《礦井災害防治與智能監(jiān)測》課件-第八章 壓力容器安全

第八章

壓力容器安全

8.1壓力容器概述

8.1.1壓力容器從廣義上講應該包括所有盛裝氣體或液體，承受一定壓力載荷的容器。

《特種設備安全監(jiān)察條例》規(guī)定安全監(jiān)察范圍：同時符合下述3個條件的固定式壓力容器或移動式壓力容器：(1)最高工作壓力p≥0.1Mp(不包括液體靜壓力，下同)；(2)壓力與容積的乘積pV≥2.5MPa·L；(3)工作介質(zhì)為氣體、液化氣體和最高工作溫度不小于標準沸點(指在1.013×105Pa壓力下的沸點)的液體。

壓力容器《特種設備安全監(jiān)察條例》規(guī)定安全監(jiān)察范圍：符合下述3個條件的氣瓶：(1)工作壓力p≥0.2MPa(表壓)；(2)壓力與容積的乘積pV≥1.0MPa·L；(3)工作介質(zhì)為氣體、液化氣體和標準沸點等于或者低于60℃的液體；壓力容器分類

按容器所承受壓力的大小把壓力容器分為如下4類：低壓容器，設計壓力0.1≤p＜1.6MPa；中壓容器，設計壓力1.6≤p＜10MPa；高壓容器，設計壓力10≤p＜100MPa；超高壓容器，設計壓力p≥100MPa。壓力容器分類根據(jù)承受壓力的高低，工作介質(zhì)的危險程度和在生產(chǎn)中的重要性，把壓力容器劃分為3類：(1)屬于下列情況之一者為一類容器：非易燃或無毒介質(zhì)的低壓容器；易燃或有毒介質(zhì)的低壓分離器和換熱器。(2)屬于下列情況之一者為二類容器：中壓容器；毒性為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器；易燃或毒性為中度危害介質(zhì)的反應容器和低壓儲存容器；低壓管殼式余熱鍋爐；低壓搪玻璃壓力容器。壓力容器分類(3)屬于下列情況之一者為三類容器：高壓容器；毒性為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器；易燃或毒性為中度危害介質(zhì)且PV≥10MPa·m3的中壓貯運容器；易燃或毒性為中度危害介質(zhì)且PV≥0.5MPa·m3的中壓反應容器；毒性為極度和高度危害介質(zhì)且PV≥0.2MPa·m3的低壓容器；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；中壓搪玻璃壓力容器；各種移動式壓力容器；容積V≥50m3的球形儲罐；容積V>5m3的低溫液體儲存容器。8.1.2壓力容器的基本結構最基本結構是一個密閉殼體，其形狀多為球形或圓筒型。

礦山應用的壓力容器以圓筒形容器為多。低壓容器的筒體為薄壁圓筒體，一般都采用焊接結構。采用的凸形封頭，有半球形、橢圓形、碟形等形狀。橢圓形封頭應用最多。

封頭

圓筒體

接管

排泄管

接管

壓力容器的結構基本要求

承壓殼體的結構形狀應該連續(xù)和圓滑過渡，避免因幾何形狀的突變或結構上的不連續(xù)產(chǎn)生較高的應力。把器壁開孔、焊縫或轉(zhuǎn)角等產(chǎn)生應力集中或降低部件強度的結構相互錯開，防止局部應力疊加。避免采用剛性大的結構。剛性結構使焊接時的自由脹縮受到約束，產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應力，也會限制承壓殼體受壓力或溫度變化引起的伸縮變形，產(chǎn)生附加彎曲應力或正應力。

常見的制造缺陷

焊接缺陷：沒焊透、氣孔、夾渣、焊縫咬邊和焊縫裂紋等。殘余應力：較大的殘余應力會使容器的承壓能力降低，產(chǎn)生局部裂紋，并且能加劇應力腐蝕破壞及疲勞破壞。幾何形狀不連續(xù)：殼體的幾何形狀，如橢圓度等，不符合要求；焊縫接頭不平整，或表面粗糙等問題，會造成局部應力集中和應力腐蝕廠最終導致容器破壞。

8.2壓力容器的設計

8.2.1圓筒形薄壁容器的應力分析

圓筒形薄壁容器的主體部分為圓筒形殼體，稱之為“薄壁圓筒。在內(nèi)壓力p的作用下，筒壁上的任一點產(chǎn)生沿圓筒軸向的軸向應力和沿圓周切向的環(huán)向應力。

1.軸向應力分析

用垂直于圓筒軸線的假想截面將圓筒截為兩部分，考察其中的一部分的力平衡條件。在x方向的力平衡條件是軸向應力

2.環(huán)向應力分析假設圓筒長為L，且沿長度方向上環(huán)向應力均勻分布。用沿圓筒軸向過直徑的假想截面把圓筒分為兩部分，考察其中一部分的力平衡條件。由y方向的力平衡條件環(huán)向應力圓筒形薄壁容器的應力分析薄壁圓筒承受內(nèi)壓時，其環(huán)向應力是軸向應力的2倍。筒體的縱焊縫較環(huán)焊縫受力大得多，在制造和檢驗方面都有特殊的要求。如果需要在筒體上開孔，應該盡量開成其短軸平行于筒體軸線的橢圓形孔。封頭頂部的應力

8.2.2壓力容器設計的幾個基本參數(shù)設計壓力：在設計的工作溫度一定時，用以確定殼壁計算厚度及其它零部件尺寸的壓力。一般情況下，取壓力容器的最高工作壓力作為設計壓力。在容器帶有安全泄壓裝置的場合，設計壓力往往略高于最高工作壓力，以避免安全泄放裝置做不必要的泄放。

壓力容器設計的幾個基本參數(shù)設計溫度：容器在正常工作過程中，在設計壓力下，殼體或金屬元件可能達到的最高或最低溫度。當設計溫度不超過20℃時，屬于低溫容器；當設計溫度高于45℃時，屬于高溫容器。許用應力：以材料的極限應力為基礎，并選用合理的安全系數(shù)得到。焊縫系數(shù)：焊縫強度與原材料強度的比值。壁厚附加量

8.2.3

圓筒形薄壁容器壁厚設計筒體壁厚計算根據(jù)應力分析

用內(nèi)徑Di取代平均直徑D

，考慮焊縫系數(shù)和壁厚附加量圓筒形薄壁容器壁厚設計封頭壁厚計算

橢圓形封頭采用JB1154-73標準。當8.3安全泄壓裝置

8.3.1安全泄壓裝置的類型閥型安全泄壓裝置：以閥的開啟排放部分介質(zhì)來達到降壓目的的。斷裂型安全泄壓裝置：通過元件在較高壓力下發(fā)生破裂，排出內(nèi)部介質(zhì)來達到泄壓的目的。熔化型安全泄壓裝置：借助高溫下易熔合金熔化，使容器內(nèi)介質(zhì)從原來充填有易熔合金的孔道中排出，達到安全泄壓的目的。組合型安全泄壓裝置。

8.3.2壓力容器的安全泄放量壓力容器的安全泄放量：壓力容器的內(nèi)部壓力超過允許工作壓力時，為了使內(nèi)部壓力不再繼續(xù)上升，在單位時間內(nèi)必須泄放的介質(zhì)量。

1.壓縮氣體容器的安全泄放量取決于輸入的氣體量?？諝鈮嚎s機的緩沖儲氣罐、油水分離器等附屬容器的安全泄放量，就是空氣壓縮機的產(chǎn)氣量。非設備附屬容器2.液化氣體的安全泄放量取決于在最惡劣的受熱條件下內(nèi)部液態(tài)介質(zhì)的蒸發(fā)量。液態(tài)介質(zhì)的蒸發(fā)量取決于容器的吸熱情況。當壓力容器無絕熱保溫層時有良好的絕熱保溫層時

8.3.3安全閥

安全閥由閥座、閥瓣和加載機構組成。閥座與容器內(nèi)部聯(lián)通；閥瓣上部與加載機構相連，在加載機構施加的載荷的作用下，閥瓣緊扣在閥座上。加載機構施加的載荷的大小是可以調(diào)節(jié)的。當容器內(nèi)的壓力達到安全閥的開啟壓力時，內(nèi)部壓力作用于閥瓣上的力大于加載機構施加的力，閥瓣離開閥座，使內(nèi)部氣體排出。當內(nèi)部壓力降低后，在加載機構施加載荷的作用下，閥瓣重新緊扣在閥座上，使容器保持正常的工作壓力。

1.安全閥的種類

根據(jù)加載機構的不同，有彈簧式、杠桿式和脈沖式3種。根據(jù)安全閥閥瓣的最大開啟高度與閥孔直徑之比的大小，可以把安全閥分為全啟式和微啟式兩種。

2.安全閥的排量安全閥的排量：處于全開狀態(tài)時，在泄放壓力下單位時間內(nèi)排出的氣體量。工作介質(zhì)為空氣、氧氣等雙原子氣體的中、低壓容器的安全閥

3.安全閥的使用與維護

對安全閥的基本要求是，動作靈敏可靠，密封性能良好，結構緊湊，調(diào)節(jié)、維修方便。在選用安全閥時，要使其工作壓力與容器的工作壓力相適應，安全閥的排量必須大于容器的安全泄放量。安全閥必須垂直安裝，一般應該安裝在容器本體上。液化氣體儲罐的安全閥應該裝設在其氣相部位。安全閥周圍的環(huán)境溫度應該在0℃以上。

安全閥的使用與維護安全閥在安裝之前要進行耐壓試驗和氣密性試驗。調(diào)整加載機構和調(diào)節(jié)圈對安全閥進行調(diào)整和校正，以保證它在工作壓力下嚴密不漏，在容器內(nèi)部壓力超過工作壓力時能夠及時開啟排氣。經(jīng)常進行維修和檢查，定時進行清洗、研磨和試驗、調(diào)整。8.4壓力容器的破壞

8.4.1壓力容器的破壞形式1.塑性破壞容器破壞后有明顯的塑性變形，破壞后容積殘余變形率和圓周最大伸長率可達10%~20%。裂口呈撕裂狀、不齊平，且與容器軸向平行；斷口為暗灰色的纖維狀，有明顯地減?。灰话銢]有碎片或只有少量碎塊。壓力容器的塑性破壞主要是由于使用、維修和操作不當引起的。

壓力容器的破壞形式2.脆性破壞一種突然發(fā)生的破壞。裂口齊平，斷口呈現(xiàn)金屬光澤的結晶狀。脆性破壞多發(fā)生在寒冷的冬季。因為鋼的低溫冷脆性。容器的脆性破壞多屬于容器本身的質(zhì)量問題。

壓力容器的破壞形式3.疲勞破壞由于頻繁地加壓、卸壓，器壁長期受到交變載荷的作用產(chǎn)生金屬疲勞而發(fā)生的。斷口呈現(xiàn)兩個明顯不同的區(qū)域：斷口較平滑的疲勞破裂發(fā)生和擴展區(qū)域；斷口呈纖維狀或結晶狀的最后斷裂區(qū)域。疲勞破壞只產(chǎn)生了一個破裂口，使容器泄漏而失效。壓力容器的破壞形式4.腐蝕破壞壓力容器的腐蝕破壞以應力腐蝕破裂為主。所謂應力腐蝕破裂，是指在拉應力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的“滯后破壞”。5.蠕變破壞長期在高溫下工作的壓力容器，器壁發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形——蠕變，壁厚逐漸減薄，最終導致容器破裂。蠕變破壞發(fā)生于高溫壓力容器。

8.4.2壓力容器的爆炸能量屬于物理爆炸。1.壓縮氣體容器的爆炸能量

壓縮氣體膨脹釋放的能量，是氣體絕熱膨脹所作的功：

可燃性氣體容器外二次爆炸能量，屬于化學爆炸：

壓力容器的爆炸能量2.液化氣體容器爆炸能量容器的爆炸能量是飽和液體蒸發(fā)所釋放出的能量：8.4.3壓力容器爆炸的破壞作用爆炸沖擊波的破壞作用。

爆炸碎片的破壞作用。碎片對周圍設備、建筑物的破壞作用，常用穿透能力來描述。碎片的穿透能力與它的動能成正比：

8.5壓力容器的

使用與管理

壓力容器的使用與管理壓力容器屬于特種設備。特種設備：涉及生命安全、危險性較大的鍋爐、壓力容器、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施等。根據(jù)《特種設備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，國家對壓力容器的設計、制造、安裝、改造、維修、使用和檢驗等環(huán)節(jié)實行安全監(jiān)察。

壓力容器的使用與管理礦山企業(yè)必須根據(jù)《特種設備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，選購和使用有相應資質(zhì)的設計單位設計、有相應資質(zhì)的廠家制造的符合安全技術規(guī)范要求的壓力容器，并由有相應資質(zhì)的單位安裝和檢驗。壓力容器的使用與管理壓力容器投入使用前，使用單位應當核對其是否附有安全技術規(guī)范要求的設計文件、產(chǎn)品質(zhì)量合格證明、安裝及使用維修說明、監(jiān)督檢驗證明等文件。在投入使用前或者投入使用后30日內(nèi)，應當向省級（移動式壓力容器）或市級（其它壓力容器）的特種設備安全監(jiān)督管理部門登記，登記標志應當置于或者附著于該壓力容器的顯著位置。8.5.1壓力容器的日常管理

建立壓力容器安全技術檔案制定壓力容器安全操作規(guī)程正確使用、維護壓力容器操作人員應該經(jīng)過培訓，取得特種作業(yè)人員證書，持證上崗，并且嚴格遵守安全操作規(guī)程。進行經(jīng)常性日常維護保養(yǎng)，并定期自行檢查。8.5.2壓力容器的檢驗外部檢驗：每年至少進行一次。內(nèi)外部檢驗：投入使用3年進行首次檢驗，以后根據(jù)容器的安全等級至少每3年或6年進行一次。內(nèi)外部檢驗在容器停止運行后進行，除外部檢驗內(nèi)容外，主要檢查容器的缺陷產(chǎn)生和發(fā)展情況。耐壓試