压力容器分类及压力容器特点

压力容器，广义上指所有承受液体介质压力的密闭设备。

压力容器广泛应用于工业领域，特指在石油化工及其他工业生产中，用于完成反应、传热、传质、分离和储运等工艺过程，并具有特定功能的承压设备。它们不仅是能源、石油化工、军事及科研的关键设备，也在民用领域十分常见，例如煤气或液化石油气储罐、各种蓄能器、换热器、分离器以及大型管道工程等。

一、压力容器的定义

根据《压力容器安全技术监察规程》，同时满足以下三个条件的设备才被认定为压力容器：最高工作压力不低于0.1MPa、容积不小于25升、工作介质为气体或液化气体以及最高工作温度高于标准沸点（指常压下的沸点）的液体。不满足这些条件的则属于常压容器。

压力容器多为圆柱形，少数为球形或其他特殊形状。圆柱形容器通常由筒体、封头、接管、法兰等部件构成，其筒体壁厚随工作压力的升高而增加。

二、压力容器的分类

压力容器可依据不同标准进行多种方式的分类：

1. 按制造方法分类：可分为焊接容器、锻造容器、铆接容器、铸造容器和组合式容器。

2. 按材料分类：分为钢制容器、有色金属容器及非金属容器。

3. 按壁厚分类：有薄壁容器和厚壁容器两类。

4. 按几何形状分类：主要包括球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器等。

5. 按承压方式分类：分为承受内部压力的内压容器和承受外部压力的外压容器。

6. 按设计压力等级划分：

   • 低压容器 (L)：0.1 MPa ≤ p < 1.6 MPa

   • 中压容器 (M)：1.6 MPa ≤ p < 10 MPa

   • 高压容器 (H)：10 MPa ≤ p < 100 MPa

   • 超高压容器 (U)：p ≥ 100 MPa

7. 基于综合因素分类（如压力高低、容积大小、介质危害性及在生产中的重要性）：

   • Ⅰ类容器：盛装非易燃或无毒性介质的低压容器；或盛装易燃或有毒介质的低压分离/换热容器。

   • Ⅱ类容器：符合以下任一情况：中压容器；盛装剧毒介质的低压容器；盛装易燃或有毒介质的低压反应容器及储罐；内径小于1米的低压废热锅炉。

   • Ⅲ类容器：符合以下任一情况：高压或超高压容器；盛装易燃或有毒介质的中压反应容器、储罐或槽车；盛装剧毒介质的大型低压容器及中压容器；中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。

8. 按工作温度范围划分：有高温容器（200–500℃）、常温容器（自然环境温度）及低温容器（-20～-253℃）。

9. 按工艺功能划分：

   • 反应压力容器：用于完成介质的物理、化学反应，如反应器、发生器、分解锅等。

   • 换热压力容器：用于介质的热量交换，如废热锅炉、热交换器、冷却器等。

   • 分离压力容器：用于介质压力平衡、净化与分离，如分离器、过滤器、集油器等。

   • 储存压力容器：用于盛装生产或生活用的气态、液态或液化原料，如各类储罐、槽车。

10. 按安装方式分类：

    • 固定式压力容器：有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员相对固定。

    • 移动式压力容器：在使用中不仅承受内压或外压，搬运过程中还会受到内部介质晃动引起的冲击以及运输带来的外部撞击和振动载荷，因此在结构、使用和安全方面有特殊要求。

三、压力容器的特点

1. 工作条件苛刻：体现在载荷、温度和介质三方面。①载荷：除静载荷外，还常承受低周疲劳载荷；②温度：可能在高温或低温环境下运行；③介质：种类多样，包括空气、水蒸气、硫化氢、液化石油气、液氨、液氯、各种酸和碱，许多介质具有腐蚀性、毒性或易燃易爆性。

2. 事故易发性：①易超负荷：容器内压力可能因操作失误或反应异常而迅速上升，常在未被察觉的情况下导致破坏；②局部应力复杂：在开孔、接管等结构不连续处易产生应力集中，反复加压卸压可能导致破坏；③存在隐蔽缺陷：制造中产生的微小裂纹等缺陷在使用中可能扩展，或在特定条件下引发突然失效；④运行条件严格。

3. 应用广泛且需连续运行：压力容器通常要求长期连续运行，不能随意停机检修。意外停运可能严重影响整条生产线、整个工厂甚至一个地区的生产与生活，导致巨大的直接和间接经济损失。

四、压力容器的结构组成

压力容器结构多样，最常见的是圆柱形、球形和锥形。其承压能力与壁厚相关。以圆柱形压力容器为例，主要组成部分包括：

1. 筒体：是形成压力空间的主体，其尺寸由工艺需求决定，形状除圆筒形外也有锥形或球形。

2. 封头：是封闭筒体端部的部件，常见有球形、椭圆形、碟形和平盖形。与筒体连接时，通常采用球形或椭圆形封头，平盖封头一般不允许使用。

3. 法兰：是容器及管道连接的关键部件，通过螺栓连接并压紧垫片实现密封。

4. 密封元件：置于法兰或封头与筒体端部之间，靠螺栓压紧以保证密封。按工作压力、介质、温度选用金属（如铜、铝、软钢）、非金属（如石棉、橡胶）或组合型（如铁包石棉）密封元件。

5. 开孔与接管：为满足工艺、检修和安装附件（如压力表、安全阀）的需要，在筒体或封头上开设人孔、视镜孔、物料孔及各种接管口。

6. 支座：是支撑并固定容器的基础部件，形式取决于安装方式，常见有鞍式、支撑式、悬挂式、裙座式等，球形容器则多用柱式或裙式支座。

五、压力容器用钢的选用原则

压力容器用途广泛且工况复杂，正确选材是设计中的关键且复杂的环节。许多事故根源在于选材不当。例如，焊接性差的钢材易产生裂纹；某些不锈钢选材不当可能导致晶间腐蚀或应力腐蚀；低温下使用的铁素体钢若转变温度高于工作温度，易发生脆性破坏。因此，选材必须综合考虑操作条件（壁温、压力、介质腐蚀性、脆化影响、易燃易爆毒性等），择优选取力学性能、物理性能、耐腐蚀性及加工工艺性（尤其是可焊性）符合要求，同时兼顾经济性与货源的材料。需注意，压力容器用材绝大部分是经轧制、锻造、成型、焊接和热处理后投入使用的。

1. 质量技术选用原则：

   • ① 必须依据设备操作条件（压力、温度、介质特性）、材料焊接与加工性能、热处理要求及容器结构进行选择。

   • ② 在满足条件①的前提下，力求经济合理：a. 板厚小于8mm时，优先选用碳素钢（多层容器除外）；b. 以刚度或结构设计为主时，尽量用普通碳素钢（如Q235A, Q235B）；以强度设计为主时，依次选用20R(或20g)、16MnR等；c. 不锈钢厚度大于12mm时，优先考虑衬里、复合或堆焊结构；d. 尽量避免使用不锈钢作为≤500℃的耐热钢；e. 尽量减少珠光体耐热钢的品种规格，非必要不用于≤350℃的耐热或抗氢场合。

   • ③ 常规选用指南：a. 碳素钢用于常压、低压、腐蚀不强、壁厚不大的中压容器及非受压件；b. 低合金高强钢用于壁厚≥8mm、腐蚀不强的受压容器；c. 珠光体耐热钢用于抗高温氢/硫化氢腐蚀或350–650℃的耐热场合；d. 不锈钢用于高腐蚀、防铁离子污染、>500℃或<-100℃的耐热/低温场合；e. 不含稳定化元素且C>0.03%的奥氏体不锈钢，经焊接或400℃以上热加工后不应用于晶间腐蚀环境。

   • ④ 钢材必须符合相关标准。

   • ⑤ 用于标准零部件（如法兰、管件、人孔、液位计）的钢材，须符合相应国家标准或行业标准的要求。

2. 经济性选用原则：
   设备成本很大程度上受材料价格影响。压力容器用钢的价格差异显著。若以碳钢板Q235-A的价格为基准（1），其他板材的相对价格大致为：16MnR约1.4、20R(20g)约1.8、铬钢(1Cr13, 2Cr13)约5.1、高合金钢0Cr18Ni10约14.1。
   然而，价格并非唯一因素。高性能材料可能带来器壁减薄、重量减轻、寿命延长的优势，综合经济效益更佳。分析经济性还需考虑国家资源情况，应优先选用普通易得、国产的材料，尽量减少昂贵稀缺或进口材料的使用。