化工安全技術(shù)第五章 壓力容器安全12-13-1

1、 第 5 章壓力容器安全第 5 章 壓力容器安全5.1 壓力容器的安全問題5.2 壓力容器的分類5.3 壓力容器的基本結(jié)構(gòu)5.4 壓力容器的失效形式5.5 壓力容器的安全設計5.6 壓力容器的安全制造5.7 壓力容器的定期檢驗5.8 壓力容器的安全裝置5.9 壓力容器的事故分析和處理看書5.1.1 引言按照特種設備安全監(jiān)察條例，承壓類特種設備：鍋爐、壓力容器、氣瓶、壓力管道等，安全附件：超壓泄放裝置、壓力表、液位計等。壓力容器的操作條件范圍寬：包括壓力、溫度、介質(zhì)、使用環(huán)境等，與一般機械設備不同。承壓設備屬于國家法規(guī)嚴格監(jiān)管特種設備。在設計、制造、使用和管理方面有嚴格的規(guī)定和管理體系，以保證其

2、安全性。5.1 壓力容器的安全問題從廣義上講，壓力容器包括所有承受壓力載荷的密閉容器。直接受火的鍋爐；非受火壓力容器組裝在運輸裝備上的壓力容器罐體（鐵路、公路、水路運輸） 移動式壓力容器壓力容器廣泛用在化工工藝流程中，如各種反應器、塔設備、換熱器、儲罐、分離容器 固定式移動式氣瓶安裝在固定位置，或僅在使用單位內(nèi)部區(qū)域使用的壓力容器 固定式壓力容器公稱容積0.43000L，用于盛裝永久氣體或液化氣體的移動式壓力容器氣瓶 (移動式)5.1.2 壓力容器的應用和特點壓力容器應用的特點1）應用廣泛 （占化工廠設備總數(shù)的50左右）不同的用途、型式、操作條件、類別，共同特點：受壓外殼+功能內(nèi)件。2）操作條

3、件復雜溫度：低溫、常溫、中溫、高溫；壓力：真空、低壓、中壓、高壓、超高壓；交變載荷：交變的溫度和壓力載荷；介質(zhì)：有毒、易燃易爆、腐蝕性；化學反應：反應過程中的各種不確定因素等；球形儲罐換熱器反應釜3、對安全要求高，為特種設備壓力、溫度越高，尺寸越大，則對容器在選材、設計、制造、檢驗和使用等方面要求越高。壓力容器結(jié)構(gòu)并不復雜，承受載荷：靜、動、交變載荷，附加機械或溫度載荷；承裝壓縮、液化氣體或飽和液體，若容器破裂，介質(zhì)瞬間膨脹釋放，破壞能量極大；焊接結(jié)構(gòu)多，易產(chǎn)生焊接缺陷。安全要求：足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，密封性好。5.1.3 壓力容器的安全特征1、量大面廣應用面廣，數(shù)量多，分布地域廣泛，至2

4、007年底，固定式壓力容器 169.71萬臺， 鍋爐 53.40萬臺，另有數(shù)量巨大的各類氣瓶、罐車、壓力管道。2003年修訂為特種設備安全監(jiān)察條例 2009年再次修訂。1982年，國務院頒布了鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例專門管理機構(gòu)：國家質(zhì)量檢驗檢疫總局特種設備安全監(jiān)察局，對特種設備的設計、制造、使用、檢驗等進行管理。2、事故率高其中89.3%（118起）是各種制造裂紋所引起總的來說，隨著加強管理和技術(shù)的進步，壓力容器的事故率呈下降趨勢，但遠高于其他機械設備的事故率(交通運輸除外)。 危害：災害性后果。壓縮氣體、液化氣體或過熱液體卸壓膨脹，瞬間釋放出巨大能量，產(chǎn)生強的空氣沖擊波；可燃氣體或毒氣

5、泄漏，造成大面積毒害區(qū)，與周圍的空氣混合，產(chǎn)生更大火災爆炸；設備碎片飛出產(chǎn)生破壞；相鄰設備連鎖爆炸等。原因：因制造缺陷、使用缺陷和操作管理上的原因。措施： “全過程安全監(jiān)察模式”設計、制造、安裝、使用、檢驗、修理、改造等環(huán)節(jié)3、事故危害性大TSG R0004-2008固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程界定的監(jiān)管范圍：（1）最高工作壓力pW0.1MPa；（表壓）（2）且設計壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPaL；（3）且介質(zhì)為氣體、液化氣體和最高工作溫度高于等于標準沸點的液體。5.2.1 壓力容器的安全監(jiān)察范圍5.2 壓力容器分類 考慮了工作壓力、容積、介質(zhì)性態(tài)三方面對容器發(fā)生爆炸時釋放能量的影

6、響。1 MPa的容器爆炸釋放的能量：壓縮空氣/壓縮水0.33 / 0.05310-3 =6226倍。而標準沸點以上的飽和液體，爆炸時釋放的能量遠大于飽和蒸氣。幾種典型介質(zhì)爆炸能量的比較介質(zhì)種類 儲器容積或介質(zhì)體積 m3 爆炸前容器內(nèi)壓力（表壓）MPa 爆炸能量的TNT當量 Kg空氣 110.33 常溫水 110.05310-3 飽和水(184沸水)1112.7 爆炸釋放能量比較：飽和液體飽和蒸氣常溫液體184飽和水，壓力約1.0MPa，H水763.25kJ/kg，水1， H水蒸氣2782.5kJ/kg， 水蒸氣5.145kg/m3, 5.9 壓力容器的事故分析和處理5.9.1 容器的爆炸和爆炸

7、能量 185頁1、壓縮氣體容器的爆炸能量對于k=1.4的壓縮氣體，Ug=CgV，（MJ）對于k=1.4干飽和蒸汽，Us=CsV，Cg、Cs為p的函數(shù)（MJm-3）問題：容器爆炸的能量與什么有關(guān)？爆炸能量系數(shù)Cg（k=1.4）爆炸能量系數(shù) 隨壓力升高而增大。2、液化氣體或高溫飽和水的爆炸能量U1=w(i1-i2)-(S1-S2)T1Uw=CwV 8.1 15.83 25.60 39.78 66.22（MJm-3） 0.45 0.85 1.54 2.8 6.2 同樣容積的壓力容器，當p=0.9MPa時，Cw/Cs=25.6/1.54=16.6即同等體積飽和水爆炸能量為干飽和蒸汽的17倍。Cs (M

8、Jm-3 )Cw (MJm-3 )5.9.2 壓力容器的事故分析與處理（自學）1、按使用位置分固定式：固定安裝在使用地點；移動式：槽車、氣瓶等2、 按設計壓力分類（表壓）(1)低壓容器 0.1MPap 1.6MPa；(2)中壓容器 1.6MPap 10MPa； (3)高壓容器 10MPap 100MPa； (4)超高壓容器 p100MPa.5.2.2 壓力容器分類不同的壓力采用相應的設計規(guī)范：10%)，容器形狀發(fā)生較大變化；容器一般不是碎裂，沿容器軸向裂開；斷面與主應力方向成45夾角，呈暗灰色纖維狀；爆炸壓力接近計算爆破壓力。斷口微觀特征：韌窩外力作用形成微裂紋，聚合產(chǎn)生微孔洞，孔洞長大、增殖

9、，最后連接形成斷裂。 水壓爆破試驗：韌性破裂焊縫容器超壓的原因：a. 液化氣體過量充裝 事故：液化石油氣鋼瓶超裝發(fā)生爆炸 b. 違規(guī)操作、超壓泄放裝置選用不當或失靈 事故：某化肥廠合成氨系統(tǒng)高壓設備氣密試驗爆炸，因煤氣與空氣混合氣被壓縮機壓入試壓系統(tǒng)。c. 容器腐蝕嚴重，壁厚過度減薄 事故：加壓變換冷卻塔腐蝕爆裂P=0.8MPa，Di=1000， =8mm，經(jīng)三年運行腐蝕后：max=3mmmin=1mmd. 設計選材不當或結(jié)構(gòu)不合理 防止韌性破裂的安全措施：正確設計、規(guī)范操作，設置超壓泄放裝置，正確選用和維護，加強在用容器檢驗。5.4.3 脆性破裂 容器破裂時沒有經(jīng)過明顯的塑性變形，破裂時殼體

10、的應力遠遠低于材料的強度極限，所以也稱為低應力脆斷。常發(fā)生在殼體材料的缺陷處?？梢园l(fā)生在正常工作壓力下。原因：材料韌性差 容器存在超標缺陷（制造或使用中產(chǎn)生）事故：1962年某化肥廠水洗塔爆炸，Pc=3MPa，Di=2200，=8mm，爆炸時壓力2.8MPa，=70 MPa b=240 MPa ，設備材料：碳鋼原因：焊縫質(zhì)量差，存在13-19mm深的裂紋； 環(huán)境氣溫-27，導致材料韌性差。事故：1965年英國湯姆森公司氨合成塔在水壓試驗時爆炸， Pc=35.1MPa， t=200，Di=1700， =150mm爆炸時壓力34.5MPa，=199.5 MPab=388 MPa設備材料：錳鉻鉬釩低

11、合金鋼，原因：焊接處材料存在成分偏析；有10mm埋藏裂紋； 材料韌性差：理論 =60Nm/cm2 實際 =15Nm/cm2沖擊韌度 表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。 值的大小表示材料的韌性好壞。 材料的 值隨溫度降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)， 值急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”。材料的沖擊試驗擺錘刀刃=mg(H1-H2)/S沖擊韌性值等于擺錘做功除以斷口截面積(J/cm2)。試塊101055mm，2mm 缺口 U型缺口沖擊值：V型缺口沖擊值：宏觀特征： 外觀沒有明顯伸長變形； 裂口齊平，與最大主應力方向垂直； 容器常破裂成碎片； 低溫或介質(zhì)腐蝕易發(fā)生脆

12、斷。脆性破裂斷口宏觀形貌韌性斷裂的斷口微觀特征：韌窩微觀特征：穿晶脆性斷裂脆性破裂的三個條件：高應力場；材料的脆性傾向；存在脆裂的引發(fā)源：如裂紋或缺口。預防脆性破裂的措施合理選材，選用在運行溫度下有良好沖擊韌性的材料；在制造和運行過程中材料不發(fā)生韌性下降；加強定期檢驗，及時發(fā)現(xiàn)缺陷(裂紋)的產(chǎn)生和擴展。5.4.4 疲勞破裂壓力容器在長期交變載荷作用下所發(fā)生的破裂稱為疲勞破裂。原因：由交變的壓力、溫度以及振動等原因引起的交變應力。（1）高應力低循環(huán)疲勞 交變載荷循環(huán)次數(shù)102105，而相應的應力水平較高。以應變值為控制變量。（2）低應力高循環(huán)疲勞 應力值在彈性極限以下，交變載荷循環(huán)次數(shù)在105以

13、上。疲勞極限：材料經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)不發(fā)生破壞的最大交變應力值。疲勞破裂的特征：總體應力不大，沒有明顯伸長變形，發(fā)生在局部應力較高及材料缺陷處；若材料強度較低而韌性好，則疲勞裂紋穿透器壁發(fā)生泄露而失效， 若材料強度偏高而韌性差，則疲勞裂紋導致爆炸事故； 經(jīng)歷裂紋發(fā)生、裂紋擴展、失穩(wěn)斷裂3個階段； 破裂斷口呈現(xiàn)兩個區(qū)域：疲勞裂紋產(chǎn)生及擴展區(qū)，最后斷裂區(qū)；可以由此判斷疲勞破裂。疲勞條痕一種鋁合金斷裂表面的疲勞條痕向前擴展的疲勞裂紋留下特征性的斑紋，說明疲勞引起失效。1m裂紋擴展的方向和條紋垂直5.4.5 應力腐蝕破裂1、應力腐蝕概念 stress corrosion cracking應力腐蝕開裂指在

14、靜拉伸應力和特定的腐蝕介質(zhì)的共同作用下導致材料腐蝕開裂的現(xiàn)象，記為SCC。剩余厚度應力腐蝕開裂的發(fā)生:可以在極低的應力條件下發(fā)生；腐蝕性極弱的介質(zhì)也能引起腐蝕開裂。往往在沒有先兆的進展迅速的突然斷裂，容易造成嚴重的事故。因此它是一種危害性極大的破壞形式。 斷口形貌：脆斷，有亞穩(wěn)擴展區(qū)，最后瞬斷區(qū)占化工腐蝕破壞事故近半數(shù).應力腐蝕裂紋2、應力腐蝕破裂發(fā)生的條件 （1）特定的腐蝕介質(zhì)與材料組合材料可發(fā)生應力腐蝕的敏感介質(zhì)碳鋼氫氧化物溶液； H2S水溶液；碳酸鹽、硝酸鹽或氰酸鹽水溶液；液氨；濕的CO-CO2-空氣；硫酸-硝酸混酸；熱的FeCl3溶液；海水奧氏體不銹鋼海水；熱的氫氧化物溶液；氯化物溶液

15、； H2S水溶液；熱的氟化物溶液；鋁合金潮濕空氣；海水；氯化物的水溶液；汞鈦合金海水；鹽酸；發(fā)煙硝酸；300以上的氯化物；潮濕空氣；汞常見應力腐蝕破裂的材料-介質(zhì)組合（2）拉應力的存在 裝配應力、殘余應力、腐蝕產(chǎn)物引起的內(nèi)應力、載荷應力等。（3）材料純度和組織狀態(tài)影響一般認為合金發(fā)生SCC，純金屬極少發(fā)生，但存在少量雜質(zhì)時也可能發(fā)生SCC。材料硬度增加，SCC敏感性增加。應力腐蝕舉例：濕硫化氫腐蝕 在H2SH2O腐蝕環(huán)境中，碳鋼設備發(fā)生兩種腐蝕：均勻腐蝕和濕硫化氫應力腐蝕開裂。含硫化合物在腐蝕過程中析出的腐蝕產(chǎn)物氫原子，向鋼中滲透，在晶界原有的微觀孔隙內(nèi)（微裂紋、夾雜、晶格缺陷等）聚集并形成氫

16、分子，形成小裂紋并沿著垂直于應力的方向發(fā)展，并在近表面形成氫鼓泡。 通常發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)及高應力集中區(qū)。開裂的形式：硫化物應力腐蝕開裂(垂直于表面)氫鼓泡(平行于表面)3、應力腐蝕破裂的特征 (1)宏觀形態(tài)具有脆性破裂的特征：無宏觀塑性變形，斷口可見腐蝕產(chǎn)物；(2)斷口存在兩個區(qū)域：腐蝕裂紋擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)；(3)有樹枝狀裂紋狀分叉；(4)可以是穿晶也可以是沿晶開裂。新鮮斷口區(qū)域腐蝕產(chǎn)物內(nèi)壁某柴油加氫裝置爐管開裂失效，其宏觀斷口形貌如下圖樹枝狀二次裂紋斷口形貌掃描電鏡照片（沿晶斷裂）二次裂紋275 金相照片：主斷口1）從介質(zhì)-材料的應力腐蝕考慮（1）選擇對介質(zhì)應力腐蝕不敏感的材料 考

17、慮可能性和經(jīng)濟性（2）采用耐腐蝕的復合鋼板（3）加緩蝕劑2）從結(jié)構(gòu)設計和制造方面考慮，減少殘余應力4、預防應力腐蝕破裂的措施化工設備的幾種應力腐蝕情況：不銹鋼氯化物堿硫化物碳鋼、低合金鋼硫化氫濕CO-CO2混合氣堿硝酸鹽液氨5.4.6 蠕變破裂在高溫和應力的作用下，金屬產(chǎn)生緩慢的塑性變形(蠕變)，最終導致容器破裂。特征：有明顯的塑性變形和蠕變小裂紋， 斷口無金屬光澤呈粗糙顆粒狀， 表面有高溫氧化層或腐蝕物。泄漏原因：容器本體或部件焊接處破裂處； 容器與外接設備或管道連接處密封失效泄漏后果：燃燒、爆炸； 毒性介質(zhì)擴散5.4.7 泄漏失效防止泄漏措施：從選材、結(jié)構(gòu)設計、制造安裝和使用等各環(huán)節(jié)防止容

18、器發(fā)生泄漏失效。5.5 壓力容器的安全設計5.5.1 壓力容器的材料及選用 壓力容器要求材料的機械性能好，同時滿足制造工藝要求1）壓力容器用鋼的安全要求（1）冶煉方法：a.沸騰鋼；b.半鎮(zhèn)靜鋼；c.鎮(zhèn)靜鋼；d.特殊鎮(zhèn)靜鋼（2）化學成分：一般 要求C0.25%，P0.020%，S350，采用耐熱鋼，t-20，采用低溫鋼， 27 kgmcm-2（4）與介質(zhì)的相容性 耐腐蝕性2）壓力容器用鋼R表示壓力容器專用鋼板D低溫鋼板5.5.2 壓力容器的強度靜載荷：內(nèi)壓、外壓和液體靜壓力， 重力載荷：包括容器的自重、介質(zhì)重量、 操作平臺重量等 外加載荷：風載荷、地震力 溫差載荷動載荷容器載荷載荷在容器壁中產(chǎn)生

19、應力, 控制應力值小于材料允許的限度（s或b），是容器強度安全設計的目標。1、壓力容器中的應力1）內(nèi)壓薄壁圓筒中的薄膜應力內(nèi)壓薄壁圓筒：圓筒的外直徑/內(nèi)直徑1.2，殼體上的應力稱為薄膜應力=pDc/4trcri軸向應力：環(huán)向應力：22tl=p2rilp2rcl2=prc/t=pDc/2t【例5.1】 p=1.6MPa，Di=1000mm，t=10mm，計算其薄膜應力Dc=Di+t=1010mm1=pDc/4t=1.61010/410=40.4 MPa2=pDc/2t=1.61010/210=80.8 MPa縱向應力：環(huán)向應力：習題第1題 計算薄膜應力2）標準橢圓形封頭（Dc=2h）中的薄膜應力環(huán)向應力2：經(jīng)向應力1：封頭頂端（極點）處：封頭底部（赤道）處經(jīng)向應力：封頭底部（赤道）處環(huán)向應力：（壓縮應力）+-+標準橢圓形