第1章　概述

1.1　壓力容器的特點

1.1.1　壓力容器的基本概念

容器按所承受的壓力大小分為常壓容器和壓力容器兩大類。壓力容器和常壓容器相比，不僅在結構上有較大的差別，而且在設計原理方面也不相同，應該指出的是，所謂壓力容器和常壓容器的劃分是人為規定的。一般泛指在工業生產中用于完成反應、換熱、吸收、萃取、分離和儲存等生產工藝過程，并能承受一定壓力的密閉容器為壓力容器。如果從廣義上講，凡承受流體介質壓力的密閉殼體都可以稱為壓力容器。另外，受外壓（或負壓）的容器和真空容器也屬于壓力容器范疇。

從不同角度出發，不同的標準或法規對壓力容器的概念也有不同的解釋。按GB 150—2011《壓力容器》的規定，設計壓力（P）大于或等于0.1MPa的容器屬于標準適用范圍內的壓力容器；從安全角度看，壓力、容積、介質特性是與安全相關的三個重要參數。為此，TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《固容規》）將同時具備下列三個條件的容器稱為規程管轄的壓力容器：①工作壓力（Pw）大于或等于0.1MPa；②工作壓力與容積的乘積大于或等于2.5MPa·L；③盛裝介質為氣體，液化氣體以及介質最高工作溫度高于或等于其標準沸點的液體。另外，由國務院公布的《特種設備安全監察條例》中規定，壓力容器的含義：是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設備，其范圍規定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓），且壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPa·L的氣體、液化氣體和最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體的固定式容器和移動式容器；盛裝公稱工作壓力大于或者等于0.2MPa（表壓），且壓力與容積的乘積大于或者等于1.0MPa·L的氣體、液化氣體和標準沸點等于或者低于60℃液體的氣瓶；氧艙等。

由于壓力容器是一種承壓設備，是在各種介質和環境（有時十分苛刻）條件下工作，所以，一旦發生事故其破壞性往往是非常嚴重的。為安全生產起見，從1982年國務院制定和頒發了《鍋爐壓力容器安全監察暫行條例》（簡稱《暫行條例》），為進一步加強特種設備的安全監察，防止和減少事故發生，2003年3月11日國務院又以第373號令發布了《特種設備安全監察條例》（簡稱《條例》），自2003年6月1日起施行，《暫行條例》同時廢止。這里所指的特種設備，是指涉及生命安全，危險性較大的鍋爐，壓力容器（含氣瓶）、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施和場（廠）內專用機動車輛，其中鍋爐、壓力容器、壓力管道等又統稱為承壓設備。2009年1月24日國務院以第549號令對《條例》進行了修改，于2009年5月1日起施行。在2013年6月29日以第4號中華人民共和國主席令形式公布了《中華人民共和國特種設備安全法》，并于2014年1月1日起施行。這是我國第一次以法律形式對特種設備的安全管理做出了規定。由此可見，我國對特種設備，尤其是其中承壓設備的設計、制造、使用管理的重視。

為深入貫徹落實國家關于加強壓力容器安全監察工作的要求，細化安全監察管理規定，1981年原國家勞動總局頒布了《壓力容器安全監察規程》，并于1982年4月正式執行。為適應新形勢發展需要，在總結經驗的基礎上，原勞動部于1989年對其進行修改后，1990年頒布了《壓力容器安全技術監察規程》（簡稱《容規》），并于1991年1月正式執行。貫徹《容規》以來，對強化壓力容器使用管理，提高壓力容器制造質量水平，以及減少爆炸事故等方面起到了積極的作用，是壓力容器安全監察和監督檢驗的重要依據之一。為進一步完善壓力容器質量安全監察工作，國家質量技術監督局對《容規》再次進行修訂，于1999年6月正式頒布，并于2000年1月正式執行。

2007年5月，國家質量監督檢驗檢疫總局（簡稱國家質檢總局）下屬的特種設備安全監察局（簡稱特種設備局）下達了制（修）訂《固定式壓力容器安全技術監察規程》（簡稱《固容規》）的立項任務書，將原1999年版的《壓力容器安全技術監察規程》改為《固定式壓力容器安全技術監察規程》，另行制定《移動式壓力容器安全技術監察規程》。并于2009年5月召開《固容規》定稿會，于2009年8月31日由國家質檢總局批準頒布，自2009年12月1日起施行。后于2010年11月發布了第1號修改單，自2010年12月1日起施行。從此，將《固容規》轉化為特種設備安全技術規范（TSG），編號為TSG R0004—2009，確立其在特種設備法規標準體系中的位置。《條例》和《固容規》都是壓力容器設計、制造、使用及管理必須遵循的行政法規和技術法規文件。

這里要強調的是，《固容規》從安全監察和便于管理的角度出發，對壓力容器的條件做出了一些規定，凡符合這些條件的壓力容器，稱為規程管轄的壓力容器。至此，可以這樣說，現在一般從設計、制造、使用管理角度出發所指的壓力容器，實際上都是指規程管轄的壓力容器，而不是指所有的壓力容器。

另外，1984年全國壓力容器標準化技術委員會（簡稱“容委會”）成立后，在已實施了10多年的標準《鋼制石油化工壓力容器設計規定》（簡稱《設計規定》）和JB741—80《鋼制焊接壓力容器技術條件》等標準的基礎上，經調查和實驗驗證，結合成功的使用經驗并吸取國際上同類先進標準的內容，于1989年制定了國家標準GB 150—89《鋼制壓力容器》，后于1998年重新修訂，出版了GB 150—1998《鋼制壓力容器》，該標準由國家技術監督局于1998年3月20日發布，從1998年10月1日開始實施。進入21世紀后，在總結原標準十余年實施所取得的經驗基礎上，修正錯誤，補充不足，并吸收國際同類標準的先進和可用內容，于2011年11月21日由國家質檢總局和中國國家標準化管理委員會重新發布了GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》標準，并于2012年3月1日開始實施。該新的國家標準是由全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會（SAC/TC262）負責提出和歸口的壓力容器大型通用技術標準之一，用以規范在中國境內建造或使用的壓力容器設計、制造、檢驗和驗收的相關技術要求。因此，這是一部集壓力容器通用要求、材料、設計、制造、檢驗和驗收為一體的綜合性基礎標準，也是壓力容器標準體系中最為核心的基礎標準。由于GB 150是強制性國家標準，因此，它是壓力容器設計、制造、檢驗和驗收必須遵循的基本技術標準。

1.1.2　壓力容器的分類

壓力容器的形式、品種繁多，其分類方法有多種。歸結起來，常用的分類方法有如下幾種。

（1）按制造方法分類

根據制造方法的不同，壓力容器可分為板焊容器、鍛焊容器、鑄造容器、鍛造容器、熱套容器、多層包扎式容器和繞帶式容器等。

（2）按承壓方式分類

分為內壓容器和外壓容器。

（3）按設計壓力（P）分類

①低壓容器（代號L）：0.1MPa≤P<1.6MPa；

②中壓容器（代號M）：1.6MPa≤P<10.0MPa；

③高壓容器（代號H）：10.0MPa≤P<100MPa；

④超高壓容器（代號U）：P≥100.0MPa。

這里要說明的是，原三部標準《設計規定》和JB741—80以及新的國標GB 150都沒有按壓力對容器分等的規定，只對設計壓力P≤35MPa的容器，給出了統一的設計、制造準則。之所以這樣做，主要是因為：

a.容器破壞時所造成的危害大小，并不只取決于壓力的高低，還和容積的大小、內部的介質狀態及性質、操作條件等因素有關。認為凡高壓容器就一定比中、低壓容器危險的觀點是不全面的。

b.應力是導致容器破壞的基本因素之一。高壓容器和中、低壓容器殼壁中的設計應力值是近似或相當的，因應力大引起的容器破壞的危險性對不同操作壓力的容器是相同的。

c.壓力容器制造的難易程度也并非完全取決于壓力的高低，還和材料的焊接性、加工工藝性能的優劣以及結構的復雜程度等因素有關。只重視高壓容器的制造質量而忽視中低壓容器的產品質量是錯誤的。

d.目前國外各主要壓力容器技術規范，也都沒有按壓力高低對容器劃分等級。

（4）按容器的設計溫度（T設-壁溫）分類

①低溫容器：T設<-20℃的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器，以及T設<-196℃的奧氏體不銹鋼制容器；

②常溫容器：-20℃≤T設<150℃；

③中溫容器：150℃≤T設<400℃；

④高溫容器：T設≥400℃。

一般說來，高溫容器的溫度界限應和所用鋼材產生蠕變的溫度范圍有關，故除低溫容器在GB 150標準中有明確規定外，其他類容器的劃分僅供參考。

（5）按容器的制造材料分類

分為鋼制容器、復合金屬制容器、鑄鐵容器、有色金屬容器和非金屬容器等。

（6）按容器外形分類

分為圓筒形（或稱圓柱形）容器、球形容器、矩（方）形容器和組合型容器等。

（7）按容器在生產工藝過程中的作用原理分類

分為反應容器（代號為R）、換熱容器（代號為E）、分離容器（代號為S）、儲存容器（代號為C，其中球罐代號為B）。

（8）按容器的使用方式分類

分為固定式容器和移動式容器。

另外，根據容器的設計壓力高低、容積大小、介質的危害程度，《固容規》將適用范圍內的壓力容器類別劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類三個類別，以利于進行分類監督管理。

1.1.3　壓力容器的操作條件特點

安全可靠性是壓力容器在設計、制造中首要考慮的問題。要想從制造角度出發確保壓力容器的質量，使之在使用中安全可靠，了解壓力容器在使用中操作條件特點是十分必要的。壓力容器操作條件主要包括壓力、溫度和介質。

（1）壓力

容器內介質的壓力是壓力容器在工作時所承受的主要外力。

①表壓力：壓力容器中的壓力是用壓力表測量的，壓力表上所表示的壓力為表壓力，它實際上是容器內介質壓力超過環境大氣壓力的壓力差值。

②工作壓力：是指在正常操作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力（指表壓）。它不包括液柱靜壓力。

③設計壓力：設定的容器頂部的最高壓力，在相應設計溫度下，用它計算容器殼體壁厚及其元件尺寸，所以，設計壓力和設計溫度的配合是設計容器的基本依據。其值不得小于工作壓力，一般應略高于它。

（2）溫度

①容器的設計溫度：是指在正常工作情況下，所設定的殼壁或受壓元件的金屬溫度。由于容器材料的選用與設計溫度有關，所以設計溫度是壓力容器材料選用的主要依據之一。

②試驗溫度：是指進行耐壓試驗或泄漏試驗時，容器殼體的金屬溫度。

（3）介質

壓力容器在生產工藝過程中所涉及的工藝介質品種繁多復雜。其使用安全性與內部盛裝的介質密切相關。通常關心的主要是它們的易燃、易爆、毒性程度和對材料的腐蝕等性質，比如說氯氣，只要發生一點泄漏，就有可能造成人員死亡。所以在壓力容器制造中，從使用安全性出發，應將容器內部介質狀況作為重點考慮因素之一。

介質毒性危害程度和爆炸危險程度可按照HG 20660—2000《壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類》確定或參照GB 5044《職業性接觸毒物危害程度分級》等。

（4）舉例

①煉油廠中的加氫反應器，其設計壓力一般為8～18MPa，工作溫度高達400℃以上，介質主要是氫氣、油，是一種高溫、高壓、介質為易燃、易爆又具有氫腐蝕性質的壓力容器，對于這種壓力容器無論從設計上還是從制造角度而言，都要從嚴要求，一絲不茍，且制造難度極大。

②近年來，隨著石化行業使用進口原油比例越來越大，其中大部分為高硫油或劣質油，因此帶來的介質對壓力容器的腐蝕問題亦越來越突出，經常造成容器腐蝕而引發泄漏，甚至發生爆炸或造成嚴重安全事故，介質腐蝕問題已嚴重地影響壓力容器安全運行和使用壽命。每年由于腐蝕所造成的經濟損失，相當于一個國家國民經濟總產值的1.25％～3.5％；國外因設備腐蝕造成的生產事故約占全部事故的1/3以上。在加氫裂化裝置中用的高壓加氫空冷器原來使用碳鋼材料，由于多次出現腐蝕泄漏情況，有的還由于介質泄漏引起大火，為此中石化集團2006年6月20日發文，要求新造的加氫裂化裝置中的加氫空冷器全部使用Incoloy825鎳基耐蝕合金材料，以材料升級來解決介質腐蝕泄漏問題。當然這也帶來設備成本大幅度增加。由此可見，介質腐蝕在其他因素（如應力、溫度）綜合作用下造成的容器失效應引起我們極大的重視。

1.1.4　壓力容器的基本結構及其制造特點

壓力容器雖然種類繁多，形式多樣，但其基本結構不外乎都是一個密閉的殼體，殼體內部大多數情況下都有內件，有的內件與殼體一樣也承受一定壓力，此時這些內件與殼體就都屬于受壓元件，在制造過程中都要按要求認真對待。常見的壓力容器多為圓筒形殼體，其基本結構主要由以下幾大部件組成。

1.1.4.1　筒體

一臺容器的筒體通常由用鋼板卷焊而成的一個或多個筒節組焊而成，這時的筒體有縱環焊縫。也有些小直徑容器筒體用無縫鋼管制成。對于厚壁高壓容器的筒體還經常采用數個鍛造筒節通過環縫焊接連接而成，這種容器則稱為鍛焊結構的壓力容器。鍛焊結構筒體雖省去了筒節縱縫焊接及鋼板卷制、校圓的工序，但由于鍛件成本要比鋼板高得多，所以，一般只有當筒體壁厚大于一定厚度時，才采用鍛焊結構。當然，根據制造方法不同和各廠的制造條件限制，容器筒體還有熱套式、多層包扎式和繞帶式等多種形式，它們都是厚壁筒體的一些特殊制造方式，當沒有卷制大厚度鋼板能力或生產大厚度鍛造筒節能力的廠家，對于某些厚壁壓力容器產品，可以采用這些方式來制造筒體，此時只要增添一些必要的工藝裝備即可。對于中、薄厚度的筒體基本上還是都用鋼板卷制焊接而成。

1.1.4.2　封頭

按幾何形狀不同，有橢圓形封頭、球形封頭、碟形封頭、錐形封頭和平蓋等多種形式。封頭和筒體組合在一起構成一臺容器殼體的主要組成部分，也是最主要的受壓元件之一。

從制造方法分，封頭有整體成形和分片成形后組焊成一體的兩種形式。一般講，當封頭直徑較大，已超出制造廠生產能力時，多采用分片成形方法制造。分片成形封頭是由數塊封頭瓣片和一塊極蓋板組成，對于這種封頭制造的關鍵是控制封頭瓣片間焊縫的角變形和因多條焊縫橫向收縮造成的封頭直徑尺寸的偏差，如控制不好，很可能導致產品尺寸超差而不合格。對于整體成形的封頭尺寸、形狀雖較易控制但一般需要有大型成形沖壓模具及壓機或大型旋壓設備，工藝裝備制造費用的增加，使封頭制造成本大幅度上升。

從封頭成形方式講，有冷壓成形、熱壓成形和旋壓成形等。對于壁厚較薄的封頭，一般采用冷壓成形。采用調質鋼板制造的封頭或封頭瓣片，為不破壞其鋼板調質態的力學性能，節省模具制造費用，往往采用多點冷壓成形法制造；當封頭厚度較大時，均采用熱壓成形法，即將封頭胚料加熱至900～1000℃，使鋼板在高溫下沖壓產生塑性變形而成形，此時對于有些材料（如正火態鋼板）由于改變了原始狀態的力學性能，為恢復和改善其力學性能，封頭沖壓成形后還要做正火、正火+回火或淬火+回火等相應的熱處理。對于直徑大且厚度薄的封頭，采用旋壓成形法制造是最經濟最合理的選擇。

1.1.4.3　接管和法蘭

為使容器殼體與外部管線連接或供人進入容器內部，在一臺容器上總是有一些大大小小的接管和法蘭，這也是容器殼體的主要組成部分。在《固容規》中規定，人孔法蘭及人孔蓋，設備法蘭及公稱直徑Dg≥250mm的接管和法蘭都是容器的主要受壓元件。接管與殼體間的焊接接頭一般為角接接頭或T形接頭，但對于連接二者之間的焊縫，如果是殼體上開坡口時，則稱為對接焊縫；殼體上不開坡口時則為角焊縫。如圖1-1所示。

對于接管與殼體間的焊縫，由于其結構形式一般為角接接頭或T形接頭，有時還有補強圈，故除極個別情況外，一般均無法進行焊縫內部的無損檢測。正由于此，往往制造廠對于該處焊縫的焊接質量控制不如筒體上要求做內部無損檢測的對接焊縫那樣重視，于是這里的焊縫內部經常會存在如氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等各種各樣的焊接缺陷。在容器運行承受壓力時，此處又是應力集中區，所以往往一臺容器就從這里開始發生破壞，這一點是應引起注意的。

1.1.4.4　密封元件

密封元件是兩法蘭之間保證容器內部介質不發生泄漏的關鍵元件。對于不同的工作條件要求有不同的密封結構形式和不同材質及形式的密封墊片，在制造時對于密封墊材料和形式不得隨意更改。

1.1.4.5　容器內件

在容器殼體內部的所有構件統稱為內件。有的內件如換熱器中的換熱管也是一種受壓元件，在《固容規》中還列為主要受壓元件；有的容器內件尺寸要求十分嚴格，如重整反應器內的約翰遜網，其裝配間隙不得超過0.8mm。對于塔內的塔盤和塔板，其不平度都有一定要求。所以籠統地認為內件不是承壓件，制造質量無關大局，不會影響設備的安全使用，這種觀點是極其錯誤的。

1.1.4.6　安全附件

安全附件是確保壓力容器在運行中不發生超溫、超壓或液體總量超限的重要組成部件，其主要作用是保證壓力容器安全運行。安全附件主要包括：安全閥、爆破片、壓力表、液位計、壁溫測試儀表（或溫度計）等。

1.1.4.7　容器支座

壓力容器是通過支座支承設備本身自重加上介質的重量，還要承受風載地震載荷給容器造成的彎曲力矩載荷，它是容器的主要受力元件之一。支座的形式有多種，對于立式容器常見的有圓筒形支座、裙式支座、懸掛式支座等；臥式容器主要采用鞍式支座和懸掛式支座；球形容器大多采用柱式支座等。為了保證其受力安全性，往往對支座中的對接焊縫要進行局部甚至全部的射線檢測或超聲檢測的檢查。

1.1.5　壓力容器的基本要求

對壓力容器最主要、最基本的要求是在確保安全的前提下有效運行，最大限度地保證長期穩定生產。具體來講，壓力容器的設計應滿足以下性能要求。

①強度要求　強度是指容器在確定的壓力條件或其他外力載荷作用下抵抗破裂或過量塑性變形的能力。這是容器在設計時首先考慮的要素，是計算容器殼體（指圓筒和球殼）壁厚的主要依據，即保證容器在使用中不發生強度失效。

②剛度要求　剛度是指容器或容器的受壓力部件在限定的載荷下抵抗彈性變形的能力。容器或其受壓部件剛度不足雖然不會發生破裂和過量的塑性變形，但卻會由于彈性變形過大而喪失正常的工作能力，如容器法蘭由于剛度不足而變形導致密封墊片處發生泄漏，即剛度失效。

③穩定性要求　穩定性是容器在外載荷作用下保持其幾何形狀不發生突然改變的能力。比如，薄壁圓筒在外壓作用下，其形狀可能會突然變形被壓癟，使容器喪失工作能力，從而造成容器的穩定失效。

④耐久性要求　耐久性就是指容器的使用壽命，是評定容器性能的重要標志之一。壓力容器的使用年限由設計確定。在《固容規》中規定，使用年限是容器設計條件和設計總圖中主要內容之一。

⑤密封性要求　壓力容器的密封不但指可拆連接處，也包括殼體母材和各種焊接接頭處的致密程度。對盛裝易燃、毒性程度為高度危害和極度危害介質的容器，其密封性能要求更嚴，這些容器不但要求采用可靠的密封結構和進行泄漏試驗，而且對制造和檢驗有更高的要求。