第一章 锅炉压力容器焊接基础
第一节 锅炉
一、锅炉的分类
锅炉是一种能量转换设备。在锅炉中通过燃料燃烧，将燃料的化学能转变成为热能，再通过传热将热能传给载热工质——水，并使水的状态参数发生改变，成为满足工业生产或生活需要的蒸汽或较高温度的水。简言之，锅炉是生产蒸汽或加热水的设备。生产蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，加热水而不把水转变为蒸汽的锅炉称为热水锅炉。锅炉广泛应用于电力、交通、化工、石油、轻工、机械等部门，也用于取暖。可以从不同角度对锅炉进行分类。
①按用途不同可以分为电站锅炉、工业锅炉、机车船舶锅炉、生活锅炉等。
②按锅炉蒸发量不同可以分为大型锅炉（蒸发量＞100t/h）、中型锅炉（蒸发量为20～100t/h）、小型锅炉（蒸发量＜20t/h）。
③按蒸汽压力不同可以分为低压锅炉（压力≤1.57MPa）、中压锅炉（压力为2.45MPa和3.82MPa）、高压锅炉（压力为9.8MPa）、超高压锅炉（压力为13.73MPa）、亚临界锅炉（压力为16.67MPa）和超临界锅炉（压力超过22MPa，即高于临界压力）。
④按燃料种类和能源来源不同可以分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、原子能锅炉、废热（余热）锅炉等。
⑤按工质在蒸发系统的流动方式不同可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。
⑥按锅炉结构不同可以分为锅壳式锅炉（火管锅炉）、水管锅炉和水火管锅炉（卧式快装锅炉）。
⑦按燃料在锅炉中的燃烧方式不同可分为层燃炉、沸腾炉、室燃炉。
电站锅炉一般是压力较高（中压以上）、容量较大（中型以上）、采用室燃方式的水管锅炉，又可以分为许多种。
工业锅炉一般压力较低（2.45MPa及以下）、容量较小（65t/h及以下），大都采用层燃，结构形式和燃烧设备种类繁多。主要用于工业生产用汽和采暖供热。
工业锅炉的类型见表1-1。
表1-1 工业锅炉的类型
二、锅炉的型号
锅炉型号是一种十分重要的标识方法，它体现着锅炉的主要技术信息以及锅炉的种类，锅炉型号主要包括产地、锅炉参数、结构形式和燃料种类等信息。下面对工业锅炉的型号进行简要介绍。
我国工业锅炉的型号是依据机械行业标准JB/T1626—2002的规定编制的，工业锅炉一般按其出口工质的不同，大体分为两大类，即工业蒸汽锅炉和热水锅炉，其锅炉型号形式分别如图1-1和图1-2所示。
图1-1 工业蒸汽锅炉型号形式
图1-2 热水锅炉型号形式
（1）工业锅炉型号的组成 如图1-1和图1-2所示，工业锅炉的型号由三部分组成，各部分用短横线连接。
①第一部分分三段，前两段分别由汉语拼音字母代号表示，工业锅炉形式代号见表1-2，燃烧方式代号见表1-3。第三段用阿拉伯数字表示锅炉参数，表示蒸发量时，单位为t/h；表示热水锅炉时为供热量，单位为MW；对于余热锅炉表示受热面积，单位为m2
。
表1-2 工业锅炉形式代号
表1-3 燃烧方式代号
②第二部分表示工质参数。对工业蒸汽锅炉，分额定蒸汽压力和过热蒸汽温度两段，中间用斜线隔开，常用单位为MPa和℃，蒸汽温度为饱和温度时，第二部分只体现过热蒸汽压力；对于热水锅炉，第二部分由三段组成，每段之间用斜线隔开，分别表示额定工作压力、额定出水温度和额定进水温度。
③第三部分表示设计燃料种类和设计次序。第一段用汉语拼音字母代号表示燃料种类，燃料种类代号见表1-4；第二段用阿拉伯数字表示设计次序，原型设计时无第二段。
表1-4 燃料种类代号
注：①如同时燃用几种燃料，则将主要燃料的代号放在前面。
②余热锅炉无燃料代号。
（2）工业蒸汽锅炉型号举例
①DZL4-1.25-W。表示单锅筒纵置式链条炉排炉，蒸发量为4t/h，压力1.25MPa，饱和温度，燃料用无烟煤，原型设计。
②SHS10-1.25/250-A2。表示双锅筒横置式室燃锅炉，蒸发量为10t/h，压力1.25MPa，过热蒸汽温度250℃，燃料用烟煤，第二次改型设计。
（3）热水锅炉型号举例QXW2.8-0.7/95/70-A2。表示强制循环式往复推饲炉排热水锅炉，额定供热量2.8MW，额定工作压力0.7MPa，额定出水温度95℃，额定进水温度70℃，燃料用烟煤，第二次改型设计。
三、锅炉的参数
（1）额定蒸发量 工业蒸汽锅炉的容量用额定蒸发量表示。其额定蒸发量是指锅炉在额定蒸汽压力、蒸汽温度、规定的锅炉效率和给水温度的情况下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量，通常以每小时提供的蒸汽量来表示，单位为t/h。
（2）额定供热量 热水锅炉的容量用额定供热量表示，单位为kW（MW）。
（3）锅炉蒸汽压力和温度 锅炉蒸汽压力和温度是指过热器主蒸汽阀出口处的过热蒸汽的压力和温度，对于无过热器的锅炉，用主蒸汽阀出口处的饱和蒸汽压力和温度来表示，压力的单位为MPa，温度的单位为K或℃。
（4）锅炉给水温度 锅炉给水温度是指进入省煤器的给水温度，无省煤器的锅炉是指进入锅筒的给水温度，单位为K或℃。
①常用工业蒸汽锅炉出口蒸汽压力和出口蒸汽温度见表1-5。
表1-5 常用工业蒸汽锅炉出口蒸汽压力和出口蒸汽温度
②常用热水锅炉额定出水压力和额定出口/进口水温度见表1-6。
表1-6 常用热水锅炉额定出水压力和额定出口/进口水温度
1. 锅壳式锅炉
（1）锅壳式锅炉的结构特点
①“锅”和“炉”都被包在一个壳体——锅壳中。
②炉膛矮小，水冷程度大（整个金属炉膛浸泡在水中），燃烧条件差，必须燃烧优质燃料。
③受热面少、蒸发量低，常装水管或烟火管以增加受热面。
④壳体直径较大，开孔多、形状不规则，内部受热部分与不受热部分连接在一起，温度不一致，热胀冷缩程度不同，对安全工作不利。
⑤系统比较简单，一般没有砌砖炉墙及尾部受热面，便于运输安装、运行管理及检查维修，对水质要求也比较低。
这种锅炉的蒸发量、蒸汽参数都受到限制，燃烧效果和传热效果差，锅炉热效率很低。从安全角度看，这类锅炉安全性能差、事故破坏性较大。但这类锅炉对负荷变动的适应能力较好，对水质要求较低，使用管理和维护检修比较方便，烟风阻力较小，不少采用自然通风，因而在一些小型工业企业、交通运输部门及生活采暖中，目前还广泛使用这类锅炉。
（2）锅壳式锅炉的种类及结构 锅壳式锅炉有立式和卧式两种。
①立式锅壳锅炉。立式锅壳锅炉的圆筒形锅壳是立置的。其蒸发量一般在10t/h以下，蒸汽压力一般在1.27MPa以下，全部采用手摇固定式炉排，燃烧空间小，水冷程度大，排烟温度高，热效率低。目前常见的立式锅壳式锅炉是立式直水管锅炉和立式弯水管锅炉，其结构分别如图1-3和图1-4所示。
图1-3 立式直水管锅炉
1.烟气出口管（喉管）2.下降管3.直水管4.挡烟隔墙板5.前烟墙6.检查孔7.锅壳8.水位表接口9.后烟墙10.手孔11.半圆形炉胆12.炉门13.炉排14.底脚角铁箍
图1-4 立式弯水管锅炉
1.炉排2.外部弯水管3.炉胆4.内部弯水管5.锅壳6.检查孔7.水位表通汽孔8.水位表通水孔9.烟囱
②卧式锅壳锅炉。其锅壳是平置的。蒸发量一般不超过4t/h，蒸汽压力不超过1.27MPa。目前国内有代表性的卧式锅壳锅炉是卧式内燃回火管锅炉，其结构图如图1-5所示。它是取代卧式火管式锅炉而发展起来的一种新型锅炉，这种锅炉结构紧凑，整装或组装出厂，运输安装方便，比起火管式锅炉来，热效率显著提高，钢材消耗量大大下降。缺点是结构刚度较大，锅壳、炉胆和烟管之间因膨胀不同而产生热应力，有时造成烟管端部胀口泄漏，烟管外结水垢时不易清除，烟管及烟箱中易积灰。
图1-5 卧式内燃回火管锅炉
1.链条炉排2.烟火管3.锅壳4.炉胆
2. 小型水管锅炉
（1）水管锅炉的结构特点
①炉膛置于筒体之外，“炉”不受“锅”的限制，体积可大可小，可以满足燃烧及增加蒸汽量的要求。
②可以把容纳水气的管子置于炉膛、烟道中作为主要受热面，锅筒一般不受热，传热性能及安全性能都显著改善。
③水的预热、汽化（沸腾）及蒸汽过热在不同受热面中完成。这些受热面分别称为省煤器、水冷壁和对流束管、过热器。
④汽水系统、燃烧系统及辅助系统比较复杂，但单个承压部件的结构比较简单。
⑤由于水的预热、汽水及蒸汽的过热都是在管内完成的，管子结垢难于清除，因而对水质要求较高，对运行操作管理水平也要求较高。
水管锅炉特别是弯水管锅炉的出现，在结构上为增大锅炉蒸发量、提高蒸汽参数提供了可能。管式受热面直径较小可以承受更高压力，弯水管弹性好可以承受热胀冷缩，故使锅炉的经济性、安全可靠性相应提高。
（2）常见的小型水管锅炉
①双横锅筒弯水管锅炉（K型）结构如图1-6所示。其蒸发量分为2t/h、4t/h两种，是结构最简单、容量最小的水管锅炉。采用层燃燃烧方式，人工加煤，劳动强度大；炉膛中布置受热面少，尾部烟道没有省煤器，排烟温度高，热效率低；对流管束下部易积灰等。
图1-6 双横锅筒弯水管锅炉（K型）
1.炉排2.集箱3.下降管4.炉墙5.水冷壁管6.上锅筒7.对流管束8.隔火墙9.下锅筒
②双纵锅筒弯水管锅炉（D型）结构如图1-7所示。D型锅炉是近年常见的一种小型水管锅炉布置方式，整个锅炉从炉前面看呈“D”形。其蒸发量为2～10t/h。锅炉结构紧凑，整体结构弹性好，水循环可靠；采用机械化炉排，配以适当的炉烘，不但减轻了劳动强度，还可以改善燃烧、提高热效率。对水质要求较高，有时燃烧调整较困难，易产生出力不足，结渣等问题。
图1-7 双纵锅筒弯水管锅炉（D型）
1.上锅筒2.下锅筒3.弯水管4.左、右侧水冷壁管5.炉顶水冷壁管6.集箱7.炉排8.省煤器9.吹灰器
③双纵锅筒弯水管锅炉（д、K、B型）结构如图1-8所示。有时还配有空气预热器，其蒸发量有6.5t/h和10t/h两种。这种锅炉结构紧凑，整体弹性较好，清垢检修方便，加煤实现机械化，减轻了劳动强度，锅内设备较安全，对改善汽水品质，减少腐蚀积垢有一定作用。但采用抛煤机，烟气中灰量大，含炭量高，既降低热效率，又污染环境。对煤质和煤的粒度都有较高要求。水质要求也严格。
图1-8 双纵锅筒弯水管锅炉（д、K、B型）
1.机械风力抛煤机2.水冷壁3.上锅筒4.对流管束5.燃烬室6.手摇翻转炉排7.飞灰回收装置8.下锅筒9.省煤器10.空气预热器11.傍通烟道
④双横锅筒弯水管链条炉排锅炉（д型）结构如图1-9所示。这是一种历史比较悠久，应用十分广泛的锅炉，蒸发量最小为4t/h，最大可达20t/h。有的还有过热器。这种锅炉采用链条炉，减轻了司炉工的劳动强度；炉膛较开阔，并有前后拱，二次风的配置，燃烧情况较好，热效率高。但整体结构不够紧凑，金属消耗量较大。
图1-9 双横锅筒链条炉排锅炉（д型）
1.锅筒2.省煤器3.空气预热器4.链条炉排5.水冷壁6.对流管束
⑤分联箱横锅筒直水管锅炉（FHL型）。分联箱直水管锅炉，又称拔伯葛锅炉，它最早是由英国制造的，我国较早使用的水管锅炉很多是这种锅炉。拔伯葛锅炉有纵锅筒和横锅筒两种形式。前者锅筒的下半部与烟气接触，筒壳受热，不宜用较厚的筒壁，因而工作压力受到一定的限制。分联箱横锅筒直水管锅炉的结构如图1-10所示。
图1-10 分联箱横锅筒直水管锅炉（FHL型）
1.前分联箱2.炉管3.过热器4.折烟墙5.锅筒6.分联臂7.后分联箱
横锅筒接触的烟气温度已较低，且可以完全绝热，因此可用于较高的压力。且它在结构上富于弹性，增加锅筒的长度就可以多装几对分联箱，增加炉管，增大传热面积。因此分联箱横锅筒直水管锅炉用得较为普遍。
近年来，许多拔伯葛锅炉的炉膛内部加装了水冷壁，使其出力和热效率有所提高。常用的分联箱横锅筒直水管锅炉的蒸发量为2～4t/h；过热蒸汽参数为1.3MPa，250℃。
3. 卧式水火管锅炉
水火管锅炉的结构特点界于锅壳式锅炉与水管锅炉二者之间，或者说它有水管锅炉和锅壳式锅炉的基本结构特点。
卧式水火管锅炉通常也称为卧式快装锅炉。所谓快装锅炉是锅炉本体及辅机等在锅炉厂制造后全部组装在一起，整体运往使用场所，只需接通辅机电源，烟风管道和汽水管道，锅炉很快就可投入运行，其他各种锅炉也有快装锅炉。
卧式水火管锅炉在我国出现于20世纪60年代后期，是在卧式外燃烟管锅炉的基础上，在锅壳两侧及后部加装水冷壁，组成外部炉膛，形成水火管组合的结构形式。卧式水火管锅炉如图1-11所示。
图1-11 卧式水火管锅炉
1.煤斗2.链条炉排3.前烟箱4.水冷壁管5.锅壳6.检查孔7.烟管8.省煤器9.排污管10.下降管11.风机12.保温层13.下集箱
卧式水火管锅炉的烟气通常有三个回程：在锅壳下部炉膛中向后流动，离开炉膛后由锅壳后部一侧进入第一对流烟管区；向前流动至锅壳前部烟箱，转折180°进入第二对流烟管区；向后流动至锅壳后部，排入烟囱。
卧式水火管锅炉结构简单紧凑，制造及运输、安装方便，使用时升火起动快，便于调整负荷，热效率较一般锅壳式锅炉高。其缺点是由于快装的要求，炉膛高度低，相对水冷程度较大，燃料着火困难，燃烧不稳定，难于燃用贫煤及劣质烟煤，影响锅炉达到额定出力及热效率；由于筒体和直烟管刚度大，后管板左右两侧的烟气温差大，热应力常把后管板拉撑件的焊口拉裂，管接头出现裂纹和渗漏；锅壳下部直接受火焰辐射，又易沉积泥垢，在水质不好，运行操作不当时，锅壳下部常常出现过热鼓包现象；锅炉的蒸汽空间较小，高负荷时蒸汽带水严重等。
目前，卧式水火管锅炉是我国使用最普遍，数量最多的一种工业锅炉，其品种和规格比较齐全，蒸发量为0.2～4t/h，蒸汽压力为0.39～1.27MPa。
4. 热水锅炉
（1）热水锅炉的特点 热水锅炉同蒸汽锅炉的根本区别就是不产生蒸汽。由此出发，热水锅炉在设计结构、制造工艺、运行性能等方面有下列明显特点：
①结构简单。受热面仅有惟一的一种，相当于蒸汽锅炉省煤器的容水受热面。有的热水锅炉还没有锅筒。因而制造工作量小，工艺简单，尤其无锅筒列管式热水锅炉制造更为方便。
②安全性较高。由于工作压力不高，水在锅炉内不会汽化，水温低于工作压力下的饱和温度。工质具有的能量较小，比起蒸汽锅炉来，爆炸的危险性较小；因无水的蒸发浓缩，一般补给水较少，因而对水质的要求也较低，受压元件工作温度较低，基本上没有因结垢而烧坏受热面的现象。
③钢材消耗量较少。由于可以不用锅筒；受热面全部受水冷却，加之工作压力较低，受热面壁厚较薄，因而传热温度高、热阻小，传热效果好，受热面利用率高。所以热水锅炉可以节约钢材。与相同容量的蒸汽锅炉相比，金属耗量可以减少30%左右。
④由于传热良好，锅炉热效率较高，能节约燃料。
⑤运行操作方便。与蒸汽锅炉比较，因锅内充满水，通常不需要水位表，不必监视水位，一般不会出现缺水及烧干等事故，操作技术也比较简单。
（2）热水锅炉的分类 热水锅炉有以下三种分类方法：
①按照锅内工质温度高低不同来分，可以分为低温热水锅炉及高温热水锅炉。低温热水锅炉的供水温度一般≤95℃；高温热水锅炉的供水温度超过120℃，通常为130℃。
②按热水循环方式不同来分，可以分为自然循环热水锅炉和强制循环热水锅炉。
③按照锅炉结构不同来分，同蒸汽锅炉一样，也可以分为锅壳式锅炉、水管锅炉及水火管锅炉。
（3）自然循环和强制循环热水锅炉 同蒸汽锅炉相似，按热水锅炉中工质在受热面中的流动，也可以分为自然循环和强制循环两大类。
①自然循环热水锅炉带蒸汽容积利用锅筒定压的自然循环锅炉和带外部膨胀容积的自然循环锅炉有两种类型。
带蒸汽容积（利用锅筒定压）的自然循环锅炉通常是高温热水锅炉。它利用锅炉内的水在加热过程中产生的少量蒸汽，在锅炉上部形成蒸汽空间。此蒸汽空间一方面用于容纳系统水被加热而膨胀的水量，起膨胀箱的作用，另一方面对网络系统起稳压作用，防止网络系统的水发生汽化。
带外部膨胀容积的自然循环锅炉在运行中，要求有一个外部膨胀容积，如膨胀水箱来容纳由于受热而膨胀的水量并对网络起稳压作用。
②强制循环热水锅炉。靠水泵压头使水在锅炉中流动者，属于强制循环热水锅炉。它的受热面布置方式有顺流式、逆流式及混流式三种。其中混流式兼有顺、逆流布置的优点而避免了其缺点，既使受热面利用率高，传热效果较好，又防止了受热面低温腐蚀，是比较理想和常见的布置方式。
第二节 压力容器
一、压力容器的分类
从压力容器的使用特点和安全管理方面考虑，压力容器一般分为固定式和移动式两大类，压力容器的分类如图1-12所示。这两类容器由于使用方法不同，对它们的技术管理要求也不完全一样。我国和其他许多国家对这两类容器都分别制定了不同的管理规程和技术法规。
图1-12 压力容器的分类
现将几种常见的分类方法介绍于下：
1. 按压力等级不同分类
压力是压力容器最主要的一个工作参数。从安全角度考虑，容器的工作压力越大，发生爆炸事故时的危害也越大。因此，必须对其设计压力进行分级，以便对压力容器进行分级管理与监督。根据现行《压力容器安全技术监察规程》，按压力容器的设计压力（P）可划分为低压、中压、高压、超高压4个等级，具体的划分标准如下：
①低压（代号L）0.1MPa≤P＜1.6MPa。
②中压（代号M）1.6MPa≤P＜10MPa。
③高压（代号H）10MPa≤P＜100MPa。
④超高压（代号U）P≥100MPa。
压力容器的设计压力在以上4个压力等级范围内的分别称为低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器。
2. 按工艺用途不同分类
固定式压力容器虽然在各种工业领域中的具体用途非常繁杂，但根据其在生产工艺过程中所起的作用可以归纳为四大类，即反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。
（1）反应压力容器（代号R）主要是用来完成介质的物理、化学反应的压力容器。如反应器、发生器、反应釜、分解锅、分解塔、聚合釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球等。
（2）换热压力容器（代号E）主要是用来完成工质的热量变换的压力容器。如废热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器、硫化锅、消毒锅、增压釜、蒸煮器、染色器等。
（3）分离压力容器（代号S）主要用来完成介质的流体压力平衡缓冲和气体的净化分离等的压力容器。如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、蓄能器、洗涤器、重沸器、再沸器、吸收塔、铜洗塔、碱洗塔、干燥塔、分馏塔、油洗塔、蒸出塔、萃取塔、除氧器等。
（4）储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）主要用来储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。如各种形式的储罐、槽车（铁路槽车、公路槽车）等。
3. 按壁温不同分类
（1）常温压力容器 指温度在-20℃～200℃条件下工作的容器。
（2）低温压力容器 指工作时壁温在-20℃以下的压力容器。液化乙烯、液化天然气、液氮和液氢等的储存和运输用容器均属低温压力容器。
（3）高温压力容器 使用过程中容器壁处于高温下的压力容器。所谓高温，通常是指壁温超过容器材料的蠕变起始温度（对于一般钢材约为350℃）。火力发电厂的锅炉锅筒、煤转化反应器、某些核电站的反应堆压力容器（高温气冷堆和增殖反应堆）等，都是高温压力容器。
4. 按介质的危险程度不同分类
压力容器中的介质在压力容器发生事故时的危害程度，取决于介质的物理、化学特性，也就是容器所盛装的介质是否易燃、易爆或有毒性。《压力容器安全技术监察规程》中注明，压力容器中化学介质的毒性程度和易燃介质的划分，参照HG20660—2000《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。
介质的毒性程度则参照GBZ230—2010《职业性接触毒物危害程度分级》的规定，按其最高允许浓度的大小分为下列四级。
①极度危害（Ⅰ）级。最高允许质量分数＜0.1mg/m3
。
②高度危害（Ⅱ）级。最高允许质量分数0.1～1.0mg/m3
。
③中度危害（Ⅲ）级。最高允许质量分数1.0～10mg/m3
。
④轻度危害（Ⅳ）级。最高允许质量分数≥10mg/m3
。
压力容器中的介质为混合物质时，应以介质的组分，并按上述毒性程度划分原则，由设计单位的工艺设计部门或使用单位的生产技术部门提供介质毒性程度或是否属于易燃介质的依据，无法提供依据时，按毒性危害程度或爆炸危险程度最高的介质确定。
5. 按压力容器重要程度不同分类
《压力容器安全监察规程》中，将其适用范围的压力容器按安全的重要程度分为三类。
（1）第三类压力容器（代号为Ⅲ）
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易燃或毒性程度为中度危害介质，且设计压力P与容积V的乘积≥10MPa· m3
（PV≥10MPa·m3
）的中压储存容器。
④易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV≥0.5MPa·m3
的中压反应容器。
⑤毒性程度为极度和高度危害介质，且PV≥0.2MPa·m3
的低压容器。
⑥高压、中压管壳式余热锅炉，包括用途属于压力容器并主要按压力容器标准、规范进行设计和制造的直接受火焰加热的压力容器。
⑦中压搪瓷玻璃压力容器。
⑧使用按相应标准中抗拉强度规定值下限≥540MPa的、强度级别较高的材料制造的压力容器。
⑨移动式压力容器包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体罐）或汽车，如液化气体运输车（半挂）、低温液体运输车（半挂）、永久气体运输车（半挂）等，和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等。
⑩容积≥50m3
的球形储罐。
⑪容积＞5m3
的低温绝热压力容器。
（2）第二类压力容器（代号为Ⅱ）
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低压管壳或余热锅炉。
⑤低压搪瓷玻璃压力容器。
（3）第一类压力容器（代号为Ⅰ）除列入第三类、第二类的低压容器之外的所有低压容器。
二、压力容器的代号标记法
压力容器的代号标记与上述分类方法同等重要，在其注册编号的代号组成上缺一不可。压力容器注册编号的前三个代号分别是上述分类法的代号，举例如下。
第一个代号表示容器的类别，罗马数字Ⅰ表示第一类压力容器，Ⅱ表示第二类压力容器，Ⅲ表示第三类压力容器。第二个代号表示压力容器的压力等级，英文字母Ⅰ表示低压，M表示中压，H表示高压，U表示超高压。第三个代号表示压力容器的用途，英文字母R表示反应容器，E表示换热容器，S表示分离容器，C表示储存容器，B表示球形储罐，LA表示液化气体汽车罐车，LT表示液化气体铁路罐车。
三、压力容器的基本结构
常见压力容器结构形式有圆柱形、球形和圆锥形三种，压力容器的典型形式如图1-13所示。圆锥形压力容器受力状态不好，一般较少应用。有些圆锥形压力容器将收缩器、扩大器与圆筒壳体连在一起，构成组合压力容器，图1-14所示是组合压力容器中的分离器。
图1-13 压力容器的典型形式
（a）圆柱形（b）球形（c）圆锥形
图1-14 组合压力容器中的分离器
1. 圆柱形压力容器的结构特点
圆柱形压力容器由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管以及支座六大部分构成外壳。对于储存压力容器来说，外壳就是压力容器；而对于反应、换热、分离等压力容器，还需装入符合工艺要求的内件，才能够成为完整的压力容器。
2. 圆柱形压力容器的部件特点
（1）筒体 筒体是压力容器最主要的组成部分，由它构成储存物料或完成化学反应所需要的存在大部分压力的空间。当筒体直径较小，如＜500mm时，可用无缝钢管制作。当直径较大时，筒体一般用钢板卷制或压制（压成两个半圆）后焊接而成。由于该焊缝的方向与筒体的纵向（即轴向）一致，故称纵焊缝。当筒体较短时可做成完整的一节。当筒体的纵向尺寸大于钢板的宽度时可由几个筒节拼接而成。由于筒节与筒节或筒体与封头之间的连接焊缝呈环形，故称为环焊缝。所有的纵、环焊缝焊接接头，原则上均采用对接接头。
（2）封头 根据几何形状的不同，压力容器的封头可分为凸形封头、锥形封头和平盖封头三种，其中凸形封头应用最多。
①凸形封头包括椭圆形封头、碟形封头、无折边球面封头和半球形封头。凸形封头如图1-15所示。
图1-15 凸形封头
（a）椭圆形封头（b）碟形封头（c）无折边球面封头（d）半球形封头
椭圆形封头的纵剖面呈半椭圆形，是目前应用最普遍的封头形式。一般采用长短轴比值为2的标准。
碟形封头又称为带折边的球形封头。它由三部分组成：第一部分为内半径为Ri
的球面；第二部分为高度为h的圆形直边；第三部分为连接第一、二部分的过渡区（内半径为r）。该封头特点为深度较浅，易于压力加工。
无折边球面封头又称球缺封头。虽然它深度浅，容易制造，但球面与圆筒的连接处存在明显的外形突变，使其受力状况不良。这种封头在直径不大、压力较低、介质腐蚀性很小的场合可考虑采用。
②锥形封头如图1-16所示。分为无折边锥形封头、大端折边锥形封头和折边锥形封头三种。从应力角度上分析，锥形封头大端的应力最大，小端的应力最小。因此，其壁厚是按大端设计的。
图1-16 锥形封头
（a）无折边锥形封头（b）大端折边锥形封头（c）折边锥形封头
锥形封头由于其形状上的特点，有利于流体流速的改变和均匀分布，有利于物料的排出，而且对厚度较薄的锥形封头来说，制造比较容易，顶角不大时其强度也较好，较适用于某些受压不高的石油化工用压力容器。
③平盖封头的结构最为简单，制造也很方便，但在受压情况下平盖中产生的应力很大，因此，要求它不仅有足够的强度，还要有足够的刚度。平盖封头一般采用锻件，与筒体焊接或螺栓联接，多用于塔器底盖和小直径的高压及超高压容器。
（3）法兰 压力容器的法兰有装于接管上的接管法兰，还有装于筒体上的筒体法兰。法兰结构一般有两种形式，一种是用钢板制成的平焊法兰，与接管或筒体的连接为角焊缝，一般用于低压容器；另一种是用锻件制成的大径法兰，与筒体或接管的连接采用对接形式，这种法兰一般在中、高压容器上采用。两种法兰的焊接结构形式如图1-17所示。
图1-17 法兰焊接结构形式
（a）平焊法兰（b）对接法兰
（4）开孔和接管 由于工艺要求和检修时的需要，常在某些压力容器的封头上开设各种孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出接管，以及安装压力表、液位计、流量计、安全阀等的接管开孔。
压力容器的接管结构形式多种多样，但其结构形式主要有两种，一种是采用钢管直接作为接管，另一种是采用锻件加工而成接管。接管与压力容器本体的连接形式主要有三种形式，第一种是插入式全焊透结构形式，第二种是采用骑座式接管不开坡口的角焊缝焊接形式，第三种为骑座式接管开坡口的全焊透焊接形式。三种接管与筒体的焊接结构形式如图1-18所示。
图1-18 接管与筒体的焊接结构形式
（a）插入式结构（b）骑座式结构（c）骑座焊透式结构
（5）密封元件 置于筒体与封头或两法兰接触面之间，借助螺栓等联接件压紧，使压力容器内的液体或气体不致泄漏。
（6）支座 压力容器靠支座支撑并固定在基础上。随着圆筒形压力容器的安装位置不同，有立式压力容器支座和卧式压力容器支座两类。对卧式压力容器主要采用鞍式支座，对于薄壁长压力容器也可采用圈座。卧式压力容器典型支座如图1-19所示。
图1-19 卧式压力容器典型支座
（a）鞍形支座（b）圈形支座
四、气瓶的基本结构
作为可以移动的小型压力容器，几乎所有气瓶都是圆筒形的，而且为了便于操作大都做成直立或横卧的结构，气瓶的筒体同样由封头和筒节组成，封头可以是椭圆形或球形，也可以是内凹形，筒节可以是卷制圆筒，也可用整节无缝钢管制成。
气瓶的两端通常有护圈用以保护瓶口或搬动，下护圈可以使气瓶直立有如裙座的作用。
气瓶的结构如图1-20所示。一般有焊接气瓶、管制气瓶和冲压拉伸气瓶三种。
图1-20 气瓶的结构
（a）焊接气瓶（b）管制气瓶（c）冲压拉伸气瓶
（1）焊接气瓶 其结构和一般低压容器一样，也是由一个用薄钢板卷焊的圆柱形筒体和两端的封头组焊而成。因为带折边的凹形封底不便于加工，所以两端都采用凸形封头（半球形或椭圆形），再在底封头下面再焊接一个圆形的底座。气瓶顶封头的中心插焊一个厚壁短管作为接口管。接口管内孔有锥形内螺纹，装接瓶阀，外壁上有外螺纹，装设瓶帽。这种气瓶都用于储存低压液化气体。
（2）管制气瓶 它是用无缝钢管制成的无缝气瓶。两端的封头是将钢管加热后放在专用机床上，通过旋压或挤压的方式收口成形的凸形封头。底封头外面热套一个上圆下方的底座圈。顶封头在收口时旋压出一个凸出的颈柱，其外部用捻铆的方法装上一个带外螺纹的瓶颈圈。颈柱里面经扩孔后加工出内螺纹，成为接口管。
（3）冲压拉伸气瓶 它是用钢锭加热后先冲压出凹形底封头，然后经过拉伸制成敞口的瓶坯，再按照管制气瓶的方法制成顶封头和接口管等。凹形底封头约有2倍于瓶体的厚度，靠近瓶体时壁厚逐渐减薄，底封头与筒体连接处的内外表面都呈圆滑过渡。由于底封头是凹形的，所以不需底座圈。高压气瓶大多采用这种结构形式。
气瓶充装操作不当尤其是混装时，是造成气瓶事故的主要原因。因此，要求盛装不同的气体应按表1-7的规定采用不同的气瓶颜色标记，并应标注气体名称。气瓶的漆色及字样标志如图1-21所示。字样高度一般为80mm，采用仿宋体，色环宽度为40mm。
图1-21 气瓶的漆色及字样标志
1.整体漆色（包括瓶帽）2.所属单位名称3.色环4.气体名称5.制造钢印（涂清漆）6.检验钢印（涂清漆）
表1-7 气瓶颜色标记（GB7144—1999）
第三节 金属学及钢的热处理知识
一、金属的构造
金属是由原子构成的晶体组织。晶体内部结构中的原子（或离子）是按一定形式排列起来的，用来描绘原子排列规律的空间格子称为晶格。
金属组织是由无数个小晶体组成的，这些小晶体称为晶粒。结构分析表明，同一种金属及合金，各晶粒内部原子排列的晶体结构基本上是一样的。
每种金属在不同的温度下，具有不同的晶格类型，例如，当纯铁温度在912℃以下时，原子排列为体心立方晶格，如图1-22所示。体心立方晶格好像一个立方体，它的中心和每个角上各有一个原子。当将纯铁温度加热到912℃以上时，原子排列由体心立方晶格转变为面心立方晶格，如图1-23所示。若继续把温度升到1394℃以上，原子排列将由面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格，以后一直保持到熔化温度1535℃。铁的晶格转变称为纯铁的同素异晶转变。这一转变有着实际意义。可以利用钢铁内部组织结构同素异晶的变化规律，通过不同热处理工艺获得不同的组织和性能。同素异晶转变也是焊接热影响区不同区域组织变化的依据之一。
图1-22 体心立方晶格
图1-23 面心立方晶格
二、焊接熔池的结晶过程
液体金属随着温度的降低，原子之间的吸引力逐渐增大。当温度降低至凝固温度以下时，原子间的吸引力足以克服原子杂乱运动的力，原子就开始有规则地排列，这时液体金属开始结晶。
液体金属的结晶过程包括“形核”和“核长大”。焊接熔池的结晶过程如图1-24所示。在金属的结晶过程中，对焊接熔池来说，由于液体熔池中的热量主要是通过熔合线向母材方向散失，因此，接触熔合线处的一层液体金属降温最快并首先凝固结晶，如图1-24a所示。晶体不可能向着已凝固的金属扩展，而是向着与散热方向相反的方向长大，如图1-24b所示。同时，晶体向两侧方向的生长也很快受到相邻的正在生长的晶体的阻挡，因此晶体主要的生长方向是指向熔池中心，并形成柱状结晶，如图1-24c所示。当柱状晶体不断长大至互相接触时，在焊缝这一断面的结晶过程便结束如图1-24d所示。随着焊接热源的向前移动，熔池的形成及其结晶过程也不断向前推移。
图1-24 焊接熔池的结晶过程
（a）开始结晶（b）晶体长大（c）柱状结晶（d）结晶结束
柱状晶的界面上容易被尚未结晶的（稍晚才能结晶的）、由某些偏析物形成的易熔共晶体所填充，再加上其他条件的影响，就有可能沿着界面产生裂纹。这种裂纹在焊接中称为热裂纹。由于柱状晶的界面总是与结晶时的等温面相垂直，因此，焊缝金属上的热裂纹也总是与焊缝的鱼鳞波纹相垂直。焊缝金属的热裂纹如图1-25所示。热裂纹的其他特征主要是：有热裂纹的焊缝断口上有高温氧化的蓝色或蓝黑*彩；从焊缝表面上看，热裂纹呈不明显的锯齿形。一般在焊缝的收尾弧坑处更容易产生热裂纹。
图1-25 焊缝金属的热裂纹
三、合金的组织和铁碳相图
1. 合金的组织
两种或两种以上的金属或金属与非金属元素熔合或烧结在一起形成的具有金属性质的物质称为合金。例如，普通钢是铁和碳的合金，铍青铜是铜和铍的合金等。根据合金元素之间相互作用的特性，以及合金元素之间形成的晶体结构和显微组织的特点，可将合金的组织分为三类：
（1）固溶体 固溶体是指一种物质均匀地分布于另一种物质内而形成的固体合金。固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。某一元素晶格上的原子部分地被另一种元素的原子所取代的固溶体，称为置换固溶体；如果某一元素晶格上的原子没有减少，而另一种元素的原子挤到该元素晶格原子之间的间隙中去，这种固溶体称为间隙固溶体。固溶体的形成，使晶格发生了畸变，增加了金属抵抗塑性变形的能力，因此固溶体的硬度、强度比纯金属高。
（2）化合物 两种元素形成与两元素自身晶格类型及性质完全不同的晶体，称为化合物。金属与金属或金属与非金属形成的化合物，一般具有较高的硬度和脆性，并且有较高的熔点和比纯金属大的电阻。
（3）机械混合物 由两种或两种以上的晶体结构混合而成的晶体组织，称为机械混合物。机械混合物常常比单一固溶体合金有更高的强度、硬度，但塑性差。如珠光体是铁素体与渗碳体（Fe3
C）的机械混合物，它的硬度、强度高于铁素体，但其塑性低于铁素体。
2. 铁碳相图
钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量低于2%的铁碳合金为钢，含碳量超过2%的铁碳合金为铸铁。在工业上用的钢，含碳量很少超过1.4%，而其中用于制造焊接结构的钢，需要更低含碳量，否则，含碳量高，钢的塑性和韧性变差，致使钢的加工性能降低。特别是焊接性能（可焊性），随着结构钢含碳量的提高而变得较差。铁碳合金基本组织的名称和性能见表1-8。
表1-8 铁碳合金基本组织的名称和性能
表1-8中的五种组织结构并不同时出现在钢的组织结构中。它们各自出现的条件，除取决于钢中的含碳量外，还取决于钢本身所处的温度范围。为了全面了解不同含碳量的钢在不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用一图形来表示这种关系，这个图形称为铁碳相图，如图1-26所示。铁碳相图的纵坐标表示温度，横坐标表示铁碳合金中碳的质量分数，符号为w（C）。如在横坐标左端，含碳量w（C）为零，即为纯铁；在右端，含碳量w（C）为6.69%，全部为渗碳体。铁碳相图中各条线都是铁碳合金内部组织结构发生转变的界限，所以也称这些线为组织转变线。
图1-26 铁碳相图
①铁碳相图中的特性点及其含义见表1-9。
表1-9 铁碳相图中的特性点及其含义
②铁碳相图中的特性线及其含义见表1-10。
表1-10 铁碳相图中的特性线及其含义
显而易见，铁碳相图可表示出铁碳合金在不同的含碳量和不同的温度时所处的状态和所具有的组织结构。因此铁碳相图对于热加工具有重要的指导意义。尤其对于焊接，可以根据铁碳相图来分析焊缝和热影响区的组织变化，并合理地选择焊后热处理工艺等。
四、钢的热处理
将钢件加热到一定温度，在此温度下保温一定时间，然后以一定的冷却速度降到室温，这个过程称为热处理。这种金属加工工艺能使某一金属材料经不同的热处理以后获得不同的组织和性能。
根据加热、冷却方法的不同钢的热处理可分为退火、正火、淬火、回火等。
1. 退火
将钢加热到适当温度并保温一定时间，然后缓慢冷却（一般是随炉冷却）的热处理工艺称为退火。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等。
（1）完全退火 将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接*衡状态组织的热处理工艺称为完全退火。它可降低钢的硬度，细化晶粒，充分消除内应力。
完全退火主要用于中碳钢及低、中合金结构钢的锻件、铸件等。
（2）球化退火 为使钢中碳化物呈球状化而进行的退火称为球化退火。它不但可使材料硬度降低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时工件的变形和开裂倾向小。
球化退火适用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。
（3）去应力退火 为了去除由于塑性变形、焊接及铸造等原因造成的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。
热处理工艺是将钢加热到略低于Ac1
的温度（一般取600℃～650℃），经保温缓慢冷却即可。在去应力退火中，钢的组织不发生变化，只是消除内应力。
零件中存在内应力是十分有害的，如不及时消除，将使零件在加工及使用过程中发生变形，影响工件的精度。此外，内应力与外加载荷叠加在一起还会引起材料发生意外的断裂。因此，锻造、铸造、焊接以及切削加工后（精度要求高）的工件应采用去应力退火，以消除加工过程中产生的内应力。
2. 正火
将钢件加热到Ac3
或Accm
以上（40℃～60℃），保温一定时间，然后在空气中冷却下来的热处理工艺称为正火。正火的目的与退火目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火后工件的组织较细，它的强度、硬度比退火钢高。
正火主要用于普通结构零件，当力学性能要求不太高时可作为最终热处理。
3. 淬火
将钢件加热到Ac1
或Ac3
以上（30℃～50℃）温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却（达到或大于临界冷却速度），以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火的目的及应用如下：
（1）提高钢的硬度和耐磨性 各种刃具、模具、量具及滚动轴承等要求耐磨的零件，只有通过淬火才能获得高的硬度和耐磨性。
（2）提高钢的综合力学性能 淬火后通过不同温度的回火，可有效地提高钢的强度、韧性及疲劳强度等，使钢满足各种使用要求。
4. 回火
将淬火后的钢件重新加热至Ac1
以下的某一温度，保温一段时间，然后以一定的方式冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火分为三种：低温回火、中温回火、高温回火。
（1）低温回火 将工件加热至150℃～240℃然后空冷。目的：减少内应力和脆性，防止工件在使用中产生变形和开裂；提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，以满足各种工件的使用要求；获得要求的各种力学性能。低温回火适用于各类量具、刃具、模具等。
（2）中温回火 将工件加热至300℃～500℃，然后空冷。中温回火的目的与低温回火的目的基本相同。中温回火适用于各种弹簧、弹簧夹头及某些要求强度较高的零件。
（3）高温回火 将工件加热至＞500℃，然后空冷。目的：消除内应力及冷作硬化，稳定组织和尺寸，使工件在使用过程中不发生组织变化，从而保证工件的形状和尺寸精度；降低硬度、提高塑性和韧性。高温回火适用于齿轮、连杆、曲轴等受力情况复杂的结构零件。
五、关于锅炉、压力容器的热处理要求
1. 锅炉的热处理要求
（1）锅炉受压元件的焊后热处理要求 《蒸汽锅炉安全技术监察规程》[劳部发（1996）276号]指出，锅炉受压元件的焊后热处理应符合下列规定：
①低碳钢受压元件，其壁厚＞30mm的对接接头，或内燃锅炉的筒体或管、板的壁厚＞20mm的T形接头，必须进行焊后热处理。合金钢受压元件焊后需要进行热处理的厚度界限，按锅炉专业技术标准的规定。
②异种钢接头焊后需要进行消除应力热处理时，其温度应不超过焊接接头两侧任一钢种的下临界点Ac1
。
③对于焊后有产生延迟裂纹倾向的钢材，焊后应及时进行后热消氢处理或热处理。
④锅炉受压元件焊后热处理宜采用整体热处理。如果采用分段热处理，则加热的各段至少有1500mm的重叠部分，且伸出炉外部分应有绝热措施减小温度梯度。环缝局部热处理时，焊缝两侧的加热宽度应各不小于壁厚的3倍。
⑤工件与它的检查试件（产品试板）热处理时，其设备和规范应相同。
⑥焊后热处理过程中，应详细记录热处理规范的各项参数。
（2）注意事项 需要焊后热处理的受压元件，接管、管座、垫板和非受压元件等，与其连接的全部焊接工作，应在最终热处理之前完成。
已经热处理过的锅炉受压元件，如锅筒和集箱等，应避免直接在其上焊接非受压元件。如不能避免，在同时满足下列条件时，焊后可不再进行热处理。
①受压元件为碳素钢或碳锰钢材料。
②角焊缝的计算厚度≤10mm。
③应按经评定合格的焊接工艺施焊。
④应对角焊缝进行100%表面探伤。
锅炉受压元件热处理规范见表1-11。
表1-11 锅炉受压元件热处理规范
2. 压力容器的热处理要求
《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG R0004—2009）指出，钢制压力容器的焊后热处理应符合下列要求：
①高压容器、中压反应容器和储存容器、盛装混合液化石油气的卧式储罐、移动式压力容器应采用炉内整体热处理。其他压力容器应采用整体热处理。大型压力容器，可采用分段热处理，其重叠热处理部分的长度应≥1500mm，炉外部分应采用保温措施。