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1、第五章第五章 压力容器安全压力容器安全第一节 压力容器的安全问题第二节 压力容器的安全设计第三节 压力容器的破坏形式和原因第四节 压力容器的制造安全技术（自学）第五节 安全泄压装置及相关计算第六节 压力容器的爆炸危害2022/10/271一、压力容器的特点和安全问题一、压力容器的特点和安全问题压力容器压力容器:MPa(m:MPa(m、m m3 3，且盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度且盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体的金属设备。高于或等于标准沸点的液体的金属设备。从安全使用管理角度而言，也是一类具有潜在爆炸危险的特种设备。对其强度、刚度、稳定性和密封性均有要求
2、。压力容器的特点：应用广泛 操作条件复杂 对安全要求高压力容器的安全问题：量大面广 事故率高 危害性大第一节第一节 压力容器的安全问题压力容器的安全问题2022/10/272压力容器的特点l 锅炉、换热器、加热炉=圆筒外壳+传热管束l 塔器=圆筒外壳+传质元件（浮阀、填料等）l 反应釜=圆筒夹套+搅拌器l 压缩机、真空泵=圆筒气缸+活塞l 泵=蜗壳+叶轮 l 应用的广泛性2022/10/273压力容器的特点p压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备
3、的外壳，而且绝大多数是在压力温度下运行，p如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。p蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。l 应用的广泛性2022/10/274压力容器的特点压力容器的操作条件十分复杂。压力从12105Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为21.0 MPa；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-200C低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包括爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件
4、的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使 用、维 护 都 不 同 于 一 般 机 械 设 备，而 成 为 一 类 特 殊 设 备。l 操作的复杂性2022/10/275压力容器的特点压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。l 安全的高要求2022/10/276压力容器的特点当前压力容器向大
5、容量、高参数发展如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为1416MPa，工作温度为250330C，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为25MPa，工作温度为450550C，内直径为30005000mm，壁厚为200400 mm，重4002600吨对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比 一 般 压 力 容 器 又 有 更 高 更 严 格 的 安 全 性 要 求。l 安全的高要求2022/10/277压力容器的安全特征1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达万台，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶万只
6、；锅炉总台数也高达万台 全国持有压力容器制造许可证的企业合计2432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。l 量大面广2022/10/278压力容器的安全特征国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132起，严重事故274起，共死亡104人，受伤371人，直接经济损失万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为次/万台，次/万台，次/万台。l 事故率高2022/10/279压力容器的安全特征1968年英国原子能局（UKAEA）安全卫生处和联合部技术委员会（AOTC）工程检验机构调查使用
7、年限在30年以内，一级压力容器发生破坏事故的统计情况如下表所示：l 危害性大压力容器破坏几率 年份 容器运行 灾难性事故a 损伤事故b 总计 台年 次数 事故率 次数 事故率 次数 事故 1962-1967 100300 7 0.7104 125 1.25103 132 1.321031967-1972 105400 16 1.5104 123 1.17103 139 1.321032022/10/2710压力容器的安全特征a.灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器；b.损伤事故指有潜在危险的事故；c.事故发生率发生事故数/（设备台数运行年）表中的数字表明10000台容器中发生损坏事故每年
8、次，达到破坏事故次，事故几率为1.32，而且这132起使用中的容器事故，按其原因分类，89.3%，即118起是各种制造裂纹所引起。l 危害性大2022/10/2711(一一)按压力等级划分按压力等级划分 按压力容器设计压力(P)分为低压、中压、高压、超高压四个压力等级。(1)低压(代号L)0.1MPaP1.6MPa；(2)中压(代号M)1.6MPaP10MPa；(3)高压(代号H)10MPaP100MPa；(4)超高压(代号U)P100MPa。(二二)按压力容器品种划分按压力容器品种划分 按压力容器在生产工艺过程中的作用原理，分为反应压力容器、分离压力容器、换热压力容器、储存压力容器。（P13
9、3）二、压力容器的分类（多种分类方式）二、压力容器的分类（多种分类方式）2022/10/2712(三三)为便于管理，将压力容器按其压力等级、介质及所起的作用等分为三类为便于管理，将压力容器按其压力等级、介质及所起的作用等分为三类l.第一类压力容器2.第二类压力容器 符合下列情况之一的为第三类压力容器：(1)毒性程度为极度或高度危害介质的中压容器和P.V0.2MPam3低压容器；(2)易燃或毒性程度为中度危害介质且P.V0.2MPam3中压反应容器和 P.V10MPam3的中压储存容器；(3)高压、中压管壳式余热锅炉；(4)高压容器。例如，氨合成塔的设计压力为32MPa，介质为氢气、氮气及氨，该
10、合成塔属于三类高压反应容器。MPa(低压)，介质为氯气(极毒)，该容器属于三类低压分离压力容器。2022/10/2713（四）压力容器安全状况等级划分（四）压力容器安全状况等级划分压力容器的安全状况分为五级，分级的原则如下所述。l级：出厂资料齐全，设计、制造质量符合有关法规和标准；在符合设计的条件下，在规定的检验周期内能安全使用的压力容器。2级：存在某些不危及安全且难以纠正的缺陷的新压力容器；存在某些不危及安全可不修复的一般性缺陷的在用压力容器。3级：资料不够齐全，制造时存在某些不符合有关法规或标准的问题或缺陷，但未因使用而发展或扩大；焊缝存在的缺陷经检验确定不需要修复，能在规定的操作条件下及
11、检验周期内安全使用的压力容器。4级：技术资料不全，主体材质不符合规定，强度经核算能满足使用要求；主体结构有较严重的缺陷但未因使用而发展或扩大；焊接质量有线性缺陷，不能在规定的条件下和检验周期内安全使用的压力容器。5级：缺陷严重，难于或无法修复、无修复价值或修复后仍难以确保安全使用的压力容器。必须报废。2022/10/2714第二节第二节 压力容器的安全设计压力容器的安全设计一、压力容器的基本结构一、压力容器的基本结构主要工艺参数：压力、温度、直径2022/10/2715两个基本参数：两个基本参数：公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm。例如内径1200mm的容器的公称直径标
12、记为DN1200。公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。2022/10/2716二、压力容器的安全设计二、压力容器的安全设计1.强度安全设计：强度安全设计：是指在确定的容器结构尺寸下，所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力。压力容器用钢的选择压力容器中的应力计算2.结构安全设计：结构安全设计：设计容器的总体或局部结构时，尽量避免制造和使用中附加的消弱容器强度的因素。P147结构安全设计的四方面考虑3.压力容器设计举例压力容器设计举例2022/10/2717设计一液氨贮罐。工艺尺寸：贮罐内径设计一液氨贮罐。
13、工艺尺寸：贮罐内径D Di i=2600mm=2600mm，贮罐，贮罐(不包括封头不包括封头)长度长度L L4800mm4800mm。解：解：1.1.罐体壁厚设计罐体壁厚设计 根据材料性质及价格等因素，本贮罐根据材料性质及价格等因素，本贮罐选用选用16MnR16MnR制作罐体和封头。制作罐体和封头。设计壁厚设计壁厚d dd d根据下式计算：根据下式计算：2022/10/2718设计压力设计压力:夏季最高温度可达夏季最高温度可达4040，氨饱和蒸气，氨饱和蒸气压（绝压压（绝压)故设计压力故设计压力p=1.1x1.455=1.6MPa (p=1.1x1.455=1.6MPa (表压表压)；D Di
14、 i=2600mm=2600mm；s s t t170MPa170MPa；j j1.O(1.O(双面对接焊双面对接焊100100探伤）探伤）C C2 2=1mm=1mm（腐蚀余量）（腐蚀余量）2022/10/2719取取C Cl l（钢板负偏差），圆整取（钢板负偏差），圆整取d dn n16mm16mm厚的厚的16MnR16MnR钢板制作罐体。钢板制作罐体。2022/10/27202封头壁厚设计采用标准椭圆形封头。采用标准椭圆形封头。椭圆形封头壁厚椭圆形封头壁厚d dd d计算式：计算式：其中，其中，j j1.0 1.0 考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，圆整后取考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，
15、圆整后取d dn n16mm16mm厚厚16MnR16MnR钢板制作钢板制作2022/10/2721校核罐体与封头水压试验强度s ss s=345 MPa=345 MPa水压试验满足强度要求。水压试验满足强度要求。2022/10/27223鞍座 先粗略计算鞍座负荷。先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量：贮罐总质量：mm=mm1 1+mm2 2+mm3 3+mm4 4 式中式中 :mm1 1-罐体质量；罐体质量；mm2 2-封头质量；封头质量；mm3 3-液氨质量；液氨质量；mm4 4-附件质量。附件质量。2022/10/2723（1 1）罐体质量）罐体质量mm1 1,筒节筒节DNDN=2600mm=
16、2600mm，d dn n=16mm=16mm，q q1 1=1030Kg/m=1030Kg/mmm1 1=q q1 1L L=4944(Kg)=4944(Kg)（2 2）封头质量）封头质量mm2 2,椭圆形封头椭圆形封头DNDN=2600mm=2600mm，d dn n=16mm=16mm，h h=40mm=40mm q q2 2=1100Kg/=1100Kg/个个mm2 2=2=2q q2 2=2200(Kg)=2200(Kg)（3 3）充水质量）充水质量mm3 3 mm3 3=V VV V=V V对对+V V筒筒=30.42m3,=30.42m3,mm3 330420 Kg 30420
17、Kg （4 4）附件质量）附件质量mm4 4人孔约人孔约200Kg200Kg，其它接管总和按，其它接管总和按300Kg300Kg计，计，mm4 4=500Kg=500Kg 2022/10/2724设备总重量设备总重量mm=mm1 1+mm2 2+mm3 3+mm4 4=4950+2200+30420+500=38070=38.1 t=4950+2200+30420+500=38070=38.1 t 每个鞍座承约受每个鞍座承约受190KN190KN负荷，选用轻型带垫负荷，选用轻型带垫板，包角为板，包角为120120的鞍座。即的鞍座。即JBJBT4712-92T4712-92鞍座鞍座 A2600A
18、26002022/10/27254.人孔常温及最高工作压力，按公称压力的等级选取。人孔标记：HG21523-95 人孔RF（AG）RF指突面密封指接管与法兰的材料为20R，AG是指用普通石棉橡胶板垫片，是指公称直径为450mm、公称压力为1.6 MPa。2022/10/27265人孔补强确定人孔筒节内径d450mm，壁厚dn10mm。补强圈内径D1=484mm，外径D2=760mm，补强金属面积应大于等于开孔减少截面积，补强圈的厚度故补强圈取24mm厚。2022/10/27272022/10/27286接口管(1)液氨进料管(2)液氨出料管(3)排污管(4)液面计接管(5)放空管接管(6)安全
19、阀接管2022/10/27297设备总装配图附有附有贮罐的总装配图贮罐的总装配图，技术特性表技术特性表，接接管表管表，各零部件的名称、规格、尺寸、，各零部件的名称、规格、尺寸、材料等见材料等见明细表明细表。2022/10/2730本贮罐技术要求1本设备按GBl50-1998钢制压力容器进行制造、试验和验收 2焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按GB985-80中规定(设计焊接接头系数j1.0)3焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303 4壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100 5设备制造完毕后，以2MPa表压进行水压试验 6管口方位按接管表2022/10/27312022/10/2732技技
20、 术术 特特 性性 表表名名 称称指指 标标设计压力设计压力1.6MPa工作温度工作温度40物料名称物料名称液氨液氨容积容积30.52m3 2022/10/2733接接 管管 表表符号符号连接法兰标准连接法兰标准密封面形式密封面形式 用途用途a1-2HG20592 SO15-1.6 RF突面突面液面计接口管液面计接口管b1-2HG20592 SO15-1.6 RF突面突面液面计接口管液面计接口管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突面突面进料口进料口fHG20592 SO2
21、5-1.6 RF突面突面安全阀接口管安全阀接口管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2022/10/2734厚度的定厚度的定厚度的定厚度的定义义义义计计算算厚厚度度设设计计厚厚度度圆整值圆整值名名义义厚厚度度有有效效厚厚度度毛毛坯坯厚厚度度加工减薄量加工减薄量2022/10/2735第三节压力容器的破坏形式和原因第三节压力容器的破坏形式和原因一、韧性破裂一、韧性破裂压力容器的韧性破裂往往是容器受到超过正常工作内压的作用容器受到超过正常工作内压的作用，在其器壁上产生的总体薄膜拉伸应力使材料发生明显的拉伸应力使材料
22、发生明显的塑性变形塑性变形，如果压力继续升高，一旦应力超过材料的抗拉强度时，容器就会发生破裂。主主要原因是容器超压要原因是容器超压。破裂时一般不产生碎块，而是沿容器轴向撕开较长裂缝。断口无金属光泽、暗灰色纤维状。断口形貌见P148，图12.2022/10/2736二、脆性破裂二、脆性破裂容器不发生或未发生充分塑性变形下就破坏的破裂容器不发生或未发生充分塑性变形下就破坏的破裂类型称为脆性破裂。主要原因，一是容器材料的问题（脆性）；二是容器制造或使用中主要原因，一是容器材料的问题（脆性）；二是容器制造或使用中的问题。的问题。断裂时器壁内的应力较低，破坏的容器常断裂成碎块飞出。断口平齐，呈金属光泽的
23、结晶状。断口形貌见P151，图14.2022/10/2737三、疲劳破裂三、疲劳破裂压力容器常在交变载荷下运行，经受长期作用后，容器的承压部件压力容器常在交变载荷下运行，经受长期作用后，容器的承压部件发生了破裂或泄露。发生了破裂或泄露。与脆性破裂一样，容器外观上没有明显的塑性变形，且是突发性的。主要原因，交变载荷的存在，主要原因，交变载荷的存在，包括高应力低循环疲劳和低应力高循环疲劳。疲劳破裂的发生常在局部应力较高或存在材料缺陷处。如遇使用强度较低且韧性较好的材料时，通常发生泄露；若压力容器的材料强度偏高且韧性较差时，则发生爆炸。2022/10/2738四、应力腐蚀破裂四、应力腐蚀破裂压力容器
24、材料在特定介质环境中，并在拉应力作用下，经过一定时压力容器材料在特定介质环境中，并在拉应力作用下，经过一定时间后发生开裂和破断的现象。间后发生开裂和破断的现象。因此，应力腐蚀破裂是应力与环境对材料综合作用的结果。主要原主要原因，化学腐蚀或电化学反应等。因，化学腐蚀或电化学反应等。应力腐蚀发生的条件：特定腐蚀介质与材料的组合拉应力的存在材料纯度和组织状态的影响2022/10/2739五、蠕变破裂五、蠕变破裂在高温下工作的压力容器，当操作温度超过一定极限，材料在应力在高温下工作的压力容器，当操作温度超过一定极限，材料在应力的作用下发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经过长期的积累，最终会的作用下发生缓
25、慢的塑性变形，这种塑性变形经过长期的积累，最终会导致材料破裂。导致材料破裂。不同材料具有不同的蠕变温度。低于此温度不会发生蠕变。容器超温、局部过热等是蠕变破类的常见原因。2022/10/2740第四节压力容器的制造安全技术第四节压力容器的制造安全技术自学自学2022/10/2741第五节第五节 安全泄压装置及相关计算安全泄压装置及相关计算一、安全泄放量的计算一、安全泄放量的计算Ws=7.55 d20w p/Z T其中：Ws 压力容器的安全泄放量，kg/h d 容器进口管的内直径，mm 0 标准状态下气体的密度，kg/m3 w 进口管内的气体流速，m/s p 排气压力（绝压），MPa p=1.1
26、*容器表压 Z 气体压缩因子 T 排气温度，K见见例例3，P164.为防止超压，单位时间内所必须的最低泄放量，学习压缩气体储罐的安全泄放量计算方法。2022/10/2742二、安全阀及其排放能力二、安全阀及其排放能力1.杠杆式安全阀和弹簧式安全阀2022/10/27432.安全阀排放能力的计算安全阀排放能力的计算例题4（安全阀的排放能力必须大于最低泄放量）2022/10/27443.安全阀的选择步骤安全阀的选择步骤根据容器工作压力、温度、介质特性和产品样本等，选择安全阀型式、规格和材料；按照选定的公称压力(PN)和公称直径(DN)，确定安全阀的阀座通径，并据此计算额定排放量G；计算容器的安全泄
27、防量Ws，要求满足G Ws 2022/10/2745三、爆破片及其选用三、爆破片及其选用1.爆破片的主要型式与特点爆破片的主要型式与特点2022/10/27462.爆破片爆破压力的确定爆破片爆破压力的确定参见P168例6的计算方法，会选择爆破片。3.爆破片排放面积的计算爆破片排放面积的计算经验公式（P169）2022/10/2747第六节压力容器的爆炸危害第六节压力容器的爆炸危害一、压缩气体容器的爆炸能量一、压缩气体容器的爆炸能量由于压缩气体的爆炸相当于瞬间泄压，未与外界发生能量交换，因此是绝热膨胀过程绝热膨胀过程，因此爆炸能量相当于理想气体绝热膨胀所释放的能量。计算方法170二、液化气体或高温饱和水容器的爆炸能量二、液化气体或高温饱和水容器的爆炸能量液化气体或高温饱和水容器破裂时，不仅要泄压膨胀泄压膨胀，饱和液体或过热水在大气温度和压力的条件剧烈蒸发沸腾剧烈蒸发沸腾，因此爆炸能量包括上述两部分能量。计算方法1712022/10/2748THE ENDThanks2022/10/2749