安全生产_压力容器安全技术基础知识培训

压力容器安全技术压力容器安全技术 2.课程基本要求 将掌握的压力容器安全技术应用到实际压力容器设计与管理中。 第一章 压力容器安全设计与管理 1.1 压力容器分类及主要零部件 1.1.1 压力容器基本组成 筒体圆柱、球形 封头又称端头，椭圆、球形、蝶形、锥形、 平盖等 法兰平板法兰、带颈法兰、整体法兰、活 套法兰 接管进料、出料接管、控制接管、人孔、手孔接管等 支座卧式鞍座、立式裙座、支腿等 三、按压力容器安全管理技术监察规程分 非金属压力容器安全技术监察规程TSG R0001-2004 超高压压力容器安全技术监察规程TSG R0002-2005 简单压力容器安全技术监察规程TSG R0003-2005 固定式压力容器安全技术监察规程TSG R0004-2009 移动式压力容器安全技术监察规程TSG R0005-2011 对各种气瓶的安全技术监察规程有：车用气瓶安全技术监察规程TSG R0009-2009 目前正要颁布的气瓶安全技术监察规程 各种压力容器的安全技术监察规程适用范围 1、非金属压力容器安全技术监察规程， 代号TSGR0001-2004，适用范围：（各条同时满 足） 非金属材料（石墨、玻璃钢、塑料等）制造的容器； 最高工作压力大于等于0.1MPa（不含静压） 工作压力与容积乘积大于等于2.5MPa.L 盛装介质为气体、液化气，最高工作温度大于等于标准沸点的液体。 2、 超高压容器安全技术监察规程，代号TSG R0002-2005，适用范围： （各条同时满足） 压力超过100MPa的容器，且容积与压力乘积超过2.5MPa.L； 盛装介质为气体、液化气，最高工作温度大于等于标准沸点的液体。 3、简单压力容器安全技术监察规程,代号TSGR0003-2005，适用范围：（以下各条同时满 足 容器由筒体和平封头、凸形封头（不包括球冠形封头），或者由两个凸形封头组成； 筒体、封头和接管等主要受压元件的材料为碳素钢、奥氏体不锈钢； 设计压力小于或者等于1.6MPa； 容积小于或者等于1000L； 工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL，并且小于或者等于1000MPaL； 介质为空气、氮气和医用蒸馏水蒸发而成的水蒸气； 设计温度大于或者等于-20，最高工作温度小于或者等于150； 非直接火焰的焊接容器。 4、固定式压力容器安全技术监察规程，简称固定式容规，代号为TSG R0004-2009，固 定不动的金属压力容器安全技术监察规程，适用范围：（以下三者同时满足，容器为固定 不动） 最高工作压力大于等于0.1MPa（不含静压） 工作压力与容积乘积大于等于2.5MPa.L 盛装介质为气体、液化气，最高工作温度大于等于标准沸点的液体。 5、移动式压力容器安全技术监察规程，简称移动式容规，代号为TSG R0005-2011；各 种可到处移动的金属压力容器安全技术监察规程，适用范围： 具有装卸介质功能，且参与铁路、公路或水路运输； 最高工作压力大于等于0.1MPa（不含静压） 罐体容积大于或等于450L 盛装介质为气体、液化气，最高工作温度大于等于标准沸点的液体。 七、按安全重要程度分类 1、介质的危险程度 （1）介质分组 介质指气体、液化气体及工作温度高于或等于标准沸点的液体，介质分两组： 第一组介质：毒性为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。 第二组介质：除第一组外的其他介质。 （2）介质危害性 毒性程度 综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业慢性危害等因素。 极度危害：最高容许浓度小于0.1mg/m3 高度危害：最高容许浓度小于0.1mg/m3 1.0mg/m3 中度危害：最高容许浓度小于1.0mg/m3 10mg/m3 轻度危害：最高容许浓度大于或等于10mg/m3 易爆介质 指气体或液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成爆炸混合物，其爆炸下限小于10%，或爆炸上限与 爆炸下限差值大于或等于20%的介质。 介质毒性危害与爆炸危险程度的确定 按照HG20660-2000压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类确定。 （3)压力容器类别划分 基本划分 根据介质特性，选择类别划分图，再根据P(MPa）和V（升）查图确定。 第一组分介质压力容器类别划分，按图A-1 第二组分介质压力容器类别划分，按图A-2 压力容器分三类：类、类、类，最危险是第三类容器 （4）容器代号标记 压力容器注册编号前三个代号，举例说明: M S 第一个代号为容器类别，分别为、类 第二个代号为容器压力等级，有（低压）、M（中压）、H（高压）、U（超高压） 第三个代号表示容器用途，有E（换热）、S（分离）、C（储存）、B（球形容器） 1.1.2.2 移动式压力容器分类 可移动的储存容器气瓶与槽（罐）车 气瓶永久气体气瓶 液化气体气瓶 溶解气体气瓶（乙炔气瓶） 其他气瓶包括混合气体气瓶、低温绝热气瓶、纤维缠绕气瓶、非重复充装气瓶） 槽（罐）车汽车槽车，火车槽车 容器超压由外部引起的： 压缩机、泵打压内部压力升高 高压储罐向低压储罐导入气体导入低压储罐 容器周围着火或其他对容器加热（蒸汽锅炉）导致介质蒸发引起超压，或高温流体与低温流体换 热（换热器） 容器超压是由物理变化引起的物理超压 超压由容器内部引起的： 容器内发生剧烈化学反应爆炸，如设备内可燃气或粉尘爆炸。 容器内发生放热化学反应，如分解或聚合反应，快速放出大量热量，是容器内介质蒸发或膨胀， 形成超压。 容器超压是由化学反应起因的化学超压 3、压力容器破坏事故统计 事故率 某一类设备在一定时间内发生事故次数除以设备运行台数与运行年数乘积称为事故率。 如某地区每年运行容器数量5万台，10年内发生了20次事故，则事故率为：20/ （5000010）=4.010-5次/台年。 工业发达国家压力容器事故率约为10-3 -10-4数量级，爆炸事故10-5 我国统计： 爆炸事故从1979年的7.9起/万台下降到2000年0.5起/万台。 但我国的容器事故的人员伤亡和财产损失巨大，人员伤亡远远高于发达国家。 2001-2004年统计，我国压力容器爆炸事故每年伤亡聚在100-200人之间。美国容器事故导致伤 亡一般平均几个人。 压力容器事故率高原因 a、技术条件影响 使用条件苛刻，有压力载荷、高温或低温，可能有疲劳载荷，介质常用腐蚀； 容易超载，会因误操作、或化学反应失控、化学爆炸，引起超压； 局部应力复杂，如开孔区域或其他结构不连续处，局部应力高，如果有疲劳载荷，这些部位易疲 劳破坏。 容器制造中可能隐藏严重缺陷 b、使用管理问题 制造检验不合法，购买一些没有制造资质企业生产的压力容器，也不按压力容器去登记与检验。 容器虽然合法但管理操作不符合要求 容器操作人员未经专业培训和考核，无证上岗，极易造成操作事故。 压力容器管理处于“四无”状态 无安全操作规程、无压力容器技术档案、无持证上岗操作人员、无定期检验管理，是容器管理 处于失控 擅自改变容器使用条件 为了适应某种生产需要，改变容器工作压力、工作温度等操作条件，超负荷运行。 地方政府安全监察管理部门和行政执法管理不到位 4、压力容器事故危害 a、容器爆炸碎片伤人及周围设备 b、容器破坏的高压气体产生的冲击波，损坏设备、伤人 c、容器破坏导致有毒介质泄漏到环境伤人 d、容器破坏导致易燃易爆介质泄漏到环境，引起爆炸、大火事故。 e、容器破坏导致高温介质喷出伤人 容器上压力为表压，英文（g)， 压力单位： 国际单位N/m2，称为Pa， 一般用MPa(兆帕)。 压力常见单位： MPa，bar(巴），kgf/cm2，atm(大气压)，PSI（英磅/平方英寸），H2O(Water Column)，Hg, Torr 各种压力之间关系： 1MPa=106Pa =10bar 0.1MPa=1bar1atm=760mmHg（毫米汞柱)10mH20 1atm=1.01325105pa 1Torr=133.322Pa 1PSI=1磅/平方英寸0.0069MPa 1磅=0.454kg=4.4537(N),1英寸=25.4mm 一般工程上近似认为： 1个大气压1 Kgf/cm2105Pa=0.1MPa 2、温度 容器设计温度指正常操作时，相对应的设计压力条件下，壳壁或受压元件可能达到的最 高或最低温度。 温度是压力容器材料选择的一个重要依据。 3、介质特性 介质特性考虑三方面： 其一：介质与压力和温度相关的物理性质，如密度、比容、相态等； 其二：介质对容器材料的腐蚀性； 其三：介质的化学特性，指易燃易爆性及毒性程度。 介质特性对决定容器结构设计、危险性、类别至关重要 3、稳定性指容器在外载作用下不发生几何形状突然改变性能 如：外压容器突然压瘪失稳； 4、密封性对盛装易燃易爆或有毒介质压力容器，密封至关重要，一旦泄漏后果严重； 5、使用寿命常规容器设计寿命一般由腐蚀率、疲劳、磨损等决定，通常寿命在10-15年，高压 容器设计年限可为20年。 超过设计寿命容器应进行评定。 6、制造与维修容器的设计结构应便于制造、安装和检验，确保容器安全运行。 要尽量采用标准化零部件、设计尺寸合适的人孔和手孔等检查孔，外形要考虑运输方便。 1.4 压力容器失效破坏模式 失效指在载荷作用下丧失工作能力，表现为泄漏、过度变形或破裂。 压力容器失效有强度失效、刚度失效、稳定性失效及泄漏失效；强度失效是最主要失效。 强度失效包括：弹性失效、塑性失效、弹塑性失效、疲劳失效、脆性断裂失效、蠕变失效、腐蚀 失效。 弹性失效、塑性失效、弹塑性失效是适用于塑性材料，如果应力过大而发生爆破，容器有肉眼 可见的宏观变形，如整体鼓胀，直径增大。 1.4.1 强度失效 弹性失效 压力容器的弹性失效准则定义为：在远离不连续结构或载荷不连续处，在外加载荷作用 下，将可能出现的最大应力限制在材料弹性范围内。 国内外“按规则设计”Design By rule” 采用弹性失效准则。例如：美国ASME-1 ,我国 GB150压力容器等设计标准均采用弹性失效准则。 塑性失效 该准则认为：容器表面的应力达到材料的屈服极限 时，容器并不破坏，当整个厚度范围全部屈服 时容器才失效。 弹塑性失效 该准则认为容器在筒壁应力远低于材料下，在筒体与封头或接管相连处的不连续区的局部， 由于边缘应力作用，最大应力可能超过屈服极限 ，发生塑性变形，而周围仍在弹性范围内， 该理论允许局部应力不超过2倍的材料屈服极限。 疲劳失效 压力容器在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹和突然发生断裂失效，称为疲劳 失效。 容器常见疲劳载荷：压力波动、开车停车、加热或冷却温度变化引起的热应力变化、振动 引起的附加交变载荷。 容器原材料存在缺陷会加速产生疲劳破坏 疲劳破坏特点： 产生于结构应力集中处； 疲劳破坏一般在容器工作一段时间后发生 疲劳破坏时容器一般处于正常工作，总体压力较低，不会有明显变形 疲劳破坏与结构设计不合理、制造质量差或非正常操作有关。 注：GB 150压力容器中主要按静载荷考虑的，各处应力不随时间变化。 JB 4732按”分析设计“，包括疲劳设计，考虑容器中应力变化。 脆性断裂失效 脆性断裂指变形量小、且在壳壁中应力值远低于材料强度极限时发生突然断裂破坏。断裂 时应力水平低，又称低应力断裂有缺陷或裂纹设备。 脆性破坏无明显塑变，断裂有碎片，具有突然性，危害远大于韧性断裂。 脆性破坏原因：材料自身脆性或容器有严重缺陷。材料含有超标的、可引起高温或低温脆断 的杂质。 如磷元素可引起低温脆断，硫元素可引起高温脆断。 蠕变失效 设备在高温下长期受载，随时间增加，材料不断发生蠕变变形，造成明显减薄和鼓胀，最 后断裂。 发生蠕变满足三个因素：温度、应力、时间 蠕变失效具有韧性断裂特点 按蠕变失效设计将容器的蠕变值限制在一定许用范围内。 腐蚀失效 均匀腐蚀导致容器壁厚减薄，局部腐蚀造成局部凹坑。 壁厚受腐蚀不断减薄器壁应力逐渐增加，容器发生明显塑性变形，具有韧性断裂特点。 晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂没有明显塑性变形，具有脆性断裂特点。 1.4.2 其他失效 刚度失效构件过度变形，而使功能丧失，如法兰变形过大，就导致泄漏。 失稳失效容器在压应力作用下，壳体突然塌陷变形。有弹性失稳和非弹性失稳。 弹性失稳：失稳时，壳体压应力小于屈服极限。弹性失稳临界压力主要与容器尺寸和材 料弹性模量有关，与材料强度无关。 非弹性失稳：失稳时，壳体压应力超过屈服极限。非弹性失稳临界压力主要与材料强度有 关。 泄漏失效由泄漏引起的失效，危害巨大，石化 行业惧怕“跑、冒、漏”，易发生燃烧爆 炸或中毒。 1.4.3 常见容器破环形式 塑性破坏，脆性破坏，疲劳破坏。 1、容器塑性破坏（又称延性断裂）破坏曲线与拉伸曲线类似，有弹性阶段、屈服阶段（明显 塑性变形）及应变硬化、断裂阶段，断口一般为最大剪应力方向。 断裂特征： 器壁有明显拉伸，对圆筒容器，直径明显增大，轴向增加较小，容器为“腰鼓”变形，壁厚减薄， 圆周长最大增长率达10%以上。 断口呈暗灰色纤维状 碳钢容器延性断裂断口为暗灰色纤维状，没有闪烁的金属光泽，断口不平齐呈锯齿状，与主应 力成45度角。圆筒纵向断口与半径方向成一定角度，为斜断。 一般不出现碎片，裂开一个口，裂口一般在圆柱容器中部。 容器实际爆破与计算爆破压力接近。 容器发生延迟断裂一般工况： 液化气体充装过量、在工作中受到暴晒或火灾烧烤 容器发生超压超温运行、安全装置失灵 容器受到介质腐蚀，使壁厚减薄 2、容器脆性破坏爆破曲线无明显的屈服点和塑性变形，突然破裂，可能有碎片。 脆性断裂特征： 容器没有明显拉伸变形，破坏前容器应力处于较低水平，远小于许用应力 容器破坏成多块，断口平齐呈金属光泽的结晶状，由正应力引起的断裂，与主应力方向垂直。 在厚壁容器断口上，看看到人字形纹路，指向始裂点。始裂点一般为有缺陷或几何突变处。 事故多发生在温度较低情况下，低温可导致材料韧性（塑性）降低，脆性增加。 预防脆性破坏措施： 提高设计制造质量，特别焊接质量，减少结构及焊缝应力集中 选用韧性良好材料，材料在使用温度下有良好韧性，同时防止使用中材料韧性下降。 加强设备保养，定期检验，及时消除裂纹缺陷。 3、疲劳断裂在各不连续区如接管区、补强区、角焊缝区，在交变应力作用下发生疲劳破坏。 疲劳破坏：在交变应力作用下，容器破坏； 现象局部开裂，泄漏。 疲劳分为：高周低应力疲劳和低周高应力疲劳。 疲劳破坏特征： 容器破坏时无明显塑性变形。断裂后容器直径无明显增大，壁厚也无减薄。 疲劳破坏容器总体应力水平较低，但可能局部应力水平较高或存在微裂纹。 疲劳破坏断口存在两个明显区域：一个为疲劳裂纹产生区及扩展区，另一个为最终断裂区。 疲劳裂纹区呈灰暗色，断裂区呈金属光泽，疲劳裂纹策源地往往为应力集中区，特别接 管处。 容器疲劳破坏一般为疲劳裂纹穿透器壁而泄漏失效。 一般无碎片或成撕裂口 疲劳发生在容器反复加载、卸载后。 疲劳破坏预防措施： 提高容器设计制造水平，避免先天缺陷和过高应力区 在安装中防止外来载荷源影响，减少容器交变载荷作用 正确操作，减少升压、泄压次数，防止温度压力波动过大。 当压力波动次数超过常规容器设计允许值时，应进行疲劳设计（按JB4732）。 1.5 压力容器管理机构与法规标准体系 1.5.1 国外安全监察机构 各工业发达国家建立专门的锅炉、压力容器监察管理机构政府专设，或政府部门认可授权 民间技术权威机构 1、美国监察管理机构 各州设有监察部门，权威是经政府认可的民间协会 全国锅炉压力容器检验师协会（NBBI），建立于1919年。 由美国各州及加拿大部分省的总检验师组成。 协会宗旨是：共同协商确保承压设备的安全，对锅炉、压力容器设计、制造、安装检验 和维修实行统一管理 协会职权包括： 编制统一的锅炉压力容器管理规程与办法； 对锅炉压力容器制造厂进行检查； 对按ASME锅炉压力容器规范制造的设备统一发钢印； 对检查员进行培训、考核，并颁发各级检查员证书。 2、德国监察管理机构 德国技术监督协会是由政府认可并受其委托的权威性监察机构，1872年成立。 目前管辖范围： 锅炉压力容器、升降机、电气装置、可燃气体储运装置、机车、环境保护等多方面安全监督检验。 建立五个层次安全法规标准体系： 法律条例部令技术规范相关标准 业务范围： 承担检验业务； 接受政府委托进行相关方面立法工作和制定规程、标准； 承担对管辖设备操作人员培训、考核及为制造商、用户和政府部门提供检验、监督范围的技术咨询。 3、英国监察管理机构 政府设立监察局，但对锅炉压力容器监督检验权威组织是“联合部技术委员会”（AOTC）。 AOTC组成：部分保险公司代表组成，建立于1905年。 AOTC管辖：负责对锅炉、压力容器、电梯等的设计、制造、安装进行技术检查和检验； 可按具体规范要求检查和鉴定压力容器、运输槽车气瓶等。 AOTC委员会与大多数欧盟国家监察机构签订双边监察协定。 4、日本监察管理机构 日本劳动省与通产省分别负责锅炉和压力容器的安全检查管理。负责：制定法规、颁布政令、 批准制造厂。 监督、检查产业务分别由锅炉协会和高压气体保安协会负责。 对承压特种设备建立六个层次安全法规标准体系：法律政令省令告示通知相关标准。 日本的压力容器管理与美国和德国类似，具体检验工作由民间协会完成。 1.5.2 国内安全监督机构 1、压力容器安全监察体制 政府机构国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局负责全国特种设备安全监察工作。 各省、自治区、直辖市质量监督局设特种设备安全监察处 各市（地）、县质量监督局设特种设备安全监察科，负责行政区内特种设备安全监察 国家质检总局特种设备安全监察局职能： 管理锅炉压力容器、压力管道（安全附件）、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、厂内 机动车辆（叉车等）等特种设备安全监察、监督； 制定特种设备安全监察目录、安全规章制度和安全技术规范，并组织实施和监督检验； 对特种设备的设计、制造、安装、改造、维修、使用、检验、检测各环节和设备进出口监督检验， 资质核准、下发生产许可证等； 调查处理特种设备事故并进行统计分析； 负责特种设备检验检测机构的核准和特种设备检验检测人员、特种设备作业人员的资格考核。 2、压力容器安全监察基本制度 监察基本制度分两种： 一是压力容器行政许可制度，二是压力容器监督检查制度 压力容器行政许可制度包括： a、设计许可（设计资质）； b、制造、安装、改造许可（制造、安装、改造资质） c、维修许可（维修资质） d、充装许可（气瓶充装资质）； e、使用登记（特种设备登记）， f、压力容器作业人员考核（设计、审核、操作等人员）， g、检验检测机构核准（如容器检验、安全阀检验、电梯检验起重设备检验等机构审批）， h、检验检测人员考核 压力容器监督检验制度包括： a、强制检验制度（必须按规定进行检验）； b、执法检查制度（对特种设备检验有法律效果，不得阻拦） c、事故处理制度（发生事故必须及时处理） d、监察责任制度 e、安全状况公布制度 对压力容器生产（设计制造、安装、改造与维修），行政许可制度（核发许可证）； 对压力容器制造、安装过程实行监督检验制度； 对压力容器使用实行登记和定期检验制度； 对压力容器安全监察人员、检测检查人员及操作人员实行考核发证制度； 实行现场监督检查，组织压力容器事故调查处理。 1.5.3 压力容器法规标准体系 我国特种设备法规标准体系，分5个层次： “法律行政法规部门规章安全技术规范引用标准” 第一层次相关法律： 主要有安全生产法、劳动法、产品质量法及商品检验法，正在制定的特种设备 安全监察法。 实际目前特种设备法规标准为四个层次，没有法律。 第二层次行政法规： 国务院颁布的行政法规“特种设备安全监察条例”，2003年公布的国务院第373号令，具有法 律效力。 全面管辖： 锅炉、压力容器、压力管道、电梯、客运索道、游乐设施、起重机械等特种设备的生产 （设计、制造、安装、改造、维修）、使用、检验检测及安全监察的专门法规 第三层次部门规章：指以国家质量监督检验检疫总局局长令发布的办法、规定、规则。 如有： 特种设备事故处理规定 锅炉压力容器制造监督管理办法 锅炉压力容器使用管理办法 气瓶安全监察规定 第四层次安全技术规范，由总局领导签署或授权签署，以总局名义公布的技术规范和管理规范。 常见已颁布的安全技术规范： 非金属压力容器安全技术监察规程TSG R0001-2004 超高压压力容器安全技术监察规程TSG R0002-2005 简单压力容器安全技术监察规程TSG R0003-2005 固定式压力容器安全技术监察规程TSG R0004-2009 移动式压力容器安全技术监察规程TSG R0005-2011 第五层次技术标准： 国家标准（GB） 行业标准（HG、JB） 企业标准（QB) 国家鼓励优先采用国标，国标是三种标准最低中要求最低的，各企业应普遍能满足。 标准分：强制执行标准和推荐执行标准（标准代号后/T）；如GB、JB、HG（强制执行）， GB/T、JB/T、HG/T（推荐执行) 国准：如 GB150压力容器 GB151管壳式换热器 GB/T9112-9124钢制管法兰 GB/T8163输送流体用无缝钢管 GB3087/T中低压锅炉用无缝钢管 GB24511承压设备用不锈钢钢板与带材 GB713承压设备用碳钢钢板 等等 行业标准： JB4732压力容器分析设计 JB4710塔设备设计 JB4730压力容器无损检测 JB/T4701设备法兰标准 HG/T20592-20635钢制管法兰、垫片与紧固件 JB/T4709压力容器焊接工艺规程 等等 1.6 压力容器设计与设计管理 1.6.1 压力容器载荷 压力容器设计考虑主要载荷： 工作压力（内压、外压或最大压差） 容器自重或充装物料重力载荷 风载荷 地震载荷 温度梯度或热膨胀量不同引起的温度载荷 另外应考虑：支撑件反作用力、管道载荷与冲击载荷、雪载荷等 任一容器：可能只包括上述几种载荷，设计时仔细分析。 1、工作压力 工作压力：容器运行中承受的压力载荷，当不考虑容器高度影响时，是确定容器壁厚的唯一载荷。 对内压容器：工作压力只正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。 对外压容器：正常工作情况下，容器可能出现的最大内外压差。 对真空容器：正常工作情况下，容器可能出现的最大真空度。 内压容器器壁存在：拉伸的周向应力与轴向应力，容器受拉爆破。 外压容器器壁存在：压缩的周向应力与轴向应力，容器受压失稳。 2、重力载荷 重力载荷包括： 自重、内部介质重力及永远连接在容器上的工艺附件（接管、塔板、保温层、操作平台等） 有三种工况的重力载荷： 最小（吊装）重力载荷、操作重力载荷和最大重力载荷（水压试验或充满介质）； 重力载荷一般引起轴向压缩应力，注意当偏心时引起的偏心弯矩。 3、风载荷 风载荷：位于室外的高耸设备必须考虑风载荷。 风压作用在设备迎风侧产生脉动力矩。 对高耸设备受到：平行风向的静弯矩，迎风侧器壁产生轴向拉应力，背风侧产生轴向压缩应力， 材料可能失稳。 卡门涡街：气流在设备背风侧产生周期漩涡，使设备产生垂直于风向的周期性振动（横风向振 动）。 风诱导共振：当塔横风向振动频率与塔固有频率一致时，产生有阻尼共振，成为风诱导共振，在 垂直于风向产生诱导共振弯矩。 4、地震载荷 地震力：地震产生水平或垂直运动，设备地面处突然水平运动而上部处于静止，则设备产生惯性力。 地震波产生三个方向运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转， 对设备最危险的是水平方向振动，一般只考虑水平地震力。 水平地震力产生水平方向弯矩，使设备器壁产生周向应力 5、温度载荷 温度载荷：当容器璧温变化，引起膨胀或收缩，这种变形受相邻构件或材料限制，由此产生温差应 力。 温差应力：与容器材料、温度变化幅度及周围约束元件的刚度有关。 对碳钢材料，温度每升高1，将产生2.4MPa温差应力。 1.6.2 压力容器应力分类 应力分类是容器按常规设计和分析设计主要区别之一。 常规设计：只限制器壁中的薄膜应力，但不符合实际情况，容器中既有薄膜应力，还有其他应力， 如封头与同体不连续处有：弯曲应力，局部薄膜应力等。 分析设计：对器壁内的应力进行分类，根据这些应力对破坏其的作用不同，分别用不同的许用应力 进行限制。 分析设计允许局部出现塑性，结构整体无限寿命和局部是有限寿命。该方法是工程与力学分析的完 美结合，反应了先进的设计水平。 根据应力产生原因及应力存在区域将应力分为： 一次应力、二次应力和峰值应力 1、一次应力 一次应力： 平衡压力或其他外加机械载荷所必需的应力。 满足外在与内内及内力矩的静力平衡关系。 一次应力具有非自限性，随外力增大而增大，不会因器壁发生塑性变形自限，直到容器爆破。 一次应力分三种： a.总体一次薄膜应力，存在于远离结构不连续区处，认为沿壁厚均匀分布。 如薄壁圆筒或球壳由内压产生的膜应力、厚壁容器由内压产生的轴向应力及周向应力沿壁 厚平均值均属于一次总体薄膜应力。 b.一次局部薄膜应力PL 存在于总体结构不连续区域，由内压或其他机械载荷产生的薄膜应力和连接边缘效应产生 的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。 一次局部薄膜应力特点： 大于一次总体薄膜应力，作用区域小，其中包含结构不连续效应产生的具有二次应力特征的薄膜 应力，具有一定自限性。 存在部位：壳体与封头连接处的薄膜应力，在支座、接管处由外部载荷或力矩引起的薄膜应力 c.一次弯曲应力Pb 平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的应力。沿壁厚内外表面大小相等、方 向相反。 载荷增加使内外壁面首先进入屈服，内部材料仍处于弹性状态，继续增大载荷，应力沿厚度 重新调整，其危险性小于一次总体薄膜应力。 典型存在区域：平板封头中心部位有压力引起的弯曲应力； 对较薄的壳体上，壳体弯曲应力非常小，内外表面应力几乎相同，薄壁壳体可忽略一次弯曲应 力。 2、二次应力Q 二次应力：是由自身约束或相邻部件间的相互约束引起的正应力或切应力。 二次应力不是由外载荷直接引起的，不是用来平衡外载荷，而是结构受载时发生变形相互协调时 产生的，具有自限性特征。 当局部材料发生屈服、塑性流动，相邻之间约束得到缓解而不再继续发展，应力自动限制在一定范 围内。不会是容器直接破坏，对容器危害性很小。 存在二次应力实例： 筒体与封头连接处、筒体与接管连接处、不同厚度壳体连接处； 总体热应力，会引起结构明显变形的热应力。 3、峰值应力F 峰值应力： 是结构局部不连续和局部热应力的影响叠加到一次加二次应力之上的应力增量。 特点： 高度的局部性和自限性，不会引起明显变形。是引起结构疲劳破坏或脆性破坏的可能原 因，对其他失效不起作用。危险性低于二次应力。 局部结构不连续： 指几何形状或材料在很小区域不连续，只在很小范围引起应力和应变增大，即应力集中， 对总体应力分布和变形无影响。 存在实例：接管与壳体交接处、结构上小半径过渡圆角、焊接咬边、未焊透、裂纹等处。 1.6.3 压力容器局部应力 1、边缘应力 存在部位：存在于容器不连续结构处，如封头与筒体焊接处、法兰、壳体接管等位置 特点： 影响区域小，具有局部性。 计算发现：对于钢制设备，边缘效应影响区域 即可按无力矩理论计算，不考虑边缘效应。 具有自限性 尽管局部应力很大，一旦局部达到塑性变形，则弹性约束缓解，边缘应力再也不会增加，自动受 到限制。 2、热应力 热应力：设备或部件因温度变化而产生变形，变形受到约束时而引起的应力。 热应力存在工况： 容器在较高或较低温度运行时温度变化引起的变形受到约束。 如厚壁容器的内壁与外壁存在温差，不同直径处材料变形不一致等。 两个或两个以上的零件组成的容器，温度分布不均、温升不等或两个零件线膨胀系数不等，引起 热应力。 如：固定管板换热器的管子与壳体热变形不一致。 对内压容器：壁温差小于10，或具有良好保温的高温、低温容器，或操作温度达到材料蠕变 温度以上，可不考虑热应力。 3、制造偏差引起的附加应力 容器截面不圆引起的附加应力，不圆可引起附加弯矩和弯曲应力。 容器焊接错边和角变形引起的附加应力 表面凸凹不平引起的附加应力 4、焊接接头的局部应力 焊接组织不均匀、力学性能不均匀、结构几何不连续、焊缝存在缺陷、焊接区域加热不均 匀，引起均不应力 焊接区域的变形不均匀，形成较高的残余应力，一般焊后应进行热处理，消除焊接热应力。 1.6.4 压力容器常规设计（规范设计） 常规设计（design by rule )：ASME-1压力容器建造和GB150压力容器为代表。 常规设计失效准则：弹性失效准则，第一强度理论。 壳体或部件设计公式以薄壁理论或材料力学方法； 壳体设计采用“中径公式”，为筒体平均应力； 将平均应力限制在弹性失效准则所确定的许用应力范围内。 考虑的载荷：单一最大载荷工况，按一次静力载荷处理，不涉及疲劳问题，不考虑热应力。 常规设计不足： 是一种基于经验的设计方法； 没有考虑设备运行中载荷和应力的多样性，每种应力对容器破坏作用不一样特点； 设计靠增大安全系数保证安全，按增加安全系数导致容器壁厚增加，壁厚增加导致热应力增大， 器壁缺陷增加。 常规设计安全系数取值 nb=2.7 ns=1.5 nD=1.5, nn=1.0 许用应力 1.6.5 压力容器分析设计 分析设计（design by analysis )： 以ASME-2压力容器建造-另一规则和GB150压力容器-分析设计标准为代表。 分析设计失效准则引进极限载荷设计、安定性分析设计和疲劳寿命分析为基础的设计准则； 以塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法，采用第三强度理论。 允许局部出现塑性，结构整体无限寿命和局部是有限寿命（允许局部塑性区）。 分析设计方法： 通过解析法或数值分析（有限元法），将各种外载荷或变形产生的应力计算出来； 然后对应力进行分类，对各种应力用塑性理论的基本概念进行评定，按不同的设计准则 进行限制，确保容器在使用期内不发生各种形式失效。 分析设计是工程与力学分析的完美结合，反应了先进的设计水平，克服了常规设计的不足， 相应降低了安全系数。 1、极限载荷设计分析塑性失效分析 极限分析：认为某点达到屈服后该结构并没有失效，整个壁厚都屈服达到极限状态才算失 效。 对弹性体单位宽度梁应力计算： 当梁整个截面屈服时，梁所受弯矩： 在 M P 作用下，假设梁不产生塑变，梁上下表面最大虚拟弹性应力： 由此确定一次弯曲应力的强度限制值：1.5 2、安定性分析 假如构件加载某部位局部进入拉伸塑性区，周围是弹性区，卸载时弹性区要恢复，塑 性区无法恢复，就对塑性区产生压缩应力，当压缩应力达到屈服极限时，构件进入反向屈服； 下一次加载时，局部又进入屈服区，卸载时又受到弹性区的压缩作用而进入反向屈服； 如此反复塑性变形，从而导致构件破坏称为结构不安定 局部虚拟弹性应力超过2s时，结构进入不安定状态。 当安全系数ns=1.5时，将一次加二次应力强度限制在3 （3Sm) 3、疲劳分析设计 （1）疲劳分析 极限分析可知：外载小于极限载荷，结构中塑性变形局部的、可控的；外载荷大于极限 载荷，结构失去承载能力。 安定分析可知：当外载荷小于安定载荷时，结构除在初始载荷循环中出现塑性变形外， 之后循环始终处于弹性范围，具有无限寿命。 当外载荷大于安定载荷时，出现三种情况： 当外载荷大于安定载荷时，出现三种情况： 渐增性垮塌 当弹性虚拟应力超过2倍屈服极限时，反复加载、卸载导致塑性变形积累，形成塑性“铰链”， 到达一定程度出现垮塌。 低周疲劳 材料在交变载荷作用下破坏称为疲劳，容器疲劳属于低循环疲劳或塑性疲劳；即反复拉、压塑 性变形导致裂纹产生、扩展直到贯穿整个壁面，最终泄漏。 棘轮损伤 棘轮损伤指在一个恒定载荷和一个交变载荷（如温度变化）共同作用下出现的一种破坏现象。 特点：温度应力交变时，将在结构不同部位产生塑性变形和不可逆的积累，在加载时变形增加，而 卸载时变形不能恢复。 （2）疲劳失效特点 静载荷失效是应力过大而引起的，疲劳失效与静载荷失效有本质区别： 疲劳失效本质： 是局部高应力区应力超过材料屈服点，材料屈服变形，晶粒滑移；载荷反复作用，微 裂纹在滑移带或晶界处形成，微裂纹不断扩展，形成宏观裂纹，贯穿容器壁面。 疲劳寿命确定： 交变载荷下，强度指标是疲劳极限；设计时需确定局部地区应力峰值（最大应力），根 据材料疲劳曲线可确定构件疲劳寿命。 不做疲劳分析条件：疲劳分析比较复杂、困难，按JB4732规定，对材料b550MPa钢材，在设 计寿命期内，当总循环次数不超过1000次可免做疲劳分析。 4、应力强度限制 各类应力安全判据： a、一次总体薄膜应力强度S S=PiSm Sm许用应力强度 b、一次局部薄膜应力强度S： c、一次弯曲应力强度或 一次弯曲应力强度加一次薄膜（总体或局部） S Pb+（Pm或PL） 1.5Sm 分析设计许用应力强度极限Sm 1.6.6 压力容器设计监督管理 1、设计单位压力容器设计许可证 压力容器设计单位必须取得设计许可证，否则不得从事压力容器设计工作；（设计证属于单位， 个人没有设计资质证） 取得设计证单位或机构只能从事许可范围内的容器设计工作 压力容器设计许可证分为：A类、C类、SAD类及D类 A类、C类和SAD（stress analysis design)类压力容器设计许可证由国家质检总局批准、颁发； D类压力容器设计许可证由省级质量技术监督部门批准、颁发 设计许可证有效期四年，有效期满当年必须办理换证，逾期不办或未被批准换证，取消设计资格。 2、设计审核人员资格证 设计单位从事容器设计图的批准（或审定）人员、审核人员必须经过培训，考核，取得国 家质量技术监督局颁发的设计审核员资格证书 3、资格证适用 取得A类或C类设计资质的单位和审核人员，即具备D类容器设计资格和审批资格 取得D2类设计资格的单位和设计审批人员，即具备D1类容器的设计资格和审批资格。 4、各类气瓶与医用氧舱设计 两类不实行设计资格许可，实行设计文件审批制度 5、申请取证的设计单位应具有资格 申请A1、A2、A3级设计资格的单位，应具备D类容器设计或具备相应级别压力容器制造资格。 申请C类设计资格单位，应具备相应压力罐车的制造资格。 学会、协会等社会团体、咨询公司、中介机构、各类技术检验检测单位及与压力容器设计、制造、 安装无关单位不能申请设计资格。 注：除按SAD分析设计外的其它压力容器设计，设计单位需要获取压力容器设计资格证，设计人员 不需要参加国家考核获得个人的设计资质，但审批人员必须通过国家组织的考核，获得审批 资质证， 一般设计人员由单位考核后设计资质证。 SAD设计资质，不仅单位需要有资质，设计人与阿和审核人员均需参加国家组织的考试，获得设计、 审核资质 1.6.7 压力容器设计单位及提供的设计文件要求 1、设计单位应建立设计质量保证体系，内容包括： 术语与缩写（设计相关的） 质量方针 设计组织机构，各级设计、校对、审核、批准人员的职务、责任、权利，各级人员的任命书。 设计质量控制计划，包括总则、设计类别、级别、品种范围、材料代用、设计修改、设计审核修 改单。 各级设计人员的培训、考核、奖惩 设计管理制度，包括： 设计人员条件、设计人员业务考核、 设计人员岗位责任制、设计工作程序、 设计条件编制与审查、设计文件签署、 设计文件标准化审查、设计文件质量评定、 设计文件管理设计文件更改、设计文件复用， 设计条件图编制细则、设计资质印章的使用与管理。 2、设计单位的资格与责任 (1)设计单位应当对设计质量负责; (2)总体采用规则设计标准，局部参照分析设计标准进行压力容器受压元件分析计算的单位，不必 取得应力分析设计许可资格； (3) 采用国际标准或者境外标准设计的压力容器，设计的单位应提供设计文件与固定容规安全 要求相符合性的申明； (4)压力容器的设计单位应向设计委托方提供完整的设计文件。 (5)设计单位必须在设计总图加盖设计许可印章（复印章无效）； 不得将许可印章借与其它单位使用或为其它设计单位图纸加盖本单位印章。 设计许可章失效图样或加盖竣工图章图样不得用于制造压力容器。 印章规定： 椭圆形，长轴75mm，短轴45mm 有：“压力容器设计资格印章”字样、有设计单位技术负责人姓名、设计许可证编号、设计许 可证批准日期、设计单位全称。 （6）设计单位必须提供设计文件 压力容器的设计文件包括: 强度计算书或者应力分析报告；设计图样； 制造技术条件；风险评估报告（对第类压力容器，应出具包括主要失效模式和风险控制 等内容的风险评估报告）； 设计单位认为必要时，还应当包括安装与使用维修说明。 对装设安全阀、爆破片装置的压力容器，设计文件还应当包括: 压力容器安全泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积的计算书； 无法计算时，设计单位应当会同设计委托单位或者使用单位，协商选用超压泄放装置。 1.6.8 设计总图要求 总图的审批 设计总图应当按照有关安全技术规范的要求履行审批手续。 对于第类压力容器，应当有压力容器设计单位技术负责人或者其授权人的批准签字。 总图的主要内容 压力容器的设计总图上，至少应当注明以下内容： (1)压力容器名称、类别，设计、制造所依据的主要法规、标准； (2)工作条件，包括工作压力、工作温度、介质毒性和爆炸危害程度等。 (3)设计条件，包括设计温度、设计载荷（包含压力在内的所有应当考虑的载荷）、介质（组分）、 腐蚀裕量、焊接接头系数、自然条件等，对储存液化气体的储罐应当注明装量系数，对有应 力腐蚀倾向的储存容器应当注明腐蚀介质的限定含量； (4)主要受压元件材料牌号与标准； (5)主要特性参数（如压力容器容积、换热器换热面积与程数等）； (6)压力容器设计使用年限（疲劳容器标明循环次数）； (7)特殊制造要求； (8)热处理要求； (9)无损检测要求； (10)耐压试验和泄漏试验要求； (11)预防腐蚀的要求; (12)安全附件的规格和订购特殊要求（工艺系统已考虑的除外）； (13)压力容器铭牌的位置； (14)包装、运输、现场组焊和安装要求。 1.7 压力容器材料与检验 1.7.1 压力容器材料选用 1、材料力学性能 材料强度 材料抵抗外载不致破坏的能力。 按外力形式分为： 抵抗外力静载荷 抵抗交变载荷的疲劳强度 抵抗冲击外力的冲击强度。 按环境温度分为： 常温下抵抗外力常温强度、高温或低温下抵抗外力的高温或低温强度 强度指标： 屈服点（屈服强度）ReL（Rp0.2)、抗拉强度Rm 蠕变极限R D ， 持久极限Rn ; RD 与Rn 很难获得 材料塑性指标 工程上以：延伸率、截面收缩率和冷弯角来衡量静载荷作用下金属材料的塑性变形能力。 、 、 值越大材料塑性越好。 材料硬度 材料对外界物体机械作用（压痕、刻划）的局部抵抗能力。 工程上金属材料硬度常见表示：HB（布氏硬度）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV） 数值上三者之间关系： HRC10HB， HV0.95HB HRC一般表示淬火件硬度， HB一般表示材料正火或调质硬度， HV一般表示原材料或材料退火硬度 材料冲击韧性 韧性：材料在动载荷突然作用下的一种即使、迅速塑性变形能力。 常用试件冲击破坏所消耗的功或吸收的能量表示，称为冲击韧度，Ak值，单位J。 低温冲击试验检验材料抵抗冷脆性性能。 材料韧性指标试验： U型缺口梅氏试样冲击功 V型缺口夏比试样冲击功 脆性转折温度Tk 无塑性转折温度NDT 制造压力容器材料：一般要求常温V型缺口试样夏比冲击功，有时进行低温夏比冲击功试验。 2、钢材分类与化学成分对性能影响 （1）钢材分类 可按：化学成分、钢的品种、冶炼方法、脱氧程度、及用途等进行分类 按化学成分分： 钢分：碳钢与合金钢 碳钢指含碳量小于2.06%的铁碳合金。 根据含C量分为 合金钢指为了改善钢的某些性能而加入一定量的一种或几种合金元素的钢。 合金钢分为 低合金钢，合金元素含量：5% 中合金钢，合金元素含量：5%10% 高合金钢，合金元素含量：10% 按品质分 主要指钢的纯净度，以钢中所含的硫、磷等有害杂质的多少分，分为： 普通碳钢，磷、硫含量：P0.045%，S0.05% 优质碳钢，磷、硫含量： P0.04%，S0.035% 高级优质碳钢，磷、硫含量： P0.03%，S0.03% 按冶炼方法分： 按冶炼炉设备分：平炉、电炉、转炉。 平炉在有拱形炉顶的平炉中，利用外来热源熔化铸铁与废钢所炼出的钢。 此方法控制成分和除去杂质效果一般，炼钢质量一般。 电炉在电炉中利用电能产生高温熔化金属，冶炼钢。 用的多是电弧炉，可控制炉温、充分进行冶炼反应，有害杂质除去完全，钢中有害元素极低， 炼钢质量很高。 转炉在可转动的炉中，向炉内铁水吹空气，利用铁水中杂质与空气发生化学反应产生热量冶炼 钢。 当向转炉中吹氧气时，使杂质除去更加完全，称为氧气转炉冶炼，获得的钢材质量更好。 按脱氧程度分 按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。 沸腾钢钢中加入弱脱氧剂（如锰），当钢液往钢模浇注后，钢液在钢模中发生自脱氧反应，钢 液中放出大量CO，使钢液翻滚，出现”沸腾“现象。 镇静钢在冶炼中加入硅、铝等强氧化剂，钢液完全脱氧，称为镇静钢。 半镇静钢指脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间，钢液在钢模中有较弱沸腾。 沸腾钢成材率高、成本低，但钢锭有气泡、偏析严重，钢材缺陷多，不允许用于重要压力容器。 镇静钢质量好，但成材低，成本高。 （2）钢中化学成分及化学成分对钢材性能影响 钢材中化学元素 除含碳（C）、铁（Fe）外，还有矿石及冶炼过程带入杂质： 锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、 氮（N)、氢（H）等； 为改善钢的性能加入一些其他元素，加入元素有： 铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni)、硅（Si）、硼（B）、 钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）和稀土元素（Re）等 钢中其他元素对钢材性能影响 锰（Mn）是良好脱氧剂与脱硫剂。锰可提高低碳钢的的强度和韧性；对中、高合金钢，锰可 使钢的强度增加、硬度增加，提高耐磨性。 硅（Si）强氧化剂。可提高钢的抗氧化性、提高高温疲劳强度、耐热性和抗H2S等介质腐蚀； 含量超过2%，使钢的塑性与韧性下降。 硫（S）钢中有害元素。与铁生