第1章　概述

1.1　压力容器的特点

1.1.1　压力容器的基本概念

容器按所承受的压力大小分为常压容器和压力容器两大类。压力容器和常压容器相比，不仅在结构上有较大的差别，而且在设计原理方面也不相同，应该指出的是，所谓压力容器和常压容器的划分是人为规定的。一般泛指在工业生产中用于完成反应、换热、吸收、萃取、分离和储存等生产工艺过程，并能承受一定压力的密闭容器为压力容器。如果从广义上讲，凡承受流体介质压力的密闭壳体都可以称为压力容器。另外，受外压（或负压）的容器和真空容器也属于压力容器范畴。

从不同角度出发，不同的标准或法规对压力容器的概念也有不同的解释。按GB 150—2011《压力容器》的规定，设计压力（P）大于或等于0.1MPa的容器属于标准适用范围内的压力容器；从安全角度看，压力、容积、介质特性是与安全相关的三个重要参数。为此，TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《固容规》）将同时具备下列三个条件的容器称为规程管辖的压力容器：①工作压力（Pw）大于或等于0.1MPa；②工作压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa·L；③盛装介质为气体，液化气体以及介质最高工作温度高于或等于其标准沸点的液体。另外，由国务院公布的《特种设备安全监察条例》中规定，压力容器的含义：是指盛装气体或者液体，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；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。

由于压力容器是一种承压设备，是在各种介质和环境（有时十分苛刻）条件下工作，所以，一旦发生事故其破坏性往往是非常严重的。为安全生产起见，从1982年国务院制定和颁发了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》（简称《暂行条例》），为进一步加强特种设备的安全监察，防止和减少事故发生，2003年3月11日国务院又以第373号令发布了《特种设备安全监察条例》（简称《条例》），自2003年6月1日起施行，《暂行条例》同时废止。这里所指的特种设备，是指涉及生命安全，危险性较大的锅炉，压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆，其中锅炉、压力容器、压力管道等又统称为承压设备。2009年1月24日国务院以第549号令对《条例》进行了修改，于2009年5月1日起施行。在2013年6月29日以第4号中华人民共和国主席令形式公布了《中华人民共和国特种设备安全法》，并于2014年1月1日起施行。这是我国第一次以法律形式对特种设备的安全管理做出了规定。由此可见，我国对特种设备，尤其是其中承压设备的设计、制造、使用管理的重视。

为深入贯彻落实国家关于加强压力容器安全监察工作的要求，细化安全监察管理规定，1981年原国家劳动总局颁布了《压力容器安全监察规程》，并于1982年4月正式执行。为适应新形势发展需要，在总结经验的基础上，原劳动部于1989年对其进行修改后，1990年颁布了《压力容器安全技术监察规程》（简称《容规》），并于1991年1月正式执行。贯彻《容规》以来，对强化压力容器使用管理，提高压力容器制造质量水平，以及减少爆炸事故等方面起到了积极的作用，是压力容器安全监察和监督检验的重要依据之一。为进一步完善压力容器质量安全监察工作，国家质量技术监督局对《容规》再次进行修订，于1999年6月正式颁布，并于2000年1月正式执行。

2007年5月，国家质量监督检验检疫总局（简称国家质检总局）下属的特种设备安全监察局（简称特种设备局）下达了制（修）订《固定式压力容器安全技术监察规程》（简称《固容规》）的立项任务书，将原1999年版的《压力容器安全技术监察规程》改为《固定式压力容器安全技术监察规程》，另行制定《移动式压力容器安全技术监察规程》。并于2009年5月召开《固容规》定稿会，于2009年8月31日由国家质检总局批准颁布，自2009年12月1日起施行。后于2010年11月发布了第1号修改单，自2010年12月1日起施行。从此，将《固容规》转化为特种设备安全技术规范（TSG），编号为TSG R0004—2009，确立其在特种设备法规标准体系中的位置。《条例》和《固容规》都是压力容器设计、制造、使用及管理必须遵循的行政法规和技术法规文件。

这里要强调的是，《固容规》从安全监察和便于管理的角度出发，对压力容器的条件做出了一些规定，凡符合这些条件的压力容器，称为规程管辖的压力容器。至此，可以这样说，现在一般从设计、制造、使用管理角度出发所指的压力容器，实际上都是指规程管辖的压力容器，而不是指所有的压力容器。

另外，1984年全国压力容器标准化技术委员会（简称“容委会”）成立后，在已实施了10多年的标准《钢制石油化工压力容器设计规定》（简称《设计规定》）和JB741—80《钢制焊接压力容器技术条件》等标准的基础上，经调查和实验验证，结合成功的使用经验并吸取国际上同类先进标准的内容，于1989年制定了国家标准GB 150—89《钢制压力容器》，后于1998年重新修订，出版了GB 150—1998《钢制压力容器》，该标准由国家技术监督局于1998年3月20日发布，从1998年10月1日开始实施。进入21世纪后，在总结原标准十余年实施所取得的经验基础上，修正错误，补充不足，并吸收国际同类标准的先进和可用内容，于2011年11月21日由国家质检总局和中国国家标准化管理委员会重新发布了GB 150.1～150.4—2011《压力容器》标准，并于2012年3月1日开始实施。该新的国家标准是由全国锅炉压力容器标准化技术委员会（SAC/TC262）负责提出和归口的压力容器大型通用技术标准之一，用以规范在中国境内建造或使用的压力容器设计、制造、检验和验收的相关技术要求。因此，这是一部集压力容器通用要求、材料、设计、制造、检验和验收为一体的综合性基础标准，也是压力容器标准体系中最为核心的基础标准。由于GB 150是强制性国家标准，因此，它是压力容器设计、制造、检验和验收必须遵循的基本技术标准。

1.1.2　压力容器的分类

压力容器的形式、品种繁多，其分类方法有多种。归结起来，常用的分类方法有如下几种。

（1）按制造方法分类

根据制造方法的不同，压力容器可分为板焊容器、锻焊容器、铸造容器、锻造容器、热套容器、多层包扎式容器和绕带式容器等。

（2）按承压方式分类

分为内压容器和外压容器。

（3）按设计压力（P）分类

①低压容器（代号L）：0.1MPa≤P<1.6MPa；

②中压容器（代号M）：1.6MPa≤P<10.0MPa；

③高压容器（代号H）：10.0MPa≤P<100MPa；

④超高压容器（代号U）：P≥100.0MPa。

这里要说明的是，原三部标准《设计规定》和JB741—80以及新的国标GB 150都没有按压力对容器分等的规定，只对设计压力P≤35MPa的容器，给出了统一的设计、制造准则。之所以这样做，主要是因为：

a.容器破坏时所造成的危害大小，并不只取决于压力的高低，还和容积的大小、内部的介质状态及性质、操作条件等因素有关。认为凡高压容器就一定比中、低压容器危险的观点是不全面的。

b.应力是导致容器破坏的基本因素之一。高压容器和中、低压容器壳壁中的设计应力值是近似或相当的，因应力大引起的容器破坏的危险性对不同操作压力的容器是相同的。

c.压力容器制造的难易程度也并非完全取决于压力的高低，还和材料的焊接性、加工工艺性能的优劣以及结构的复杂程度等因素有关。只重视高压容器的制造质量而忽视中低压容器的产品质量是错误的。

d.目前国外各主要压力容器技术规范，也都没有按压力高低对容器划分等级。

（4）按容器的设计温度（T设-壁温）分类

①低温容器：T设<-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及T设<-196℃的奥氏体不锈钢制容器；

②常温容器：-20℃≤T设<150℃；

③中温容器：150℃≤T设<400℃；

④高温容器：T设≥400℃。

一般说来，高温容器的温度界限应和所用钢材产生蠕变的温度范围有关，故除低温容器在GB 150标准中有明确规定外，其他类容器的划分仅供参考。

（5）按容器的制造材料分类

分为钢制容器、复合金属制容器、铸铁容器、有色金属容器和非金属容器等。

（6）按容器外形分类

分为圆筒形（或称圆柱形）容器、球形容器、矩（方）形容器和组合型容器等。

（7）按容器在生产工艺过程中的作用原理分类

分为反应容器（代号为R）、换热容器（代号为E）、分离容器（代号为S）、储存容器（代号为C，其中球罐代号为B）。

（8）按容器的使用方式分类

分为固定式容器和移动式容器。

另外，根据容器的设计压力高低、容积大小、介质的危害程度，《固容规》将适用范围内的压力容器类别划分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三个类别，以利于进行分类监督管理。

1.1.3　压力容器的操作条件特点

安全可靠性是压力容器在设计、制造中首要考虑的问题。要想从制造角度出发确保压力容器的质量，使之在使用中安全可靠，了解压力容器在使用中操作条件特点是十分必要的。压力容器操作条件主要包括压力、温度和介质。

（1）压力

容器内介质的压力是压力容器在工作时所承受的主要外力。

①表压力：压力容器中的压力是用压力表测量的，压力表上所表示的压力为表压力，它实际上是容器内介质压力超过环境大气压力的压力差值。

②工作压力：是指在正常操作情况下，容器顶部可能达到的最高压力（指表压）。它不包括液柱静压力。

③设计压力：设定的容器顶部的最高压力，在相应设计温度下，用它计算容器壳体壁厚及其元件尺寸，所以，设计压力和设计温度的配合是设计容器的基本依据。其值不得小于工作压力，一般应略高于它。

（2）温度

①容器的设计温度：是指在正常工作情况下，所设定的壳壁或受压元件的金属温度。由于容器材料的选用与设计温度有关，所以设计温度是压力容器材料选用的主要依据之一。

②试验温度：是指进行耐压试验或泄漏试验时，容器壳体的金属温度。

（3）介质

压力容器在生产工艺过程中所涉及的工艺介质品种繁多复杂。其使用安全性与内部盛装的介质密切相关。通常关心的主要是它们的易燃、易爆、毒性程度和对材料的腐蚀等性质，比如说氯气，只要发生一点泄漏，就有可能造成人员死亡。所以在压力容器制造中，从使用安全性出发，应将容器内部介质状况作为重点考虑因素之一。

介质毒性危害程度和爆炸危险程度可按照HG 20660—2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》确定或参照GB 5044《职业性接触毒物危害程度分级》等。

（4）举例

①炼油厂中的加氢反应器，其设计压力一般为8～18MPa，工作温度高达400℃以上，介质主要是氢气、油，是一种高温、高压、介质为易燃、易爆又具有氢腐蚀性质的压力容器，对于这种压力容器无论从设计上还是从制造角度而言，都要从严要求，一丝不苟，且制造难度极大。

②近年来，随着石化行业使用进口原油比例越来越大，其中大部分为高硫油或劣质油，因此带来的介质对压力容器的腐蚀问题亦越来越突出，经常造成容器腐蚀而引发泄漏，甚至发生爆炸或造成严重安全事故，介质腐蚀问题已严重地影响压力容器安全运行和使用寿命。每年由于腐蚀所造成的经济损失，相当于一个国家国民经济总产值的1.25％～3.5％；国外因设备腐蚀造成的生产事故约占全部事故的1/3以上。在加氢裂化装置中用的高压加氢空冷器原来使用碳钢材料，由于多次出现腐蚀泄漏情况，有的还由于介质泄漏引起大火，为此中石化集团2006年6月20日发文，要求新造的加氢裂化装置中的加氢空冷器全部使用Incoloy825镍基耐蚀合金材料，以材料升级来解决介质腐蚀泄漏问题。当然这也带来设备成本大幅度增加。由此可见，介质腐蚀在其他因素（如应力、温度）综合作用下造成的容器失效应引起我们极大的重视。

1.1.4　压力容器的基本结构及其制造特点

压力容器虽然种类繁多，形式多样，但其基本结构不外乎都是一个密闭的壳体，壳体内部大多数情况下都有内件，有的内件与壳体一样也承受一定压力，此时这些内件与壳体就都属于受压元件，在制造过程中都要按要求认真对待。常见的压力容器多为圆筒形壳体，其基本结构主要由以下几大部件组成。

1.1.4.1　筒体

一台容器的筒体通常由用钢板卷焊而成的一个或多个筒节组焊而成，这时的筒体有纵环焊缝。也有些小直径容器筒体用无缝钢管制成。对于厚壁高压容器的筒体还经常采用数个锻造筒节通过环缝焊接连接而成，这种容器则称为锻焊结构的压力容器。锻焊结构筒体虽省去了筒节纵缝焊接及钢板卷制、校圆的工序，但由于锻件成本要比钢板高得多，所以，一般只有当筒体壁厚大于一定厚度时，才采用锻焊结构。当然，根据制造方法不同和各厂的制造条件限制，容器筒体还有热套式、多层包扎式和绕带式等多种形式，它们都是厚壁筒体的一些特殊制造方式，当没有卷制大厚度钢板能力或生产大厚度锻造筒节能力的厂家，对于某些厚壁压力容器产品，可以采用这些方式来制造筒体，此时只要增添一些必要的工艺装备即可。对于中、薄厚度的筒体基本上还是都用钢板卷制焊接而成。

1.1.4.2　封头

按几何形状不同，有椭圆形封头、球形封头、碟形封头、锥形封头和平盖等多种形式。封头和筒体组合在一起构成一台容器壳体的主要组成部分，也是最主要的受压元件之一。

从制造方法分，封头有整体成形和分片成形后组焊成一体的两种形式。一般讲，当封头直径较大，已超出制造厂生产能力时，多采用分片成形方法制造。分片成形封头是由数块封头瓣片和一块极盖板组成，对于这种封头制造的关键是控制封头瓣片间焊缝的角变形和因多条焊缝横向收缩造成的封头直径尺寸的偏差，如控制不好，很可能导致产品尺寸超差而不合格。对于整体成形的封头尺寸、形状虽较易控制但一般需要有大型成形冲压模具及压机或大型旋压设备，工艺装备制造费用的增加，使封头制造成本大幅度上升。

从封头成形方式讲，有冷压成形、热压成形和旋压成形等。对于壁厚较薄的封头，一般采用冷压成形。采用调质钢板制造的封头或封头瓣片，为不破坏其钢板调质态的力学性能，节省模具制造费用，往往采用多点冷压成形法制造；当封头厚度较大时，均采用热压成形法，即将封头胚料加热至900～1000℃，使钢板在高温下冲压产生塑性变形而成形，此时对于有些材料（如正火态钢板）由于改变了原始状态的力学性能，为恢复和改善其力学性能，封头冲压成形后还要做正火、正火+回火或淬火+回火等相应的热处理。对于直径大且厚度薄的封头，采用旋压成形法制造是最经济最合理的选择。

1.1.4.3　接管和法兰

为使容器壳体与外部管线连接或供人进入容器内部，在一台容器上总是有一些大大小小的接管和法兰，这也是容器壳体的主要组成部分。在《固容规》中规定，人孔法兰及人孔盖，设备法兰及公称直径Dg≥250mm的接管和法兰都是容器的主要受压元件。接管与壳体间的焊接接头一般为角接接头或T形接头，但对于连接二者之间的焊缝，如果是壳体上开坡口时，则称为对接焊缝；壳体上不开坡口时则为角焊缝。如图1-1所示。

对于接管与壳体间的焊缝，由于其结构形式一般为角接接头或T形接头，有时还有补强圈，故除极个别情况外，一般均无法进行焊缝内部的无损检测。正由于此，往往制造厂对于该处焊缝的焊接质量控制不如筒体上要求做内部无损检测的对接焊缝那样重视，于是这里的焊缝内部经常会存在如气孔、夹渣、未焊透、裂纹等各种各样的焊接缺陷。在容器运行承受压力时，此处又是应力集中区，所以往往一台容器就从这里开始发生破坏，这一点是应引起注意的。

1.1.4.4　密封元件

密封元件是两法兰之间保证容器内部介质不发生泄漏的关键元件。对于不同的工作条件要求有不同的密封结构形式和不同材质及形式的密封垫片，在制造时对于密封垫材料和形式不得随意更改。

1.1.4.5　容器内件

在容器壳体内部的所有构件统称为内件。有的内件如换热器中的换热管也是一种受压元件，在《固容规》中还列为主要受压元件；有的容器内件尺寸要求十分严格，如重整反应器内的约翰逊网，其装配间隙不得超过0.8mm。对于塔内的塔盘和塔板，其不平度都有一定要求。所以笼统地认为内件不是承压件，制造质量无关大局，不会影响设备的安全使用，这种观点是极其错误的。

1.1.4.6　安全附件

安全附件是确保压力容器在运行中不发生超温、超压或液体总量超限的重要组成部件，其主要作用是保证压力容器安全运行。安全附件主要包括：安全阀、爆破片、压力表、液位计、壁温测试仪表（或温度计）等。

1.1.4.7　容器支座

压力容器是通过支座支承设备本身自重加上介质的重量，还要承受风载地震载荷给容器造成的弯曲力矩载荷，它是容器的主要受力元件之一。支座的形式有多种，对于立式容器常见的有圆筒形支座、裙式支座、悬挂式支座等；卧式容器主要采用鞍式支座和悬挂式支座；球形容器大多采用柱式支座等。为了保证其受力安全性，往往对支座中的对接焊缝要进行局部甚至全部的射线检测或超声检测的检查。

1.1.5　压力容器的基本要求

对压力容器最主要、最基本的要求是在确保安全的前提下有效运行，最大限度地保证长期稳定生产。具体来讲，压力容器的设计应满足以下性能要求。

①强度要求　强度是指容器在确定的压力条件或其他外力载荷作用下抵抗破裂或过量塑性变形的能力。这是容器在设计时首先考虑的要素，是计算容器壳体（指圆筒和球壳）壁厚的主要依据，即保证容器在使用中不发生强度失效。

②刚度要求　刚度是指容器或容器的受压力部件在限定的载荷下抵抗弹性变形的能力。容器或其受压部件刚度不足虽然不会发生破裂和过量的塑性变形，但却会由于弹性变形过大而丧失正常的工作能力，如容器法兰由于刚度不足而变形导致密封垫片处发生泄漏，即刚度失效。

③稳定性要求　稳定性是容器在外载荷作用下保持其几何形状不发生突然改变的能力。比如，薄壁圆筒在外压作用下，其形状可能会突然变形被压瘪，使容器丧失工作能力，从而造成容器的稳定失效。

④耐久性要求　耐久性就是指容器的使用寿命，是评定容器性能的重要标志之一。压力容器的使用年限由设计确定。在《固容规》中规定，使用年限是容器设计条件和设计总图中主要内容之一。

⑤密封性要求　压力容器的密封不但指可拆连接处，也包括壳体母材和各种焊接接头处的致密程度。对盛装易燃、毒性程度为高度危害和极度危害介质的容器，其密封性能要求更严，这些容器不但要求采用可靠的密封结构和进行泄漏试验，而且对制造和检验有更高的要求。