第二篇 化工容器设计
第二章 容器设计基础
第一节 概 论
压力容器的特点 应用的广泛性
压力容器的特点
锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束
核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件
塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等）
反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器
压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞
透平机、泵 = 蜗壳 + 叶轮
应用的广泛性
过 程 装 备 = 受 压外 壳 + 功 能 内 件
压力容器的特点
压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶
金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产
部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油
化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、
罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压
力温度下运行，如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793
台设备，其中压力容器281台，占了%。蒸汽锅炉也属
于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至
于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。
应用的广泛性
压力容器的特点
压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力
从1～2×10－5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为
～ MPa；高压聚乙烯为100～200 MPa；合成氨为
10～100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196º C低
温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆、燃、
毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件的
复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不
同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。
操作的复杂性
压力容器的特点
压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有
附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体
或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间
释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接
制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易
发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，
势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高
的安全可靠性。
安全的高要求
压力容器的特点
当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个
1500MW压水堆压力壳，工作压力为14～16MPa，工作温度
为250～330ºC，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650
吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为～
25MPa，工作温度为450～550ºC，内直径为3000～5000mm
，壁厚为200～400 mm，重400～2600吨，对这类容器的工
艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有
更高更严格的安全性要求。
安全的高要求
压力容器的安全特征
1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容
器多达万台 ，移动式压力容器中罐车16910辆，在
用气瓶万只；锅炉总台数也高达万台 。
此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计2432个，设
计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地
域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重
视其安全管理和监察检查的原因。
量大面广
压力容器的安全特征
国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132
起，严重事故274起，共死亡104人，受伤371人，直接经济
损失万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分
别为次/万台，次/万台，次/万台。
事故率高
压力容器的安全特征
1968年英国原子能局（UKAEA）安全卫生处和联合部
技术委员会（AOTC）工程检验机构调查使用年限在30年以
内，符合英国BS1500和BS1515等压力容器规范的一级压力
容器发生破坏事故的统计情况如下表所示：
危害性大
压力容器破坏几率
年份 容器运行 灾难性事故a 损伤事故b 总计
台·年 次数 事故率 次数 事故率 次数 事故
1962-1967 100300 7 ×10－4 125 ×10－4 132 ×10－4
1967-1972 105400 16 ×10－4 123 ×10－4 139 ×10－4
压力容器的安全特征
a.灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器；
b.损伤事故指有潜在危险的事故；
c.事故发生率＝发生事故数/（设备台数×运行年）
表中的数字表明10000台容器中发生损坏事故每年
次，达到破坏事故次，事故几率为‰ ，而且
这132起使用中的容器事故，按其原因分类，%，即
118起是各种制造裂纹所引起。
危害性大
压力容器的事故实例
1979年9月7日国内某电化厂415升液氯
钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液
氯外泄，波及7公里范围，59人死亡，779人
严重中毒。
1979年12月18日国内某液化气站400M3储
罐爆炸，引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000
只气瓶爆炸，600吨液化气燃烧，32人死亡，
54 人伤。
压力容器的事故实例
1986年4月28日前苏联切尔诺
贝利核电站压力壳发生核泄漏，
31人死亡，20个国家4亿人受害。
压力容器的事故实例
1984年12月3日印度博帕尔市
农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏，
2580人死亡，125000人中毒，5
万人失明。
一、容器的结构
壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、
接口管及人孔等组成。常低压化工设
备通用零部件标准直接选用。
二、容器的分类
压力容器分类
•按容器的形状
•按承压性质
•按管理
•其它
按容器壁温
按金属材料
按应用情况
按容器的形状
按容器形状分类
名称 特 点
方形\矩
形容器
平板焊成，制造简便，但承压能
力差，只用作小型常压贮槽
球形容
器
弓形板拼焊，承压好，安装内件
不便，制造稍难,多用作贮罐
圆筒形
容器
筒体和凸形或平板封头。制造容
易，安装内件方便，承压较好，
应用最广
按承压性质
内压：内部介质压力大于外界压力
外压：内部介质压力小于外界压力
真空：内部压力小于一个绝压的外压
容器表4-1 内压容器的分类
容器分类 设计压力 p （MPa）
低压容器 ≤p＜
中压容器 ≤p＜10
高压容器 10≤p＜100
超高压容器 p≥100
按管理
表4-2 安全检查规程使用范围
项目 条件
最高工作
压力pw
pw≥，不包括液体静压
内径Di，
容积V Di≥ 且 V≥
介质
气体、液化气体或最高工作温度高
于等于标准沸点的液体
根据压力等级、介质毒性危害程度以
及生产中的作用，压力容器可分为
三类。
第一类压力容器、第二类压力容器、
第三类压力容器
不包括核能、船舶专用、直接受火焰
加热容器
表4-3 毒性危害程度分级
指 标
分 级
Ⅰ
极度危害
Ⅱ
高度危害
Ⅲ
中毒危害
Ⅳ
轻度危害
急性中
毒
吸入
＜200
mg/m3
200
mg/m3~
2000
mg/m3~
＞20000
mg/m3
经皮 ＜100 100 ~ 500 ~ ＞2500
经口 ＜25 25 ~ 500 ~ ＞5000
急性中毒
易中毒后
果严重
可中毒，
愈后良好
偶可中毒
无中毒但
有影响
慢性中毒 患病率高 较高 偶有发生 有影响
慢性中毒后果
继续进展
不能治愈
可基本治
愈
可恢复无
严重后果
可恢复无
不良后果
致癌性 人体致癌 可疑致癌 动物致癌 无致癌性
最高容许浓度 ＜ - - ＞10
常见化学介质 光气、汞、
氰化氢
甲醛,苯胺、
氟化氢、
二氧化硫,硫
化氢,氨
名称 说明
三类容器
（1）高压容器；
（2） 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；
（3） 中度危害介质，且pV大于等于10MPa·m3中压储存容器；
（4） 中度危害介质，且pV大于等于·m3中压反应容器；
（5） 毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于
·m3的低压容器；
（6） 高压、中压管壳式余热锅炉；
（7） 中压搪玻璃压力容器；
（8） 使用强度级别较高的材料制造的压力容器；
（9） 移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；
（10） 容积大于等于50 m3的球形储罐；
（11） 容积大于5 m3的低温液体储存容器。
二类容器
（1） 中压容器；
（2） 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；
（3） 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低
压储存容器；
（4） 低压管壳式余热锅炉；
（5） 低压搪玻璃压力容器。
一类容器 不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。
判断题：
判断下列容器属一、二、三类
容器的哪一类？
1）φ2000的液氨储罐
2）p为4MPa的剧毒介质容器
3）p为10MPa，V为800L的乙
烯储罐。
按容器壁温
常温容器：壁温-20℃至200℃；
高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金
钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃
，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；
中温容器：在常温和高温之间；
低温容器：壁温低于-20℃, -20℃至-40℃为浅冷
容器，低于-40℃者为深冷容器。
按材料
金属容器:钢制, 铸铁,有色金属容器
非金属材料：既可作为容器的衬里，
又可作为独立的构件。
按材料
应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重
或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、
铝板及钛材。
在深冷操作中，可用铜或铜合金；
常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、
不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、
橡胶衬里等
按应用情况
反应压力容器（Ｒ）完成物理、化学
反应，如反应器、反应釜、分解锅、
聚合釜、变换炉等；
换热压力容器（Ｅ）热量交换，如热
交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、
冷凝器、蒸发器等；
按应用情况
分离压力容器（Ｓ）流体压力平衡缓冲和
气体净化分离，如分离器、过滤器、缓
冲器、吸收塔、干燥塔等；
储存压力容器：（Ｃ，球罐为Ｂ）储存、
盛装气体、液体、液化气体等介质，如
各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量
槽、槽车等。
三、容器的零部件标准
容器的零部件(例如封头、法兰、
支座、人孔、手孔、视镜、液
面计等)标准化、系列化，
许多化工设备(例如贮槽、换热器、
搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相
应的标准。
两个基本参数：
公称直径DN：指标准化以后的标
准直径，以DN表示，单位mm，
例如内径1200mm的容器的公称
直径标记为DN1200。
公称压力PN：容器及管道的操作
压力经标准化以后的标准压力称
为公称压力，以PN表示，单位
MPa。
㈠ 公称直径
1. 压力容器的公称直径
钢板卷焊公称直径是内径。
300
(350
)
400
(450
)
500
(550
)
600
(650
)
700
(750
)
800 900 1000
(110
0)
1200
(130
0)
1400
(150
0)
1600
(170
0)
1800
(190
0)
2000
(210
0)
2200
(230
0)
2400 2500 2600 2800
3000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 4500
4600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000
容器直径较小，可直接用无缝钢
管制作。公称直径指钢管外径。
159 219 273 325 377 426
表2-7 无缝钢管制作筒体时
容器的公称直径（mm）
设计时，应将工艺计算初步
确定的设备内径，调整为符
合表2-5或表2-7所规定的公称
直径。
封头的公称直径与筒体一致。
2.管子的公称直径
也称公称口径、公称通径。
有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送
水、煤气、空气、油以及取暖用蒸
汽等流体管道。
无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如
输送流体用无缝钢管(GB 8163-87)、
石油裂化用无缝钢管(GB 9948-88)、
化肥设备用高压无缝钢管（GB
647986)等。
有缝管的公称直径：
公称直径近似普通钢管内径的名义
尺寸。公制mm，英制in。
公称直径15mm或1/2英寸，外径
，壁厚（普通）
（加厚）
有缝管的公称直径：
每一公称直径对应一外径，其内径
数值随厚度不同而不同。
有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普
通钢管和加厚钢管。
管路附件也用公称直径表示。
无缝钢管的公称尺寸：
分热轧管和冷拔管。
无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度
表示。为公称外径与公称厚度。
在管道工程中，管径超过57mm时，常采
用热轧管。管径在57mm以内常选用冷
拔管。
冷拔管的最大外径为200mm；
热轧管的最大外径为630mm。
3. 容器零部件的公称直径
法兰、支座等公称直径是相配的筒体、
封头的公称直径。DN2000法兰，
DN2000鞍座
还有一些零部件的公称直径是与它相配
的管子公称直径DN200管法兰
另有一些容器零部件公称直径是指结构
中某一重要尺寸，DN80(Dg80)视镜是
指窥视孔的直径为80mm。
㈡ 公称压力
工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体
及其零部件的尺寸也不同。
将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即
公称压力。
表2-9压力容器法兰与管法兰的公称压力
压力容器
法兰
管法兰 10 15 25
设计时如果选用标准零部件，必
须将操作温度下的最高操作压力
(或设计压力)调整为所规定的某
一公称压力等级(调整方法见第
五节)，然后根据DN与PN选定该
零部件的尺寸。
如果零件不选用标准零部件，而
是自行设计，设计压力就不必符
合规定的公称压力。
四、压力容器的标准简介
压力容器标准是全面总结压力容器
生产、设计、安全等方面的经验，不
断纳入新科技成果而产生的。它是压
力容器设计、制造、验收等必须遵循
的准则。压力容器标准涉及设计方法、
选材及制造、检验方法等。
㈠ 国内标准
1989我国压力容器标准化技术委员会制
订了GB150-89《钢制压力容器》
1998年修订成GB150-1998，使标准更加
完善。
GB150《钢制压力容器》内容包括：
压力容器板壳元件计算
容器结构要素的确定
密封设计
超压泄放装置的设置
容器的制造与验收的要求等
㈡ 国外主要规范
国外的规范主要有四个：
• 美国ASME规范，
• 英国压力容器规范（BS），
• 日本国家标准（JIS），
• 德国压力容器规范（AD）。
1．美国ASME规范
美国机械工程师协会（ASME）制定
的《锅炉及压力容器规范》。美国国
家标准
该规范规模庞大、内容完善，仅依
靠其本身即可完成选材、设计、制造、
检验、试验、安装及运行等全部工作
环节。
1．美国ASME规范
与压力容器密切相关有： 第Ⅱ卷 材
料技术条件、第Ⅴ卷 无损检验、第
Ⅷ卷 压力容器及第Ⅸ卷 焊接及钎焊
评定。
每年增补一次，每三年出一新版，
技术先进，修订及时，能迅速反映世
界压力容器科技发展的最新成就，为
世界上影响最大的一部规范。
2．英国压力容器规范（BS）
BS 5500《非直接火熔焊压力容器》是由
英国标准协会（BSI）负责制定。
由两部规范合并而成：
一部相当于ASME第Ⅷ卷第一册的BS
1500《一般用途的熔融焊压力容器标准》，
另一部是近似于德国AD规范的BS 1515
《化工及石油工业中应用的熔融焊压力容
器标准》。
3. 日本国家标准（JIS）
于80年代初制定了两部基础标准，
一部是参照ASME第Ⅷ卷第1册制定的JIS B
8243《压力容器的构造》，
另一部是参照ASME第Ⅷ卷第2册制定的
JIS B8250《特定压力容器的构造》。
此外，还有与压力容器相关的标准JIS B
8240《冷冻压力容器》、JIS B8241《无
缝钢制气瓶》及JIS B8242《圆筒形液化
石油气贮罐（卧式）构造》等。
4. 德国压力容器规范（AD）
AD压力容器规范是由七个部门编制的：
• 职工联合会、
• 锅炉压力容器管道联合会、
• 化学工业联合会、
• 冶金联合会、
• 机械制造者协会、
• 大锅炉企业主技术协会及技术监督会联
合会（VDTUV）。
AD规范在技术上有许多独特的观点，它
在世界上也是具有广泛影响的规范。
AD规范与ASME规范相比，特点：
① AD规范只对材料屈服极限取安全系数，
且取数较小。因此产品厚度薄、重量轻；
② AD规范允许用较高强度级别的钢材；
③ 在制造要求方面，AD规范没有ASME
详尽，这样可使制造厂具有较大的灵活
性，易于发挥各厂的技术特长和创新。
思考题 ：
1.压力容器按照压力、温度、监察
管理各是怎样分类的？
2.钢板卷制的筒体和成型封头的公
称直径指的是哪个直径？无缝钢
管制作筒体时，公称直径指的是
哪个直径？
3.判断容器属几类？
