压力容器基础知识详解

工业可分为过程工业与成品（产品）制造工业两大类。过程工业也称“流程工业”，包括化工、冶金、石油加工业、制药及轻工业等。这类工业大多以天然资源如矿石、煤炭、石油、农产品等为原料，通过物理及化学变化，生产出人类衣、食、住、行等所需的物品和材料，以及成品制造工业需要的原材料。典型的过程工业，如石油化工业、化学工业等，就是利用石油、煤炭、天然气等资源，生产出柴油、汽油、橡胶、化纤等产品。

过程工业在其生产流程中大量使用塔、釜、槽、罐等设备。这些设备有的用来储存物料，如各种储槽、储罐；有的用来对物料进行物理处理，如管壳式换热器、精馏塔、过滤器等；有的用于进行化学反应，如反应器、合成炉、搅拌反应釜等。尽管这些设备的作用各不相同，形状结构差异很大，尺寸大小千差万别，内部构件更是多种多样，但它们都有一个外壳，这个外壳就叫容器。

绝大多数容器的作用是在一定的压力、温度下完成物料储存、反应和热量交换等特定的工艺过程。工业生产中，将具有特定的工艺功能并承受一定压力的密闭设备，称为压力容器。储运容器、反应容器、换热容器和分离容器的外壳均属压力容器。压力容器一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件等，其功能是盛装气体或液体，提供能承受一定温度和压力的密闭空间。

生产实践中，除了储运使用的压力容器外，用于反应、换热、精馏、吸收等单元过程的压力容器都有各种形式的内件。例如，换热过程中常用的管壳式换热器，就是由换热管束（内件）和包裹管束的外壳（压力容器）共同组成，以完成相应的热量交换工艺过程。我们一般把压力容器和其内件共同组成的、具有一定功能并能够完成一定工艺过程的装置称为设备。

压力容器最初主要用于石油炼制和化学工业。如今，压力容器已经远远突破了原来的应用局限，它不仅大量地用于石油化工行业，如炼油、化肥、医药、农药、无机化工和有机合成等，还在航空、航天、航海、原子能、冶金、采掘、机械制造、交通、纺织和轻工等行业发挥着不可替代的作用。同时压力容器在农业方面有着广泛的应用。随着农业自动化进程的加快，各种蓄能器、动力机械的辅机、冷却器、油水分离器、气罐、蒸煮釜、烘烤器及大型工程管道等被大量用于实际生产中。此外，在科学研究的许多领域，压力容器也起着重要的作用。

图1-1 球形高压燃气储罐

石油、化工生产中较为典型的压力容器示例如下。

（1）球形储罐（图1-1）

球形储罐（球罐）是储存各种气体和液化气体的常用压力容器之一，为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器，也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。球罐与立式圆筒形储罐相比，在相同容积和相同压力下，球罐的表面积最小，故所需钢材较少；在相同直径的情况下，球罐壁受力小，而且均匀，故球罐的板厚只需相应圆筒形容器壁板厚度的一半。采用球罐，可大幅度减少钢材的消耗，一般可节省钢材30%～45%。此外，球罐占地面积较小，基础工程量小，可节省土地面积。

（2）加氢反应器（图1-2）

加氢反应是现代石油炼制工艺中最重要的转化过程之一，无论是加氢精制、处理还是加氢（裂化）都得到了广泛应用。所谓加氢就是使相对分子质量大的可燃性原料，在高温高压的条件下借助于催化剂与氢反应，来制取相对分子质量较小的各种石油产品。通过加氢，不仅可以减少或去除油品中不纯物质，提高石油产品的质量，而且还可以增加石油产品的收率。加氢反应器是石油炼制的关键设备，它在10～25MPa高压、400～480℃高温、临氢及硫化氢等条件下工作。加氢反应器设计要求高，制造工艺复杂、难度大。为了防止氢脆、氢腐蚀、硫化物腐蚀、Cr-Mo钢回火脆化以及堆焊层的剥离等严重损伤，加氢反应器对材料、焊接技术以及焊接质量都有很高要求。

图1-2 运输中的加氢反应器

（3）尿素合成塔（图1-3）

尿素合成塔是尿素生产装置中的关键设备之一，在尿素生产流程中占有重要的地位。尿素合成过程中生成氰酸和氰氧铵，这是一种非氧化性有机酸，对容器材料有强烈的腐蚀作用。同时在反应过程中容器要承受一定的压力和温度，故尿素合成塔是一种典型的耐压、耐较高温度和耐强烈腐蚀的反应器。根据不同的工艺操作，压力也不尽相同，主要有21MPa和16MPa两种系列，操作温度小于200℃。(www.xing528.com)

（4）大型换热器（图1-4）

图1-3 尿素合成塔的安装

图1-4 大型换热器的制造

几乎所有的化工工艺过程都伴随着加热、冷却、冷凝、蒸发等现象。换热器是实现能量平衡的关键设备，系统能量的合理使用和分配主要由换热器来实现。目前天然气液化装置、大型炼油装置、大型乙烯装置中的换热器规模已经很大，如某年产量100万t乙烯装置中的循环气冷却器是装置中的关键设备，该设备壳程长度为20000mm，壳程筒体内径为4000mm，管束6283根，管束长度为20000mm，设备总长度为43725mm，换热面积为12325m²，设备重量为370t，是目前国内自主设计、制造的最大的固定管板式换热器。

（5）空分设备（图1-5）

大规模的空气分离一般采用低温冷冻法进行空气中各组分的分离。该技术经历多年的历程，现已发展成为一种较成熟的技术。该技术中的空分设备就是以空气为原料，通过压缩、循环、深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏，从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等气体的一套工业设备。其中空气精馏系统起到将空气中各种组分分离的作用，主要装置为精馏塔（上塔、下塔）、冷凝蒸发器、过冷器等各种形式的压力容器和设备。

《特种设备安全监察条例》对压力容器范围作出了详细的规定：盛装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；盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa·L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶、氧舱等。

图1-5 空分设备

所谓固定式容器和移动式容器，是从使用、安装和管理的角度考虑，把压力容器分为了两大类。这两类容器由于使用情况不同，对它们的技术管理要求也不一样。

固定式压力容器是指除了用作运输储存气体的盛装容器以外的所有压力容器。这类容器有固定的安装地点和使用地点，工艺条件和操作人员比较固定，容器一般是用管道与其他设备相连。移动式压力容器的主要作用是储装和运输有压力的气体或液化气体，容器在气体制造厂充装气体，然后运送到使用单位使用。这类容器没有固定的使用地点，一般也没有专职的使用操作人员，使用环境经常更换，管理比较复杂，因而也比较容易发生事故。按照容积的大小和结构形式，移动式压力容器又可分为气瓶和槽（罐）车两大类。

我国和其他许多国家对这两类容器都分别制定有不同的管理章程和技术标准、规范等。本书主要介绍固定式压力容器的分类、结构、相关设计方法和各种规范、标准等方面的知识。