第六章壓力容器安全

第六章壓力容器安全第一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)壓力容器的安全問(wèn)題第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)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(jì)算第五節(jié)壓力容器的爆炸危害

主要內(nèi)容第二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四天然氣、液化器站專(zhuān)用容器設(shè)備第三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四換熱器第四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四外盤(pán)半管式反應(yīng)鍋第五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三聚氰胺尿素洗滌塔外景第六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四高橋石化石蠟加氫裝置第七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四高橋石化1#催化裝置第八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、壓力容器的特點(diǎn)和安全問(wèn)題

壓力容器:是指最高工作壓力≥0.1MPa(不含液體靜壓)、內(nèi)直徑≥0.15m、容積≥0.025m3，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。壓力容器的特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛操作條件復(fù)雜對(duì)安全要求高壓力容器的安全問(wèn)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(wèn)題第九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓力容器的特點(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)用的廣泛性過(guò)程裝備=受壓外殼+功能內(nèi)件第十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓力容器的特點(diǎn)壓力容器廣泛用于化學(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(mén)，其中尤以石油化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍。如一個(gè)年產(chǎn)30萬(wàn)噸的乙烯裝置，有793臺(tái)設(shè)備，其中壓力容器281臺(tái)，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(jiàn)。應(yīng)用的廣泛性第十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓力容器的特點(diǎn)操作條件十分復(fù)雜。壓力從1～2×10－5Pa的真空到高壓、超高壓，如石油加氫為10.5～21.0MPa；高壓聚乙烯為100～200MPa；合成氨為10～100MPa；人造水晶高達(dá)140MPa；溫度從-200oC低溫到超過(guò)1000℃的高溫。

操作的復(fù)雜性壓力容器因其承受各種靜、動(dòng)載荷或交變載荷，還有附加的機(jī)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(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展。

安全的高要求第十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓力容器的安全特征1996年12月的統(tǒng)計(jì)資料表明，國(guó)內(nèi)在用固定式壓力容器多達(dá)122.22萬(wàn)臺(tái)，移動(dòng)式壓力容器中罐車(chē)16910輛，在用氣瓶5498.7571萬(wàn)只；鍋爐總臺(tái)數(shù)達(dá)51.57萬(wàn)臺(tái)全國(guó)持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計(jì)2432個(gè)，設(shè)計(jì)單位1380個(gè)。1998年我國(guó)鍋爐、壓力容器、氣瓶的爆炸事故率分別為1.07次/萬(wàn)臺(tái)，0.28次/萬(wàn)臺(tái)，0.65次/萬(wàn)臺(tái)。

量大面廣事故率高第十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓力容器的安全特征英國(guó)安全機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以?xún)?nèi)，一級(jí)壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計(jì)情況：

危害性大壓力容器破壞幾率

容器運(yùn)行災(zāi)難性事故a損傷事故b總計(jì)臺(tái)·年次數(shù)事故率次數(shù)事故率次數(shù)事故10030070.7×10－41251.25×10－31321.32×10－3105400161.5×10－41231.17×10－31391.32×10－3第十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四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(wú)法修復(fù)的容器；b.損傷事故指有潛在危險(xiǎn)的事故；c.事故發(fā)生率＝發(fā)生事故數(shù)/（設(shè)備臺(tái)數(shù)×運(yùn)行年）表中的數(shù)字表明10000臺(tái)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(lèi)，89.3%，即118起是各種制造裂紋所引起。

危害性大第十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓力容器的事故實(shí)例國(guó)內(nèi)某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個(gè)，爆炸5個(gè)，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59人死亡，779人嚴(yán)重中毒。國(guó)內(nèi)某液化氣站400M3儲(chǔ)罐爆炸，引發(fā)3個(gè)球罐和一個(gè)臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54人傷。第十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(一)按壓力等級(jí)劃分按壓力容器設(shè)計(jì)壓力(P)分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個(gè)壓力等級(jí)。(1)低壓(代號(hào)L)0.1MPa≤P<1.6MPa；(2)中壓(代號(hào)M)1.6MPa≤P<10MPa；(3)高壓(代號(hào)H)10MPa≤P<100MPa；(4)超高壓(代號(hào)U)P≥100MPa。(二)按壓力容器品種劃分按壓力容器在生產(chǎn)工藝過(guò)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）、儲(chǔ)存壓力容器（C，其中球罐B）。（P133）

二、壓力容器的分類(lèi)（多種分類(lèi)方式）第十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(三)為便于管理，將壓力容器按其壓力等級(jí)、介質(zhì)及所起的作用等分為三類(lèi)l.第一類(lèi)壓力容器2.第二類(lèi)壓力容器3.第三類(lèi)壓力容器符合下列情況之一的為第三類(lèi)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.V≥0.2MPa·m3低壓容器；(2)易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)且P.V≥0.2MPa·m3中壓反應(yīng)容器和P.V≥10MPa·m3的中壓儲(chǔ)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(jì)壓力為32MPa，介質(zhì)為氫氣、氮?dú)饧鞍?，該合成塔屬于三?lèi)高壓反應(yīng)容器。氯氣分配器的設(shè)計(jì)壓力0.6MPa(低壓)，介質(zhì)為氯氣(極毒)，該容器屬于三類(lèi)低壓分離壓力容器。第十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（四）壓力容器安全狀況等級(jí)劃分壓力容器的安全狀況分為五級(jí)，分級(jí)的原則如下所述。l級(jí)：出廠資料齊全，設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量符合有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)；在符合設(shè)計(jì)的條件下，在規(guī)定的檢驗(yàn)周期內(nèi)能安全使用的壓力容器。2級(jí)：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(jí)：資料不夠齊全，制造時(shí)存在某些問(wèn)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(yàn)確定不需要修復(fù)，能在規(guī)定的操作條件下及檢驗(yàn)周期內(nèi)安全使用的壓力容器。4級(jí)：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(mǎn)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，不能繼續(xù)使用的壓力容器。5級(jí)：缺陷嚴(yán)重，難于或無(wú)法修復(fù)、無(wú)修復(fù)價(jià)值或修復(fù)后仍難以確保安全使用的壓力容器。必須報(bào)廢。第十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)一、壓力容器的基本結(jié)構(gòu)主要工藝參數(shù)：壓力、溫度、直徑第二十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四兩個(gè)基本參數(shù)：公稱(chēng)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(chēng)直徑標(biāo)記為DN1200。公稱(chēng)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(chēng)為公稱(chēng)壓力，以PN表示，單位MPa。第二十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、壓力容器的安全設(shè)計(jì)1.強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)：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(lái)載荷和經(jīng)受周?chē)h(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(jì)算2.結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)容器的總體或局部結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)的四方面考慮 3.壓力容器設(shè)計(jì)舉例第二十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四設(shè)計(jì)一液氨貯罐。工藝尺寸：貯罐內(nèi)徑Di=2600mm，貯罐(不包括封頭)長(zhǎng)度L＝4800mm。解：1.罐體壁厚設(shè)計(jì)

根據(jù)材料性質(zhì)及價(jià)格等因素，本貯罐選用16MnR制作罐體和封頭。設(shè)計(jì)壁厚δd根據(jù)下式計(jì)算：第二十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四設(shè)計(jì)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(jì)壓力p=1.1x1.455=1.6MPa(表壓)；Di=2600mm；[σ]t＝170MPa；

ф

＝1.O(雙面對(duì)接焊100％探傷）C2=1mm（腐蝕余量）第二十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四取Cl＝0.8mm（鋼板負(fù)偏差），圓整取δn＝16mm厚的16MnR鋼板制作罐體。第二十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2．封頭壁厚設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。橢圓形封頭壁厚δd計(jì)算式：其中，焊縫系數(shù)ф＝1.0

考慮鋼板厚度負(fù)偏差及沖壓減薄量，圓整后取dn＝16mm厚16MnR鋼板制作第二十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四校核罐體與封頭水壓試驗(yàn)強(qiáng)度ss=345MPa水壓試驗(yàn)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

第二十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3．鞍座

先粗略計(jì)算鞍座負(fù)荷。貯罐總質(zhì)量：m=m1+m2+m3+m4

式中:m1-罐體質(zhì)量；m2-封頭質(zhì)量；m3-液氨質(zhì)量；m4-附件質(zhì)量。第二十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（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=40mmq2=1100Kg/個(gè)m2=2q2=2200(Kg)（3）充水質(zhì)量m3

m3=VρV=V對(duì)+V筒=30.42m3,m3＝30420Kg

（4）附件質(zhì)量m4人孔約200Kg，其它接管總和按300Kg計(jì)，m4=500Kg

第二十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四設(shè)備總重量m=m1+m2+m3+m4=4950+2200+30420+500=38070=38.1t每個(gè)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第三十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.人孔常溫及最高工作壓力1.6MPa，按公稱(chēng)壓力1.6MPa的等級(jí)選取。人孔標(biāo)記：HG21523-95人孔R(shí)FⅣ（A·G）450-1.6RF指突面密封Ⅳ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(chēng)直徑為450mm、公稱(chēng)壓力為1.6MPa。第三十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四5．人孔補(bǔ)強(qiáng)確定人孔筒節(jié)內(nèi)徑d＝450mm，壁厚dn＝10mm。補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑D1=484mm，外徑D2=760mm，補(bǔ)強(qiáng)金屬面積應(yīng)大于等于開(kāi)孔減少截面積，補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度故補(bǔ)強(qiáng)圈取24mm厚。第三十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四6．接口管

(1)液氨進(jìn)料管(2)液氨出料管(3)排污管(4)液面計(jì)接管(5)放空管接管(6)安全閥接管第三十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四7．設(shè)備總裝配圖附有儲(chǔ)罐的總裝配圖，技術(shù)特性表，接管表，各零部件的名稱(chēng)、規(guī)格、尺寸、材料等見(jiàn)明細(xì)表。第三十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四本貯罐技術(shù)要求1．本設(shè)備按GBl50-1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行制造、試驗(yàn)和驗(yàn)收2．焊接材料，對(duì)接焊接接頭型式及尺寸可按GB985-80中規(guī)定(設(shè)計(jì)焊接接頭系數(shù)ф

＝1.0)3．焊接采用電弧焊，焊條型號(hào)為E43034．殼體焊縫應(yīng)進(jìn)行無(wú)損探傷檢查，探傷長(zhǎng)度為100％5．設(shè)備制造完畢后，以2MPa表壓進(jìn)行水壓試驗(yàn)6．管口方位按接管表。第三十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四技術(shù)特性表名稱(chēng)指標(biāo)設(shè)計(jì)壓力1.6MPa工作溫度≤40℃物料名稱(chēng)液氨容積30.52m3

第三十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四接管表符號(hào)連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)密封面形式用途a1-2HG20592SO15-1.6RF突面液面計(jì)接口管b1-2HG20592SO15-1.6RF突面液面計(jì)接口管cHG20592SO450-1.6RF突面人孔dHG20592SO32-1.6RF突面出料口eHG20592SO50-1.6RF突面進(jìn)料口fHG20592SO25-1.6RF突面安全閥接口管gHG20592SO25-1.6RF突面放空口hHG20592SO50-1.6RF突面排污口第三十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四厚度的定義計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度圓整值名義厚度有效厚度毛坯厚度加工減薄量第四十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三節(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(guò)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(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，容器就會(huì)發(fā)生破裂。主要原因是容器超壓。破裂時(shí)一般不產(chǎn)生碎塊，而是沿容器軸向撕開(kāi)較長(zhǎng)裂縫。斷口無(wú)金屬光澤、暗灰色纖維狀。斷口形貌見(jiàn)P148，圖12.第四十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二.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(lèi)型稱(chēng)為脆性破裂。主要原因，一是容器材料的問(wèn)題（脆性）；二是容器制造或使用中的問(wèn)題。斷裂時(shí)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(jiàn)P151，圖14.第四十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三.疲勞破裂壓力容器常在交變載荷下運(yùn)行，經(jīng)受長(zhǎng)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(méi)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(qiáng)度較低且韌性較好的材料時(shí)，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(shí)，則發(fā)生爆炸。第四十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四四.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(guò)一定時(shí)間后發(fā)生開(kāi)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(duì)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)的影響第四十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四五.蠕變破裂在高溫下工作的壓力容器，當(dāng)操作溫度超過(guò)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(guò)長(zhǎng)期的積累，最終會(huì)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(huì)發(fā)生蠕變。容器超溫、局部過(guò)熱等是蠕變破類(lèi)的常見(jiàn)原因。第四十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四節(jié)安全泄壓裝置及相關(guān)計(jì)算一、安全泄放量的計(jì)算Ws=7.55d2ρ0wp/ZT

其中：Ws壓力容器的安全泄放量，kg/h

d容器進(jìn)口管的內(nèi)直徑，mm

ρ0

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，kg/m3

w

進(jìn)口管內(nèi)的氣體流速，m/sp排氣壓力（絕壓），MPap=1.1*容器表壓+0.1Z氣體壓縮因子T排氣溫度，K見(jiàn)例3，P164.

為防止超壓，單位時(shí)間內(nèi)所必須的最低泄放量，學(xué)習(xí)壓縮氣體儲(chǔ)罐的安全泄放量計(jì)算方法。第四十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、安全閥及其排放能力1.杠桿式安全閥和彈簧式安全閥第四十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.安全閥排放能力的計(jì)算例題4（安全閥的排放能力必須大于最低泄放量）第四十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.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(chēng)壓力(PN)和公稱(chēng)直徑(DN)，確定安全閥的閥座通徑，并據(jù)此計(jì)算額定排放量G；計(jì)算容器的安全泄防量Ws

，要求滿(mǎn)足G≥Ws第四十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三、爆破片及其選用1.爆破片的主要型式與特點(diǎn)第五十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.爆破片爆破壓力的確定

設(shè)計(jì)爆破壓力（pb）指爆破片在額定溫度下的爆破壓力；標(biāo)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(biāo)定爆破壓力（psmin）則是制造爆破片時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)爆破壓力的允許變化范圍為零的設(shè)計(jì)爆破壓力。

參見(jiàn)P168例6的計(jì)算方法，會(huì)選擇爆破片。3.爆破片排放面積的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式（P