绪　　论

一、压力容器的基本概念

压力容器早期主要应用于化学工业，压力多在10MPa以下。合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后，要求压力容器承受的压力提高到100MPa以上。

随着化工和石油化学工业的发展，压力容器的工作温度范围也越来越宽；新工作介质的出现，还要求压力容器能耐介质腐蚀；许多工艺装置规模越来越大，压力容器的容量也随之不断增大。20世纪60年代开始，核电站的发展对反应堆压力容器提出了更高的安全和技术要求，这进一步促进了压力容器的发展。例如：煤转化工业的发展，需要单台重量达数千吨的高温压力容器；快中子增殖反应堆的应用，需要解决高温耐液态钠腐蚀的压力容器；海洋工程的发展，需要能在水下几百至几千米工作的外压容器。

压力容器不仅普遍应用于化工、石油和石油化工生产，而且在电力、轻工、医药、食品、冶金、航天、航海、深海探测和科学研究等许多领域中也有着广泛的应用。由此可见，压力容器是工业部门和人民生活必不可少的生产装备，对国民经济的发展起着十分重要的作用。

“压力容器”是指压力和容积达到一定数值，容器所处的工作温度使其内部介质呈气体状态的密闭容器，如图0-1所示。这类容器一旦发生事故，其后果非常严重，世界各国都把这类容器作为一种特殊设备，对容器的设计、制造、安装、检验和使用等方面制定了一系列专门的法规和标准予以管理。另外，航天太空舱和飞船返回舱、军事潜水艇和深海探测器也参照使用压力容器的制造标准而制定各种标准。

按照中国《压力容器安全技术监察规程》中的有关规定，同时具备下列条件的容器即称为压力容器：

① 最高工作压力大于0.1MPa（不含液体静压力）。

② 内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于或等于0.15m，且容积大于或等于0.025m³。

③ 介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。

二、 压力容器分类和构造

1.按工艺用途分类

（1）反应压力容器

用于完成介质的物理、化学反应。如反应器、反应釜、分解塔、合成塔和煤气发生炉等。

（2）换热压力容器

用于完成介质的热量交换。如换热器、冷却塔、冷凝器、蒸发器、加热器（如压力锅炉）等。

（3）分离压力容器

用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等。如分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔和干燥塔等。

（4）储存压力容器

用于盛装生产用的原料气、液体、液化气体等。如储罐、球罐等。

2. 按壳体的承压方式分类

（1）内压容器

作用于压力容器器壁内部的压力高于外表面所承受的压力。如储罐、球罐、反应器、反应釜、分解塔、合成塔和煤气发生炉等。

（2）外压容器

作用于压力容器器壁内部的压力低于外表面所承受的压力。如各类潜水器和换热器、冷却塔、冷凝器、蒸发器、加热器的管程等。还有各类船舶的水下部分也可认定为外压容器。

3. 按设计压力分类

分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。

4. 按制造材料分类

分为钢制容器、有色金属容器、非金属容器等。

5. 按几何形状分类

分为圆筒形容器、球形容器、矩形容器、组合式容器等。

6.其他

 除上述分类方法外，还可以按容器的壳体结构、容器壁厚、结构材料、结构形式和工作介质进行分类。

压力容器的分类方式和结构形式虽然很多，但压力容器最基本的结构是一个密闭的焊接壳体。根据压力容器壳体的受力分析，最适宜的形状是球形，球形容器制造相对比较困难，成本较高，因此在工业生产中，大多数中、低压容器多采用圆筒形结构。圆筒形容器由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔接管以及支座等六大部件组成，并通过焊接构成一个整体，如图0-2所示。

三、 压力容器的焊接结构

① 一般用途的压力容器压力低，焊接结构比较简单，图0-3所示为载重汽车的刹车储气筒，由于低碳钢可焊性好，对应力集中敏感性低，故储气筒多采用Q235钢材制成。筒体由钢板弯制，纵向焊缝用埋弧自动焊一次焊成，两封头冲压成形，封头与筒体之间采用对接接头，为了保证焊缝质量，在焊缝底部设置残留垫板。

② 储存气体或液体的容器广泛应用于各生产部门和运输行业。固定小型储存容器的技术要求较低，一般用薄钢板制造即可。而对于大型储运容器，则在结构和设计上有许多特别的地方。如铁路运输石油产品用的油罐，如图0-4所示。油罐承受的内压力不高，但在运输车辆启动和刹车时有较大的惯性力，因此要求罐体应有适当的厚度，以保证足够的刚度。油罐罐体一般用低碳钢制造，筒体由上下两部分组成，上半部分占整个筒体的3/4，用8～12mm厚的钢板成形拼制而成。筒体下部分占1/4，要求有较大的刚度，采用较厚的钢板弯制。筒体上下两部分用对接纵焊缝连接。封头为椭圆封头，热压成形，与筒体之间采用对接焊接。

③ 焊接容器承受的压力越高，其壁厚也越大，因此厚壁容器也称为高压容器。完整的厚壁容器作为工业生产中的高压装置，一般由外壳和内件构成。内件因工艺过程的不同而多种多样，外壳由于加工条件、钢板资源的限制，以及充分利用材料和避免深厚焊缝等方面考虑，则采用大体相近、较为复杂的结构形式，图0-5所示为一多层包扎式厚壁容器。这种结构是先用厚度14～34mm的不锈钢板卷焊成内筒，纵焊缝经无损检测、热处理消除应力和机械加工磨平后，把厚度4～8mm的薄板卷成瓦片形，作为层板包到内筒的外表面，用钢丝索滚动包扎，把层板点焊固定后，用自动焊焊接纵焊缝，并用砂轮磨平纵焊缝。用同样方法依次包扎焊接第二层，这样逐层包扎至总的厚度达到设计要求为止，构成一个筒节。最后筒节两端经机械加工，车出环焊缝坡口，通过环缝焊接，把筒节连接成一个完整的筒体，如图0-6所示。

④ 裙式支座是高大容器设备最常用的一种支座，它由钢板卷制的座体、基础环和螺栓座焊接而成。裙式支座有圆筒形和圆锥形两种结构，如图0-7所示。

裙座体与塔壳的连接有对接接头和搭接接头两种形式。当座体的外径与下封头外径相等时，可采用对接接头，其连接焊缝须采用全焊透连续焊，如图0-8（b）所示。这种连接结构，焊缝主要承受压缩载荷，封头局部受载。当采用搭接接头形式时，搭接的焊缝部位可在下封头直边上，也可在筒体上，裙座体内径稍大于塔体外径，其结构如图0-8（a）所示。这种焊接结构，焊缝主要承受剪切载荷，所以焊缝受力条件恶劣，一般用于直径小于1000mm的塔设备。

四、 压力容器的主要参数

① 设计压力。是指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计算壁厚及其元件尺寸压力。压力容器的设计压力不得低于最高工作压力，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力。

② 最高工作压力。是指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压力。

③ 工作压力。是指容器在满足工艺要求的条件下，所产生的表压力。

④ 试验压力。是指容器在压力试验时，容器顶部的压力。

⑤ 设计温度。是指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度，标志在铭牌上的设计温度应是壳体设计温度的最高值或最低值。

⑥ 试验温度。是指压力容器在压力试验时，壳体的金属温度。

⑦ 计算厚度。是指压力容器各部分元件按公式计算出的厚度。

⑧ 设计厚度。是指计算厚度与腐蚀裕量之和。

⑨ 名义厚度。是指设计厚度加钢材负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度。

⑩ 有效厚度。是指名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量之后的厚度。

⑪ 实测厚度。是指压力容器在检验时，用测厚仪所测出的实际厚度。

⑫ 外径。是指圆柱、球形压力容器外直径。

⑬ 内径。是指圆柱形、球形压力容器内直径。

⑭ 容器规格的表示。内径×壁厚×长度（高度）=ϕ×δ×L，单位：mm。

五、压力容器的安全附件

压力容器的安全附件是为防止容器超温、超压、超负荷而装设在设备上的一种安全装置。压力容器的安全附件较多，但最常用的安全附件有安全泄压装置（安全阀、防爆片、防爆帽）、压力表、液位计等。

1.安全泄压装置

安全泄压装置是为保证压力容器安全运行，防止它超压的一种器具。

常见的安全泄压装置有安全阀、防爆片和防爆帽。

功能：当容器在正常工作压力下运行时，保持严密不漏；若容器内压力一旦超过规定，则能自动地、迅速地排泄出器内的介质，使设备的压力始终保持在许用压力范围以内。一般情况下，安全泄压装置除了具有自动泄压这一主要功能外，还有自动报警的作用。因为当它启动排放气体时，由于介质以高速喷出，常常发出较大的响声，这就相当于发出了设备压力过高的报警音响讯号。

（1）安全阀

安全阀按其整体结构及加载机构形式来分，常用的有杠杆式和弹簧式两种。安全阀要定期检验，每年至少检验一次。定期检验工作包括清洗、研磨、试验和校正。

弹簧式安全阀的加载装置是一个弹簧，通过调节螺母，可以改变弹簧的压缩量，调整阀瓣对阀座的压紧力，从而确定其开启压力的大小。弹簧式安全阀结构紧凑，体积小，动作灵敏，对震动不太敏感，可以装在移动式容器上。缺点是阀内弹簧受高温影响时，弹性有所降低，见图0-9。

杠杆式安全阀靠移动重锤的位置或改变重锤的质量来调节安全阀的开启压力。它具有结构简单、调整方便、比较准确以及适用较高温度的优点。但杠杆式安全阀结构比较笨重，难以用于高压容器之上，见图0-10。

（2）防爆片

防爆片又称防爆膜、防爆板，是一种断裂型的安全泄压装置。防爆片具有密封性能好、反应动作快以及不易受介质中粘污物的影响等优点。但它是通过膜片的断裂来泄压的，所以泄后不能继续使用，容器也被迫停止运行，因此它只是在不宜装设安全阀的压力容器上使用，见图0-11。

（3）防爆帽

防爆帽又称爆破帽，也是一种断裂型安全泄压装置。它的样式较多，但基本作用原理一样，它的主要元件是一个一端封闭、中间具有一薄弱断面的厚壁短管。当容器的压力超过规定时，防爆帽即从薄弱断面处断裂，气体从管孔中排出。为了防止防爆帽断裂后飞出伤人，在它的外面应装有保护装置。

2.压力表

压力表是测量压力容器中介质压力的一种计量仪表。压力表的种类较多，有液柱式、弹性元件式、活塞式和电量式四大类。压力容器大多使用弹性元件式的单弹簧管压力表。装在锅炉、压力容器上的压力表，其最大量程（表盘上刻度极限值）应与设备的工作压力相适应。压力表的量程一般为设备工作压力的1.5～3倍，最好取2倍，见图0-12。

压力表一般每半年校验一次，校验后的压力表应加铅封，并注明下次校验日期或校验有效期。在容器运行期间，如发现压力表指示失灵、刻度不清、表盘玻璃破裂、泄压后指针不回零位、铅封损坏等情况，应立即校正或更换。

3.液面计

液面计又称液位计，是用来测量容器内液面变化情况的一种计量仪表。操作人员根据其指示的液面高低来调节或控制充装量，从而保证容器内介质的液面始终在正常范围内。主要有：伺服液位计、钢带液位计、浮筒液位计、磁翻板液位计、超声波液位计、磁致伸缩液位计、雷达液位计、电容液位计、玻璃板液位计、玻璃管液位计、吹气液位计、差压液位计、激光液位计和γ射线料位计等，用得最多的是差压液位计和浮筒液位计，见图0-13。

六、压力容器的制造中常用金属材料及焊接性

石油化工装置的压力容器绝大多数为钢制的。制造材料多种多样，比较常用的有如下几种。

1. Q235A

0235A钢，含硅量多，脱氧完全，因而质量较好。限定的使用范围为：设计压力≤1.0MPa，设计温度0～350℃，用于制造壳体时，钢板厚度不得大于16mm。不得用于盛装液化石油气体、毒性程度为极度、高度危害介质及直接受火焰加热的压力容器。

2. 20g

20g锅炉钢板与一般20优质钢相同，含硫量较Q235A钢低，具有较高的强度，使用温度范围为-20～475℃，常用于制造温度较高的中压容器。

3. 16MnR

16MnR普通低合金容器钢板，制造中、低压容器可减轻温度较高的容器重量，使用温度范围为-20～475℃。

4.低温容器（低于-20℃）材料

主要是要求在低温条件下有较好的韧性以防脆裂，一般低温容器用钢多采用锰钒钢。在低温用钢中常加入V、Al、Nb、Ti及RE等合金元素，如我国的低温压力容器用钢09MnTiCuREDR、09Mn2VDR、06MnNbDR及06AlNbCuN等。16MnDR可扩大使用作为-40℃低温用钢。钢中加入合金元素Ni，能显著改善钢的低温韧性，为保证低温韧性，如9Ni钢所用温度可达-196℃。在低温用钢中尽量降低含碳量，并严格限制硫、磷含量。

5.高温容器用珠光体耐热钢

温度<400℃、可用普通碳钢，使用温度400～500℃时可采用15MnVR、14MnMoVg，使用温度500～600℃时可采用15CrMo、12Cr2Mo1，珠光体耐热钢指具有高温抗氧化性和高温强度的铬钼合金钢种，如15Cr13Mo12和以上钢种。

6.不锈钢及奥氏体耐热钢

不锈钢是（质量分数）Cr ≥13%的高铬高镍合金钢，在一定化学介质或腐蚀环境中具有高度化学稳定性，种类有马氏体不锈钢如0Cr13、铁素体不锈钢如0Cr17、奥氏体不锈钢如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti和铁-奥体的双相不锈钢如00Cr25Ni5Mo2Ti。使用温度在600～700℃时也应采用0Cr13Ni9和1Cr18Ni9Ti等奥氏体高合金钢。

另外，还有复合板，如Q345+1Cr18Ni9Ti。

注意：材料依据合同和材料的技术条件、技术要求进行验收，主要检验炉号、批号、型号、化学成分和力学性能等，合格后方可入库。保管时应分类分批存放，标示清楚。发放时按照生产计划严格执行，应贯彻“标记移植”的规定。

（1）焊接性的概念

金属的焊接性指金属材料焊接的难易程度。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。假如要采取特殊工艺措施（如预热、热处理或采用特殊的焊接方法）才能获得优质接头，则焊接性差。即焊接性越差，则工艺措施越复杂。

需要满足一定的工艺条件。

① 焊接方法，如焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO₂气体保护焊等。

② 焊接材料，如焊材牌号、焊材型号。

③ 焊接规范，如焊接电流、电弧电压、焊速、焊条直径、焊接层数、道数、焊接位置。

④ 焊前预热，如预热温度、时间。

⑤ 焊后处理，如后热、热处理温度、保温时间。

（2）焊接性的评定

① 冷裂纹敏感性碳当量法。冷裂纹敏感性碳当量法（国际焊接协会推荐IIW）见表0-1。

碳当量估算公式很多，下列碳当量公式是国际焊接协会推荐的碳当量（CE）公式：

式中，元素的符号表示其在钢中含量的百分比。

根据试验可知：

a. 当CE<0.4%时，焊接性优良，焊接时不需预热。

b. 当CE=0.4%～0.6%时，焊接性稍差，钢的淬硬倾向逐渐明显，需采取适当预热，控制线能量才能焊接。

c. 当CE>0.6%时，淬硬倾向更强，焊接性差，需要较高的预热温度并采取严格的焊接工艺措施。

研究表明焊接性与含碳量及合金元素含量有关，其中含C量影响最大，CE越高，焊接性越差；C含量越高，合金元素含量越高，焊接性越差。

 利用碳当量来评定钢材的焊接性，只是一种近似的估算，没有考虑到焊接方法、焊接结构及焊接工艺等因素对焊接性的影响。近代大力发展低碳微量多合金元素的低合金高强度钢，表0-1所示碳当量公式已不适用。况且仅按钢材化学成分评定钢材焊接性并不全面，因为低合金高强度钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还有熔敷金属中扩散氢含量、接头的拘束度等因素。

② 冷裂纹敏感性指数法。除了考虑化学成分外，还有熔敷金属中的扩散氢含量、接头的去拘束应力等。

③ 焊接实验法。按预先制定的焊接工艺参数焊接工艺试板，检测焊接接头对裂纹、气孔、夹渣等缺陷的敏感性，作为评定焊接性时选择焊接方法和工艺参数的依据。常用方法包括Y形坡口裂纹试验、搭接接头焊接裂纹试验等。

④ 焊接性包括两个方面的内容。

a. 接合性能。接头在焊接过程形成焊接缺陷的敏感性。

b. 使用性能。接头在一定使用条件下可靠运行的能力。

金属焊接性是一系列性能的综合表现。对于不同材料、不同工作条件下的焊件，焊接性的主要内容不同。例如，普通低合金结构钢、耐热钢、高合金耐热钢等，对于淬硬和冷裂缝比较敏感，因此在焊接这些材料时，如何解决淬硬和冷裂的问题是焊接性的主要内容。又如，焊接奥氏体不锈钢时，晶间腐蚀和热裂纹是主要问题，也是其可焊性的主要问题。

七、压力容器管理法规

压力容器属危险性大的生产设备，为了确保压力容器安全运行， 2003年3月11日国务院第373号令公布，并颁发了《特种设备安全监察条例》（以下简称《条例》，于2003年6月1日起施行），质量技术监督局颁发了《压力容器安全技术监察规程》（以下简称《容规》） 。

《条例》和《容规》都是强制执行的压力容器管理法规，凡是从事各种压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造的单位，都必须贯彻执行。《条例》与《容规》的主要规定有以下几点。

1.压力容器的设计应具备的条件

压力容器的设计单位应当经国务院特种设备安全监督管理部门许可，方可从事压力容器的设计活动。设计文件应当经国务院特种设备安全监督管理部门核准的检验检测机构鉴定，方可用于制造。

压力容器的设计单位应当具备下列条件。

① 有与压力容器设计相适应的设计人员、设计审核人员。

② 有与压力容器设计相适应的健全的管理制度和责任制度。

2.压力容器的制造、安装、改造单位应具备的条件

压力容器的制造、安装、改造单位以及压力管道用管子、管件、阀门、法兰、补偿器、安全保护装置等（以下简称压力管道元件）的制造单位，应当经国务院特种设备安全监督管理部门许可，方可从事相应的活动。

压力容器的制造、安装、改造单位应当具备下列条件。 

① 有与压力容器制造、安装、改造相适应的专业技术人员和技术工人。

② 有与压力容器制造、安装、改造相适应的生产条件和检测手段。

③ 有健全的质量管理制度和责任制度。

3.容器制成后必须进行压力试验

压力试验是指耐压试验和气密性试验，耐压试验包括液压试验和气压试验。除设计图样要求用气体代替液体进行耐压试验外，不得采用气压试验。进行气压试验前，要全面复查有关技术文件，要有可靠的安全措施，并经制造安装单位技术负责人和安全部门检查、批准后方可进行。需要进行气密性试验的容器，要在液压试验合格后进行。

液压试验时，容器要充满液体，排净空气，待容器壁温度与液体温度相同时，才能缓慢升压到规定压力，根据容器大小保持10～30min，然后将压力降到设计压力至少保持30min。气压试验时，首先缓慢升压至规定试验压力的10%，保持10min，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检查。合格后继续升压到规定试验压力的50%，其后按每级为规定试验压力的10%的级差升压到试验压力，保持10～30min，然后再降到设计压力至少保持30min，同时进行检查。要注意气压试验时所用气体应为干燥的空气或氮气，气体温度不低于15℃。压力试验要严格按照试验的安全规定进行，防止试验中发生事故。

液压试验后检查，符合下列情况为合格。

① 无渗漏。

② 无可见异常变形。

③ 试验过程中无异常响声。

压力容器出厂时，制造单位必须按照《容规》的规定向订货单位提供有关技术资料。

4.压力容器的定期检验

压力容器的定期检验是指在容器使用的过程中，每隔一定期限采用各种适当而有效的方法，对容器的各个承压部件和安全装置进行检查和必要的试验。通过检验，发现容器存在的缺陷，采取措施，以防压力容器在运行中发生事故。

从事压力容器定期检验工作的检验机构和检验人员，必须严格按照核准的检验范围从事检验工作。检验机构和检验人员必须接受当地质量技术监督部门的监督，并且对压力容器定期检验结论的正确性负责。

八、焊接标准简介

GB/T 324—2008 焊缝符号表示法

GB/T 983—2012 不锈钢焊条

GB/T 984—2001 堆焊焊条

GB/T 985.1—2008 气焊、手工电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口

GB/T 985.2—2008 埋弧焊推荐坡口

GB/T 3375—1994 焊接术语

GB/T 3323—2005 金属熔化焊焊接接头射线照相

GB/T 5185—2005 焊接及相关工艺方法代号

GB/T 12467.1—2009 金属材料熔焊质量分要求　第1部分：质量要求相应等级的选择准则

GB/T 12467.2—2009 金属材料熔焊质量要求　第2部分：完整质量要求

GB/T 12467.3—2009 金属材料熔焊质量要求　第3部分：一般质量要求

GB/T 12467.4—2009 金属材料熔焊质量要求　第4部分：基本质量要求

GB/T 19418—2003 钢的弧焊接头　缺陷质量分级指南

GB/T 15169—2003 钢熔化焊焊工技能评定

GB/T 19869.1—2005 钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验

NB/T 47014—2011 承压设备焊接工艺评定

JB/T 4730.1～4730.6—2005 承压设备无损检测

GB/T 3669—2001铝及铝合金焊条

GB/T 3670—1995 铜及铜合金焊条

GB/T 5117—2012 非合金钢及细晶粒钢焊条

GB/T 5118—2012热强钢焊条

GB/T 8110—2008 气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝

GB/T 9460—2008 铜及铜合金焊丝

GB/T 10044—2006 铸铁焊条及焊丝

GB/T 10045—2001 碳钢药芯焊丝

GB/T 12470—2003 埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂

GB/T 10858—2008 铝及铝合金焊丝

GB/T 13814—2008 镍及镍合金焊条

GB/T 15620—2008镍及镍合金焊丝

GB/T 17493—2008 低合金钢药芯焊丝

GB/T 17853—1999 不锈钢药芯焊丝

GB/T 30562—2014 钛及钛合金焊丝

GB/T 11345—2013 焊缝无损检测　超声波检测技术、检测等级和评定

JB/T 6046—1992 碳钢、低合金钢焊接结构件　焊后热处理方法

GB/T 18591—2001 焊接预热温度、道间温度及预热维持温度的测量指南

JB/T 8931—1999 堆焊层超声波探伤方法

JB/T 6967—1993 电渣焊通用技术条件

JB/T 4251—1999 摩擦焊通用技术条件

JB/T 8833—2001 焊接变位机

GB/T 13164—2003 埋弧焊机

JB/T 9185—1999 钨极惰性气体保护焊工艺方法

JB/T 9186—1999 二氧化碳气体保护焊工艺规程

JB/T 9187—1999 焊接滚轮架

GB 9448—1999 焊接与切割安全

JB/T 6969—1993 射吸式焊炬

JB/T 6970—1993 射吸式割炬

JB/T 7438—1994 空气等离子弧切割机

GB/T 6052—2011工业液体二氧化碳

GB/T 4842—2006 氩