第2章 压力容器的基本知识

第二章压力容器的基本知识

§2-1压力容器

一、压力

(一)压力及单位

均匀地垂直作用于单位面积上的力，实际上就是压强。

MKS制→国际单位制(SI)→1牛顿/米2=1Pa(帕斯卡)=10-6MPa

CGS制→1dyn/cm2(达因/厘米2)=1μbar(微巴)=10-6bar

工程单位→1Kgf/cm2(公斤力/厘米2)=1工程大气压(at)

(atm)标准大气压或物理大气压→在纬度为450的海平面上(即重力加速度为9.80665米/秒2处)，大气的压力相当于在每平方厘米的面积上作用着1.0332公斤力。

表压力——压力表上所指示的压力值是指容器中的压力与容器周围大气压力之差，这个压力值称作表压力，是相对值。

绝对压力——表压力+容器周围的大气压力。

(二)压力的形成——

气体的分子与分子之间存有很大的间隙，分子引力甚小，因而分子在其中就可以不受分子力的约束而作无规则的运动。无数个分子频繁地碰撞器壁的结果，自然就会对器壁产生一个持续而稳定的垂直作用力，这样就形成了气体的压力。

气体压力的大小决定于在单位时间内气体分子对器壁的碰撞次数和每个分子对器壁冲击力的大小。碰撞次数取决于：①单位容积内气体的分子数；②分子的平均运动速度。冲击力取决于：①气体的分子质量(一般是一定的)；②分子的运动速度。所以气体的压力与它的分子的平均运动速度的平方以及单位容积内的气体分子数成正比。

二、压力容器定义及其运行特性

(一)压力容器的定义

承受流体介质压力的密闭壳体都可属于压力容器。我们能考虑的压力容器是指那些相对来说比较容易发生事故，而且事故的危害性比较大的特殊设备。它们需要由专门的机构进行监督，并按规定的技术管理规范进行制造和使用。

压力容器的界限，国际上还没有一个完全统一的规定，它的界限范围就应该从发生事故的可能性和事故危害性的大小来考虑。一般来说，压力容器发生爆炸事故时，其危害的严重程度与压力容器的工作介质，工作压力及容积有关。

工作介质是指容器内所盛装的、或在容器中参加反应的物质。压力容器爆破时所释放的能量与它的工作介质的物性状态有关。一个容积为10米3，工作压力为11个绝对大气压的容器：①空气爆破时释放能量(气体绝对膨胀所作的功)1.3×107焦耳；②如果装水时释放能量为2.16×103焦耳；前者为后者的6200倍。

一般都不把介质为液体的容器列入作为特殊设备的压力容器的范围。这里所说的液体是

常温下的液体，而不包括：

饱和液体——温度高于其标准沸点，如锅炉中的高温饱和水。

液化气体——标准沸点在常温(或环境温度)以下的液体。

所以从工作介质的状态这一方面来考虑划分压力容器的界限范围，它应该包括压缩气体、水蒸汽、液化气体和工作温度高于其标准沸点的饱和液体。

工作压力——表压为一个大气压为下限。

容积——最好有一个下限，有些国家以工作压力(大气压)×容积(米3)≥0.2作为下限。

按照GB150-1998钢制压力容器的规定，设计压力低于0.1MPa的容器属于常压容器，而设计压力大于或等于0.lMPa的容器属于压力容器。

从安全角度考虑，压力并不是表征压力容器安全性能的唯一指标。在相同压力下，容器容积的大小不同，意味着容器内积蓄的能量也不同，一旦发生破裂或爆炸造成的危害也不同。此外，容器内盛装的介质特性也影响了设备的安全性能。因此，压力、容积、介质特性是关联到压力容器安全的三个重要指标。

中国《压力容器安全技术监察规程》中定义同时具备下列三个条件的容器可作为压力容器。

①最高工作压力大于等于0.1MPa (不含液体静压力）；

②内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于或等于0.15m，且容积大于或等于0. 025m3；

③盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。

按中国《特种设备安全监察条例》附则的规定，压力容器的含义是：盛装气体或者液体，承受一定压力的密闭设备，其最高工作压力大于或等于0.lMPa(表压），且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa?L的气体或液化气体和最高工作温度高于或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等于0.2MPa (表压），且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPa?L的气体或液化气体和标准沸点等于或低于60°C的液体气瓶；医用氧舱等。

(二)压力容器的运行特性

I压力

①器外产生压力：

（1）气体压缩机：是用机械方法来提高气体压力的一种机器。

1）容积型压气机：通过缩小气体的体积、增加气体的密度来提高气体的压力。

如：螺杆式、活塞式、转子式、滑片式等。

2）速度型压气机：通过增加气体的流动速度、并使气体的动能转变为势能来提高气体的压力。如：离心式，轴流式、混流式等。

工作介质为工作介质为压縮气体的压力容器，可能达到的最高压力一般也只限于保持压气机出口的气体压力，除非气体在器内温度大幅度升高或产生其他物

理化学变化。

（2）蒸汽锅炉或余热锅炉：用加热的方法将水蒸发而产生水蒸汽的一种设备。

1个绝对大气压下：沸腾水的比容为1.043升/公斤，饱和蒸汽的比容为1725

升/公斤。也就是说，水变为相同压力的水蒸汽时体积约增大1700倍。

工作介质为水蒸汽的压力容器，其可能达到的最高压力也只限于锅炉的出汽压力。有时候压力容器所需要的蒸汽压力小于锅炉的出汽压力，则在容器的

蒸汽进口管上装设减压阀，调整减压阀即可得到容器所需的蒸汽压力。

②器内产生压力：

（1）器内介质的聚集状态发生改变：一般是液态或固态物质在器内受热，因而蒸发或分解为气体，体积剧列膨胀。容器密闭，密度增加，压力增高如：氨0℃

时饱和蒸气压4.38绝对大气压→50℃，20.7绝对大气压。

（2）介质在器内受热温度剧列升高（一般是少见的）：温度每升高1℃压力的增加等于它在0℃时压力的1/273。查理定律：温度升高1℃，压力增大1/273。

如果发生聚合反应，产生大量的聚合热，压力也会剧烈增高。

（3）介质在器内发生体积增大的化学反应：碳化钙加水，产生乙炔；密闭容器电解水（1m3→1240m3氢气+620m3氧气），体积增大近2000倍

II温度

容器的设计温度是指在正常操作情况时，在相应的设计压力条件下，壳壁或受压元件可能达到的最高或最低（≤﹣20℃)温度。温度是压力容器材料选用的主要依据之一，也是压力容器设计和使用中需要考虑的因素。

III介质特性

由用途和生产工艺所决定的压力容器的介质品种繁多复杂，从安全方面考虑，对介质的特性主要考虑三个方面：一是介质与压力和温度相关的物理特性；二是介质对材料的腐蚀性；三是介质的化学特性，主要是易燃和易爆性质，以及毒性程度。

(三)压力容器的基本要求

对压力容器最基本的要求是在确保安全的前提下长期有效地运行，因此压力容器应满足以下几个方面的要求。

1)强度强度是指容器在外力作用下不失效和不被破坏的能力。压力容器的受压元件

都应有足够的强度，以保证在压力、温度和其他外载荷作用下不发生塑性变形、破

裂或爆炸等事故。

2)刚度刚度是指容器在外力作用下保持原来形状的能力。与强度不同，容器或容器

的部件往往不会由于强度不足发生破裂，但会由于过大的变形而丧失正常的工作能

力，如容器及管道的法兰，由于刚度不足产生翘曲变形而发生密封泄漏，使密封失

效。

3)稳定性稳定性是容器在外力作用下保持其几何形状不发生突然改变的性能，如外

压薄壁圆筒可能会突然压瘪而失稳。

4)密封压力容器往往盛装一些易燃、易爆或有毒的介质，一旦泄漏，不仅会对环境

带来污染，还可能引起财产的损失和人员伤亡，因而对其密封性能的要求至关重要，如搅拌反应釜搅拌轴处的轴封。

5)使用寿命压力容器的设计使用年限一般为10?15年，对于高压容器等重要的容

器，设计使用年限可为20年。容器的设计使用年限与其实际使用年限是不同的，

如果操作使用得当，检验维修的好，则实际使用年限可能会比设计使用年限长得多。

压力容器的使用年限主要取决于容器的腐蚀、疲劳和磨损等。

6)制造与维修压力容器的结构应便于制造、安装和检查，以保证容器安全运行。如

采用标准化的零部件、设置尺寸适宜的人孔和检查孔。此外，容器的外形和尺寸上

还应考虑运输的方便。

§2-2压力容器的分类

①按容器的壁厚分：薄壁容器(厚度≤1/10内径)，厚壁容器。

②按壳体承受压力方式分：可分为内压容器和外压容器。容器的内部介质压力大于外界压力时为内压容器；反之，则为外压容器。真空容器是指内部压力小于一个绝对大气压（0. IMPa)的外压容器。

内压容器按其设计压力，可划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级，见表1-4。

③按容器工作壁温分：可分为常温容器（-20?200℃）、中温容器（在常温和高温之间）、高温容器（达到蠕变温度，对碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃）和低温容器（-20℃）。

④按壳体几何形状分：球形、圆筒形、圆锥形、轮胎形。

⑤按制造方法分：焊接容器，锻造、铆接、铸造、组合式等。

⑥按构造材料分：可分为金属制的和非金属制的两类。金属容器中，又可分为钢制容器(低碳钢、普通低合金钢、不锈钢等）、铸铁容器及有色金属容器（钛、铝等）。非金属材料既可作容器的衬里，又可作独立的构件。

⑦按容器安放形式分：立式容器，卧式等。

⑧压力容器按使用特点和安全管理方面分类：可分为固定式容器和移动式容器两大类。

固定式容器具有固定的安装和使用地点，工艺操作条件和操作人员都比较固定。移动式压力容器分为汽车罐车、铁路罐车、罐式集装箱和长管拖车。按其结构形式分为常温裸型、堆积绝热型、真空粉末绝热型及高真空多层绝热型。移动式压力容器属于贮运容器，主要盛装和运输压缩气体、液化气体和溶解气体。由于这类容器活动范围大，环境条件变化复杂，在运输和装卸过程中容易受到外界的冲击、振动，甚至可能发生碰撞或倾翻，一旦发生事故，带来的危害性可能更严重，所以对此类压力容器的设计、制造、检验和使用管理要求更高。

⑨按容器在生产工艺过程中的用途分：可分为反应容器、盛装（贮运）容器、换热容器和分离容器四大类。即用来完成介质化学反应的设备为反应容器；用以盛装工作介质的设备为盛装 (贮运）容器；用来使介质在容器内实现热交换的设备为换热容器；让介质通入容器内，利用降低流速、改变流向或用其他物料吸收等方法来进行分离，以达到净化介质或提取其中有用物料的目的为分离容器。

1.盛装容器盛装容器的作用主要是用来储备数量较多的工作介质，以保持介质压力的稳定，保证生产的持续进行。工作介质在器内一般不发生化学的或物理的性质的变化。常用的压

缩气体和液化气体贮罐(槽）、计量槽、压力缓冲器等都属于这种容器。

2.反应容器反应容器的主要作用是为工作介质提供一个进行化学反应的密闭空间。容器内的压力有的是从器外产生的，即工作介质经过加压后才进入容器内进行反应。这种反应容器多数是因为介质的反应需要在有压力的情况下才能进行，或者是需要通过增高压力来加速化学反应，所以要在器内维持一定的压力。这种反应容器的操作一般是连续性的，压力比较稳定，没有太多的周期性波动。也有的反应容器，压力是在器内产生的，即工作介质在器内发生体积增大的化学反应。这种反应容器，旧式的多数是间歇式或半间歇式的，因此器内压力有较频繁的周期性波动。反应容器在工作介质发生化学反应的同时，往往还伴有温度的变化，所以常要装设一些附属装置，如加热或冷却装置、搅拌装置等。常见的反应锅、聚合釜、合成塔等都属于反应容器。

3.换热容器换热器的作用主要是使工作介质在容器内进行热量交换，以达到生产工艺过程中所需要的将介质加热或冷却的目的。换热容器的型式很多，就传热方式来分，可以有蓄热式、直接式和间接式三种。蓄热式换热器中装有热容量较大的填充物，高温介质与低温介质交替从容器内通过，热量由高温介质传给器内的填充物，再由填充物传给低温介质。这种换热容器在压力容器中极为少见。直接式换热器是将加热（冷却）介质和被加热（冷却）介质在容器内直接接触，热量直接由高温介质传给低温介质，因此它只适用于两种介质不会互相混和或允许相互掺合的场合。这种换热容器多数是用水蒸汽直接加热一些物体，如蒸煮锅、消毒器等。或用水直接冷却一些有压力

的气体，如水洗塔等。前者，容器内的压力为水蒸汽的压力。后者，器内的压力为气体压力。间接式换热器是参与换热的两种介质在容器内被隔离不能相互接触，热量的交换通过它们之间的隔离壁（如管壁、板壁）来间接完成。这种换热器的型式更多，使用也更为广泛。按它的传热壁的结构，这种换热器可以分为两大类，即管式换热器和板式换热器。管式换热器也有许多种，属于压力容器的，有蛇管（或回弯管）式、排管淋洒式和列管式。其中列管式换热器使用最普遍，型式也较多。板式换热器的型式也有多种，压力容器中较常见的为夹套容器。

4.分离容器分离容器的主要作用是让介质通入容器内，利用降低流速、改变流动方向或用其他物料吸收等等方法来分离气体中的混合物，以达到净化气体或提取其中有用的物料的目的。在分离容器中，主要介质不发生化学反应，压力都是来自器外。这种容器的名称较多，主要是因为它们在各个生产工艺过程中的目的不同或使用的分离净化方法不同。例如，按容器的作用命名，可以叫分离器、净化塔、回收塔；按所用的净化方法命名，可以叫吸收塔、洗涤塔、过滤器等。

在实际生产过程中，有一些容器往往具有多种用途。在这种情况下，这些容器应归属于作为主要用途的一类。例如合成氨厂的二氧化碳水洗塔，既有冷却原料气体的作用.（换热）又有吸收分离出二氧化碳的作用（分离），但它的主要作用是后者，所以应该属于分离（净化）容器。

⑩按安全监察管理分类：为有利于安全技术管理和监督检查，对符合表1-5条件的容器，根据容器的压力等级、介质毒性危害程度（表1-6)以及在生产过程中的作用，压力容器（不包括核能容器、船舶上的专用容器）可分为三类。

一类容器：非易燃或无毒介质的低压容器；

易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压分离容器及换热容器。

二类容器：中压容器；

毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

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贮存容器；

内径小于1m的低压废热锅炉。

低压搪玻璃压力容器

注：搪玻璃设备是将含硅量高的瓷釉涂于金属表面，通过950℃搪烧，使瓷釉密着于金属铁胎表面制成。因此，它具有类

似玻璃的化学稳定性和金属强度的双重优点

三类容器：高压、超高压容器；

毒性程度为极度和高度危害介质，且P×V≥0.2Mpa·m3的低压容器；

易燃或毒性程度为中度危害介质，且P×V≥0.5Mpa·m3中压反应容器；

易燃或毒性程度为中度危害介质，且P×V≥10Mpa·m3的中压贮运容器；

毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；

高压、中压管壳式余热锅炉或内径大于1m的低压余热锅炉。

中压搪玻璃压力容器；

使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540Mpa）的材料制造的压力容器；

移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车[液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车]和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；

容积大于等于50m3的球形贮罐；

容积大于5m3的低温液体贮存容器。

三类压力容器制造厂的资格复审和许可证的发放，要由国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局办理，而二类、一类容器则由各省、自治区、直辖市质量监督局特种设备安全监察处办理。

§2-3压力容器的结构型式

压力容器的结构一般比较简单，因为它

的主要作用或是储装压缩气体或液化气体，

或是为这些介质的传热，传质或化学反应提

供一个密闭的空间。它的主要部件是由一个

能承受压力的壳体及其它必要的联接件和密封件构成。

压力容器一般是由壳体（又称筒体）、封头（又称端盖）、法兰、支座、接口管、人孔、密封元件和安全附件等组成，如图3-1所示。在压力容器的破坏事故中，有相当一部分是由于结构设计不合理引起的。因此，设计合理可靠的结构和强度设计同等重要。

一、容器本体

压力容器本体的结构型式虽然较多，但最常用的是球形容器和圆筒形容器。其他特殊形状的如方形、椭球形、半圆筒形、串球形(葫芦形)等。一般只在极个别的情况下才使用。典型的压力容器有塔式容器、换热器、反应器、贮存容器等。

(一)球形容器

本体就是一个球壳，一般都是焊接结构，球形容器的直径一般比较大，难以整体或半整体压制成形，所以它大多是由许多块按一定的尺寸预先压制成形的弓形球面板组焊而成。

优点：表面积小、省材、受力合理，承压能力好，对于用作需要与周围环境隔热的容器也是有利的，因为它节省隔热材料，减少热的传导，如造纸工业中用于蒸煮纸浆的“蒸球”就是利用此优点。

缺点：安装内件不便，不利于介质流动，制造稍难，故一般只广泛用作贮罐（盛装容器）。

(二)圆筒形容器

圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种凸形封头.（半球形、椭球形、碟形、圆锥形）或平板封头所组成。作为容器主体的圆柱形筒体是一个平滑的曲面，受力自然不如球形，但应力分布比较均匀，而且承压能力较好，制造容易，便于在内部装设工艺附件和便于相互作用的工作介质在内部流动。因此这类容器应用最广。它一般由一个圆筒体和两端的封头(端盖)组成。

1.圆筒体

一般是焊接(小的用无缝钢管)，小的只有一条纵、两条横焊缝，一般尽量使纵焊缝减至最少。为了便于批量生产，我国实行压力容器零部件标准化，容器的筒体直径(内径)按公称直径(D g)选用，如600mm。但用无缝钢管制作的圆筒体，公称直径指它的外径。

2.封头

封头或端盖按形状可以分为三类：凸形封头、锥形封头、变径段、平板盖等。平板盖一般用作人孔及手孔。

凸形封头——有半球形封头、碟形封头、椭圆形封头和无折边球形封头。

a)半球形封头实际上就是一个半球体，由于它的深度(高度)太

大，整体压制成形较为困难，所以直径较大的一般都是由几块

大小相同的梯形球面板和顶部中心的一块圆形球面板(球冠)

组焊而成，中心圆球面板的作用是把梯形球面板之间的焊缝间

隔开一定的距离。优点是省材、厚度小、表面积小，但加工制

造困难。虽然半球形封头壁厚可较直径与压力相同的圆筒壳减

薄一半，但在实际工作中，为了焊接方便以及降低边界处的边

缘压力（为了焊缝处结构连续），半球形封头常和筒体取相同

的厚度。一般仅用于压力高，直径大的贮罐。

b)碟形封头又称带折边的球形封头，它常由几何形状不同的三个

部分组成。1) 以R i为半径的球面；2) 高度为h的圆筒体(即

直边)；3) 以r为半径的过度圆弧(即折边)。过度圆弧部分的

作用使球面体与圆筒体平滑过渡，以减小连接处由于形状突变

而产生的局部应力。但由于球面部分与过渡区、过渡区与直边

段的曲率半径不同，造成结构不连续，会引起连接处的局部高

应力，因此规定碟形封头球面部分的半径一般不大于筒体内

径，通常取0.9倍的封头内直径，而封头转角内半径应不小于筒体内直径的10%，且不得小于3倍封头名义壁厚。从碟形封头的几何图形可以看出：碟形封头的深度与过渡圆弧的曲率半径r及球面体的半径R i的大小有关。过渡圆弧曲率半径r越小，球面半径R i越大，则封头深度越小。当曲率半径r小到零时，碟形封头就成为无折边的球形封头。

当球面半径R i大到无限大时，它就成了平板封头。反之，过渡圆弧曲率半径r越大、球面半径R i越小，则封头深度就越大。而当曲率半径r与球面半径R i相等时，碟形封头就成了半球形封头。此时封头的深度与它的半径相等。碟形封头的深度小，加工制造容易，但深度越小，它的过度圆弧曲率半径也越小而球面半径就越大，

这样，在过渡圆弧与球面体处的形状突变也越为严重，因此而产

生的局部应力也越大，封头需要的壁厚也越大。要使封头的深度

和厚度比较合适，常取r/R i=0.15。由于在相同受力条件下，碟形

封头的壁厚比相同条件下的椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封

头存在应力不连续，因此没有椭圆形封头应用广泛。

c)椭圆形封头一般由半椭球体和一个高度为h的圆筒形筒节（直边段）

两部分组成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。椭圆形的曲率半径变化是连续的，没有形状突变处，因此椭圆形封头的应力也是连续分布的。但加工稍为困难些。压力容器中常用的是长短轴比值为2的标准椭圆形封头。由于椭圆壳体周向应力为压应力，为了使这部分壳体不致于失稳，具有足够稳定性，对于标准椭圆形封头，规定其有效厚度应不小于封头内直径的0.15%,

其他的有效厚度应不小于0.30%。

d)无折边球形封头球冠形封头相当于把碟形封头的直边及过渡段部分

去掉，只留下球面部分。并把它直接焊在筒体上。其结构简单、制

造容易、成本较低，由于与筒体的连接处存在明显的形状突变，会

产生较大的附加弯曲应力，因此只应用于直径较小、压力较低的容

器。采用无折边球形封头时，封头的球面内半径不应大于筒体内直

径。

e)锥形封头：主要应用于许多化工设备（如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等）

的底盖，它的优点是便于汇集与卸除这些设备中的固体物料。有利于气体在容器内均匀分布或改变流速。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的圆锥形壳体称为变径段。锥形封头分为无折边锥形封头和带折边锥形封头两种，如图3-4所示。采用带折边锥体作封头或变径段可以降低转角处的应力集中。

无折边的锥形封头就是一段圆锥体。有较大局部应力。带折边的锥形封头由圆锥体，过渡圆弧及圆筒体三部分组成。

对于锥体大端，当锥壳半顶角α≤30°时，可以采用无折边结构，当α＞30°时，应采用带过渡段的折边结构。大端折边的过渡段转角半径应不小于封头大端内直径的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍。

对于锥体小端，当锥壳半顶角α≤45°时，可以采用无折边结构，当α＞45°时，应采用带过渡段的折边结构。小端折边的过渡段转角半径应不小于封头小端内直径的5%，且不小于该过渡段厚度的3倍。

当锥壳半顶角α＞60°时，其厚度可按平盖计算，也可以用应力分析方法确定。锥壳与圆筒的连接应采用全焊透结构。

例如：1979年某厂的浴室加热水箱发生爆炸事故，造成44人死亡（烫死、砸死、溺死）、37人重伤。该加热箱于1973年由该厂自己制造的，采用无折边锥形封头，如图3-5所示。从爆炸口上看到，筒体与封头连接的角焊缝处，存在较多的未焊透、气孔等缺陷。该设备封头采用半锥角为75°的无折边锥形封头，结构设计不合理，在筒体与封头的连接处存在较大的局部应力，而处在结构不连续处的角焊缝焊接质量又较差，未焊透等缺陷引起了应力集中，增大了该处的应力水平，致使事故发生。

f)平板盖与其他封头比较，平板封头受力情况最差。在相同的受压条件下，平板盖比

其他形式的封头厚得多。但是，由于平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。另外，在高压容器中，平板封头也用得较为普遍。这是因为高压容器的封头很厚，直径又相对较小，凸形封头的制造较为困难。而承压设备的封头一般不采用平板形，只是压力容器的人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。并且在压力容器中，一般采用焊透的焊接结构。

二、容器主要附件

法兰、接管、开孔、补强、密封。

法兰联接结构型式：压力容器的可拆联接结构一般都是法

兰联接。

1．整体法兰：整体法兰与圆筒体固定成为一个不可拆的整体。

根据它与筒体的联接方式又有平焊法兰和对焊法兰之分。

2．活套法兰：活套法兰是套在筒体外面而不与筒壁固定成整体的一种法

兰。它与筒体没有刚性的联系，不会使器壁产生附加应力。

3．螺纹法兰：螺纹法兰是用螺纹与筒体相联接的一种法兰。它与筒体的

联系既不是完全固定的，也不是完全自由的。这种联接结构可以减少法兰

对器壁产生的附加应力。但在直径较大的容器壳体和法兰上加工螺纹是相

当麻烦的，故一般只用于管式容器和高压管道上。

1．接口管

压力容器在使用过程中需要与介质输送管道或仪表连接管件等进行联接。接口管就是容器专门用来与外部设备管道联接的一种附件。容器上常用的接口管有三种型式：螺纹短管式、法兰短管式以及平法兰式，见图l—11。

螺纹短管式接口管是一段带有内螺纹或外螺纹的短管。短管插入并焊接在容器的器壁上，如图l—11(a)。短管螺纹用来与外部管件联接。这种型式的接口管一般用于联接直径较小的管道，如接装测量仪表等。

法兰短管式接口管是一段焊接有一个管法兰的短管，如图1—11(b)。法兰用以与外部管件联接。这种型式的接口管，在容器外面的一段短管要具有一定的长度，以便短管法兰与外部管件联接时能够顺利地穿进螺栓和上紧螺帽，短管的长度一般都不小于100毫米。外面有保温层的容器的接口管以及靠近容器本体法兰的接口管，短管的长度还要大一些。法兰短管式多用于直径稍大的接口管。

平法兰式接口管是法兰短管式接口管除掉了短管的一种特殊型式。它实际上就是直接焊在容器开孔上的一个管法兰。不过它的螺孔与一般管法兰的不同，是一种带有内螺纹的不穿透孔。这种接口管与容器的联接有贴合式和插入式两种型式，见图1—ll(c)。贴合式接口管有一面加工成圆柱状(或球状)，使与容器的外壁贴合，并焊接在容器开孔的外壁上，因而容器的孔可以开得小一些。但圆柱形的法兰面加工比较困难。插入式的法兰两面都是平面，它从容器开孔插入到器壁内表面进行两面焊接，插入式接口管加工比较简单。但不适宜用于器内装有大直径的部件(如塔板)的容器上。平法兰式接口管的优点是它既可以作接口管与外

部管道连接，又可以作补强圈，对器壁的开孔起补强作用，容器开孔不需另外再补强。缺点是装在法兰螺孔内的螺栓容易受碰折断，而且一旦折断后要取出相当困难。

2．手孔或人孔

为了便于内部清理和定期检验以及器内附件的安装拆卸，一般压力容器都开设有手孔或人孔。手孔或人孔有圆形和椭圆形两种。椭圆形孔的优点是器壁上的开孔面积可以小一些。立式容器的椭圆形人孔，一般开在圆筒体上，因为这样可以把椭圆孔的短径放在容器的轴向上，既可以减小开孔对筒体的削弱，也适宜于人的进出(因人孔在水平方向较宽而垂直方向较窄)。卧式容器的人孔开在圆筒体上时一般是圆形孔，椭圆形人孔只开在碟形封头上。

手孔和人孔的封闭型式有内闭式和外闭式两种。

3．开孔补强结构

为了满足工艺、安装、检修的要求，往往需要在容器的筒体和封头上开各种形状、大小不同的孔或连接接管。容器的筒体或封头开孔以后，不但减小了器壁的受力截面积，削弱了容器壁的强度，而且在筒体与接管的连接处，由于原壳体结构产生了变化，出现不连续，在开孔区域将形成一个局部的高应力集中区，产生应力集中。开孔边缘处的峰值应力通常较高，达到甚至超过了材料的屈服极限。较大的局部应力，加之容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往会成为容器的破坏源。因此，需要对压力容器上开孔位置与尺寸、连接结构和补强问题进行设计。

(1) 容器开孔接管处应力集中的特点在实际容器设计中，容器壳体开孔后均需焊上接管或凸缘，而开孔接管处的应力集中与壳体开小孔时并不相同。在操作压力作用下，壳体与开孔接管受连接边缘变形协调的要求，在连接处将产生相互的边缘力与弯矩。因此开孔接管处不仅存在孔边集中应力和薄膜应力，还有边缘应力和焊接应力。所以容器接管处的应力集中远比小孔处的情况严重。

(2) 允许开孔的范围壳体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形。GB150《钢制压力容器》规定以下允许开孔的范围：

①在圆筒壳体上开孔，对于内径小于等于1500mm时，最大孔径应小于等于筒体内径的1/2，且小于等于520mm;对于内径大于1500mm的圆筒，最大孔径应小于等于筒体内径的1/3，且小于等于1000mm;

②凸形封头或球形容器开孔，最大孔径应不大于壳体内径的1/2;

③锥形封头的开孔最大直径应不大于孔中心处锥体内直径的1/3。

(3) 开孔尺寸容器上开孔时，无论开孔尺寸的大小，孔边的应力集中都是存在的。对于孔边应力集中的分析是建立在无限大平板开小孔的基础上，当开孔直径较大时，除了拉压应力外，还存在弯曲应力，影响的范围也较开小孔时不同，因此小开孔理论就不适应了。当开孔直径大于GB 150《钢制压力容器》规定时，其补强设计与计算需要进行特殊的处理。

(4) 开孔补强设计所谓开孔补强设计是在开孔附近区域增加补强金属，使之达到提高器壁强度，降低应力集中系数，满足强度设计要求的目的。但并非所有的开孔都需要进行补强，这是因为在设计制造中，壳体厚度往往超过实际强度需要的厚度，实际上容器已被整体补强了。还有在设计时往往封头与筒体等厚或厚一点，实际上封头也巳被加强了。又如接管的壁厚一般都比强度设计要求的厚，多余的金属起到了补强的作用。容器开孔补强的形式主要有整体补强和补强圈补强。

整体补强是指采用增加整个壳体的厚度，或用全焊透的结构形式将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊来降低开孔附近的应力。由于开孔应力集中的局部性，在远离开孔区的应力值与正常应力值一样，故除非制造或结构上的需要，一般并不把整个容器壁加厚。在开孔处用全焊透的结构形式焊上一段特意加厚的短管，使接管的加厚部分恰好处于有效补强区内，则可以降低应力隼中系数。整锻件补强结构是将接管与壳体连同加强部分作成整体锻件，然后与壳体焊在一起。'其优点是补强金属集中于开孔应力最大部分，应力集中现象得到大大缓和。

补强圈补强是在壳体开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈，为最常见的补强结构。补强圈一般与器壁采用搭接结构，材料与器壁相同，补强圈尺寸可参照标准确定，也可按等面积补强原则进行计算。当补强圈厚度超过8mm时，一般采用全焊透结构，使其与器壁同时受力，否则不起补强作用。补强圈结构简单，制造方便，但补强圈与壳体金属间存在一层静止的气隙，传热效果差。当两者存在温差时，会产生较大的热应力。另外，由于补强圈与壳体并不是一个整体，因而抗疲劳性能较差。补强圈补强一般适用于常温、中低压容器。

开孔补强当然也可以用增加容器整体壁厚的方法。即把容器简体或封头的厚度加大到使孔边的局部应力减小到允许的范围之内，这就是整体补强。很明显，这种用增加整体壁厚来降低孔边的局部应力的补强方法是不合理的，所以容器的开孔一般都用局部补强法，即在孔边增设补强结构。

容器的开孔补强结构，常用的有补强圈和厚壁短管两种。

用补强圈补强就是在孔边焊上一个金属圈，如图1－14。补强圈用与容器相同的材料制成，一般是贴合在容器的外壁，并与壳体及接口管牢固地焊接在一齐，使它与器壁能同时受力。补强图的外径约为开孔直径的两倍，厚度一般与容器的壁厚相同。圈上开有一个带螺纹的小孔，备作补强圈周围焊缝的气密性试验之用。

用厚壁短管补强就是把与开孔联接的接口管的一段管壁加得很厚，如图1—15。这段接口管除了承受管内压力所需的厚度以外，还有很大一部分剩余厚度可以用来加强孔边。厚壁短管插入孔内并高出器壁的内表面，与器壁进行两面焊接。厚壁短管的壁厚一般等于或稍大于器壁的厚度，长度约为壁厚的3～5倍。这种补强结构补强效果较好。因为用以补强的金属都集中在孔边的局部应力最大的区域内。而且制造容易、用料也较省，因而逐渐被广泛采用。特别是那些对应力集中比较敏感的低合金高强度钢制造的容器，开孔补强更宜用厚壁短管补强结构。

将器壁上开的孔进行扳边(即将孔边翻折)，也是一种开孔补强结构，如图1—16。这种扳边补强结构常用于碟形封头上的人孔。因为碟形封头球面部分的壁厚常有较大的富裕量，再加上一定高度的扳边部分，可以把孔边的局部应力降低到规定的允许范围内，因而可以不需要另加金属结构进行补强。采用扳边补强时，孔边翻折的高度一般为壁厚的2～3倍。

4．密封结构型式

要保证法兰连接的紧密性，必须合理地选

择压紧面的形状。最常采用的压紧面形状有平

面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等。平面形压紧

面用于压力不高的场合（设计压力p≤2.5MPa),

其密封性能较差，但结构简单，加工方便，便于进行防腐和衬里清洗；凹凸形压紧面适用于中压及温度较高的场合，其主要优点是密封性能好，垫片易于对中，压紧时能防止垫片被挤出；榫槽形压紧面适于易燃、易爆和有毒介质的密封，密封性能可靠，但更换垫片较困难；梯形槽压紧面常与椭圆垫和八角垫配用，用于较高压力的场合，这是因为槽的锥面与垫圈形成线（或窄面）接触密封，此种结构常在压力（p≥6.4MPa)、温度（t≥350℃) 较高时采用。

整个容器的结构、重量和制造成本，而且关系到容器投产后能否正常运行。

对高压密封结构的要求首先是使用可靠。即要求它在升压、降压和正常运行等过程中，在温度或压力波动的情况下能始终保持严密不漏。在这个基础上再要求它结构简单、使用材料少、占据容器的反应空间少以及制造方便、易于安装和拆卸等。

各国对高压密封结构作了许多研究工作，高压密封的结构型式也越来越多。目前各国的高压容器所采用的密封结构，按照它的作用原理可以分起强制式密封和自紧式密封两大类型。

§2-4压力容器安全设计的要求

必须按照GB150-89《钢制压力容器》及GB151-89《钢制管壳式换热器》和《压力容器安全技术监察规程》进行设计。设计单位必须获得“压力容器设计单位批准书”方可进行设计。对安全运行有影响的不良设计主要有：

①器壁太薄：产生过渡弹性、塑性变形、失效。

②选材不当：在操作条件下脆断、腐蚀。

③结构不良：过高局部应力，疲劳破裂。

④安全泄压装置选用不当：不能及时迅速地泄压；破裂。