压力容器基础知识简介

（一）压强及其单位

压强的定义：表示压力作用效果（形变效果）的物理量。在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕（以法国科学家帕斯卡Blaise Pascal而命名的），即牛顿/平方米（N/m²），一般以英文字母[Pa]表示。

标准大气压为1.013×10⁵Pa，大气压的数值相当于10m水柱或76cm水银柱所产生的压强。

压强的公式：

压强=压力/受力面积，即P=F/S

其中 P：为压强（单位：帕斯卡；单位符号：Pa）

F：为压力（单位：牛顿；单位符号：N）

S：为受力面积（单位：平方米；单位符号：m²）

单位换算：

1兆帕（MPa）=145磅力/英寸²（psi，1bf/in²）=10.2千克力/厘米²（kgf/cm²）=10巴（bar）=9.8大气压（atm）

1磅力/英寸²（psi，1bf/in²）=0.006895兆帕（MPa）=0.0703千克力/厘米²（kgf/cm²）=0.0689巴（bar）=0.068大气压（atm）

1巴（bar）=0.1兆帕（MPa）=14.503磅力/英寸²（psi，1bf/in²）=1.0197千克力/厘米²（kgf/cm²）=0.987大气压（atm）

1大气压（atm）=0.101325兆帕（MPa）=14.696磅力/英寸²（psi，1bf/in²）=1.0333千克力/厘米²（kgf/cm²）=1.0133巴（bar）

日常的简单换算：

1atm=0.1MPa=1kgf/cm²=1bar=10mH₂O=14.5PSI（1bf/in²）

1kPa=0.01kgf/cm²=0.01bar=7.5mmHg=100mmH₂O=4inH₂O

1GPa=10³MPa

1MPa=10⁶Pa

1GPa=10⁹Pa

（二）温度及其单位

1.温度的定义

温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。

2.温度的表示

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上使用比较广泛的温标有华氏温标（℉）、摄氏温标（℃）、热力学温标（K）。

华氏度（Fahrenheit）和摄氏度（Centigrade）都是用来计量温度的单位。包括我国在内的世界上很多国家都使用摄氏度；美国和其他一些英语国家使用华氏度而较少使用摄氏度。

（1）摄氏度 是以其发明者Anders Celsius（1701～1744）命名的，其定义为结冰点是0℃，沸点为100℃。1740年瑞典人摄氏（Celsius）提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0℃，水的沸腾温度规定为100℃。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度，记作1℃。

（2）华氏度 以其发明者Gabriel D.Fahrenheit（1681～1736）命名，其定义为氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100℉，据此可知水的结冰点是32℉，沸点为212℉。1714年德国人法勒海特（Fahrenheit）以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，把水银温度计从0℃到100℃按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。

摄氏温度和华氏温度的关系：

t_F=1.8t+32（t为摄氏温度数，t_F为华氏温度数）

（3）热力学温标 以热力学零度为基点的温度标尺，实验表明当温度降至-273.15℃时，气体的压强为零，因此科学上规定-273.15℃为热力学零度，用字母T表示，单位为K。其分度法与摄氏温标相同（即热力学温标上相差1K时，摄氏温标上也相差1℃）；这是由英国科学家开尔文创立的。与摄氏度的关系表示为：

T（K）=273.15+t（℃）

（三）压力容器及其分类

1.压力容器的定义

从广义上讲，压力容器应该包括所有承受压力荷载的密闭容器。根据2009年8月31日国家质检总局批准颁布、2009年12月1日实施执行的《固定式压力容器安全技术监察规程》（标准号：TSG R0004—2009）的定义，压力容器是指盛装气体或者液体、承载一定压力的密闭设备，包括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的气体和液化气体、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的气体和液化气体、标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶、氧舱等。压力容器定义适应范围的特殊规定可以参见《固定式压力容器安全技术监察规程》的相关标准。

2.压力容器的分类

根据《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定，压力容器的分类如下：

（1）介质分组 压力容器的介质分为以下两组，包括气体、液化气体或者最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体。

第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质、易爆介质、液化气体。

第二组介质：除第一组以外的介质。

（2）基本分类 压力容器分类应当先按照介质特性，按照以下要求选择分类图，再根据设计压力p（单位MPa）和容积V（单位L），标出坐标点，确定容器类别：

1）对于第一组介质，压力容器的分类见图2-17。

图2-17 压力容器分类（第一组介质）

2）对于第二组介质，压力容器的分类见图2-18。

图2-18 压力容器分类（第二组介质）

（3）多腔压力容器分类 多腔压力容器（如换热器的管程和壳程、夹套容器等）按照类别高的压力腔作为该容器的类别并且按该类别进行使用管理。但应当按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。对各压力腔进行类别划定时，设计压力取本压力腔的设计压力，容积取本压力腔的几何容积。

（4）同腔多种介质容器分类 一个压力腔内有多种介质时，按组别高的介质分类。

（5）介质含量极小容器分类 当某一危害性物质在介质中含量极小时，应当按其危害程度及其含量综合考虑，由压力容器设计单位决定介质组别。

（6）特殊情况分类 坐标点位于图2-17或者图2-18的分类线上时，按较高的类别划分其类别。

对于GB 5044和HG 20660两个标准中没有明确规定的介质，应当按化学性质、危害程度及其含量综合考虑，由压力容器设计单位决定介质组别。

3.压力等级划分

压力容器的设计压力（p）划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级。

1）低压（代号L）0.1MPa≤p＜1.6MPa；

2）中压（代号M）1.6MPa≤p＜10.0MPa；

3）高压（代号H）10.0MPa≤p＜100.0MPa；

4）超高压（代号U）p≥100.0MPa。

4.压力容器品种划分

按在生产工艺过程中作用原理的不同，压力容器分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。具体划分如下：

（1）反应压力容器（代号R） 主要是用于完成介质的物理、化学反应，例如反应器、反应釜、分解锅、硫化罐、分解塔、聚合釜、高压釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉等。

（2）换热压力容器（代号E） 主要是用于完成介质的热量交换，例如管壳式余热锅炉、换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器、消毒锅、染色器、烘缸、蒸炒锅、预热锅、溶剂预热器、蒸锅、蒸脱机、电热蒸汽发生器、煤气发生炉水夹套等。

（3）分离压力容器（代号S） 主要是用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离，例如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等。

（4）储存压力容器（代号C，其中球罐代号B） 主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，例如各种形式的储罐。

在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应当按工艺过程中的主要作用来划分品种。

（四）压力容器的主要参数

1.压力

工作压力（也称操作压力）是指在正常工艺操作时容器顶部的压力。如果没有特殊说明均指表压。

（1）最高工作压力 是指在正常工艺操作过程中可能出现的最高压力。压力超过此值时，容器上的安全装置就要动作。最高工作压力的确定与工作介质有关。在容器出厂时，随设备的技术资料和产品铭牌对其最高工作压力都有详细规定，在使用过程中经技术监督部门的检验后如果发现有缺陷，则质监部门会根据检验结果给出其可以安全正常使用的压力规定值，在实际使用中应该严格遵守，绝对不允许超压使用。

（2）设计压力 是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度作为设计荷载条件，其值不低于工作压力。《固定式压力容器安全技术监察规程》中规定装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力或爆破压力。

（3）最大允许工作压力 是根据有效壁厚反推得到的容器允许承受的最大压力值，一般超过设计压力。但是最高工作压力不允许超过设计压力。

（4）试验压力 压力容器在进行压力试验时，容器顶部的压力。

（5）计算压力 在相应设计温度下，用以确定器件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当器件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

2.温度

（1）工作温度 容器内部工作介质在正常操作过程中的温度，即介质温度。

（2）设计温度 容器在正常工作情况下，设定的器件的金属温度（沿器件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。铬牌上的设计温度应是壳体设计温度的最高值或最低值。

（3）试验温度 压力试验时，壳体的金属温度。

3.几何尺寸

（1）直径 压力容器的内部直径，即内径。

（2）公称直径 又称平均外径（mean outside diameter），指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位为mm。例如：内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。

压力容器的公称直径中，用钢板卷焊制成的筒体，其公称直径指的是内径。若容器直径较小，筒体可直接采用无缝钢管制作，此时，公称直径指钢管外径。

封头的公称直径与筒体一致。

（3）厚度

1）计算厚度：指按公式计算得到的厚度，需要时，计算中尚应考虑其他载荷的作用。

2）设计厚度：指计算厚度与腐蚀裕量之和。

3）名义厚度：指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。

（五）气体生产设备中常见压力容器的结构形式

1.球罐

球罐外表呈球形见图2-19，是储存和运输各种气体、液体、液化气体的一种有效的、经济的压力容器。在化工、石油、炼油、造船及城市煤气工业等领域进行较高压力介质的存储中大量应用。

图2-19 球罐

与圆筒形容器相比其主要优点是：受力均匀；在同样壁厚条件下，球罐的承载能力最高；在相同内压条件下，球形容器所需要的壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形容器壁厚的1/2（不考虑腐蚀裕度）；在相同容积条件下，球形容器的表面积最小，但容积最大。由于壁厚、表面积小等原因，一般要比圆筒形容器节约30%～40%的钢材。

其主要缺点是制造施工比较复杂。一般先在生产厂进行球壳及其附件的加工，运输到安装现场后进行焊接和组装，然后进行压力试验及射线检测等检验，最后到质监部门办理完相关手续才能投运。

2.换热器

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器利用了不同介质的温度通过互相隔离的通道来实现低温介质和高温介质的热量交换。在气体生产过程中，换热器是热量交换和传递不可缺少的设备。

换热器的分类比较广泛，用于气体生产的换热器有：反应釜、压力容器、冷凝器、螺旋板式换热器、波纹管换热器、列管换热器、板式换热器、管壳式换热器、容积式换热器、浮头式换热器、热管换热器、汽水换热器、空气换热器。

3.冷却器

冷却器是换热器的一种，多用于气体压缩机压缩后气体的冷却，用以冷却流体，通常用水或空气作为冷却剂，有间壁式冷却器、喷淋式冷却器、夹套式冷却器和蛇管式冷却器等。

冷却器按照结构不同可分为：

1）列管式（固定折板式、浮头式、双重管式、U形管式、立式、卧式等）；

2）风冷式（间接式、固定式及浮动式或支撑式和悬挂式等），特点为使用风作为冷却介质，结构简单、体积小、重量轻、热阻小、换热面积大、使用和安装方便；

3）水冷式，体积小，冷却效率高，能用于高温、高湿、多尘的环境中。特点为冷却水从管内流过（水走管程），被冷却介质从列管间流过，中间折板使被冷却介质折流，并采用双程或四程流动方式，强化冷却效果；有些冷却器水从列管间（带有防水流短路的护板或折流板）流过（水走壳程），被冷却介质从管内流过。

风冷式冷却器在夏季空气温度较高的情况下难以保证冷却效果，过高的进风温度会制约冷却效果，所以在随着科学技术的发展，结合风冷和水冷的优点，研制出了闭式循环水风冷却器，又名闭式冷却塔，效果较好。

水冷式冷却器，特别是水走壳程的冷却器对水质要求较高，首先要求水中泥沙等杂质要少，否则长期运行会在冷却器水侧形成泥沙沉淀，影响换热效果；其次要防止冷却器的腐蚀与结垢，投加缓蚀阻垢剂可以缓蚀阻垢。

4.吸附（分馏）塔

一般为直筒形压力容器，由筒体、封头等部分组成，材质有不锈钢、碳钢等，内部根据工艺要求装填不同类型的吸附材料（如分子筛、硅胶、催化剂等吸附剂），用于吸附介质中的杂质或进行介质不同组分的分离。

（六）压力容器的安全附件

1.安全附件的作用及分类

（1）安全附件的作用 防止压力设备或容器压力升高超值或容器内部压力超过限度而发生爆炸等重大事故。

（2）安全附件的分类

1）显示类安全附件。用于显示容器内部介质的状态参数，有温度计（表）、液位计、压力表（变送器）等。

2）控制或显示-控制类安全附件。控制类安全附件用于控制压力容器内部压力。这一类装置大多为自动控制仪表，能够自动调整器件内部或管网系统内部气体介质的压力，达到规定的安全压力范围，以保证压力容器及系统的安全。此类安全附件有电接点压力表、自动液位控制仪、自动压力调节阀等。

3）自动泄放装置。当容器内部或管网系统内部气体介质由于意外情况引起压力超过容器安全运行正常压力时，该装置能够自动泄放部分或全部气体，以防止压力升高而造成压力容器爆炸事故。此类安全附件有安全阀、爆破片、爆破帽、易熔塞、紧急切断阀等。

根据压力容器的不同种类，安全附件的设置多种多样，一般最平常的就是压力表和安全阀。

2.对安全阀及相关安全附件的通用要求

安全阀设计、制造、安装、检验、定期检定应遵守以下规定：

1）制造安全阀、爆破片装置的单位应当持有相应的特种设备制造许可证。

2）安全附件的设计、制造必须符合相关的安全技术规范之规定。

3）安全附件出厂时应当随带产品质量证明书，并且在产品上装设牢固的金属铭牌，标明相关技术指标。

4）安全附件实行定期检验制度。安全附件的定期检验按照压力容器定期检验规则及相关安全技术规范的规定进行。

3.安全附件的安装与设置要求

1）压力容器应当根据设计要求装设安全泄放装置（安全阀或者爆破片装置）。当压力容器外部的压力源得到可靠控制时，安全泄放装置可以不直接安装在压力容器上。

2）爆破片装置与安全阀装置组合安装，串联在组合结构中的爆破片在动作时不能产生碎片。

3）对易爆介质或者毒性程度为极度、高度或者中度危害介质的压力容器，应当在安全阀或者爆破片的排出口安装介质排放导管，以便一旦安全装置动作，可以将危险物质排放至安全地点，并且进行妥善处理，不得直接排入大气，以防止引起意外事故。

4）压力容器工作压力低于压力源压力时，在通向压力容器进口的管道上必须装设减压阀。在介质性质会导致减压阀无法可靠工作时，可安装调节阀起减压效果，但同时应该在减压阀或者调节阀的低压侧，设置安全阀和压力表等安全附件。

4.安全阀与爆破片

（1）安全阀与爆破片的排放能力 安全阀、爆破片的排放能力应当大于或者等于压力容器的安全泄放量，以保证意外情况下容器内介质能够安全排放。排放能力和安全泄放量按《钢制压力容器》（GB 150—1998）的有关规定进行计算。对于液态氧、液态空气等气液混合介质的压力容器，设计爆破片装置应当计算泄放口径，确保不产生空间爆炸。

爆破片应符合《爆破片与爆破片装置》（GB 567—1999）的规定。

安全阀应符合《安全阀安全技术监察规程》（TSG ZF001—2006）的规定。

安全阀的泄漏（密封）试验压力应当大于管道系统的最大工作压力；爆破片装置的最小标定爆破压力应当大于1.05倍的管道系统最大工作压力。所选用安全阀或者爆破片装置的额定泄放面积应当大于安全泄放量计算得到的最小泄放面积。

（2）安全阀与爆破片的要求

1）爆破片装置单独使用时，爆破片装置的入口管需要设置全通径的切断阀，以便更换爆破片时用。切断阀在全开启状态锁定或者铅封。

2）爆破片装置与安全阀串联使用（见图2-20）时，在爆破片与安全阀之间设置压力表或者压力开关以及放空阀、过流阀或者报警指示器。

图2-20 安全阀与爆破片装置串联使用

1—爆破片 2—截止阀 3—压力表 4—安全阀

3）安装爆破片时，采用扭力扳手，不得使用普通扳手，按制造单位安装说明中的安装扭矩数据表，按对角线均匀紧固螺栓。

4）未经制造单位同意，不得随意在爆破片两侧加装垫片、保护膜或者涂层。

（3）定期检验 安全保护装置应执行定期检验制度。定期检验制度的执行应遵守压力容器定期检验等有关安全技术规范的规定进行。

（4）安全阀的在线检测和调整 进行安全阀在线检测和压力调整时，应由经过专门培训及具有相应资质的人员进行；应当有可靠的安全防护措施，以防发生意外事故；检测和调整合格的安全阀应当加铅封。检测和调整装置用压力表的量程应当为整定压力的1.5～3.0倍，精度应当不低于1.0级；压力表前不得装任何类似阻尼器的装置。

（5）安全阀有以下情况之一时，应当停止使用并且立即更换。

1）选型错误，性能不符合要求。

2）超过校验有效期或者铅封损坏。

3）阀芯和阀座密封面损坏。

4）导向零件、调节圈锈蚀严重。

5）阀芯与阀座粘死或者弹簧严重腐蚀、生锈。

6）附件不全。

7）历史记录丢失。

（6）爆破片装置有以下情况之一时，应当立即更换。

1）超过规定使用期限。

2）标定爆破压力和工作温度不符合运行要求。

3）超过最大泄放压力而未爆破。

（7）安全阀的整定压力 压力容器安全阀的整定压力一般不大于该压力容器的设计压力。设计图样或者铭牌上标注有最高允许工作压力的，也可以采用最高允许工作压力确定安全阀的整定压力。

（8）爆破片的爆破压力 压力容器上装有爆破片装置时，爆破片的设计爆破压力应该小于该容器的设计压力，且爆破片的最小设计爆破压力大于该容器的工作压力。当设计图样或者铭牌上标注有最高允许工作压力时，爆破片的设计爆破压力要小于压力容器的最高允许工作压力，且爆破片的最小设计爆破压力要大于压力容器的设计压力。

（9）安全阀的安装要求

1）安全阀应当垂直于水平面安装在压力容器液面以上的气相空间部分，或者装设在与压力容器气相空间相连的管道上。

2）压力容器与安全阀之间的连接管和管件的通孔，其截面积不得小于安全阀的进口截面积，其接管应当尽量短，非万不得已不得使用弯管。

3）在压力容器一个连接口上装设两个或者两个以上的安全阀时，则该连接口入口的截面积，应当至少等于这些安全阀的进口截面积的总和。

4）安全阀与压力容器之间一般不宜装设截止阀，如果需要对安全阀在线校验，可在安全阀与压力容器之间装设爆破片装置。对于盛装毒性程度为极度至高度或中度危害的介质、易爆介质、腐蚀介质、黏性介质或者贵重介质的压力容器，为便于安全阀的清洗与更换，可在安全阀（爆破片装置）与压力容器之间装设截止阀，但必须经使用单位主管压力容器安全技术的负责人批准，并且制定可靠的防范措施。在压力容器正常运行期间，截止阀必须保证全开（加铅封或用可靠装置锁定）。截止阀的结构和通径不得妨碍安全阀的安全泄放。

5）新安全阀应当校验合格后才能安装使用。

（10）安全阀的校验单位 安全阀的校验单位应当具有与校验工作相适应的、经过专门培训并取得相应资质的技术人员担任，并具有校验装置、仪器和场地；且应建立必要的规章制度。校验合格后的安全阀由校验单位出具校验报告书并且对校验合格的安全阀加装铅封。

5.压力表

（1）压力表的选用要求

1）选用的压力表，应当与压力容器内的介质相适应。

2）设计压力小于1.6MPa压力容器使用的压力表的精度不得低于2.5级，设计压力大于或者等于1.6MPa压力容器使用的压力表的精度不得低于1.6级。

3）压力表盘刻度极限值应当为最大允许工作压力的1.5～3.0倍，表盘直径不得小于100mm。

（2）压力表的校验 压力表的校验和维护应当符合国家计量部门的有关规定。压力表安装前应当按照要求进行校验，在刻度盘上划出表示正常工作压力区间的红线，注明下次校验日期。压力表校验后应当加铅封。

（3）压力表的安装要求

1）装设位置应当便于操作人员观察和清洗，并且应当避免受到辐射热、冻结或者震动的不利影响。

2）压力表与压力容器之间，应当装设三通旋塞阀或者球阀。三通旋塞阀或者球阀上应当有开启标记和锁紧装置。压力表与压力容器之间，不得连接其他用途的任何配件或者接管。

3）用于水蒸气介质的压力表，在压力表与压力容器之间应当装设置存水弯管。

4）用于具有腐蚀性或者高黏度介质的压力表，在压力表与压力容器之间应当装设能隔离介质的缓冲装置。

6.液位计

（1）液位计的通用要求

1）根据压力容器的介质、最大允许工作压力和温度选用。

2）在安装使用前，设计压力小于10MPa的压力容器用液位计，进行1.5倍液位计公称压力的液压试验；设计压力大于或者等于10MPa的压力容器用液位计，进行1.25倍液位计公称压力的液压试验。

3）储存0℃以下介质的压力容器，选用防霜液位计。

4）寒冷地区室外使用的液位计，选用夹套型或者保温型结构的液位计。

5）易爆、毒性程度为极度、高度危害介质的液化气体压力容器上使用有防止泄漏的保护装置。

6）要求液面指示平稳的，不允许采用浮子（标）式液位计。

（2）液位计的安装要求 液位计应当安装在便于观察的位置，否则应当增加其他辅助设施。大型压力容器还应当有集中控制的设施和警报装置。液位计上最高和最低安全液位，应当作出明显的标志。

压力表、液位计、温度计等仪器仪表等精度、等级、安装应符合相关标准要求，可以参考下列标准：

JJG 124—2005《电流表、电压表、功率表、电阻表》；

HG/T 21584—1995《磁性液位计》；

JJG 49—1999《弹簧式精密压力表和真空表》；

JJG 52—1999《弹簧式一般压力表、压力真空表和真空表》；

JJG 310《压力表温度检定规程》；

JJG 130《工作用玻璃液体温度计检定规程》；

JJG 186《动圈式温度指示、指示位式调节仪表检定规程》；

JJG 226《双金属温度计检定规程》；

JJG 364《表面温度计检定规程》；

JJG 617《数字温度指示调节仪》。