壓力容器安全管理工程-第五章

1、第五章 壓力容器的超壓泄放裝置王江云中國石油大學(xué)壓力容器安全管理工程 8/25/20221第五章 壓力容器的超壓泄放裝置主 要 內(nèi) 容第一節(jié)、超壓泄放裝置與安全泄放量第二節(jié)、超壓泄放裝置安全閥第三節(jié)、爆破片第四節(jié)、爆破片和安全閥的組合使用8/25/20222第一節(jié) 超壓泄放裝置與安全泄放量超壓泄放裝置的作用壓力容器通常在正常的工作壓力下是可以安全運行的。但由于某些物理化學(xué)過程或化學(xué)反應(yīng)過程等因素使容器內(nèi)的壓力升高，超過了容器允許承受的壓力，使它可能失效并由此造成更大事故。超壓壓力容器內(nèi)的實際壓力超過設(shè)計壓力（或超過最大工作壓力）。8/25/20223第一節(jié) 超壓泄放裝置與安全泄放量可能產(chǎn)生超壓

2、的情況：（1）自身不產(chǎn)生壓力的容器輸入氣量 輸出氣量，壓力上升超壓；管道被異物堵塞（包括腐蝕產(chǎn)物），壓力上升；閥門操作失誤（出口閥關(guān)閉），壓力上升。（2）較高壓力系統(tǒng)的介質(zhì)經(jīng)減壓閥進入較低壓力系統(tǒng)的容器，因減壓閥失靈而形成超壓。換熱中的管子滲漏使高壓側(cè)介質(zhì)流入低壓殼層等情況，導(dǎo)致超壓。8/25/20224第一節(jié) 超壓泄放裝置與安全泄放量可能產(chǎn)生超壓的情況：（3）容器裝料過量，如球形貯罐物料安全線為85，其余為氣壓區(qū)。（4）反應(yīng)器中產(chǎn)物體積有增加的化學(xué)反應(yīng)劇烈，失控超壓。為保證壓力容器的安全操作，防止超壓事故的發(fā)生，在壓力容器上裝設(shè)超壓泄放裝置。超壓泄放裝置是一種為保證壓力容器安全操作，防止產(chǎn)生

3、過量超壓的安全附件。8/25/20225第一節(jié) 超壓泄放裝置與安全泄放量安全泄放裝置的性能要求：（1）當(dāng)容器在正常操作壓力下運行時，它不影響容器的工作；（2）一旦容器內(nèi)的壓力超過規(guī)定時，它能自動開啟，把容器內(nèi)部分介質(zhì)或氣體迅速噴出，使容器內(nèi)的壓力保持在容許的范圍之內(nèi)，達到保護容器的目的；（3）具備自動報警的作用。8/25/20226第一節(jié) 超壓泄放裝置與安全泄放量一、超壓泄放裝置的設(shè)置原則（1）在生產(chǎn)過程中因物料的化學(xué)反應(yīng)，可能使壓力增加的容器應(yīng)單獨設(shè)置超壓泄放裝置（如反應(yīng)器、高壓聚合設(shè)備等）；（2）容器內(nèi)的介質(zhì)壓力因受熱而升壓較高，且容器與其它設(shè)備連接處裝有閥門，應(yīng)單設(shè)泄放裝置（如換熱器等）

4、；（3）液化氣容器（如球形貯罐）；（4）壓力源經(jīng)過減壓后進入容器，P設(shè)0開啟泄放回座關(guān)閉8/25/202242安全閥的工作特性圖：安全閥的運動過程微啟式全啟式上述安全閥的運動過程如圖所示：8/25/202243 安全閥的額定泄放量是按安全閥的理論泄放量與額定泄放量系數(shù)的乘積。 額定泄放量系數(shù)即安全閥的泄放系數(shù)乘以減低系數(shù)（取0.9）的乘積。 安全閥額定泄放量與壓力容器所需安全泄放量的關(guān)系為：額定泄放量的計算8/25/202244額定泄放量的計算式中： 安全閥的額定泄放量 額定泄放系數(shù) 安全閥的泄放壓力 氣體的分子量 氣體的壓縮系數(shù),查圖 氣體的溫度 氣體特性系數(shù)，查表 安全閥的泄放面積氣體介質(zhì)

5、在臨界狀態(tài)下的計算公式：8/25/202245例：有一只安全閥，其規(guī)格型號為A48Y-16C,DY40,閥座準(zhǔn)徑D=25mm，額定泄放系數(shù)k=0.8,若用壓縮空氣做試驗，常溫下操作。試問該閥的額定泄放量是多大？注：根據(jù)型號知：該安全閥為法蘭連接的彈簧式4、不封閉、帶扳手全啟式8，密封面材料為硬質(zhì)合金Y，壓力為1.6MPa，閥體材料為碳素鋼C，連接法蘭的公稱直徑為DN40，閥座準(zhǔn)徑D=25mm。已知：空氣的k=1.4（絕熱系數(shù)） C=356（氣體特性系數(shù)） M=28.96kg/kmol（氣體分子量） z=1.0（氣體壓縮系數(shù)）8/25/202246安全閥的開啟壓力，泄放壓力和容器的最大工作壓力，

6、設(shè)計壓力的關(guān)系： 安全閥作為壓力容器的超壓泄放裝置，當(dāng)容器在正常工作壓力（包括正常壓力波動范圍在內(nèi)）期間，安全閥應(yīng)保持密封并盡量減少泄漏；當(dāng)容器內(nèi)的壓力達到或接近設(shè)定壓力時，安全閥要及時開啟、泄放，以保障容器的安全。 為此，對于前面一種情況，應(yīng)適當(dāng)拉開容器的最大工作壓力（正常操作壓力下可能出現(xiàn)的最大值）與安全閥開啟壓力之間的差。8/25/202247 安全閥的開啟壓力，泄放壓力和容器的最大工作壓力，設(shè)計壓力的關(guān)系關(guān)系式8/25/202248安全閥的使用安全閥的選用 安全閥的選用，主要決定于容器的工藝條件及介質(zhì)的特性。一般應(yīng)考慮以下三方面問題。類型選擇壓力范圍額定泄放量8/25/202249安全

7、閥的使用按安全閥加載機構(gòu)的類型選擇。工作壓力不高、溫度較高的容器大多選用杠桿式，而高壓容器大多選用彈簧式。類型選擇按安全閥氣體排放方式選擇。如果容器的介質(zhì)為有毒、易燃易爆的氣體或者是制冷劑和其他會污染大氣的氣體，應(yīng)選用封閉式?？諝饧捌渌粫廴经h(huán)境的氣體可采用半封閉式和敞開式。按安全閥封閉機構(gòu)的形式選擇。高壓容器以及安全泄壓量較大而強度裕度不多的中、低壓容器都應(yīng)采用全開式安全閥，以減少容器的開孔面積，避免器壁強度削弱過多。8/25/202250安全閥的使用壓力范圍額定泄放量 安全閥的開啟壓力可通過加載機構(gòu)來調(diào)節(jié)，但必須注意到每種安全閥都有一定的工作壓力范圍。 不論選用何種結(jié)構(gòu)或形式的安全閥都必

8、須具有足夠的額定泄放量，并不得小于壓力容器的安全泄放量。8/25/202251安全閥的使用日常維護 為了確保安全閥的工作狀態(tài)良好，動作靈敏，必 須？加強維護與檢查。檢查鉛封是否完好。發(fā)現(xiàn)安全閥有泄漏跡象時，及時檢修或更換。禁止用增加載荷的方法來減少泄漏。為防止閥瓣和閥座內(nèi)的密封面上沾有油垢等對開啟壓力精度的影響，應(yīng)定期把扳手扳動幾次。8/25/202252定期校驗要求每年至少對安全閥作一次定期校驗。檢查要求安全閥的開啟壓力、回座 壓力、密封程度以及在額定泄放壓力下閥的開啟高度等，其要求與安全閥調(diào)試時相同。安全閥的使用8/25/202253上節(jié)課內(nèi)容回顧超壓泄放裝置的設(shè)置原則安全超壓時，安全泄壓

9、，并維持系統(tǒng)的正常工作超壓泄放裝置的種類安全閥爆破片安全閥-爆破片組合裝置壓力容器安全泄放量壓縮氣體或蒸汽儲存容器液化氣體儲存壓力容器的安全泄放量器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)使氣體體積增大的壓力容器8/25/202254上節(jié)課內(nèi)容回顧安全閥-爆破片的組合壓力容器安全泄放量安全閥：閥型和斷裂型，防止安全閥的泄露問題，又滿足泄壓后的自動恢復(fù)；有毒，腐蝕，液化氣體；升壓速度快壓縮氣體或蒸汽儲存容器的安全泄放量；液化氣體儲存壓力容器的安全泄放量；器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)使氣體體積增大的壓力容器作用：自動泄壓并恢復(fù)密封，保證壓力容器不致因超壓運行而發(fā)生事故分類：1、加載：重塊式、杠桿式、彈簧式； 2、閥瓣開啟特性：全啟式、微啟式；

10、 3、介質(zhì)排放類型：敞開式、全封閉式；工作特性：額定泄放量：額定泄放量大于等于壓力容器的安全泄放量8/25/202255SZT系列閥門強度與密封性 試驗臺SAT-Q系列安全閥 校驗臺及超高壓氣源增壓器8/25/202256安全閥-在線調(diào)校儀ST-2000安全閥在線調(diào)校儀可對帶壓在用或免拆、冷態(tài)狀況下的安全閥進行校驗及整定開啟壓力，從而滿足裝置滿負荷、長周期連續(xù)生產(chǎn)的要求。8/25/202257TFA72W-10P/10R型 真空負壓安全閥GA41H-16C/25/40 A51H- 16C/25/40型單杠桿安全閥GA44H-64 DN80雙杠桿式安全閥其它形式安全閥先導(dǎo)式安全閥 高壓安全閥8/

11、25/202258彈簧式安全閥常用的安全閥 LFWA42C型磅級波紋管平衡式彈簧安全閥A37H/A38Y-25雙聯(lián)彈簧式安全閥全啟式安全閥A44Y-16C型全封閉帶板手全啟式安全閥A28H-16C型帶手柄彈簧全啟式安全閥8/25/202259焊接微啟式安全閥 微啟式安全閥封閉微啟系列安全閥 A61Y-P型微啟式安全閥 A21H-16C/25/40 型微啟式安全閥微啟式安全閥8/25/202260帶扳手雙聯(lián)微啟系列安全閥 高壓封閉微啟系列安全閥 帶扳手封閉全啟系列安全閥 敞開微啟系列安全閥 微啟式安全閥8/25/202261JA22H-2.5 型靜重式安全閥 AQ-20型空壓機安全閥 AHN42

12、F-P25型平衡式安全回流閥 手輪式安全閥外螺紋安全閥其它形式安全閥8/25/202262國外部分安全閥產(chǎn)品系列：174A - 740ASME（美國機械工程師協(xié)會）水減壓安全閥適用于熱水加熱鍋爐壓力保護 美國全自動降溫壓安全閥8/25/202263思 考 題1什么情況下，壓力容器必須單獨設(shè)安全泄壓裝置。2什么是壓力容器安全泄放量？3簡述微啟式彈簧安全閥的工作特性。4安全閥的日常維護需注意哪些問題？8/25/202264爆破片在壓力容器上的應(yīng)用爆破片的設(shè)計計算爆破片的使用和管理爆破片爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/202265 爆破片也是安全泄放裝置之一。主要由爆破片和夾持器組成。當(dāng)容器內(nèi)的壓力超過正

13、常工作壓力達到爆破片的標(biāo)定爆破壓力時，爆破片自行爆破，容器內(nèi)的氣體通過爆破片向外排出，從而避免了容器本體發(fā)生重大惡性事故，但泄壓后的容器也中斷運行。爆破片8/25/202266爆破片在壓力容器上的應(yīng)用爆破片與安全閥相比，其使用范圍要廣得多。 以溫度而言，適用范圍在-253480甚 至更高； 以壓力而言，適用范圍在7KPa800MPa之間； 以泄放口徑而言，適用范圍在81000mm甚 至更大； 以防腐性能而言，對于酸堿鹽類腐蝕介質(zhì)適用。8/25/202267爆破片的優(yōu)點1.密封性能好；2.泄壓反應(yīng)較快；3.適用范圍廣；4.容器內(nèi)介質(zhì)所含污染物對爆破片的影響小。爆破片的缺點1.爆破片不能重復(fù)使用；

14、2.破裂后容器必須停止運行。 所以，爆破片一般用于超壓可能性較小，以及裝設(shè)閥形安全閥不能確保壓力容器安全運行的場合（例如我們常使用的高壓鍋）。爆破片在壓力容器上的應(yīng)用8/25/202268 爆破片的結(jié)構(gòu)形式很多，若按照受里破壞的作用原理和與它相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，可分為4大類1.受拉伸破壞的爆破片2.受剪切破壞的爆破片3.受彎曲破壞的爆破片4.受失穩(wěn)破壞的爆破片爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/2022691.受拉伸破壞的爆破片普通正拱型開縫正拱型周邊壓緊，一側(cè)受載后，呈凸形，片內(nèi)拉應(yīng)力，P上升，中部破，泄壓。2.受剪切破壞的爆破片平板型爆破片開槽拱型爆破片夾持器的周邊被剪切破壞。（形成結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)）平板型

15、爆破片正拱型爆破片爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/2022703.受彎曲破壞的爆破片4.失穩(wěn)破壞的爆破片 （也稱反拱型）抗疲勞性能好。凸側(cè)承受壓力，片內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，P上升至臨界P,片失穩(wěn)，瞬時翻轉(zhuǎn)，失效泄壓。脆性材料，片受載后幾乎不產(chǎn)生塑性變形。形成平板彎曲破壞。帶刀架的反拱型帶點環(huán)的反拱型刻槽反拱型彈射式反拱型爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/202271爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/202272反拱型爆破片正拱型爆破片螺栓型和焊接型爆破片石墨型爆破片爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/202273S-90 型沿刻痕爆破的反拱刻槽型爆破片。 即使爆破片受損或安裝反了，它也仍將在1.5倍的額定壓力內(nèi)爆裂。JRS 型 J

16、AWS 反拱型爆破片，爆破壓力低于 S-90 型爆破片。它沿爆破片上的環(huán)齒反拱且爆破。 RLS 型LIQUIFLO 反拱型爆破片用于液體和氣體介質(zhì)。在全液體或氣體介質(zhì)系統(tǒng)中，爆破片上的圓刻痕和折頁可使其完全打開。爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/202274平板型爆破片缺點：介質(zhì)壓力波動易使爆破片塑性變形，抗疲勞 性能差，使用壽命短，且爆破壓力精度偏低。優(yōu)點：加工容易。正拱型爆破片 使用時介質(zhì)壓力在片凹側(cè)，可用于氣體或液體介質(zhì)的泄放。可提高爆破片的抗疲勞性能，延長壽命和提高爆破精度，這種性能較優(yōu)良的爆破片已成為我國主要使用的爆破片品種之一。爆破片的結(jié)構(gòu)形式8/25/202275爆破片的設(shè)計計算爆破片的

17、設(shè)計計算包括：1.結(jié)構(gòu)選型2.材料選用3.額定泄放面積計算4.爆破片厚度的確定8/25/202276爆破片的設(shè)計計算結(jié)構(gòu)選型 常用的幾種爆破片如表5-2所示。其類型主要根據(jù)容器內(nèi)的壓力、介質(zhì)溫度、腐蝕性，以及載荷的穩(wěn)定性選擇。爆破片的設(shè)計計算表5-2 爆破片類型選擇8/25/202277爆破片的設(shè)計計算8/25/202278材料選擇 爆破元件分塑性材料和脆性材料兩大類。拉伸和剪切破壞型大多采用塑性較好的材料；而彎曲破壞則采用脆性材料（如鑄鐵、石墨等） 。對爆破片金屬的溫度適用范圍限定的要求見表5-3。爆破片的設(shè)計計算8/25/202279額定泄放面積計算條件：爆破片的實際有效泄放面積 額定泄放

18、面積（1）介質(zhì)為氣體時的額定泄放面積（臨界條件下）爆破片的設(shè)計計算8/25/202280設(shè)計爆破壓力（絕壓），包括設(shè)計壓力和超壓允許 值,MPa ;爆破片的額定泄放面積 ;壓力容器的所需安全泄放量 ;氣體分子量 ;在泄放壓力及相應(yīng)溫度氣體的壓縮系數(shù)，對空氣，Z=1.0 ;閥門進口處氣體絕對溫度（+273）,K ;額定泄放系數(shù)，取K=0.62 ;式中：爆破片的設(shè)計計算8/25/202281（2）介質(zhì)為液體時的額定泄放面積式中：閥門前后壓力降，MPa ;爆破片的額定泄放面積， ；閥門入口側(cè)溫度下液體密度， ；爆破片的設(shè)計計算8/25/202282（3）介質(zhì)為飽和蒸汽時的額定泄放面積式中：爆破片的額

19、定泄放面積， ；設(shè)計爆破壓力（絕壓），包括設(shè)計壓力和超壓允許值,MPa ;額定泄放系數(shù)，取K=0.62 ;壓力容器的安全泄放量 ;爆破片的設(shè)計計算8/25/202283例題： 一壓力容器設(shè)計壓力為0.7MPa，介質(zhì)為空氣，溫度為20的容器與乙烯裝置相連，為防止由于乙烯滲入與混合使壓力升高引起容器破壞，在容器上裝設(shè)爆破片裝置，試計算爆破片的有效泄放面積和直徑（已知容器的安全泄放量為 ）。注：因容器的介質(zhì)為空氣，且壓力不高，取Z=1.0，k1.4，C=356，K=0.62， =（0.7+0.1）=0.8MPa， M=28.92 ，T=（20+273）=293K， =爆破片的設(shè)計計算8/25/202

20、284代入公式：爆破片的泄放面積直徑D為：.AD4=p爆破片的設(shè)計計算8/25/202285爆破片厚度計算 爆破片壓力主要取決與爆破元件的厚度。但迄今尚無一完整的精確計算公式。常用半經(jīng)驗公式?？稍谝韵鹿街腥芜x一個。（拉伸型）（1）. =0-35MPa ，平板式正拱型。S爆破片厚度，mm；爆破片由設(shè)計確定的爆破壓力，MPa；式中：爆破片的設(shè)計計算8/25/202286材料的工作溫度下的強度極限 MPa；D爆破片夾緊直徑mm。（2）. =0-35MPa ，平板型或正拱型爆破片。式中：室溫下的爆破壓力，對于操作溫度下的 還應(yīng)乘上溫度校正因數(shù)，如 （查圖得，如150即系數(shù)為0.68）；K系數(shù)；爆破片

21、的設(shè)計計算8/25/202287（3）. =0-35MPa ，常溫下正拱型爆破片。式中：實驗系數(shù)，查表5-6；材料強度限實測值，查表5-6，MPa.爆破片的設(shè)計計算8/25/202288例題： 一壓力容器設(shè)計壓力為0.7MPa，介質(zhì)為空氣，溫度為20的容器與乙烯裝置相連，為防止由于乙烯滲入與混合使壓力升高引起容器破壞，在容器上裝設(shè)爆破片裝置，試計算爆破片的有效泄放面積和直徑（只知容器的安全泄放量為 ）。按上面的有關(guān)參數(shù)，求爆破片的厚度？=0.7MPa，D=500mm，T=20材料為1Cr18Ni9Ti， =720.1MPa爆破片的設(shè)計計算8/25/202289解：所以，S0.14mm。爆破片的

22、設(shè)計計算8/25/202290爆破片的爆破壓力和容器最大工作壓力與設(shè)計壓力的關(guān)系確定爆破片的爆破壓力應(yīng)考慮兩個方面的因素： 爆破元件自身性能和特點。即一定溫度壓力下，抗疲勞和蠕變的能力。所以 。標(biāo)定爆破壓力取一批元件爆破壓力的平均值。例如： =10MPa，則該批爆破片的實際壓力在9.5 10.5MPa范圍內(nèi)均為合格。爆破片的設(shè)計計算8/25/202291關(guān)系圖壓力+-爆破片側(cè)設(shè)計爆破壓力容器側(cè)最大工作壓力設(shè)計壓力普通正拱型：開縫正拱型：脈動壓力時：國內(nèi)： 國際：爆破片的設(shè)計計算8/25/202292例如：設(shè)計壓力為10.5MPa國際標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)爆破片的設(shè)計計算8/25/202293由以上分析可以看出：（1）.（2）.P與 之間有一個壓力臺階，也是 壓力容器安全裕度的一部分。爆破片的設(shè)計計算8/25/202294爆破片的使用與管理1.爆破片要求正確安裝，其受力方向不能裝反， 爆破片不能擦傷、劃痕，其爆破壓力與容器要 求一致；2.若爆破片破裂有碎片產(chǎn)生時，則應(yīng)裝設(shè)攔網(wǎng)， 以免碎片填塞管道；3.爆破片定期更換，每年至少一次；4.爆破片和安全閥的混合使用8/25/202295(1)安全閥在進口側(cè) 安全閥保護爆破片不受脈動載荷的影響