。我國已實(shí)現(xiàn)容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的有：圓筒體、封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡和液面計(jì)等。

許多化工設(shè)備(例如貯槽、換熱器、搪玻璃與陶瓷反應(yīng)器)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.2容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)

公稱直徑（DN)、

公稱壓力

(PN)。

規(guī)定:（1）圓筒體的公稱直徑：板卷制的—筒體內(nèi)經(jīng)；（2）筒體直徑較小，用無縫鋼管制的—筒體外徑；（3）法蘭與其相配的管子或筒體的PN、DN相一致；（4）封頭的公稱直徑與筒體一致；（5）管子的DN≠Di,D0,而是小于管子外徑的一個(gè)數(shù)值。2.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化2.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化

舉例說明:何謂鋼管的公稱直徑？鋼管的公稱直徑與鋼管外徑有什么關(guān)系？

鋼管在使用時(shí)往往需要和法蘭、管件或各類閥門相連接，這時(shí)涉及兩個(gè)零件（管子與法蘭、管子與管件、管子與閥門）之間的聯(lián)接問題。要實(shí)現(xiàn)二者的聯(lián)接，這兩個(gè)零件必須有可以相配合的表面。例如管子與平焊管法蘭要實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，法蘭的內(nèi)孔直徑要稍大于管子的外徑。如管子的外徑為219mm，法蘭的內(nèi)徑須為220mm。為了不用兩個(gè)尺寸，而只用一個(gè)尺寸來說明兩個(gè)零件以夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)接的條件，因此引入公稱直徑的概念。人們約定：凡是能夠?qū)崿F(xiàn)連接的管子與法蘭（管件、閥門），就規(guī)定這兩個(gè)聯(lián)接件具有相同的公稱直徑。

如上面的例子，就規(guī)定它們公稱直徑為DN=200mm。它并不代表某一個(gè)具體尺寸，但卻可以依靠它來尋找可以連接相配的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件。鋼管的公稱直徑系列是根據(jù)法蘭的公稱直徑系列人為規(guī)定的，它比鋼管外徑的規(guī)格少得多。(一)公稱直徑: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的容器的公稱直徑標(biāo)記為DN1200。1、壓力容器的公稱直徑（鋼板卷制）

表2-5壓力容器的公稱直徑系列300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

2.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化159219273325377426表2-7無縫鋼管制作筒體時(shí)容器的公稱直徑系列設(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2-5或表2-7所規(guī)定的公稱直徑。2.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化2、管子的公稱直徑DND。厚度DND。厚度DND。厚度1014350573.51751946151836576420021962025380894225245725323.51001084250273832383.51251334300325840453.51501594.535037792.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化表2-6無縫鋼管的公稱直徑與外徑

表2-8有縫鋼管的公稱直徑與外徑

DN(mm)(in)D。DN(mm)(in)D。DN(mm)(in)D。61/810√203/426.75100411481/413.5√25133.51255140103/817502601506165√151/221.2580388.52.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化2.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化(二)公稱壓力:容器及管道的操作壓力經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)壓力稱為公稱壓力,以PN表示,單位Mpa。(壓力不同,相同公稱直徑的壓力容器其筒體及零部件的尺寸也不同.將承受的壓力范圍分為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力等級(jí),即公稱壓力.)表2-9壓力容器法蘭與管法蘭的公稱壓力壓力容器法蘭0.250.61.01.62.54.06.4管法蘭0.250.61.01.62.54.05.01015252.2容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化設(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)定的某一公稱壓力等級(jí)(調(diào)整方法見第五節(jié))，然后根據(jù)DN與PN選定該零部件的尺寸。如果零件不選用標(biāo)準(zhǔn)零部件，而是自行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓力就不必符合規(guī)定的公稱壓力。2.3.1壓力容器安全監(jiān)察的意義和監(jiān)察范圍

化工壓力容器的危險(xiǎn)性不僅在于其失效爆炸時(shí)產(chǎn)生的物理破壞，同時(shí)更重要的是，化工壓力容器中的介質(zhì)往往有毒、易燃易爆，所造成的危害更加嚴(yán)重。因此，為了壓力容器在使用過程中能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于壓力容器的材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維修、改造、檢驗(yàn)和安全附件等進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。政府部門必須對(duì)相關(guān)企業(yè)的涉及壓力容器的生產(chǎn)活動(dòng)依據(jù)國家有關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行監(jiān)督和檢查，使之符合有關(guān)安全規(guī)定，防止事故的發(fā)生。2.3壓力容器的安全監(jiān)察重大事故案例:

重慶天原化工總廠壓力容器爆炸重大事故

2004年4月15日2l時(shí)，重慶天原化工總廠氯氫分廠1號(hào)氯冷凝器列管腐蝕穿孔，造成含銨鹽水泄漏到液氯系統(tǒng)，生成大量易爆的三氯化氮。16日凌晨發(fā)生排污罐爆炸，1時(shí)23分全廠停車，2時(shí)15分左右，排完鹽水后4h的1號(hào)鹽水泵在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生爆炸，泵體粉碎性炸壞。

16日17時(shí)57分，在搶險(xiǎn)過程中，突然聽到連續(xù)兩聲爆響，液氯儲(chǔ)罐內(nèi)的三氯化氮突然發(fā)生爆炸。爆炸使5號(hào)、6號(hào)液氯儲(chǔ)罐罐體破裂解體并炸出1個(gè)長9m、寬4m、深2m的坑，以坑為中心，在200m半徑內(nèi)的地面上和建筑物上有大量散落的爆炸碎片。爆炸造成9人死亡，3人受傷，該事故使江北區(qū)、渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)、渝北區(qū)的15萬名群眾疏散，直接經(jīng)濟(jì)損失277萬元。

2.3壓力容器的安全監(jiān)察重大事故案例:致29人死亡的江蘇氯氣泄漏案

05年3月29日發(fā)生在京滬高速公路江蘇淮安段的特大液氯泄漏事故造成重大人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)檢察機(jī)關(guān)偵查：肇事車輛載運(yùn)的的液氯由山東省臨沂市沂州化工有限公司售出，該公司員工朱平書、劉超明知運(yùn)貨的罐式半掛車核定載重僅15噸，仍違反安全生產(chǎn)規(guī)定嚴(yán)重超裝，實(shí)際裝載40.4噸。3月29日晚，牌號(hào)為魯Q08477的罐式半掛車在京滬高速公路江蘇淮安段行駛時(shí)發(fā)生交通事故，引發(fā)車上罐裝的液氯大量泄漏，造成29人死亡，436名村民和搶救人員中毒住院治療，門診留治人員1560人，10500多名村民被迫疏散轉(zhuǎn)移，大量家畜(家禽)、農(nóng)作物死亡和損失，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1700余萬元。京滬高速公路宿遷至寶應(yīng)段(約110公里)被迫關(guān)閉20小時(shí)。

2.3壓力容器的安全監(jiān)察重大事故案例:

中石油吉林石化公司爆炸造成至少30人受傷

05年11月13日,中石油吉林石化公司雙苯廠（又稱１０１廠）發(fā)生連續(xù)爆炸，附近很多居民樓的玻璃被震碎，有的人家墻皮都被震了下來。在相隔數(shù)公里之外的吉林市區(qū)都可看到松花江北的化工區(qū)濃煙滾滾。爆炸發(fā)生后,松花江水源一度被污染，化工區(qū)附近數(shù)以萬計(jì)的居民被警察疏散到吉林市區(qū)內(nèi)。吉林市各大醫(yī)院積極做好救治苯中毒者的準(zhǔn)備。

2.3壓力容器的安全監(jiān)察2.3壓力容器的安全監(jiān)察2.3.2壓力容器相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

我國現(xiàn)有與壓力容器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定有近300個(gè).

法規(guī)性的規(guī)定由政府及其權(quán)力機(jī)關(guān)頒發(fā),也是國家的壓力容器監(jiān)察機(jī)構(gòu)和壓力容器安全監(jiān)察員對(duì)壓力容器實(shí)行安全監(jiān)察的依據(jù).

標(biāo)準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)組織制定,政府代表參與;標(biāo)準(zhǔn)是法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系的技術(shù)基礎(chǔ),是法規(guī)得以實(shí)施的重要保證;無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),不得進(jìn)行壓力容器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造.2.3壓力容器的安全監(jiān)察2.3.3我國壓力容器常用的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)1.基本法規(guī)：《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》2003《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》—國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局19992.壓力容器常用標(biāo)準(zhǔn)：GB150-98《鋼制壓力容器》國家標(biāo)準(zhǔn)GB151-99《管殼式換熱器》國家標(biāo)準(zhǔn)JB4709-2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》JB4730-2005《壓力容器無損檢測》HG20592-20635-97《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》JB/T4700-4707-2000《壓力容器法蘭》2.3壓力容器的安全監(jiān)察2.3壓力容器的安全監(jiān)察《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》全過程安全監(jiān)察