化工安全工程第五章-壓力容器安全課件

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2023/2/61一、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(lèi)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：量大面廣事故率高危害性大第一節(jié)壓力容器的安全問(wèn)題2023/2/62第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全壓力容器的特點(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2023/2/63第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全壓力容器的特點(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)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，而成為一類(lèi)特殊設(shè)備。

操作的復(fù)雜性2023/2/65第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全壓力容器的特點(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2023/2/66第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全壓力容器的特點(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14～16MPa，工作溫度為250～330oC，容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚317mm，重650噸如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為17.5～25MPa，工作溫度為450～550oC，內(nèi)直徑為3000～5000mm，壁厚為200～400mm，重400～2600噸對(duì)這類(lèi)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2023/2/67第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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2023/2/69第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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?xún)?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1962-196710030070.7×10－41251.25×10－31321.32×10－31967-1972105400161.5×10－41231.17×10－31391.32×10－32023/2/610第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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2023/2/611第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全(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。2023/2/613第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全（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(chǎng)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(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(xiàn)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)后仍難以確保安全使用的壓力容器。必須報(bào)廢。2023/2/614第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全第二節(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2023/2/615第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全二、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2023/2/617第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全設(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dd根據(jù)下式計(jì)算：2023/2/618第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全設(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；[s]t＝170MPa；j＝1.O(雙面對(duì)接焊100％探傷）C2=1mm（腐蝕余量）2023/2/619第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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，j＝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2023/2/621第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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。

2023/2/622第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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。2023/2/623第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全設(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A26002023/2/625第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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）450-1.6

RF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。2023/2/626第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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2023/2/629第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全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(chēng)、規(guī)格、尺寸、材料等見(jiàn)明細(xì)表。

2023/2/630第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全本貯罐技術(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)j＝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2023/2/631第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全2023/2/632第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全技術(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

2023/2/633第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全接管表符號(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2023/2/634第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全厚度的定義計(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2023/2/635第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全第三節(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12.2023/2/636第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全二、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14.2023/2/637第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全三、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。2023/2/638第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全四、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2023/2/639第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全五、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。2023/2/640第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全第四節(jié)壓力容器的制造安全技術(shù)－－自學(xué)2023/2/641第六章壓力容器和機(jī)電設(shè)備安全第五節(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=7.55d2ρ0wp/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/m3w

進(jìn)口管內(nèi)的氣體流速，m/sp排氣壓力（絕壓），MPa

p=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。2023/2/6