化工安全工程課件 第五章-壓力容器安全.ppt

1、第五章 壓力容器安全,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) 壓力容器的制造安全技術(shù)（自學(xué)） 第五節(jié) 安全泄壓裝置及相關(guān)計(jì)算 第六節(jié) 壓力容器的爆炸危害,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，且盛裝介質(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。 從安全使用管理角度而言，也是一類具有潛在爆炸危險(xiǎn)的特種設(shè)備。對(duì)其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和密封性均有要求。 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

2、廣 事故率高 危害性大,第一節(jié) 壓力容器的安全問(wèn)題,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,壓力容器的特點(diǎn),壓力容器不僅被廣泛用于化學(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，其中尤以石油化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍，石油化工企業(yè)中的塔、釜、槽、罐無(wú)一不是貯器或作為設(shè)備的外殼，而且絕大多數(shù)是在壓力溫度下運(yùn)行， 如一個(gè)年產(chǎn)30萬(wàn)噸

3、的乙烯裝置，約有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，但它是用直接火焰加熱的特種受壓容器，至于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,壓力容器的特點(diǎn),壓力容器的操作條件十分復(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(dá)140 MPa；溫度從-200C低溫到超過(guò)一千攝氏度的高溫；而處理介質(zhì)則包括爆、燃、毒、輻(照)、腐(蝕)、磨(損)等數(shù)千個(gè)品種。 操作條件的復(fù)雜性使壓力容器從設(shè)計(jì)、制造、安裝到使用、維護(hù)都不同于一般機(jī)械設(shè)備

4、，而成為一類特殊設(shè)備。 ,操作的復(fù)雜性,壓力容器的特點(diǎn),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； 大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和液體，若容器破裂，導(dǎo)致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來(lái)的破壞能量極大 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，一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂，器內(nèi)易爆、易燃、有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢(shì)必造成極具災(zāi)難性的后果。 因此，對(duì)壓力容器要求很高的安全可靠性。 ,安全的高要求,壓力容器的特點(diǎn),當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展 如核電站一個(gè)1500MW壓水堆壓力殼，工作壓力為1416MPa，工作溫度為250330C，容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚3

5、17 mm，重650噸 如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為17.525MPa，工作溫度為450550C，內(nèi)直徑為30005000mm，壁厚為200400 mm，重4002600噸 對(duì)這類容器的工藝要求和運(yùn)行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器又有更高更嚴(yán)格的安全性要求。 ,安全的高要求,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16910輛，在用氣瓶5498.7571萬(wàn)只；鍋爐總臺(tái)數(shù)也高達(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)。 如此龐大且潛在隱患容器的存在，以及地域廣泛的

6、制造設(shè)計(jì)部門，自然成為國(guó)內(nèi)外政府部門特別重視其安全管理和監(jiān)察檢查的原因。 ,量大面廣,壓力容器的安全特征,國(guó)內(nèi)1998年共發(fā)生鍋爐、壓力容器、氣瓶爆炸事故132起，嚴(yán)重事故274起，共死亡104人，受傷371人，直接經(jīng)濟(jì)損失2813.58萬(wàn)元。 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)。 ,事故率高,壓力容器的安全特征,1968年英國(guó)原子能局（UKAEA）安全衛(wèi)生處和聯(lián)合部技術(shù)委員會(huì)（AOTC）工程檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以內(nèi)，一級(jí)壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計(jì)情況如下表所示：,危害性大,壓力容器破壞幾率 年份 容器運(yùn)行 災(zāi)難性事故a 損傷事故

7、b 總計(jì) 臺(tái)年 次數(shù) 事故率 次數(shù) 事故率 次數(shù) 事故 1962-1967 100300 7 0.7104 125 1.25103 132 1.32103 1967-1972 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(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，89.3%，即118起是各種制造裂紋所引起

8、。 ,危害性大,(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) 0.1MPaP1.6MPa； (2)中壓(代號(hào)M) 1.6MPaP10MPa； (3)高壓(代號(hào)H) 10MPaP100MPa； (4)超高壓(代號(hào)U) P100MPa。 (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、 分離壓力容器、換熱壓力容器、儲(chǔ)存壓力容器。（P133）,二、壓力容器的分類（多種分類方式）,(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 l.第一類壓力容器 2.第二類壓力容器 3.第三類壓力

9、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(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?，該合成塔屬于三類高壓反?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)，該容器屬于三類低壓分離壓力容器。,（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)

10、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)：存在某些不危及安全且難以糾正的缺陷的新壓力容器；存在某些不危及安全可不修復(fù)的一般性缺陷的在用壓力容器。 3級(jí)：資料不夠齊全，制造時(shí)存在某些不符合有關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)的問(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，不能在規(guī)定的條件下和檢驗(yàn)周期內(nèi)安全使用的壓力容器。 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

11、仍難以確保安全使用的壓力容器。必須報(bào)廢。,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,兩個(gè)基本參數(shù)：,公稱直徑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的容器的公稱直徑標(biāo)記為DN1200。 公稱壓力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)壓力稱為公稱壓力，以PN表示，單位MPa。,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(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

12、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,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L4800mm。 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dd根據(jù)下式計(jì)算：,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；st170MPa； j1.O(雙面對(duì)接焊100探傷） C2=1mm （腐蝕余量）,取Cl0.8mm（鋼板負(fù)偏差），圓整取dn16mm厚的16

13、MnR鋼板制作罐體。,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dd計(jì)算式：,其中，j1.0 考慮鋼板厚度負(fù)偏差及沖壓減薄量，圓整后取dn16mm厚16MnR鋼板制作,校核罐體與封頭水壓試驗(yàn)強(qiáng)度,ss=345 MPa,水壓試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。,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。,（1）罐體質(zhì)量m1 ,筒節(jié)DN=2600mm，dn=16mm，q1=1030Kg/m m1=q1L=4944(Kg) （2）封頭質(zhì)量m2 ,橢圓形封頭DN=2600mm，dn=16mm，h=40m

14、m q2=1100Kg/個(gè) m2=2q2=2200(Kg) （3）充水質(zhì)量m3 m3=V V=V對(duì)+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(jì)， m4=500Kg,設(shè)備總重量 m=m1+m2+m3+m4 =4950+2200+30420+500=38070=38.1 t 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 JBT4712-92鞍座 A2600,4. 人孔,常溫及最高工作壓力1.6MPa，按公稱壓力1.6MPa的等級(jí)選取。 人孔標(biāo)記： HG21523-95 人孔R(shí)F （AG）450-1.6 RF

15、指突面密封 指接管與法蘭的材料為20R， AG是指用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(bǔ)強(qiáng)確定,人孔筒節(jié)內(nèi)徑d450mm， 壁厚dn10mm。 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。,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,7設(shè)備總裝配圖,附有貯罐的總裝配圖，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(jiàn)明細(xì)表。,本貯罐技術(shù)要求,1本設(shè)備按GBl50-1998鋼

16、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)j1.0) 3焊接采用電弧焊，焊條型號(hào)為E4303 4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,技 術(shù) 特 性 表,接 管 表,厚度的定義,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

17、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.,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型稱為脆性破裂。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.,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

18、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。,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,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)熱等是蠕變破類的常見(jiàn)原因。,第四節(jié)壓力容器的制造安全技術(shù)自學(xué),第五節(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=7.55 d20w p / Z T 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 0