第7章 安全技術工程簡介(4 鍋爐與壓力容器安全)(2013)

1、第第7 7章章 安全技術工程簡介安全技術工程簡介 曲曲 方方 教授教授 博士博士 2012年9月 第第7 7章章 安全技術工程簡介安全技術工程簡介 安全技術工程是運用安全工程的原理和方法，從技術上防止勞動者在生 產(chǎn)過程中發(fā)生事故所采取的一系列措施。 安全技術是生產(chǎn)技術的一個組成部分，并且與之密切相關的安全技術貫 穿于生產(chǎn)的全過程，并且隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展而發(fā)展。 不同行業(yè)有不同的安全技術不同行業(yè)有不同的安全技術。 按產(chǎn)業(yè)性質區(qū)分，有煤礦安全技術、冶金安全技術、建筑安裝工程安全 技術等； 按生產(chǎn)機械、設備區(qū)分，有電氣安全技術、起重安全技術、機床安全技 術、鍋爐壓力容器安全技術等。 為使讀者對安全技

2、術工程有一大概的了解，本文摒棄上述傳統(tǒng)的區(qū)分方 式，僅向讀者介紹生產(chǎn)中主要的安全技術知識，即以按機械設備種類區(qū)分為 主，兼顧介紹一些易發(fā)生事故的重點行業(yè)，如建筑安裝、礦山、交通等。 參考教材：參考教材：安全科學與工程導論安全科學與工程導論周世寧主編。周世寧主編。 第第7 7章章 安全技術工程簡介安全技術工程簡介 本章學習目標及內容：本章學習目標及內容： u1.機械安全:化工機械與設備、機械安全工程環(huán)保技術與設備、噪聲與振動控制技術 u2.電氣安全:電氣安全工程 u3.起重設備安全:特種設備安全檢測與評定 u4.4.鍋爐壓力容器安全鍋爐壓力容器安全: :鍋爐壓力容器安全技術鍋爐壓力容器安全技術

3、u5.建筑安全:建筑施工安全技術 u6.防火防爆技術:火災與爆炸控制技術、消防工程與設計、工業(yè)通風與除塵、工業(yè)防 毒技術 u7.交通安全 u8.礦山安全 u9.焊接安全技術 u10.非煤礦山安全技術 u11.煤礦安全技術 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全( (自學）自學） 鍋爐與壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)、基本建設、交通運輸和日常生活中常用的設備。其內盛裝的 都是有壓力的氣體或飽和液體，有的還有高溫、易燃、易爆、毒性等特點，易發(fā)生事故，且發(fā)生 爆炸事故時具有極大的破壞力和危害性。 7.4.1 7.4.1 鍋爐和壓力容器事故鍋爐和壓力容器事故(1/2)(1/2) 根據(jù)國家有關法規(guī)規(guī)定

4、，按照設備損壞的程度，將事故分為3類。 （一）爆炸事故（一）爆炸事故 鍋爐或壓力容器在使用中或試壓時發(fā)生破裂，使壓力瞬時降至等于外界大氣壓力的事故。例 如，鍋爐的汽包、水包內貯存著幾噸，甚至幾十噸具有一定壓力的飽和水及飽和汽，蘊藏著巨大 的能量。如汽包、水包突然破裂，那么這些巨大的能量將在瞬間釋放完畢，這個能量的瞬間釋放 過程就是鍋爐爆炸。鍋爐爆炸會摧毀鄰近的設備、建筑物，造成人身傷亡，后果十分嚴重。 （二）重大事故（二）重大事故 鍋爐或壓力容器的受壓部件嚴重損壞、附件損壞或爐膛爆炸等，造成被迫停爐大修的事故屬 于重大事故。例如，鍋爐受壓元件燒塌、嚴重變形、爆管、爐膛爆炸引起爐墻倒塌、鋼架嚴重

5、變 形等。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.1 7.4.1 鍋爐和壓力容器事故鍋爐和壓力容器事故(2/2)(2/2) （三）一般事故（三）一般事故 損壞程度不嚴重，不需要停止運行進行修理的事故。 爆炸事故與重大事故中雖然都可能有某一受壓元件破裂，但兩者的重要區(qū) 別就是壓力是否在瞬間降至外界大氣壓力，若是則為爆炸事故，否則為重大事 故。例如，鍋爐爆管，汽水混合物沖出時的破壞力也很大，但這時鍋爐的表壓 力不會在瞬時降至零，鍋爐本體也不會飛出去，所以它屬于重大事故。 重大事故與一般事故主要區(qū)別在于，鍋爐受壓元件或其他主要部件是否損 壞？是否必須大修？ 例如，爐膛發(fā)生輕微

6、爆炸，并未造成破壞，也不必停爐大修，就可定為一 般事故。但是，因供氣停止而對別的生產(chǎn)環(huán)節(jié)或單位產(chǎn)生重大影響，這樣的事 故也可定為重大事故。例如，發(fā)電廠把并未引起本體損壞的缺水或滿水事故也 都列為重大事故。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.2 7.4.2 壓力容器的破壞形式及原因壓力容器的破壞形式及原因(1/4)(1/4) 壓力容器的破壞形式主要有5種，即塑性破壞、脆性破裂、疲勞破裂、腐蝕破裂和蠕變塑性破壞、脆性破裂、疲勞破裂、腐蝕破裂和蠕變 破壞破壞。 （一）塑性破壞（一）塑性破壞 塑性破壞是由于，在載荷的作用下，器壁產(chǎn)生的應力過大以至超過了材料的屈服極限或 強度

7、極限，因而產(chǎn)生較大的塑性變化，乃至發(fā)生破裂。 其主要特征是：容器有較大的塑性變形，破裂口呈撕裂狀，一般不產(chǎn)生碎塊或僅有少量 碎塊；裂口大小跟容器爆破時的膨脹能量關系密切、膨脹能量大，裂口也大，也可能將容器 撕裂成很多碎塊。塑性破壞的原因主要有： (l) 容器內介質充裝過量，溫度驟增，介質體積急劇膨脹，使容器內的壓力大幅度升高。 (2) 違反操作規(guī)程，操作失誤或容器的安全裝置不全或失靈，造成壓力失控而使壓力急劇 增大。 (3) 容器內混裝了能起化學反應且生成大量氣體或熱量的物質，使容器內的壓力、溫度驟 然上升。 (4) 容器維護不良致使壁厚減薄，降低了耐壓強度。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安

8、全鍋爐與壓力容器安全 7.4.2 7.4.2 壓力容器的破壞形式及原因壓力容器的破壞形式及原因(2/4)(2/4) （二）脆性破裂（二）脆性破裂 脆性破裂是容器在較低應力狀態(tài)下發(fā)生的與脆性材料的破裂現(xiàn)象相似的破裂。其特征是：破裂容器 沒有或只有很小的塑性變形，斷裂速度極高，在一瞬間發(fā)生，破壞前沒有什么征兆；容器破壞時，一般 都裂成碎塊，并常有碎塊飛出，斷口有晶粒狀光亮。 脆性破裂的原因主要是： (1) 溫度較低，引起材料韌性下降，材料變脆。 (2) 容器存有缺口或裂紋，容器受力時，容易出現(xiàn)局部高應力，使材料的韌性降低。 (3) 外力的沖擊或震動，也可促使脆性破裂的發(fā)生。 （三）疲勞破裂（三）疲

9、勞破裂 疲勞破裂是材料在反復載荷的作用下，出現(xiàn)“疲勞”而在比較低的應力狀態(tài)下，沒有經(jīng)過明顯的塑 性變形而突然發(fā)生的損壞。 疲勞破裂一般多發(fā)生在容器接口、接管、焊縫、幾何形狀變化等應力集中區(qū)；破壞時，無明顯的塑 性變形；破壞斷面存在麗個區(qū)域，一個是裂縫的形成和擴大區(qū)域，另一個是脆斷區(qū)域。疲勞破裂的原因 主要是容器的溫度或所受載荷波動頻繁使容器壁的應力變化頻繁和制造時存在裂紋性的缺陷。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.2 7.4.2 壓力容器的破壞形式及原因壓力容器的破壞形式及原因(3/4)(3/4) （四）腐蝕破裂（四）腐蝕破裂 腐蝕破裂是容器在有腐蝕性介質的作用下

10、，截面積減小或材料的機械性能降低，以致其 承受載荷的能力降低到不能滿足設計要求而產(chǎn)生的損壞。 腐蝕破裂可分為均勻腐蝕、局部腐蝕、晶間腐蝕和斷裂腐蝕四種。均勻腐蝕是指在材料 整個接觸面上都發(fā)生腐蝕，使其厚度逐漸減薄的一種腐蝕現(xiàn)象。 局部腐蝕是指材料表面區(qū)域性的腐蝕，包括深坑腐蝕、片狀腐蝕和密集斑點腐蝕等。晶 間腐蝕通常不引起材料外表的變化，而是沿著材料的晶粒邊界進行，晶間的連接被破壞，破 壞了材料的物理性能，使其機械性能大大降低，在很低的應力狀態(tài)下也會發(fā)生破碎：晶間腐 蝕最危險，但也較少見。斷裂腐蝕是材料在應力和腐蝕介質的共同作用下產(chǎn)生的，根據(jù)應力 的破壞機理不同又可分為應力腐蝕和疲勞腐蝕兩種。

11、 應力腐蝕是金屬在腐蝕和拉伸應力的共同作用下產(chǎn)生的疲勞腐蝕則是金屬在腐蝕和交 變的拉伸應力共同作用下發(fā)生的。 腐蝕破裂的原因主要包括：(l) 設計不好，制造質量差。(2) 材料有缺陷或防腐層破壞。 (3) 工藝或操作有異常。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.2 7.4.2 壓力容器的破壞形式及原因壓力容器的破壞形式及原因(4/4)(4/4) （五）蠕變破壞（五）蠕變破壞 蠕變破壞是由長期在高溫條件下工作的材料，由低 于其使用溫度下的強度極限的應力作用發(fā)生蠕變而導致 材料斷裂的一種破壞形式。 其特點是容器長期受高溫作用，破壞時的應力低于 材料在使用溫度下的強度極限；

12、有明顯的塑性變形，破 口斷面一般是塑性的，材料金相分析有熱影響的變化。 蠕變破壞的原因主要是：超溫、選材不當、操作不 善、修理、檢查不及時等。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.3 7.4.3 壓力容器破壞事故壓力容器破壞事故 壓力容器雖然不像一般轉動機械那樣容易磨損，也不像高速發(fā)動機那樣承受著高頻率反復載 荷，容易導致疲勞破壞，但是它的破壞率還是相當高的。 根據(jù)英國原子能局及聯(lián)合部的調查，在使用的10 000臺壓力容器中，每年發(fā)生事故達13.3次， 其中重大事故0.7次。壓力容器事故較多的因素是多方面的。就技術角度來講，其原因主要是： (1) 壓力容器的結構雖然比

13、較簡單，但其部件的受力情況還是比較復雜，特別在開孔之處，更是 結構強度上的薄弱點。 (2)壓力容器的使用條件比較苛刻，它不但承受壓力，而且有些還在高溫或深冷的條件下運行。 (3)現(xiàn)代的壓力容器大都是焊接結構，焊縫中留下的微小缺陷，在使用中遇到合適的條件（如使 用溫度等）就會迅速擴展而突然發(fā)生破壞。 (4)與其他設備比較起來，壓力容器比較容易發(fā)生超載，從而導致迅速破壞。 壓力容器之所以作為特殊設備，除了因為它比較容易發(fā)生事故以外，更重要的還在于破壞壓力容器之所以作為特殊設備，除了因為它比較容易發(fā)生事故以外，更重要的還在于破壞 性非常嚴重。性非常嚴重。一個容積為IOm3、壓力為10大氣壓（1大氣壓

14、=101 325 Pa）的空氣貯罐，如果發(fā)生 爆炸，它所產(chǎn)生的沖擊波可以毀損距離在30 m以外的門窗玻璃。不但如此，在石油、化學工業(yè)的 壓力容器中，工作介質有很多是可燃或有毒的氣體，這些容器一旦爆裂，內部介質向外擴散，就 會引起化學爆炸、著火燃燒和惡性中毒等一連串的嚴重事故。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.4 7.4.4 壓力容器安全技術壓力容器安全技術 （一）壓力容器的分類（一）壓力容器的分類（1/2)1/2) 壓力容器有多種分類方式，這里僅介紹按其安全的重要程度進行分類。根據(jù) 安全的重要程度（安全的重要程度是由其壓力高低、介質的危害程度以及在生產(chǎn)中 的重要作

15、用來決定的），將壓力容器劃分為3類，即第一類容器、第二類容器和第第一類容器、第二類容器和第 三類容器三類容器，其中的第三類容器最為重要，要求也最為嚴格。其具體劃分如下： (1) 低壓容器（另行規(guī)定的除外）為第一類壓力容器。 (2) 有下列情況之一者，為第二類壓力容器： 中壓容器（規(guī)定為第三類的除外）； 易燃介質或毒性程度為中度危害介質的低壓反應容器和儲存容器； 毒性程度為極度和高度危害介質的低壓容器； 低壓管殼式余熱鍋爐； 玻璃壓力容器。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.4 7.4.4 壓力容器安全技術壓力容器安全技術 （一）壓力容器的分類（一）壓力容器的分類（2

16、/22/2） (3) 有下列情況之一者，為第三類壓力容器： 毒性程度為極度和高度危害介質的中壓容器或設計壓力與容積的乘積大于等于0.2 MPam3的低壓容器； 易燃或毒性程度為中度危害介質的中壓容器或設計壓力與容積的乘積大于等于0.5 MPam3的中壓反應容器或設計壓力與容積的乘積大于等于10 MPam3的中壓儲存容器； 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐； 高壓容器。 根據(jù)壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的注明，易燃介質是指與空氣混合的爆炸下限小于10%， 或爆炸上、下限之差值大于等于20的氣體。介質的毒性程度則參照GB5044-85職業(yè)性接觸毒物危 害程度分級的規(guī)定，按其最高容許濃度的大小分為下列四級：最高

17、容許濃度小于0.1 mg/m3，為極 度危害（I級）；容許濃度小于0.11.0 mg/m3，為高度危害（級）；容許濃度小于1.0 I0mg/m3，為中度危害（級）；容許濃度大于I0 mg/m3的為輕度危害（級）。 又根據(jù)鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例及其實施細則的規(guī)定除液化石油氣氣瓶劃 入第二類壓力容器外，其他氣瓶（包括有縫和無縫的）均劃入第三類壓力容器：液化氣體槽車、 超高壓容器、特種材料容器、特殊用途容器也屬第三類壓力容器. 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.4 7.4.4 壓力容器安全技術壓力容器安全技術 （二）壓力容器安全裝置（二）壓力容器安全裝置 壓力容器的

18、安全裝置系指為了使壓力容器能夠安全運行，而裝設在設備上：一種附屬機構， 又稱為安全附件。按其使用性能或用途可分為四大類型，即，泄壓裝置、計量裝置、連鎖裝置和 報警裝置。 1.1.泄壓裝置泄壓裝置 泄壓裝置是在容器超壓時能自動泄放壓力，以保證容器在低于最高許用壓力下運行、而防止 出現(xiàn)因超壓而引起的各種事故的一種安全裝置。它是壓力容器最常用，也是最關鍵；安全裝置。 按其工作原理和結構形式可以分為閥型、斷裂型、熔化型和組合型等幾種。主要包括安全閥、爆 破片、爆破帽、易熔塞及安全閥與爆破片（或易熔塞）的組合結構。 2 2計量裝置計量裝置 計量裝置是指，能自動顯示容器運行中與安全有關的工藝參數(shù)的器具。如

19、壓力表、溫度計等。 3 3連鎖裝置連鎖裝置 連鎖裝置是指，為了防止操作失誤而設置的控制機構。如連鎖開關、聯(lián)動閥等。 4.4.警報裝置警報裝置 警報裝置是指，容器在運行過程中出現(xiàn)不安全因素，致使容器處于危險狀態(tài)時，能自動以音 響或其他明顯報警訊號進行報警的儀器。如，壓力報警器、溫度監(jiān)測儀等。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.5 7.4.5 鍋爐常見事故及其原因鍋爐常見事故及其原因 鍋爐事故按設備損壞程度分為爆炸事故、重大事故和一般事故。 重大事故包括缺水事故、滿水事故、爐管爆破、爐膛爆炸、氣水共騰、水擊事故、省煤器破 壞、過熱器破壞、尾部煙道二次燃燒等事故。 一般事

20、故是指，在運行中可以排除或經(jīng)過短暫停爐可以排除的事故，其影響和損失較小。其 中爆炸事故的危險性最大，缺水事故的發(fā)生率最高。造成鍋爐事故的原因，往往是多方面的、復 雜的，主要有以下一些。 （一）設計，制造與安裝方面（一）設計，制造與安裝方面 (l) 結構不合理，如鋼板太薄，連接形式不合理，水管布置不合理，下降管與上升管截面積 比例不合適，頂部水冷壁管與水平線的夾角太小，無手孔或人孔，運行時難于清洗而結垢某些 部分不能自由膨脹以致產(chǎn)生裂紋等。 (2) 金屬材料不符合質量要求，強度不夠，內部有交渣、夾層等。 (3) 制造工藝不良，如受壓部件加工超差以致壁厚減薄，焊接工藝有問題引起了裂紋等。 (4)

21、安裝不合理，如最低安全水位低于最高火界，排污位置不當，應絕熱處未絕熱，不能自 由膨脹或受力不均勻等。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.5 7.4.5 鍋爐常見事故及其原因鍋爐常見事故及其原因 （二）缺乏安全附件或附件失靈（二）缺乏安全附件或附件失靈 (l) 缺乏安全閥，安全閥結構不合理，安裝和調整不符合要求等。 (2) 缺乏水位表，水位表的設計、安裝和使用不良，如連通管堵塞等。 (3) 缺乏壓力表，壓力表不準或失靈等。 (4) 給水設備或給水逆止閥損壞。 (5) 排污閥泄漏。 （三）運行管理不善（三）運行管理不善（1/2)1/2) (1) 水位過低或過高，過低易使

22、水循環(huán)不良，過高易使過熱器爆管。 (2) 水質管理不良，結垢太厚，因給水中含有油類物質而使金屬過熱，爐水的pH值過低、又未除 氧而使腐蝕嚴重，爐水屬侵蝕性而又有泄漏的地方，以致鍋爐產(chǎn)生苛性脆化裂紋。 (3) 水循環(huán)被破壞，如水管鍋爐若降壓速度太快（15 min內降5個大氣壓以上），可使水循環(huán)遭 受破壞。 (4) 超溫運行，例如，一臺過熱蒸汽溫度為450的鍋爐，在480下運行30 min，便會發(fā)生過熱 器爆管事故。 (5) 超壓運行，用重物將杠桿式安全閥壓住，水壓試驗后未把安全閥堵板拆除，安全閥銹死失靈 等，都會造成鍋爐超壓運行。有的鍋爐曾因此發(fā)生爆炸事故。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋

23、爐與壓力容器安全 7.4.5 7.4.5 鍋爐常見事故及其原因鍋爐常見事故及其原因 （三）運行管理不善（三）運行管理不善(2/2)(2/2) (6) 司爐擅離工作崗位，或讓無獨立操作能力的人看管鍋爐，或因司爐做其 他工作而未認真監(jiān)視儀表等。 (7) 誤操作，司爐經(jīng)驗不足，因判斷錯誤而進行錯誤操作。例如，誤把主汽 門關閉，當看不見水位時強行上水，誤把缺水當成滿水而大量排水，忘關排污 閥，當燃油鍋爐點火不著時，未進行通風就再次點火而造成爐膛爆炸等。 (8) 缺乏定期檢修制度，不能及時發(fā)現(xiàn)鍋爐在長期運行中所形成的缺陷，最 終造成事故。 (9) 檢修方法錯誤，如焊縫滲漏，在可能發(fā)生苛性脆化的情況下進行

24、焊補， 錯誤地把鉚縫用電焊焊住。 鍋爐事故的原因往往不是單方面，而可能是兩三種原因共同造成的。其中主 要的原因是管理不善，安全附件不良和強度不夠。 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.6 7.4.6 鍋爐安全技術鍋爐安全技術 鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中重要的動力設備和熱力設備，使用極為廣 泛。鍋爐要承受高溫、高壓，接觸腐蝕性介質，故易發(fā)生事故，其爆炸事故往 往會造成災難性的后果。 （一）鍋爐的分類（一）鍋爐的分類 鍋爐的種類繁多，分類方法也多種多樣。 (l) 按鍋爐的結構來分，可分為火管式、水管式和混合式3種。 (2) 按裝配形式來分，可分為快裝式、組裝式和散裝式3種

25、。 (3) 按蒸發(fā)量劃分，可分為大型鍋爐（100 t/h以上）、中型鍋爐(20 100t/h)和小型鍋爐（20 t/h以下）。 (4) 按出口介質可分為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐。 (5) 按蒸汽壓力來分，可分為高壓鍋爐(9.8 MPa)、中壓鍋爐(2.49.8 MPa) 和低壓鍋爐(1.57 MPa) 7.4 7.4 鍋爐與壓力容器安全鍋爐與壓力容器安全 7.4.6 7.4.6 鍋爐安全技術鍋爐安全技術 （二）鍋爐安全附件（二）鍋爐安全附件 鍋爐的安全附件是以顯示其工作參數(shù)和發(fā)出報警信號等方式來控制鍋爐機組 工作和保證鍋爐機組安全運行的設施。主要包括：安全閥、壓力表、水位表和 水位警報器及排污裝置。 1 1安全閥安全閥 安全閥是用來將鍋爐內的壓力限制在許用壓力以內的安全裝置。超壓時，它 能自動開啟，排氣泄壓，同時發(fā)生嗚叫聲報警；降壓到許用范圍后，其又能自 行關閉，以維持運行的連續(xù)性。安全閥有杠桿式、彈簧式、脈沖式等。 2 2壓力表壓力表 壓力表是測量和顯示鍋爐汽水系統(tǒng)壓力大?。词軌涸嶋H承受的壓力） 的儀表，使操作人員隨時掌握鍋爐的受壓情況。 彈簧式壓力表結構簡單、準確可靠、測量范圍大、使用方便，在鍋爐上得到 了普遍應用。 7.4 7.4