压力容器安全基础知识

压力容器安全基础知识,长春市质量技术监督局 王世忠,提纲,压力容器定义 压力容器术语 压力容器的分类 压力容器结构 压力容器设计 压力容器制造 压力容器的安全附件 压力容器的检验,2019/6/15,3,压力容器制造过程事故,兰州高压反应器水压试验开裂,15CrMoR钢板设备水压试验开裂,进口二氧化碳气提塔水压试验开裂,西安液化气爆炸事故,1998年3月5日傍晚18:45，随着一声惊天动地的巨响，西安市建国以来最大的一起事故发生了。 储罐区共有个液化石油气储罐（其中球罐个 ,球罐个 ,卧罐个 ,残液储罐个） 当天下午15:45左右，西安煤气公司液化石油气管理所的一容积为400M3、储存170吨液化气的11号球罐根部发生泄漏，该站工作人员在经过一个多小时的处置后，仍无法堵住球罐内20个大气压的液化气外泄的强大气流。泄漏越来越严重，液化所此时感觉已无力自救。16:51该站职工打电话向119报警救助。 6分钟后，西安市消防队赶到现场，用水枪驱散泄漏的液化气。然而，由于液化气的气化温度很低，以致喷出的消防水变成了水雾，驱散液化气的效果不明显，还降低了能见度。与此同时，现场指挥部还采取了切断电源、清除一切火源、禁止在现场附近行驶车辆等措施。在用去80条棉被对泄漏部位加厚堵源层，并对泄漏的储罐进行了注水后，18:40，堵漏取得了明显效果。,球罐下面的接管示意图,续,就在救援人员看到胜利的曙光时，18:45，泄漏的液化气为生了第一次闪爆。闪爆点位于距罐区38米处的配电房。随着爆炸，从罐区防护堤内火海里跑出30多人，很多人身上已没有一点衣物，全身烧伤，惨不忍睹。受伤的人员很快地被送往附近的医院。整个抢救过程用了5分钟。 大约过了10分钟，更为强烈的第一次燃爆发生了。这次爆炸点是与之相邻的另一个40OM3的12号球罐，所幸的是人员已后撤，没有造成伤亡。,续,此时，大火从11、12号球罐顶部爆裂的口子直冲而出，又相继发生了两次爆炸，这两次爆炸是泄漏出的液化气发生燃爆。指挥部决定对未爆炸的储罐实施冷却保护，控制火势蔓延同时，在连接管道中插入盲板以防止管道内窜火，危及其它储罐。经过8个小时的激战，险情得到了控制。第二天上午7:00，将残液引到空地，实施了点燃。大火在控制下稳定燃烧了37个小时后，于3月7日下午7:05完全熄灭。 整个救援行动，共投入300余名消防战士，50多辆消防车。7名消防战士和5名液化气站工作人员牺牲，伤32人。直接经济损失480万元，社会影响极大。,二、原因剖析,这起液化气泄漏事故是由于法兰的固定螺栓松紧不均匀，使得法兰间的垫圈长时间受到不均匀的压力，而受压较高一侧的垫圈迅速老化，因而引起泄露。 自救不力，缺乏相应的堵漏工具，未能在第一时间内采取有效措施实施堵漏是导致事故进一步扩大的主要原因。其次是现场指挥不当，延误了救援时机。在危险尚未完全消除的情况下接通电源，从而导致了爆炸。缺乏专业队伍、缺乏必要的监测仪器和没有科学的预案，也是事故未得到及时控制的原因。,三、几式启示,这是一起由化学物品泄漏而造成火灾的典型案例。化学事故救援不同于一般事故，有其特殊性。因此，必须由受过专业训练的队伍实施救援。并需有必要的救援器材和装备。同时必须要有预案，科学的、可操作性强的化救预案是迅速而有效地将事故造成的损失减至最少或将事故消灭在萌芽状态的重要保证。 类似事故1995年初冬，长春市煤气公司液化气厂球罐泄漏事故。,法规措施,固定容规： 3.17 压力容器用管法兰 (1)钢制压力容器管法兰、垫片、紧固件的设计应当参照行业标准HG 20592HG 20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件系列标准的规定； (2)盛装液化石油气、毒性程度为极度和高度危害介质以及强渗透性中度危害介质的压力容器，其管法兰应当按照行业标准HG 20592HG 20635系列标准的规定，至少应用高颈对焊法兰、带加强环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺栓组合。,高颈对焊法兰、平焊法兰,带加强环的金属缠绕垫片与石棉垫片,高强度螺栓组合,吉林煤气公司球罐爆炸事故,一、事故概况及经过 1979年12月18日14点7分，吉林市煤气公司液化气站的102号400立方米液化石油气球罐发生破裂，大量液化石油气喷出，顺风向北扩散，遇明火发生燃烧，引起球罐爆炸。由于该球罐爆炸燃烧，大火烧了19个小时，致使五个400立方米的球罐，四个450立方米卧罐和8000多只液化石油气钢瓶(其中空瓶3000多只)爆炸或烧毁，罐区相邻的厂房、建筑物、机动车及设备等被烧毁或受到不同程度的损坏，400米远相邻的苗圃、住宅建筑及拖拉机、车辆也受到损坏，直接经济损失约627万元，死36人，重伤50人。 球罐的主体材质为15MnVR，内径9200毫米，壁厚25毫米，容积400立方米，用于贮存液化石油气。,二、事故原因分析,1根据断口特征和断裂力学的估算，该球罐的破裂是属于低应力的脆性断裂，主断裂源在上环焊缝的内壁焊趾上，长约65毫米。 2经宏观及无损检验，上、下环焊缝焊接质量很差，焊缝表面及内部存在很多咬边、错边、裂纹、熔合不良、夹渣及气孔等缺陷。 3事故发生前在上下环焊缝内壁焊趾的一些部位已存在纵向裂纹，这些裂纹与焊接缺陷(如咬边)有关。 4球罐投入使用后，从未进行检验，制造、安装中的先天性缺陷未及时发现和消除，使裂纹扩展、当球罐内压力稍有波动便造成低应力脆性断裂。 国务院1980年曾以国发99号文批转关于吉林市煤气公司液化石油气厂恶性爆炸火灾事故时指出：这次事故暴露出来的压力容器组装质量差、使用管理混乱，领导干部不重视安全生产，不认真执行安全规章制度，不懂业务，不注意技术管理以及对设备长期不检验等问题，在不少企业、事业单位中都不同程度的存在，应当引起各级领导的严重注意。,三、防止同类事故的措施,1在球罐设计、制造、安装中要把住质量关，特别是要保证焊接质量。 2球罐投用后，使用单位的领导要提高安全意识，重视球罐的安全。 3要建立健全必要的规章制度，提高管理人员和操作人员的素质。,青岛某化工厂爆炸事故,图二,长春市锅炉压力容器压力管道气瓶状况,压力容器安全相关要素,器,人要安全可靠,设备安 全可靠,系统安全可靠,管理安 全可靠,本质安全,狭义的本质安全: 一般是指机器、设备本身所具有的安全性能，是指机器、设备等物的方面和物质条件能够自动防止操作失误或引发事故。在这种条件下，即使一般水平的操作人员发生人为的失误或操作不当等不安全行为，也能够保障人、设备和财产的安全。 广义的本质安全: 指包括“人机环境管理”这一系统表现出的安全性能，通过优化资源配置和提高其完整性，使整个系统安全可靠。基于这一系统和安全管理体系的本质安全理念认为，所有事故都是可以预防和避免的。 本质安全具有如下特征：一是人的安全可靠性。二是物的安全可靠性。三是系统的安全可靠性。四是管理规范和持续改进。,压力容器的定义,广义的压力容器的定义： 压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。 特种设备安全监察条例中压力容器的定义： 压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器。 注：固定容规监察范围已经完全符合条例的规定，但不包含移动式压力容器。,条例中压力容器监察的范围,同时具备以下条件的压力容器： 1.最高工作压力P0.1MPa， 2.压力与容积的乘积值PV2.5MPaL， 3.介质：气体、液化气体、气体与液体的混合体。 表压：gauge pressure 以大气压为基准的流体指示压力，可用压力计测得，称为表压， 即：绝对压力-大气压力=表压力。 考题1：特种设备安全监察条例所规定的压力容器安全监察的范围是什么？,各类容规适用范围,固定容规适用于同时具备下列条件的压力容器： (1)工作压力大于或者等于0.1MPa（注1-2）； (2)工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL (注1-3)； (3)盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体 (注1-4)。 超高压容器应当符合超高压容器安全技术监察规程的规定； 非金属压力容器应当符合非金属压力容器安全技术监察规程的规定； 简单压力容器应当符合简单压力容器安全技术监察规程的规定。,液化石油气储罐,举例：气体缓冲罐,压力供水罐（气体+液体）,低温绝热储罐,压力容器术语,1、压力（物体单位面积上所承受的力） （1）工作压力Pw：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 （2）设计压力P：指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 （3）计算压力PC：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。 （4）试验压力PT：在压力试验时，容器顶部的压力。,压力容器术语,（5）最大允许工作压力Pw：指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。 最大允许工作压力可作为确定保护容器的安全泄放装置动作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。 （6）安全阀的开启压力PZ：安全阀阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。 （7）爆破片的标定爆破压力Pb：爆破片铭牌上标明的爆破压力。,压力容器术语,2、温度 （1）温度 金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。 工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。 （2）最高、最低工作温度：容器在正常工作情况下可能出现介质最高、最低温度。 （3）设计温度：压力容器在正常工作情况，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为压力容器的设计载荷条件。 （4）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。 设计常温储存压力容器时，应当充分考虑在正常工作状态下大气环境温度条件对容器壳体金属温度的影响，其最低设计金属温度不得高于历年来月平均最低气温（是指当月各天的最低气温值相加后除以当月的天数）的最低值。,压力容器术语,3、厚度 （1）计算厚度：容器受压元件为满足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。 （2）设计厚度d：计算厚度与腐蚀裕量之和。 （3）名义厚度n（即图样标注厚度）：设计厚度加上钢材厚度负偏差后，向上圆整至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。 （4）有效厚度e：名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）。 （5）最小实测厚度：实际测量的容器壳体厚度的最小值。 （6）厚度附加量：设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度负偏差C1及腐蚀裕量C2。 注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度min： 对碳素钢、低合金钢，不小于3mm 对高合金钢，不小于2mm,常见压力容器介质,压缩气体：空气、氮气、氧气、氩气、氢气、一氧化碳、甲烷等 液化气体：液化石油气、丙烷、丁烷、丙烯、液氨、液氯、二氧化碳等 超低温液化气体：液氧、液氮、液氩、液化天然气等。 超过标准沸点的液体：高温水等。,介质对容器带来的危害,1、压力：爆炸、开裂、泄漏、失稳等 2、温度：高温强度下降、蠕变，低温脆断等。 3、腐蚀：壁厚减薄、材质劣化等。 4、冲击：增加冲击载荷。 5、磨损：壁厚减薄。 6、振动：附加应力，疲劳。,常见介质爆炸当量对比,相关参数对容器安全的影响,超压会导致承载容器发生开裂或者爆炸而失效，负压会导致大容积薄壁容器失稳（瘪了）。 高温会导致材料强度下降，失去承载能力；低温会使材料失去延性（塑性），产生无预变的破坏。 壁厚不足或者减少会使容器承载能力下降可能导致失效。过厚导致浪费。,压力容器的分类,1.按压力为四级： 低压L、中压M、高压H、超高压U； 2、按工艺中的作用即品种分四种： 储存容器C、换热容器E、分离容器S、反应容器R。 3、按照PV积及危险程度分三类： I、II、III类容器。,分类的目的,划分类别、品种目的； 便于分级进行安全技术管理和监察，实施有目的性的分类监管 按不同类别对压力容器材料选用、设计、制造、使用管理分别提出不同要求； 便于上报、统计。,压力等级划分,压力容器的设计压力（p）划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级： (1)低压(代号L)，0.1MPap1.6MPa； (2)中压(代号M)，1.6MPap10.0MPa； (3)高压(代号H)，10.0MPap100.0MPa； (4)超高压(代号U)，p100.0MPa。,压力容器品种划分,压力容器按照在生产工艺过程中的作用原理，划分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。具体划分如下： (1)反应压力容器（代号R），主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，例如各种反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、变换炉、煤气发生炉等； (2)换热压力容器（代号E），主要是用于完成介质的热量交换的压力容器，例如各种热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器等； (3)分离压力容器（代号S），主要是用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器，例如各种分离器、过滤器、集油器、洗涤器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等； (4)储存压力容器（代号C，其中球罐代号B），主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，例如各种型式的储罐、缓冲罐、消毒锅、印染机、烘缸、蒸锅等。 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应当按照工艺过程中的主要作用来划分品种。,板翅式换热器,板式换热器,硫化罐,丙烯球罐,低温绝热容器,过滤分离器,加氢反应器,该反应器 高35.9米、 直径4米， 总重680吨 安庆石化重点工程220万吨蜡油,介质分组,压力容器的介质分为以下两组，包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或 者等于标准沸点的液体： (1)第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质， 液化气体。 (2)第二组介质，除第一组以外的介质。,常见气体属性表,固定容规中压力容器类别划分,第一组介质 第二组介质,第一组介质,第二组介质分类,容器分类举例,设计压力1.8MPa，介质为液化石油气，容积分别为25立方米、30立方米，应当各自划成几类容器？ 答：1、PV=1.8X25000=45000MPa*L 查表1，因P1.6,PV1.6,PV50000,在III类区内，定为III类。 分界点：27.78立方米。老容规：5.56立方米。 液氨的分界点：25立方米。老容规：5.0立方米,压力容器的分类,4. 其他分类方法：,4.1 按形状分类,如圆筒形、球形、组合型(前者均为回转壳体)以及方形、矩形等; 4.2 按筒体结构分为整体式、组合式. 4.3 按制造方法分为焊接(最为普通)、锻焊、锻造(主要用于超高压)、铸造(主要优点是方便制造),但因其质量问题需加大安全系数,多用于小型、低压. 4.4 固定式、移动式 4.5 立式、卧式,压力容器的分类,4.6按材料分为金属与非金属两大类,其中: 金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金.其中有色金属与合金主要用于腐蚀等特殊工况,在生产条件、生产装备、原材料验收与堆放、吊装、运输包装，尤其是焊接等环节有一系列特殊要求。 钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢（前两者主要是强度钢）及高合金钢（主要用于腐蚀、低温、高温等特殊工况）。,压力容器结构,压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。其典型过程设备有换热器、反应器、塔式容器、储存容器等。 压力容器的结构形状主要有圆筒形、球形、和组合形。圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭圆形、碟形、锥形）所组成。球形容器由数块球瓣板拼焊成。承压能力很好，但由于安置内件不便和制造稍难，故一般用作贮罐。压力容器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰；球罐的球壳板；换热器的管板和换热管；M36以上的主螺栓及公称直径大于250mm的接管和管法兰均作为主要受压元件。,压力容器结构典型结构,压力容器结构典型结构,压力容器结构典型结构,丙烯球罐,压力容器结构典型结构,压力容器结构典型结构,压力容器结构典型结构,压力容器结构零部件,1. 筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可以分为立式容器和卧式容器。 由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。 对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直径，其系列尺寸有300、400、500、600等，如果筒体是用无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。,压力容器结构零部件,2. 封头 （1）球形封头壁厚最薄，用材比较节省。但封头深度大、制造比较困难。 （2）椭圆形封头椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形，直边段高度为h，因此椭圆形封头是由半个椭球和一个高度为h的圆筒形筒节构成。椭圆壳体周边的周向应力为压应力，应保证不失稳。 （3）碟形封头碟形封头是由三部分组成。第一部分是以半径为Ri的球面部分，第二部分是以半径为Di/2的圆筒形部分，第三部分是连接这两部分的过渡区，其曲率半径为r,Ri与r均以内表面为基准。不连续过渡导致边缘应力。,压力容器结构零部件,（4）球冠形封头球冠形封头可用作端封头，也可以用作容器中两独立受压室的中间封头，由于封头为一球面且无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体联接处的T形接头采用全焊透结构。 （5）锥形封头锥形封头有无折边锥形封头和折边锥形封头。 （6）平盖弯曲应力较大，在等厚度、同直径条件下，平板内产生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的2030倍。但结构简单，制造方便。,压力容器结构零部件,3. 支座 支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。 立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。 4. 法兰 法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、制造 成本较高。 法兰分类主要有以下方法： （1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。 （2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。 （3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。 5. 人孔与手孔,压力容器结构开孔与补强,1 为何要进行开孔补强 通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度，而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到基本薄膜应力的3倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。主要表现不疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开孔补强设计。 2 压力容器为何有时可允许不另行补强 压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素： 容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用等原因，壳体厚度往往超过实际强度的需要。厚度的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而实际开孔不在焊缝上；还有在设计时采用封头与筒体等厚或大一点，实际上封头已被补强了。在多数情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起到了补强的作用。,压力容器结构开孔与补强,3 开孔补强结构 所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的大小以及补强金属量等。 (1) 加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、b、c。该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙，传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局部区域内产生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容器。 (2) 接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、e、f。它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内，因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低合金高强度钢制的压力容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补强为好。 (3) 整锻件补强结构如图g、h、I，此结构的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且焊接接头及热影响区可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但这种结构需要锻件，且机械加工量大，所以一般只用于要求严格的设备。,压力容器结构开孔与补强,图 补强结构,压力容器设计,1. 常用设计规范及适用的压力范围 GB1501998钢制压力容器 设计压力P：0.135 MPa ； 真空度：0.02 MPa JB473295钢制压力容器-分析设计标准 设计压力P：0.1100 MPa； 真空度：0.02 MPa 疲劳载荷；高温蠕变 GB1511999管壳式换热器 设计压力P：0.135 MPa ；真空度：0.02 MPa GB123371998钢制球形储罐 设计压力：P4MPa；公称容积：V50M3,压力容器设计,2. 设计时应考虑的载荷 GB1501998钢制压力容器： （1）内压、外压或最大压差； （2）液体静压力(5%P)； （3）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料 的重力载荷； （4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷； （5）风载荷、地震力、雪载荷； （6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力； （7）连接管道和其他部件的作用力； （8）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力； （9）包括压力急剧波动的冲击载荷； （10）冲击反力,如流体冲击引起的反力等； （11）运输或吊装时的作用力。,压力容器设计,3.失效准则:容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破，因此容器强度失效准则有三种观点： （1）弹性失效常规设计（GB150等） 弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。 （2）塑性失效分析设计（JB4732） 塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。 （3）爆破失效高压、超高压设计 爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。 *用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。,压力容器设计,4.弹性实效准则下的四个强度理论： 第一强度理论（最大主应力理论）常规设计（GB150等） 这个理论也叫做“最大正应力理论”，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。 第二强度理论（最大变形理论） 这个理论也称为“最大线应变理论”，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大相对伸长或缩短。 第三强度理论（最大剪应力理论）分析设计（JB4732） 此即“最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。 第四强度理论（剪切变形能理论） 该理论也称作“形状改变比能理论”认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破坏归结为应力与变形的综合。 *用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。,金属材料的强度,1、室温下的抗拉强度Rm ，屈服强度； 2、设计温度下的屈服强度RteL； 3、设计温度下持久强度极限平均值 RtD； 4、设计温度下蠕变极限平均值（每1000小时蠕变率为0.01%的）Rtn,HYW-600KN微机控制电液伺服万能试验机,在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材地主要力学特征。从图2-3低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。,拉伸试样,安全系数,压力容器设计,5. 安全系数 5.1 安全系数的作用-安全性与经济性辩证统一，整部标准规范的核心。 5.2 为何有安全系数 载荷误差; 设计误差; 材料误差; 制造与检验的误差; 使用中的问题; 未可知因素,许用应力的获得,许用应力=材料某种强度对应安全系数 取最小数值为许用应力。 一般可以在相应设计标准中查到。,压力容器设计,5. 安全系数 5.3 安全系数发展的历史与趋向 单一走向多元-nb(强度)、ns(屈服)、nst(设计温度下屈服)、nD(持久)、nn(蠕变)。取五者中最小许用应力。 从高到低，下降趋势（技术进步，经验积累）。 针对不同应力对安全的不同影响，取不同的安全系数。,压力容器设计,5. 安全系数 5.4 螺栓安全系数的特殊性-避免过度上紧 一般只对屈服点取安全系数 依材料而异 依规格而异,压力容器设计,6. 焊缝(焊接接头)系数 6.1 焊缝系数的作用-设计系数。考虑焊缝对容器强度的削弱，用整个增加壁厚的方式补足. 6.2 焊缝系数的选取-依焊接接头型式及无损检测长度（比例）确定。,压力容器设计,6. 焊缝(焊接接头)系数 6.3 几个问题的解释 相当于双面焊的全焊透对接接头，可采用多种方法实现，最终由无损检测判断； 一般均指纵缝，环缝焊接接头系数仅在特定条件（如高塔风载）下采用; 容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定，应理解为对无垫板单面焊使用的限制。,压力容器设计,7.应力分析设计的一般概念 7.1 常规设计的局限性（GB150、151、12337等） 压力容器的常规设计经过了长期的实践考验，简便可靠，目前仍为各国压力容器设计规范所采用。然而，常规设计也有其局限性，主要表现在以下几方面。 载荷限制：常规设计将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热压力。 计算不准确，难以发现危险点，也不经济：常规设计以材料力学及板壳薄膜简化模型的简化计算公式为基础，确定筒体中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体是安全的。而对容器上结构不连续区域和一些部件，只能通过经验公式或经验系数计算，同时限制结构尺寸、形状、工作条件来保证安全。显然，这种方法是粗略的，具有局限性。 结构限制：常规设计规范中规定了具体的容器结构形式，但规范中未作规定或限制应用的一些结构和载荷形式就无法采用，因此，常规设计不利于新型设备和结构的开发和使用。,压力容器设计,7.应力分析设计的一般概念 7.2 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别 GB150将复杂（真实）应力状态简化，只考虑一次膜 应力对安全的影响，其他应力的影响用结构限制、元 件系数等方法简单处理，可满足多数一般产品安全， 设计计算简便，同一台容器采用统一的安全系数； JB4732需进行详细的应力计算与分类，可满足高参 数重要产品的安全，设计计算复杂必须采用计算机， 根据不同应力的各种组合（应力强度）对安全的不 同影响分别加以不同限制。,压力容器设计,7.2 应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主 要区别 GB150采用第一强度理论，弹性失效准则，不适用 于疲劳容器，压力适用上限35MPa，安全系数较高； JB4732采用第三强度理论，塑性失效准则，可用于 疲劳容器，压力适用上限100MPa，安全系数较低。 二者的制造检验要求无本质差别，仅JB4732要求更严格，如不允许采用局部无损检测、每台容器均制备产品焊接试板、对接管开孔倒圆倒角有明确要求、疲劳容器不得保留焊缝余高等。,压力容器设计,7.3 应力分类的基本知识 按各类应力对容器安全的不同影响,将其分为一次应力、二次应力与峰值应力.,仿真研究,压力容器制造,锅炉压力容器制造监督管理 办法 锅炉压力容器制造许可条件 锅 炉 压 力 容 器 产 品 安 全 性 能 监 督 检 验 规 则 GB150，GB151，JB/T4732，GB713-2008.,压力容器制造质量控制环节,锅 炉 压 力 容 器 制 造 许 可 条 件： 压 力 容 器 制 造 企 业 具 有 与 所 制 造 压 力 容 器 产 品 相 适 应 的 ， 具 备 相关 专 业 知 识 和 一 定 资 历 的 下 列 质 量 控 制 系 统 （ 以 下 简 称 ： 质 控 系 统 ） 责任 人 员 ： （ 一 ） 设 计 、 工 艺 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 二 ） 材 料 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 三 ） 焊 接 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 四 ） 理 化 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 五 ） 热 处 理 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 六 ） 无 损 检 测 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 七 ） 压 力 试 验 质 控 系 统 责 任 人 员 。 （ 八 ） 最 终 检 验 质 控 系 统 责 任 人 员 。,制造程序,1、设计及设计审查 2、工艺编制 3、材料及零部件入厂检查，材料复验。 4、下料及钢板材料标记移植。 5、卷板、焊接，无损检测，成型。 6、热处理，压力试验，最终检验。 生产过程要接受检验机构的产品安全性能监督检验。,焊接试板,4.3.1 需要制备产品焊接试件的条件 (1)碳钢、低合金钢制低温压力容器； (2)材料标准抗拉强度下限值大于或者等于540MPa的低合金钢制压力容器； (3)需经过热处理改善或者恢复材料力学性能的钢制压力容器； (4)设计图样注明盛装毒性为极度或者高度危害介质的压力容器； (5)设计图样和本规程引用标准要求制备产品焊接试件的压力容器。,压力容器制造,1. 产品焊接试板 1.5 不合格处理 允许重新取样复验 允许重新热处理 如仍不合格且无试板,则代表的产品焊缝为不合格 1.6 应注意的问题 试板焊缝应探伤，但无合格级别且不需返修，目的在于避开缺陷处取样，防止缺陷造成试验结果不合格。 环缝不做，需要时做鉴证环。,压力容器制造,2. 焊后(消除应力)热处理 2.1 目的 消除过大焊接应力 2.2 焊接应力产生的原因、特点及危害 焊接应力因焊接过程中变形协调产生 焊接应力的特点:量值高,可能屈服极限；一直存在； 属二次应力有“自限性”；测量困难（x光衍射、小孔）。 对容器的主要危害为应力腐蚀。,压力容器制造,2. 焊后(消除应力)热处理 2.3 需进行焊后热处理的条件 通用条件-依据材质、厚度、预热温度的不同组合判定； 必需条件-图样注明应力腐蚀、盛装极度、高度危害介质； 免做条件-奥氏体不锈钢； 关注应力腐蚀的复杂性（介质、温度、酸碱度、材质、 残余应力等）,压力容器制造,2. 焊后(消除应力)热处理 2.4 焊后热处理 整体进炉、分段进炉、局部、现场热处理 2.5 热处理工艺要求 进、出炉炉温；升、降温速度；保温时温差；炉内气氛。目的在于热透；避免过大温差应力造成的损害.,压力容器制造,3. 耐压试验与气密性试验 3.1 耐压试验的目的 内压竣工后出厂前全面考核(验证)强度;检漏 3.2 液压试验 试验压力的确定-试验压力计算公式中的系数与安全系数有关，试验前的应力校核是基于弹性失效准则。,压力容器制造,3. 耐压试验与气密性试验 3.3 气压试验 气压试验的危险性远高于液压，气体会高速恢复被压缩的体积形成冲击波； 允许气压试验的条件：因承重等原因无法液压；液体无法吹干排净生产中不允许残留液体。,压力容器制造,3. 耐压试验与气密性试验 3.4 气密试验 目的-检漏 条件-极度高度危害介质;生产工艺过程中不允许泄漏； 试验介质-空气、氨、惰性气体等，气压试验后是否再做气密与介质有关 试验合格指标与检漏方法,压力容器制造,4. 压力容器的改造与维修 4.1 应充分关注改造与维修的难度和质量 在使用现场对在役容器进行维修、改造,尤其是动火(焊接)维修、改造在技术上是件十分困难的事,主要难点在于: 缺陷的去除、坡口加工、开孔等由于位置、工具等原因，难度大于制造厂； 焊接修复由于位置、施焊环境、预热条件、拘束度等原因，难度大于制造厂。 在役产品的材料可能早被淘汰，在长期使用过程中因老化、腐蚀等原因可能造成材料性能质量的改变，均会加大维修、改造的难度。,压力容器制造,4. 压力容器的改造与维修 4.2 对提高维修改造的建议措施 提高对维修改造单位、人员的市场准入标准。 焊补前一定要严格进行无损检测确保缺陷除净，并应进行必要的焊接工艺评定。 对Cr-Mo低合金钢及高强钢的维修改造应慎之又慎，最好由原制造厂或其他经验丰富的单位实施。 是否值得维修改造要充分考虑容器的使用年限与价值。,压力容器制造,5. 管子与管板的胀接 5.1 胀接的分类 贴胀。贴胀在管板孔内表面可不开槽。贴胀一定要与强度焊联合使用，其目的在于减少管子与管板间的间隙，防止震动。 强度胀。强度胀管板孔内表面应开矩形槽，并应达到全厚度胀接。强度胀可单独使用，亦可与密封焊联合使用，对重要场合亦可与强度焊联合使用。,压力容器制造,