第六章壓力容器安全

1、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) 安全泄壓裝置及相關(guān)計算第五節(jié) 壓力容器的爆炸危害天然氣、液化器站專用容器設(shè)備換熱器外盤半管式反應(yīng)鍋外盤半管式反應(yīng)鍋三聚氰胺尿素洗滌塔外景高橋石化石蠟加氫裝置高橋石化1#催化裝置一、壓力容器的特點和安全問題一、壓力容器的特點和安全問題 壓力容器壓力容器: :是指最高工作壓力是指最高工作壓力0.1mpa(0.1mpa(不含液體靜壓不含液體靜壓) )、內(nèi)直徑、內(nèi)直徑0.15m0.15m、容積、容積0.025m0.025m3 3，盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作，盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于或等

2、于標準沸點的液體的金屬設(shè)備。溫度高于或等于標準沸點的液體的金屬設(shè)備。壓力容器的特點： 應(yīng)用廣泛 操作條件復(fù)雜 對安全要求高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)第一節(jié) 壓力容器的安全問題壓力容器的安全問題壓力容器的特點 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、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壓力容器廣泛用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥、冶金、機械、采礦、電力、航天航空、交通運輸?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。如一個年

3、產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置，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，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操作條件十分復(fù)雜。壓力從12105pa的真空到高壓、超高壓，如石油加氫為10.521.0 mpa；高壓聚乙烯為100200 mpa；合成氨為10100 mpa；人造水晶高達140mpa；溫度從-200c低溫到超過1000的高溫。 操作的復(fù)雜性壓力容器因其承受各種靜、動載荷或交變載荷，還有附加的機械或溫度載荷；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。此外，當前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展。 安全的高要求壓力容器的安全特

4、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)達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。1998年我國鍋爐、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。 量大面廣 事故率高壓力容器的安全特征英國安全機構(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： 危害性大壓力容器破壞幾率 容器運行 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 100300 7 0.7

5、104 125 1.25103 132 1.32103 105400 16 1.5104 123 1.17103 139 1.32103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。 危害性大壓力容器的事故實例國內(nèi)某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個，爆炸5個，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59

6、人死亡，779人嚴重中毒。國內(nèi)某液化氣站400m3儲罐爆炸，引發(fā)3個球罐和一個臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54人傷。( (一一) )按壓力等級劃分按壓力等級劃分 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。( (二二) )按壓力容器品種劃分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（r）、分離壓力容器（s）、換熱壓力容器（e

7、）、儲存壓力容器（c，其中球罐b）。（p133） 二、壓力容器的分類（多種分類方式）二、壓力容器的分類（多種分類方式）( (三三) )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：(1)毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的中壓容器和p.v0.2mpam3低壓容器；(2)易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)且p.v0.2mpam3中壓反應(yīng)容器和 p.v10mpam3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

8、的設(shè)計壓力為32mpa，介質(zhì)為氫氣、氮氣及氨，該合成塔屬于三類高壓反應(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（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)量符合有關(guān)法規(guī)和標準；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：存在某些缺陷（不危及安全）的新壓力容器；存在某些可不修復(fù)的一般性缺陷（不危及安全）的在用壓力容器。3級：資料不夠齊全，制造時存在某些問題或缺陷，但未因使用而發(fā)展或擴大；焊縫存在的缺陷經(jīng)檢驗確定不需要修復(fù)

9、，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，強度經(jīng)核算能滿足使用要求；主體結(jié)構(gòu)有較嚴重的缺陷但未因使用而發(fā)展或擴大；焊接質(zhì)量有線性缺陷，不能繼續(xù)使用的壓力容器。 5級：缺陷嚴重，難于或無法修復(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)第二節(jié) 壓力容器的安全設(shè)計壓力容器的安全設(shè)計一、壓力容器的基本結(jié)構(gòu)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)：兩個基本參數(shù)： 公稱直徑dn：指標準化以后的標準直徑，以dn表示，單位mm。 例如內(nèi)徑1200mm的容器的公稱直徑標記為dn1200。 公稱壓力pn：容器及管道

10、的操作壓力經(jīng)標準化以后的標準壓力稱為公稱壓力，以pn表示，單位mpa。二、壓力容器的安全設(shè)計二、壓力容器的安全設(shè)計1. 強度安全設(shè)計：強度安全設(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 壓力容器中的應(yīng)力計算2. 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計：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)徑設(shè)計一液氨貯罐。工藝尺寸：貯罐內(nèi)徑d di i=2600mm=2600mm，貯罐，貯罐( (

11、不不包括封頭包括封頭) )長度長度l l4800mm4800mm。 解：解：1.1.罐體壁厚設(shè)計罐體壁厚設(shè)計 根據(jù)材料性質(zhì)及價格等因素，本貯罐選用根據(jù)材料性質(zhì)及價格等因素，本貯罐選用16mnr16mnr制作罐體制作罐體和封頭。和封頭。 設(shè)計壁厚設(shè)計壁厚d d根據(jù)下式計算：根據(jù)下式計算： 22cppdtid 設(shè)計壓力設(shè)計壓力: :夏季最高溫度可達夏季最高溫度可達4040，氨飽和蒸氣壓，氨飽和蒸氣壓1.555mpa1.555mpa（絕壓（絕壓) ) 故設(shè)計壓力故設(shè)計壓力p=1.1x1.455=1.6mpa (p=1.1x1.455=1.6mpa (表壓表壓) )； d di i=2600mm=26

12、00mm； t t170mpa170mpa； 1.o(1.o(雙面對接焊雙面對接焊100100探傷）探傷） c c2 2=1mm =1mm （腐蝕余量）（腐蝕余量） 22cppdtid取取c cl l0.8mm0.8mm（鋼板負偏差），圓整?。ㄤ摪遑撈睿瑘A整取n n16mm16mm厚的厚的16mnr16mnr鋼板鋼板制作罐體。制作罐體。3 .130 . 16 . 10 . 1170226006 . 1d2 2封頭壁厚設(shè)計封頭壁厚設(shè)計 采用標準橢圓形封頭。 橢圓形封頭壁厚d計算式：其中，焊縫系數(shù)1.0 考慮鋼板厚度負偏差及沖壓減薄量，圓整后取dn16mm厚16mnr鋼板制作 mmcppdti

13、d2 .136 . 15 . 00 . 1170226006 . 15 . 022校核罐體與封頭水壓試驗強度校核罐體與封頭水壓試驗強度 s s=345 mpa=345 mpa水壓試驗滿足強度要求。 seeittdp9 . 02)(mpappt0 . 26 . 125. 125. 1mmcne2 .148 . 116mpaset5 .3103450 . 19 . 09 . 02 .142)2 .142600(0 . 23 3鞍座鞍座 先粗略計算鞍座負荷。先粗略計算鞍座負荷。 貯罐總質(zhì)量：貯罐總質(zhì)量：m m = =m m1 1+ +m m2 2+ +m m3 3+ +m m4 4 式中式中 : :

14、m m1 1- -罐體質(zhì)量；罐體質(zhì)量；m m2 2- -封頭質(zhì)量；封頭質(zhì)量；m m3 3- -液氨質(zhì)量；液氨質(zhì)量； m m4 4- -附件質(zhì)量。附件質(zhì)量。（1）罐體質(zhì)量m1 ,筒節(jié)dn=2600mm，dn=16mm，q1=1030kg/mm1=q1l=4944(kg) （2）封頭質(zhì)量m2 ,橢圓形封頭dn=2600mm，dn=16mm，h=40mm q2=1100kg/個m2=2q2=2200(kg) （3）充水質(zhì)量m3 m3=vv=v對+v筒=30.42m3, m330420 kg （4）附件質(zhì)量m4人孔約200kg，其它接管總和按300kg計，m4=500kg 設(shè)備總重量設(shè)備總重量mm=m

15、m1 1+ +mm2 2+ +mm3 3+ +mm4 4=4950+2200+30420+500=38070=38.1 t =4950+2200+30420+500=38070=38.1 t 每個鞍座承約受每個鞍座承約受190kn190kn負荷，選用輕型帶墊板，包角為負荷，選用輕型帶墊板，包角為120120的鞍座。即的鞍座。即 jbjbt4712-92t4712-92鞍座鞍座 a2600a26004. 人孔 常溫及最高工作壓力1.6mpa，按公稱壓力1.6mpa的等級選取。 人孔標記： hg21523-95 人孔rf （ag）450-1.6 rf指突面密封指接管與法蘭的材料為20r，ag是指用

16、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人孔補強確定人孔筒節(jié)內(nèi)徑d450mm，壁厚dn10mm。補強圈內(nèi)徑d1=484mm，外徑d2=760mm，補強金屬面積應(yīng)大于等于開孔減少截面積，補強圈的厚度mmddcdi3 .234847608 .116)8 .12450(212補故補強圈取24mm厚。6接口管 (1)液氨進料管(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 附有儲罐的總裝配圖，技術(shù)特性表，接管表，各附有儲罐的總裝配圖，技術(shù)特性表，接管表，各零部件的名稱、規(guī)格、尺寸、材料等見明細表。零部件的名稱、

17、規(guī)格、尺寸、材料等見明細表。 本貯罐技術(shù)要求1本設(shè)備按gbl50-1998鋼制壓力容器進行制造、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 4殼體焊縫應(yīng)進行無損探傷檢查，探傷長度為100 5設(shè)備制造完畢后，以2mpa表壓進行水壓試驗 6管口方位按接管表。技技 術(shù)術(shù) 特特 性性 表表名名 稱稱指指 標標設(shè)計壓力設(shè)計壓力1.6mpa工作溫度工作溫度40物料名稱物料名稱液氨液氨容積容積30.52m3 接接 管管 表表符號符號連接法蘭標準連接法蘭標準密封面形式密封面形式 用途用途a1-2hg20592 s

18、o15-1.6 rf突面突面液面計接口管液面計接口管b1-2hg20592 so15-1.6 rf突面突面液面計接口管液面計接口管chg20592 so450-1.6 rf突面突面人孔人孔dhg20592 so32-1.6 rf突面突面出料口出料口ehg20592 so50-1.6 rf突面突面進料口進料口fhg20592 so25-1.6 rf突面突面安全閥接口管安全閥接口管ghg20592 so25-1.6 rf突面突面放空口放空口hhg20592 so50-1.6 rf突面突面排污口排污口計算厚度計算厚度 d n 2c設(shè)計厚度設(shè)計厚度1c圓整值圓整值名義厚度名義厚度有效厚度有效厚度e 2

19、1ccc 毛坯厚度毛坯厚度加工減薄量加工減薄量第三節(jié)第三節(jié) 壓力容器的破壞形式和原因壓力容器的破壞形式和原因一一. 韌性破裂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度時，容器就會發(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12.二二. 脆性破裂脆性破裂 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（脆主要原因，一是容器材料的問題（脆性）；二

20、是容器制造或使用中的問題。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。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度偏高且韌性較差時，則發(fā)生爆炸。四四. 應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)力腐蝕破裂壓力容器材料在特定介質(zhì)環(huán)境中

21、，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)的影響五五. 蠕變破裂蠕變破裂 在高溫下工作的壓力容器，當操作溫度超過一定極限，在高溫下工作的壓力容器，當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。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

22、類的常見原因。第四節(jié)第四節(jié) 安全泄壓裝置及相關(guān)計算安全泄壓裝置及相關(guān)計算一、安全泄放量的計算ws=7.55 d20w p / z t 其中：ws 壓力容器的安全泄放量， kg/h d 容器進口管的內(nèi)直徑，mm 0 標準狀態(tài)下氣體的密度，kg/m3 w 進口管內(nèi)的氣體流速，m/s p 排氣壓力（絕壓），mpa p=1.1*容器表壓+0.1 z 氣體壓縮因子 t 排氣溫度，k見例見例3 3，p164.p164.為防止超壓，單位時間內(nèi)所必須的最低泄放量，學(xué)習壓縮氣體儲罐的安全泄放量計算方法。二、安全閥及其排放能力二、安全閥及其排放能力1. 杠桿式安全閥和彈簧式安全閥2. 安全閥排放能力的計算例題4（

23、安全閥的排放能力必須大于最低泄放量）3. 安全閥的選擇步驟根據(jù)容器工作壓力、溫度、介質(zhì)特性和產(chǎn)品樣本等，選擇安全閥型式、規(guī)格和材料；按照選定的公稱壓力(pn)和公稱直徑(dn) ，確定安全閥的閥座通徑，并據(jù)此計算額定排放量g；計算容器的安全泄防量ws ，要求滿足g ws 三、爆破片及其選用三、爆破片及其選用1. 爆破片的主要型式與特點2. 爆破片爆破壓力的確定 設(shè)計爆破壓力（pb）指爆破片在額定溫度下的爆破壓力；標定爆破壓力（ps）系爆破片產(chǎn)品銘牌上注明的爆破壓力；最低標定爆破壓力（psmin）則是制造爆破片時，當設(shè)計爆破壓力的允許變化范圍為零的設(shè)計爆破壓力。參見p168例6的計算方法，會選擇爆破片。3. 爆破片排放面積的計算經(jīng)驗公式（p169）第五節(jié)壓力容器的