储罐区压力容器安全设计说明书

1 储罐区压力容器安全设计说明书 第一部分压力容器安全设计的重要性 一 压力容器引起的事故 西安液化气爆炸事故 （一） 事故介绍 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 400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。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 2 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 40 12 号球罐，所幸的是人员已后撤，没有造成伤亡。 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 3 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。 类似事故有 1995 年初冬，长春市煤气公司液化气厂球罐泄漏事故；青岛某化工厂爆炸事故；吉林煤气公司球罐爆炸事故 二 防止同类事故的措施 如今随着科学技术的发达设备的自动化程度越来越高，自动控制的压力容器设备越来越多下表是仅仅长春市锅炉压力容器压力管道气瓶的状况 长春市锅炉压力容器压力管道气瓶的状况 名 称 总 数 锅炉 7232 台 1997 台 压力容器 9304 台 4730 台 压力管道 254 条 254 条 工业气瓶 25 万只 10 万只 液化气钢瓶 60 万只 60 万只 车载气瓶 只 只 因此，压力容器的安全设计关系到社会的和谐以及千千万万个家庭的幸福所以在生产制造压力容器之前一定要对压力容器的安全设计做到安分谨慎，以下是部分减少压力容器事故的措施 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。 4 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。 第二部分压力容器安全基础知识 一压力容器定义 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 压），且压力与容积的乘积大于或者等于 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 。 （一）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： V ， 体、液化气体、气体与液体的混合体。 （二）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 1 (2)工作压力与容积的乘积大于或者等于 ( 注 1 (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。 5 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。 二压力容器术语 （一）压力（物体单位面积上所承受的力） （ 1）工作压力 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 在相应设计温度下，用以确定组件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当组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 压力试验时，容器顶部的压力。 （ 5）最大允许工作压力 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 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 破片铭牌上标明的爆破压力。 （二）温度 （ 1）温度 金属温度：容器组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。 6 （ 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，设定的组件的金属温度（沿组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。 （三）厚度 （ 1）计 算厚度：容器受压组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：设计容器受压组件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度负偏差 腐蚀裕量 注 意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度 对碳素钢、低合金钢，不小于 3高合金钢，不小于 2四）常见压力容器介质 7 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。 （五）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。 （六）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。 三压力容器的分类 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。 8 3、按照 及危险程度分三类： I、 容器。 4. 其它分类方法： 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 ; 2）按筒体结构分为整体式、组合式 . 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）固定式、移动式 5）立式、卧式 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 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）。 （一）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。 （二） 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： 9 (1)低压 (代号 L)， p (2)中压 (代号 M)， p (3)高压 (代号 H)， p (4)超高压 (代号 U)， p （三）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。 10 第三部分压力容器的结构 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、密封组件、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； 50接管和管法兰均作为主要受压组件。 压力容器结构 典型结构 11 一零部件 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。 2. 封头 12 （ 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 球面部分，第二部分是以半径为 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, r 均以内表面为基准。不连续过渡导致边缘应力。 13 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。 14 （ 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 二开孔与补强 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。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。 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 15 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。 16 17 第四部分压力容器安全设计 一压力容器设计规范 （一） 常用设计规范及适用的压力范围 1998钢制压力容器 设计压力 P： 35 真空度： 95钢制压力容器 设计压力 P： 100 真空度： 疲劳载荷；高温蠕变 1999管壳式换热器 设计压力 P： 35 真空度： 1998钢制球形储罐 设计压力： P 4称容积： V 50二） 设计时应考虑的载荷 1998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； 18 （ 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。 （三）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（ ） 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（ 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。 爆破失效用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。 （四）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（ ） 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 19 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（ 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。 强度理论用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。 （五）金属材料的强度 1、室温下的 抗拉强度 屈服强度； 2、设计温度下的屈服强度 3、设计温度下持久强度极限平均值 4、设计温度下蠕变极限平均值（每 1000 小时蠕变率为 ） 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碳钢的应力 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。 20 低碳钢受力图 二 压力容器安全设计 （一）安全系数 1安全系数发展的历史与趋向 单一走向多元 度 )、 服 )、 计温度下屈服 )、 久 )、 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。 2螺栓安全系数的特殊性 一般只对屈服点取安全系数 依材料而异 21 依规格而异 3焊缝 (焊接接头 )系数 焊缝系数的作用 虑焊缝对容器强度的削弱，用整个增加壁厚的 方式补足 . 焊缝系数的选取 例）确定。 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。 （二）应力分析设计的一般概念 常规设计的局限性（ 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 22 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。 应力分析设计（ 规则设计（ 主要区别 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； 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。 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 35全系数较高； 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 100全系数较低。 二者的制造检验要求无本质差别，仅 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。 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 . 23 （三）压力容器 安全设计 压