化工安全工程壓力容器安全

1、第五章,壓力容器安全,第一節(jié),壓力容器的安全問題,第二節(jié),壓力容器的安全設(shè)計,第三節(jié),壓力容器的破壞形式和原因,第四節(jié),壓力容器的制造安全技術(shù)（自學(xué)）,第五節(jié),安全泄壓裝置及相關(guān)計算,第六節(jié),壓力容器的爆炸危害,一、壓力容器的特點(diǎn)和安全問題,壓力容器,:,是指最高工作壓力0.1,MPa(,不含液體靜壓,),、內(nèi)直徑,0.15,m,、容積0.025,m,3,，且盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫,度高于或等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體的金屬設(shè)備。,從安全使用管理角度而言，也是一類具有潛在爆炸危險的特種設(shè)備。,對其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和密封性均有要求。,壓力容器的特點(diǎn)：,應(yīng)用廣泛,操作條件復(fù)雜,對安全要求高,

2、壓力容器的安全問題：,量大面廣,事故率高,危害性大,第一節(jié),壓力容器的安全問題,壓力容器的特點(diǎn),?,鍋爐、換熱器、加熱爐,=,圓筒外殼,+,傳熱管束,?,塔器,=,圓筒外殼,+,傳質(zhì)元件（浮閥、填料等）,?,反應(yīng)釜,=,圓筒夾套,+,攪拌器,?,壓縮機(jī)、真空泵,=,圓筒氣缸,+,活塞,?,泵,=,蝸殼,+,葉輪,?,?,應(yīng)用的廣泛性,壓力容器的特點(diǎn),?,壓力容器不僅被廣泛用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥、冶,金、機(jī)械、采礦、電力、航天航空、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn),部門，其中尤以石油化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍，石油化工企,業(yè)中的塔、釜、槽、罐無一不是貯器或作為設(shè)備的外殼，,而且絕大多數(shù)是在壓力溫度下運(yùn)行，,?,如

3、一個年產(chǎn),30,萬噸的乙烯裝置，約有,793,臺設(shè)備，其,中壓力容器,281,臺，占了,35.4%,。,?,蒸汽鍋爐也屬于壓力容器，但它是用直接火焰加熱的,特種受壓容器，至于民用或工廠用的液化石油氣瓶，更是,到處可見。,?,?,應(yīng)用的廣泛性,壓力容器的特點(diǎn),壓力容器的操作條件十分復(fù)雜。壓力從,1,2,10,5,Pa,的真空到高壓、超高壓，如石油加氫為,10.5,21.0,MPa,；,高壓聚乙烯為,100,200,MPa,；合成氨為,10,100,MPa,；人,造水晶高達(dá),140,MPa,；溫度從,-200,o,C,低溫到超過一千攝氏,度的高溫；而處理介質(zhì)則包括爆、燃、毒、輻,(,照,),、腐,

4、(,蝕,),、磨,(,損,),等數(shù)千個品種。,操作條件的復(fù)雜性使壓力容器從設(shè)計、制造、安裝到,使用、維護(hù)都不同于一般機(jī)械設(shè)備，而成為一類特殊設(shè)備。,?,?,操作的復(fù)雜性,壓力容器的特點(diǎn),壓力容器因其承受各種靜、動載荷或交變載荷，還有附,加的機(jī)械或溫度載荷；,大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和液體，若容器破裂，導(dǎo),致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來的破壞能量極大,壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容易產(chǎn)生各種焊接缺陷，,一旦檢驗、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂，器內(nèi)易爆、易燃、,有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢必造成極具災(zāi)難性的后果。,因,此,，,對,壓,力,容,器,要,求,很,高,的,安,全,可,靠,性,。,?,?,安全

5、的高要求,壓力容器的特點(diǎn),當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展,如核電站一個,1500MW,壓水堆壓力殼，工作壓力為,14,16MPa,，工作溫度為,250,330,o,C,，容器內(nèi)直徑,7800mm,，壁,厚,317,mm,，重,650,噸,如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為,17.5,25MPa,，工作溫度為,450,550,o,C,，內(nèi)直徑為,3000,5000mm,，,壁厚為,200,400,mm,，重,400,2600,噸,對這類容器的工藝要求和運(yùn)行可靠性要求更高，顯然,比,一,般,壓,力,容,器,又,有,更,高,更,嚴(yán),格,的,安,全,性,要,求,。,?,?,安全的高要求,壓力容器

6、的安全特征,1996,年,12,月的統(tǒng)計資料表明，國內(nèi)在用固定式壓力容,器多達(dá),122.22,萬臺,，移動式壓力容器中罐車,16910,輛，在,用氣瓶,5498.7571,萬只；鍋爐總臺數(shù)也高達(dá),51.57,萬臺,全國持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計,2432,個，設(shè),計單位,1380,個。,如此龐大且潛在隱患容器的存在，以及地域廣泛的制,造設(shè)計部門，自然成為國內(nèi)外政府部門特別重視其安全管,理和監(jiān)察檢查的原因。,?,?,量大面廣,壓力容器的安全特征,國內(nèi),1998,年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故,132,起，嚴(yán)重事故,274,起，共死亡,104,人，受傷,371,人，直接經(jīng)濟(jì),損失,28

7、13.58,萬元。,鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆炸事故率分別為,1.07,次,/,萬,臺，,0.28,次,/,萬臺，,0.65,次,/,萬臺。,?,?,事故率高,壓力容器的安全特征,1968,年英國原子能局（,UKAEA,）安全衛(wèi)生處和聯(lián)合部,技術(shù)委員會（,AOTC,）工程檢驗機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在,30,年以,內(nèi)，一級壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計情況如下表所示：,?,危害性大,壓力容器破壞幾率,年份,容器運(yùn)行,災(zāi)難性事故,a,損傷事故,b,總計,臺,年,次數(shù),事故率,次數(shù),事故率,次數(shù),事故,1962-1967 100300 7 0.7,10,4,125 1.25,10,3,132 1.32,10,3

8、,1967-1972 105400 16 1.5,10,4,123 1.17,10,3,139 1.32,10,3,壓力容器的安全特征,a.,災(zāi)難性事故指災(zāi)難性破壞事故或無法修復(fù)的容器；,b.,損傷事故指有潛在危險的事故；,c.,事故發(fā)生率發(fā)生事故數(shù),/,（設(shè)備臺數(shù)運(yùn)行年）,表中的數(shù)字表明,10000,臺容器中發(fā)生損壞事故每年,12.5,次，達(dá)到破壞事故,0.7,次，事故幾率為,1.32,，而且,這,132,起使用中的容器事故，按其原因分類，,89.3%,，即,118,起是各種制造裂紋所引起。,?,?,危害性大,(,一,),按壓力等級劃分,按壓力容器設(shè)計壓力,(P),分為低壓、中壓、高壓、超高

9、壓四個壓,力等級。,(1),低壓,(,代號L) 0.1MPaP1.6MPa；,(2),中壓,(,代號M) 1.6MPaP10MPa；,(3),高壓,(,代號H) 10MPaP100MPa；,(4),超高壓,(,代號U) P100MPa。,(,二,),按壓力容器品種劃分,按壓力容器在生產(chǎn)工藝過程中的作用原理，分為反應(yīng)壓力容器、,分離壓力容器、換熱壓力容器、儲存壓力容器。（,P133,）,二、壓力容器的分類（多種分類方式）,(,三,),為便于管理，將壓力容器按其壓力等級、介質(zhì)及所起的作用等分為三類,l.,第一類壓力容器,2.,第二類壓力容器,3.,第三類壓力容器,符合下列情況之一的為第三類壓力容器

10、：,(1),毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的中壓容器和P.V0.2MPa,m,3,低壓容器；,(2),易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)且P.V0.2MPa,m3,中壓反應(yīng)容器和,P.V10MPa,m3,的中壓儲存容器；,(3),高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；,(4),高壓容器。,例如，氨合成塔的設(shè)計壓力為,32MPa,，介質(zhì)為氫氣、氮?dú)饧鞍保摵铣伤儆?三類高壓反應(yīng)容器。,氯氣分配器的設(shè)計壓力,0.6MPa(,低壓,),，介質(zhì)為氯氣,(,極毒,),，該容器屬于三類低,壓分離壓力容器。,（四）壓力容器安全狀況等級劃分,壓力容器的安全狀況分為五級，分級的原則如下所述。,l,級：出廠資料齊全，設(shè)計、制造質(zhì)量

11、符合有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)；在符合設(shè)計的條,件下，在規(guī)定的檢驗周期內(nèi)能安全使用的壓力容器。,2,級：存在某些不危及安全且難以糾正的缺陷的新壓力容器；存在某些不危及,安全可不修復(fù)的一般性缺陷的在用壓力容器。,3,級：資料不夠齊全，制造時存在某些不符合有關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)的問題或缺陷，,但未因使用而發(fā)展或擴(kuò)大；焊縫存在的缺陷經(jīng)檢驗確定不需要修復(fù)，能在規(guī)定的,操作條件下及檢驗周期內(nèi)安全使用的壓力容器。,4,級：技術(shù)資料不全，主體材質(zhì)不符合規(guī)定，強(qiáng)度經(jīng)核算能滿足使用要求；主,體結(jié)構(gòu)有較嚴(yán)重的缺陷但未因使用而發(fā)展或擴(kuò)大；焊接質(zhì)量有線性缺陷，不能在,規(guī)定的條件下和檢驗周期內(nèi)安全使用的壓力容器。,5,級：缺陷嚴(yán)重，難于或

12、無法修復(fù)、無修復(fù)價值或修復(fù)后仍難以確保安全使用,的壓力容器。必須報廢。,第二節(jié),壓力容器的安全設(shè)計,一、壓力容器的基本結(jié)構(gòu),主要工藝參數(shù)：壓力、溫度、直徑,兩個基本參數(shù)：,公稱直徑,DN,：指標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以,DN,表示，單位,mm,。,例如內(nèi)徑,1200mm,的容器的公稱直徑標(biāo)記為,DN1200,。,公稱壓力,PN,：容器及管道的操作壓力經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)壓力稱為,公稱壓力，以,PN,表示，單位,MPa,。,二、壓力容器的安全設(shè)計,1.,強(qiáng)度安全設(shè)計：,是指在確定的容器結(jié)構(gòu)尺寸下，所選材料在容器,壽命期內(nèi)有足夠抵抗各種外來載荷和經(jīng)受周圍環(huán)境條件破壞的能力。,壓力容器用鋼的選擇,壓力容

13、器中的應(yīng)力計算,2.,結(jié)構(gòu)安全設(shè)計：,設(shè)計容器的總體或局部結(jié)構(gòu)時，盡量避免制造和,使用中附加的消弱容器強(qiáng)度的因素。,P147,結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的四方面考慮,3.,壓力容器設(shè)計舉例,設(shè)計一液氨貯罐。工藝尺寸：貯罐內(nèi)徑,D,i,=2600mm,，貯罐,(,不包括封頭,),長度,L,4800mm,。,解：,1.,罐體壁厚設(shè)計,根據(jù)材料性質(zhì)及價格等因素，本貯罐,選用,16MnR,制作罐體和封頭。,設(shè)計壁厚,d,d,根據(jù)下式計算：,?,?,2,2,C,p,pD,t,i,d,?,?,?,?,?,d,設(shè)計壓力,:,夏季最高溫度可達(dá)40，氨飽和蒸氣,壓,1.555MPa,（絕壓,),故設(shè)計壓力,p=1.1x1.4

14、55=1.6MPa (,表壓,),；,D,i,=2600mm,；,?,t,170MPa,；,?,1.O(,雙面對接焊,100,探傷）,C,2,=1mm,（腐蝕余量）,?,?,2,2,C,p,pD,t,i,d,?,?,?,?,?,d,取,C,l,0.8mm,（鋼板負(fù)偏差），圓整取,d,n,16mm,厚的,16MnR,鋼板制作罐體。,3,.,13,0,.,1,6,.,1,0,.,1,170,2,2600,6,.,1,?,?,?,?,?,?,?,d,d,2,封頭壁厚設(shè)計,采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。,橢圓形封頭壁厚,d,d,計算式：,其中，,?,1.0,考慮鋼板厚度負(fù)偏差及沖壓減薄量，圓整后取,d,n,16

15、mm,厚,16MnR,鋼板制作,?,?,mm,C,p,pD,t,i,d,2,.,13,6,.,1,5,.,0,0,.,1,170,2,2600,6,.,1,5,.,0,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,d,校核罐體與封頭水壓試驗強(qiáng)度,?,s,=345 MPa,水壓試驗滿足強(qiáng)度要求。,?,?,d,d,?,s,e,e,i,T,T,D,p,9,.,0,2,),(,?,?,?,MPa,p,p,T,0,.,2,6,.,1,25,.,1,25,.,1,?,?,?,?,mm,C,n,e,2,.,14,8,.,1,16,?,?,?,?,?,d,d,MPa,s,e,T,5,.,310,34

16、5,0,.,1,9,.,0,9,.,0,2,.,14,2,),2,.,14,2600,(,0,.,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,鞍座,先粗略計算鞍座負(fù)荷。,貯罐總質(zhì)量：,m,=,m,1,+,m,2,+,m,3,+,m,4,式中,:,m,1,-,罐體質(zhì)量；,m,2,-,封頭質(zhì)量；,m,3,-,液氨質(zhì)量；,m,4,-,附件質(zhì)量。,（,1,）罐體質(zhì)量,m,1,筒節(jié),DN,=2600mm,，,d,n,=16mm,，,q,1,=1030Kg/m,m,1,=,q,1,L,=4944(Kg),（,2,）封頭質(zhì)量,m,2,橢圓形封頭,DN,=2600mm,，,d,n,=16mm,，,

17、h,=40mm,q,2,=1100Kg/,個,m,2,=2,q,2,=2200(Kg),（,3,）充水質(zhì)量,m,3,m,3,=,V,V,=,V,對,+,V,筒,=30.42m3,m,3,30420 Kg,（,4,）附件質(zhì)量,m,4,人孔約,200Kg,，其它接管總和按,300Kg,計，,m,4,=500Kg,設(shè)備總重量,m,=,m,1,+,m,2,+,m,3,+,m,4,=4950+2200+30420+500=38070=38.1 t,每個鞍座承約受,190KN,負(fù)荷，選用輕型帶墊,板，包角為,120,的鞍座。即,JB,T4712-92,鞍座,A2600,4.,人孔,常溫及最高工作壓力,1.

18、6MPa,，按公稱壓力,1.6MPa,的,等級選取。,人孔標(biāo)記：,HG21523-95,人孔RF （,A,G,）,450-1.6,RF,指突面密封,指接管與法蘭的材料為,20R,，,A,G,是指用普通石棉橡膠板墊片，,450-1.6,是指公稱直徑為,450mm,、公稱壓力為,1.6,MPa,。,5,人孔補(bǔ)強(qiáng)確定,人孔筒節(jié)內(nèi)徑,d,450mm,，,壁厚,d,n,10mm,。,補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑,D,1,=484mm,，外徑,D,2,=760mm,，,補(bǔ)強(qiáng)金屬面積應(yīng)大于等于開孔減少截面積，,補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度,?,?,?,?,mm,D,D,C,d,i,3,.,23,484,760,8,.,1,16,),8,.,

19、1,2,450,(,2,1,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,d,d,補(bǔ),故補(bǔ)強(qiáng)圈取,24mm,厚。,6,接口管,(1),液氨進(jìn)料管,(2),液氨出料管,(3),排污管,(4),液面計接管,(5),放空管接管,(6),安全閥接管,7,設(shè)備總裝配圖,附有,貯罐的總裝配圖,，,技術(shù)特性表,，,接,管表,，各零部件的名稱、規(guī)格、尺寸、,材料等見,明細(xì)表,。,本貯罐技術(shù)要求,1,本設(shè)備按,GBl50-1998,鋼制壓力容器進(jìn)行制造、,試驗和驗收,2,焊接材料，對接焊接接頭型式及尺寸可按,GB985-,80,中規(guī)定,(,設(shè)計焊接接頭系數(shù),?,1.0),3,焊接采用電弧焊，焊條型號為,E4303

20、,4,殼體焊縫應(yīng)進(jìn)行無損探傷檢查，探傷長度為,100,5,設(shè)備制造完畢后，以,2MPa,表壓進(jìn)行水壓試驗,6,管口方位按,接管表,技,術(shù),特,性,表,名,稱,指,標(biāo),設(shè)計壓力,1.6MPa,工作溫度,40,物料名稱,液氨,容積,30.52m,3,接,管,表,符號,連接法蘭標(biāo)準(zhǔn),密封面形式,用途,a1-2,HG20592 SO15-1.6 RF,突面,液面計接口管,b1-2,HG20592 SO15-1.6 RF,突面,液面計接口管,c,HG20592 SO450-1.6 RF,突面,人孔,d,HG20592 SO32-1.6 RF,突面,出料口,e,HG20592 SO50-1.6 RF,突面

21、,進(jìn)料口,f,HG20592 SO25-1.6 RF,突面,安全閥接口管,g,HG20592 SO25-1.6 RF,突面,放空口,h,HG20592 SO50-1.6 RF,突面,排污口,厚度的定義,計,算,厚,度,d,d,d,n,d,2,C,設(shè),計,厚,度,1,C,圓整值,名,義,厚,度,有,效,厚,度,e,d,2,1,C,C,C,?,?,毛,坯,厚,度,加工減薄量,第三節(jié),壓力容器的破壞形式和原因,一、韌性破裂,壓力容器的韌性破裂往往是,容器受到超過正常工作內(nèi)壓的作用,，在,其器壁上產(chǎn)生的總體薄膜,拉伸應(yīng)力使材料發(fā)生明顯的塑性變形,，如果,壓力繼續(xù)升高，一旦應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時，容器

22、就會發(fā)生破裂。,主要原因是容器超壓,。,破裂時,一般不產(chǎn)生碎塊，而是沿容器軸向撕開較長裂縫,。斷口無金,屬光澤、暗灰色纖維狀。,斷口形貌見,P148,，圖,12.,二、脆性破裂,容器不發(fā)生或未發(fā)生充分塑性變形下就破壞的破裂,類型稱為脆性破,裂。,主要原因，一是容器材料的問題（脆性）；二是容器制造或使用,中的問題。,斷裂時器壁內(nèi)的應(yīng)力較低，破壞的容器常斷裂成碎塊飛出。,斷口平,齊，呈金屬光澤的結(jié)晶狀。,斷口形貌見,P151,，圖,14.,三、疲勞破裂,壓力容器常在交變載荷下運(yùn)行，經(jīng)受長期作用后，容器的承壓部件,發(fā)生了破裂或泄露。,與脆性破裂一樣，,容器外觀上沒有明顯的塑性變,形，且是突發(fā)性的。,

23、主要原因，交變載荷的存在，,包括高應(yīng)力低循環(huán)疲勞和低應(yīng)力高循,環(huán)疲勞,。,疲勞破裂的發(fā)生常在局部應(yīng)力較高或存在材料缺陷處。,如遇使用強(qiáng)度較低且韌性較好的材料時，通常發(fā)生泄露；若壓力容,器的材料強(qiáng)度偏高且韌性較差時，則發(fā)生爆炸。,四、應(yīng)力腐蝕破裂,壓力容器材料在特定介質(zhì)環(huán)境中，并在拉應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時,間后發(fā)生開裂和破斷的現(xiàn)象。,因此，應(yīng)力腐蝕破裂是應(yīng)力與環(huán)境對材料綜合作用的結(jié)果。,主要原,因，化學(xué)腐蝕或電化學(xué)反應(yīng)等。,應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件：,特定腐蝕介質(zhì)與材料的組合,拉應(yīng)力的存在,材料純度和組織狀態(tài)的影響,五、蠕變破裂,在高溫下工作的壓力容器，當(dāng)操作溫度超過一定極限，材料在應(yīng)力,的作用下發(fā)生緩慢的塑性變形，這種塑性變形經(jīng)過長期的積累，最終,會導(dǎo)致材料破裂。,不同材料具有不同的蠕變溫度。低于此溫度不會發(fā)生蠕變。,容器超溫、局部過熱等是蠕變破類的常見