1 绪论
1.1 压力容器概述
1.1.1 特种设备与压力容器
特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的设备。为了保障特种设备的安全使用，需要对其进行专门管理。《中华人民共和国特种设备安全法》（以下简称《特种设备安全法》）规定，特种设备包括锅炉、压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆八大类。其中，锅炉、压力容器和压力管道为承压类特种设备；电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆为机电类特种设备。
压力容器是一种典型的承压类特种设备。广义地说，压力容器是指容器壁面承受流体介质压力（本文中如无特别说明，压力均指表压力）或压差的密闭设备。从定义看，压力容器的主要技术指标为压力。但当压力容器发生事故时，其灾害程度不仅与压力有关，还与介质特性（如毒性、易燃易爆性等）、容器体积有关。故从安全管理的角度考虑，压力并不是表征压力容器安全性能的唯一指标。因此，有必要对压力容器的范畴进行科学、合理的界定。
《特种设备目录》（2014年修订版）规定：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，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa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、体积大于或者等于30 L且内直径（非圆形截面指截面内边界最大几何尺寸）大于或者等于150mm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，且压力与体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。上述规定为判定某个容器是否属于压力容器范畴提供了依据。
1.1.2 压力容器分类
压力容器种类繁多，不同类型的容器具有不同的结构和危险性。因此，必须对压力容器进行分类，以便对不同类型容器分别实施科学化管理。根据不同的管理目标，压力容器具有不同的分类方法。在国内管理体系中，压力容器分为固定式压力容器、移动式压力容器、气瓶和氧舱四大类，分别依据TSG 21—2016《固定式压力容器安全监察规程》、TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》、TSG R7003—2011《气瓶制造监督检验规则》和TSG 24—2015《氧舱安全技术监察规程》进行管理。图1-1为常见的压力容器分类框图。
图1-1 常见的压力容器分类框图
1.1.2.1 固定式压力容器
TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《固容规》）规定，固定式压力容器是指安装在固定位置使用的压力容器，包括为了某一特定用途，仅在装置或者场区内部搬动、使用的压力容器，以及可移动式空气压缩机的储气罐等。
固定式压力容器的常见分类方式如下：
（1）按承压性质分类
压力容器既可以承受内压，也可以承受外压。承受内压、外压时的危险性不同，要分别考虑。故压力容器按承压性质可分为内压容器和外压容器两类。
⟡ 内压容器：容器的内部介质压力大于外部介质压力；
⟡ 外压容器：容器的外部介质压力大于内部介质压力。
真空容器是指内部介质压力小于0.1MPa（绝对压力）的外压容器。
（2）按压力等级分类（针对内压容器）
压力是影响压力容器安全性能的重要指标。相同条件下，压力高的容器破裂风险往往高于压力低的容器。根据容器设计压力p的数值，可分为以下四类：
⟡ 低压容器（代号L）：0.1MPa≤p<1.6MPa；
⟡ 中压容器（代号M）：1.6MPa≤p<10MPa；
⟡ 高压容器（代号H）：10MPa≤p<100MPa；
⟡ 超高压容器（代号U）：p≥100MPa。
（3）按设计温度分类
温度较高或较低时，材料性能变化显著，故温度也是影响压力容器安全性能的指标。根据容器壁面温度T的数值，可分为以下四类：
⟡ 低温容器：T<-20℃；
⟡ 常温容器：-20℃≤T<200℃；
⟡ 中温容器：200℃≤T<高温容器对应的初始温度；
⟡ 高温容器：T达到或超过钢材的蠕变温度（对碳素钢或低合金钢，蠕变温度超过420℃；对合金钢，蠕变温度超过450℃；对奥氏体不锈钢，蠕变温度超过550℃）。
（4）按介质特性分类
介质特性是影响压力容器安全性能的重要指标。介质危害性一般用毒性危害程度和易爆危险程度表示。根据TSG 21—2016《固容规》的规定，压力容器中化学介质毒性程度和易爆介质的划分参照HG/T 20660—2017《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的规定。无规定时，按介质最高容许浓度MAC确定毒性程度：
⟡ 极度危害（Ⅰ级）：MAC<0.1mg/m3；
⟡ 高度危害（Ⅱ级）：0.1mg/m3≤MAC<1.0mg/m3；
⟡ 中度危害（Ⅲ级）：1.0mg/m3≤MAC<10mg/m3；
⟡ 轻度危害（Ⅳ级）：MAC≥10mg/m3。
（5）按工艺作用原理分类
在生产工艺流程中，相同工艺用途的压力容器一般具有类似的风险。因此，通过工艺流程单元操作特点对压力容器进行分类，可以了解容器在生产中的作用、操作特征以及失效后的严重程度等，以便于压力容器管理及风险识别。据此可将压力容器分为反应压力容器（代号R）、换热压力容器（代号E）、分离压力容器（代号S）以及储存压力容器（代号C）。对于同一压力容器，如果同时具有两个或两个以上的工艺作用原理时，应当按照工艺作用的主要作用来划分。
（6）按监察管理分类
由于单一因素无法全面评价压力容器的风险特征，为了便于安全管理，我国采用多因素综合划分方法，即综合介质特性、设计压力p、容器全体积V三项指标，将压力容器分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。压力容器分类方法，首先确认介质的组别，选择压力容器分类图，再根据p、V值标出坐标点，该点所落区域即为该容器的类别，如该点落在分类图的分类线上时，按照较高的类别划分。
⟡ 对于毒性程度为极度、高度危害的化学介质、易爆介质及液化气体（统称为第一组介质），其分类如图1-2所示。
图1-2 压力容器分类图——第一组介质
⟡ 除第一组以外的介质（统称为第二组介质），其分类如图1-3所示。
图1-3 压力容器分类图——第二组介质
1.1.2.2 移动式压力容器
根据TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》的规定，移动式压力容器是指由罐体（铁路罐车、汽车罐车、罐式集装箱中用于充装介质的压力容器）或者大体积钢质无缝瓶式压力容器与走行装置或者框架采用永久性连接组成的运输设备，包括铁路罐车、汽车罐车、长管拖车、罐式集装箱和管束式集装箱等。根据上述定义，移动式压力容器主要有以下几类：
（1）罐（槽）车
罐（槽）车是指固定安装在流动车架上的一种卧式储罐。由于直径较大，不易承受高压，故常用于运输低压液化气体。主要有以下几类：
⟡ 铁路罐车：是一种压力容器罐体与定型火车装置底架等组成永久性连接，用于铁路运输的装备，一般用于运送液化气体。铁路罐车运输能力大，运费低，但运行及管理复杂，并受铁路路线限制，一般适用于运输量大、运输距离远的场合，如图1-4（a）所示。
⟡ 汽车罐车：是一种由压力容器罐体与定型汽车底盘或者无动力半挂行走机构组成，采用永久性连接，适用于公路运输的机动车。一般用于运输液化气体、永久气体和低温液体，如图1-4（b）所示。
图1-4 罐车实物图
（2）长管拖车
将多个大体积无缝气瓶的头部连通在一起并组装在框架里，安装在拖车上运送天然气等永久气体的载重半挂车，称为长管拖车（如图1-5所示）。在国外，长管拖车称为管式拖车（tubetrailer）。
图1-5 长管拖车实物图
（3）罐式集装箱
罐式集装箱（如图1-6所示）是由单个或多个罐体与标准框架组成，采用永久性连接，适用于公路、铁路、水路或者其联运的一种集装箱。罐式集装箱既可运送液化石油气、液氯等液化气体，也可运送液氧、液氮、液化天然气等低温液体。
图1-6 罐式集装箱
（4）管束式集装箱
管束式集装箱（如图1-7所示）是将气瓶组、附件和管路及其支撑连接件装配到外形尺寸和结构形式满足标准要求的标准集装箱框架内，是在我国境内普遍存在而且广泛使用的一种运输压缩气体的集装箱型式。管束式集装箱和长管拖车最大不同之处在于气瓶组安装位置，前者安装在集装箱内，后者安装在车辆行走机构上。
图1-7 管束式集装箱
1.1.2.3 气瓶
气瓶体积小，一般在200L以下，常见的体积规格有40L、8L等，如图1-8所示。按承装介质的特性、用途和结构形式，气瓶可分为如下几类：
⟡ 压缩气体气瓶。将压缩气体以高压的形式充装在气瓶内。充装压力通常为15MPa，少部分气体气瓶采用更高充装压力。常见的充装介质有空气、O2、H2、CO、CH4、NO以及惰性气体He、Ne、Ar等。
⟡ 液化气体气瓶。瓶内介质以低温液态充装，适用于临界温度不低于-10℃的气体。分为高压液化气体气瓶和低压液化气体气瓶。高压液化气体气瓶一般充装的气体有CO2、C2H6、C2H4等；低压液化气体气瓶充装的气体有NH3、Cl2、C3H8、液化石油气等。
⟡ 溶解气体气瓶。承装C2H2的气瓶。C2H2极不稳定，必须溶解在溶剂内（多用丙酮溶剂），且气瓶内装有多孔介质以吸收溶剂。一般C2H2气瓶最高工作压力不超过3MPa。
⟡ 其他气瓶。不同于上述三类的气瓶均归为此类。这类气瓶的结构形式、制造工艺及介质特性各异，主要有混合气体气瓶、焊接气瓶、低温绝热气瓶、纤维缠绕气瓶等。
图1-8 气瓶实物图
1.1.2.4 氧舱
氧舱是指采用空气、氧气或者特殊混合可呼吸气体为工作介质，供舱内人员、动物呼吸和调节舱内工作压力，用于人员、动物在舱内治疗、适应性训练、试验的压力容器，可分为医用氧舱和高气压舱等。
1.1.3 压力容器典型结构
从形状上看，压力容器一般为圆筒形，少数为球形或其他形状。移动式压力容器结构较固定，在此不再介绍。固定式压力容器的结构一般由筒体、封头、支座、接管、法兰、人孔和安全附件等组成，如图1-9固定式压力容器基本结构示意图、图1-10固定式压力容器实物图所示。
图1-9 固定式压力容器基本结构示意图
1—法兰；2—支座；3—封头拼焊焊缝；4—封头；
5—封头与筒体环焊缝；6—补强圈；7—人孔；
8—纵焊缝；9—筒体；10—压力表；11—安全阀；12—液位计
图1-10 固定式压力容器实物图
作为压力容器主体的圆柱形筒体，因安装内件方便、承压能力好等被广泛应用。球形容器是由数块弓形板拼焊而成，承压能力好，但由于安装内件不便，制造困难，一般仅用作大型储罐。典型的固定式压力容器有塔式容器、卧式容器、管壳式换热容器、反应器、储罐等。