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第一章压力容器基本知识 主要内容 第一节压力容器简介第二节压力容器的工艺参数第三节压力容器的基本要求第四节压力容器的分类第五节压力容器常用的钢材第六节压力容器的应力及其对安全的影响 压力容器 压力容器 受压容器 是生产和生活中不可缺少的一种设备 广泛应用于工业 农业 国防 医疗卫生等行业和领域 压力容器数量多 增长速度快 结构特殊 类型复杂 操作条件苛刻 发生事故的可能性较大 事故发生时 不仅本身遭到破坏 而且诱发一系列恶性事故 给国民经济和人民财产造成重大损失 压力容器的设计 制造和使用管理 以及对压力容器进行安全管理和监督检查 丰富操作人员的理论知识和提高实际操作水平就显得尤为重要 2006年 月 日晚 时 分 天水方正建材有限公司某生产车间内的4个压力容器中一个不明原因脱离阀门 巨大的冲击力将该容器弹射出十余米 撞向生产车间后墙并将墙撞了个窟窿后才停了下来 由于 肇事 容器射出时磨擦力擦出火花 加之巨大的冲击力将电源震坏 因此事故现场上空火光一片 经查 事发时 生产车间有13名工人 其中4人不幸遇难 5人受伤 压力容器事故一甘肃天水压力容器爆炸 山西嘉宝酒业锅炉爆炸压力容器事故二 事故经过 2000年11月28日 山西省文水县嘉宝酒业有限公司发生锅炉爆炸 造成2人死亡 2人重伤 2人轻伤 直接经济损失20万元 间接损失30万元 事故原因 私自制造锅炉 自行安装投入使用 制造安装人员均没有专业方面的知识 压力容器事故二宁波北仑港电厂锅炉爆炸 事故经过 1993年3月10日 宁波北仑港发电厂发生锅炉爆炸 死亡23人 伤24人 重伤8人 直接经济损失778万元 修复132天少发电近14亿度 事故原因 主要可能因为锅炉严重结渣 落渣进入水产生蒸汽 蒸汽进入炉膛 造成压力升高 一 压力二 压力容器的压力源三 压力容器界限四 压力容器在工业生产中的应用 第一节压力容器简介 一 压力 压力 物理学 垂直作用于物体表面的力 工程中压力是指 垂直作用在物体表面单位单位面积上的力 压强 垂直作用于物体表面单位面积上的力 P表示压强 用F表示压力 用S表示受力面积 压强 重点 什么是压力 p168 一 压力 压强的单位 1帕 1牛 米2 表示每平方米面积上受到的压力是1牛顿 一 压力 大气压力 由于受到地心引力的作用 包围在地球外层的大气层对地球表面产生大气压力 即大气压 大气层越厚 密度越大 压力越大 国家太阳能检测中心地理分布 一 压力 标准大气压 标准大气压值的规定 是随着科学技术的发展 经过几次变化的 最初规定在摄氏温度0 纬度45 晴天时海平面上的大气压强为标准大气压 其值大约相当于76厘米汞柱高 后来发现 在这个条件下的大气压强值并不稳定 它受风力 温度等条件的影响而变化 于是就规定76厘米汞柱高为标准大气压值 但是后来又发现76厘米汞柱高的压强值也是不稳定的 汞的密度大小受温度的影响而发生变化 g值也随纬度而变化 为了确保标准大气压是一个定值 1954年第十届国际计量大会决议声明 规定标准大气压值为 1标准大气压 atm 101325牛顿 米2 105帕斯卡 Pa 一 压力 1654年格里克在德国马德堡作了著名的马德堡半球实验 这让人们对大气压有了深刻的认识 但大气压到底有多大人们还不清楚 11年后意大利科学家托里拆利在一根80厘米长的细玻璃管中注满水银倒置在盛有水银的水槽中 发现玻璃管中的水银大约下降了4厘米后就不再下降了 这4厘米的空间无空气进入 是真空 托里拆利据此推断大气的压强就等于水银柱的高度 根据压强公式科学家们准确地算出了大气压在标准状态下为1 01 105Pa 一 压力 1标准大气压 atm 101325帕 105牛 米21标准大气压 atm 76厘米汞柱 760毫米汞柱1工程大气压 at 1千克力 厘米21工程大气压 at 0 968标准大气压 atm 1工程大气压 at 0 098Mpa 一 压力 绝对压力 以绝对零压为起点计算的压强 气体状态方程中的压力也是指绝对压力 一个标准大气压为101325Pa 它是指一个标准大气压比绝对零压高101325Pa 相对压力 工程中 流体各部分同时受到大气压的作用而相互抵消 对流体的运动不起作用 所以工程中所关心的常是超出大气压的部分 称为相对压力 一般测压仪表测定的都是相对压强 故又称表压 负压 真空度 当流体绝对压强小于当地大气压时 相对压强为负值 称为负压 其差值的绝对值称为真空度 P表 P绝 P大气P负 P大气 P绝P真 P大气 P绝 一 压力 二 压力容器的压力源 工作介质 容器所盛装的或在容器内参加反应的物质 泛指压缩气体或蒸汽 1容器气体压力产生于容器外时 压力源是气体压缩机或蒸汽锅炉 容积型 活塞式 螺杆式 转子式 滑片式 通过缩小气体体积 增加气体密度提高压力 速度型 离心式 轴流式 泪流式 通过增加气体流速 使气体动能转变为势能提高压力 最高压力为压缩机出口压力 利用燃料燃烧放出热量使水蒸发产生水蒸气 在有限的汽包体积内 水蒸气体积膨胀 密度增加 压力增大 最高压力为锅炉出口处的蒸汽压力 二 压力容器的压力源 全无油气体压缩机常压燃煤热水锅炉 二 压力容器的压力源 2容器气体压力产生于容器内时 压力源由容器内介质的聚集状态发生改变 发生体积增大的化学反应 三 压力容器界限 压力容器是指内部或外部承受气体或液体压力 并对安全性有较高要求的密闭容器 所有承受压力的密闭容器均可称为压力容器 本书所说的压力容器是指那些容易发生事故 特别是事故危害比较大 须由专门机构进行监督 并按规定的技术管理规范进行制造和使用的特殊设备 压力容器发生事故时 其危害的严重程度与容器的工作介质状态 工作压力以及容积有关系 这也是划分压力容器界限的需要考虑的三个因素 重点 什么是压力容器 p168 我国目前完全纳入 压力容器安全技术监察规程 简称 容规 适用范围的压力容器必须同时具备下列三个条件 最高工作压力Pw 0 1MPa 不包括液体静压力 内直径DN 0 15m 且容积V 0 025m3 介质为 气体 液化气体或 最高工作温度高于等于标准沸点的液体 三 压力容器界限 重点 容规 对压力容器的界限是如何划分的 p168 四 压力容器的应用 在工业生产中 压力容器的主要作用是储存 运输有压力气体或液化气体 或者是为这些流体的传热 传质反应提供一个密闭的空间 压缩气体作为动力源 压缩气体作为原料或辅助材料 制冷装置高温反应装置化工反应设备石油化学工业高分子反应等 压力容器的基本结构 结构 筒体 封头 接管 法兰 密封元件以及支座等 第二节压力容器的工艺参数 一 压力二 温度三 介质四 公称直径 1 工作压力即操作压力 容器顶部在正常工艺操作时的压力 2 最高工作压力容器顶部在工艺操作过程中可能产生的最大压力 最高工作压力不应超过设计压力 装设安全泄放装置 3 设计压力设计温度下用以确定容器壁厚及其元件尺寸的压力 注 一般 设计压力 最高工作压力 工作压力确定设计压力方法 GB150 钢制压力容器 简称 设计规定 p6 一 压力 设计压力一般原则 容器的设计压力与容器最高工作压力的含义并不等同 但设计压力一般取略高于或等于最高工作压力 装设有安全泄压装置的压力容器 其设计压力不得低于安全阀的开启 整定 压力和爆破片装置的爆破压力 盛装液化气体的容器 无保温装置的 设计压力 最高工作压力 不低于所装液化气体在50 时的饱和蒸气压力 有可靠的保温设施的 设计压力不低于其在试验实测的最高温度下的饱和蒸气压力 一 压力 1 使用温度 测温仪表测得工作介质温度 2 设计温度 指容器在正常操作条件下 在相应设计压力下 设定的受压元件的金属温度 设计温度注意 对常温或高温操作的容器 其设计愠度不得低于壳体金属可能达到的最高金属温度 对在0 以下操作的容器 其设计温度不得高于壳体金属可能达到的最低金属温度 在任何情况下 容器壳体或其他受压元件金属的表面温度 不得超过材料的允许使用温度 安装在室外且器壁无保温装置的容器 壁温受环境温度的影响而可能小于或等于 20 时 其设计温度一般应按容器使用地区历年各月 日最低温度月平均值的最小值确定其最低设计温度 二 温度 定义 压力容器内盛装的物料 有液态 气态或气液混合态 压力容器的安全性与盛装介质密切相关 介质为易燃 易爆 腐蚀性和毒性的容器 使用维护中须特别注意 介质 易燃介质 毒性介质混合介质腐蚀介质 三 介质 剧毒 有毒 易燃介质剧毒介质是指进入人体量小于50克即会引起肌体严重损伤或致死的介质 有毒介质是指进入人体量大于或等于50克即会引起人体正常功能损伤的介质 易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10 或爆炸上限与下限之差大于20 的介质 定义 压力容器的公称直径是按容器零部件标准化系列而选定的壳体直径 用符号DN及数字表示 单位为mm 注意 焊接的圆筒形容器 公称直径是指它的内径 而用无缝钢管制作的圆筒形容器 公称直径是指它的外径 因为无缝钢管的公称直径不是内径 而是接近而又小于外径的一个数值 为了方便 用无缝钢管作容器简体时 选外径作为公称直径 四 公称直径 第三节压力容器的基本要求 一 强度 抵抗破裂或过量变形能力 二 刚度 抵抗弹性变形过大造成失效的能力 三 稳定性 抵抗外部载荷引起的形状改变能力 四 耐久性 具有足够使用寿命 五 密封性 容器连接处保持介质不泄漏的能力 第四节压力容器的分类 一 分类二 代号标记法 压力容器分类 一 按压力分类 低压容器O 1MPa p 1 57MPa中压容器1 57MPa p 9 807MPa高压容器9 807MPa p 98 07MPa超高压容器p 98 07MPa 按压力精确分 二 按温度分类 低温容器 20 常温容器 20 450 高温容器 450 压力容器分类 按作用原理分 铁路罐车 介质为液化气体 低温液体 罐式汽车 液化气体运输 半挂 车 低温液体运输 半挂 车 永久气体运输 半挂 车 和罐式集装箱 介质为液化气体 低温液体 等 压力容器分类 三 按安装方式分类 固定式容器移动式容器 反应容器 如聚合釜 氨合成塔换热容器 如冷却器 蒸发器分离容器 如分馏塔 吸收塔储运容器 储槽 槽车 四 管理与安全监察权限划分 压力容器安全技术监察规程 容规 1 三类压力容器第一类容器非易燃或无毒介质的低压容器 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器 第二类容器中压容器 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和储存容器 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器 低压管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器 第三类容器高压 超高压容器 易燃介质或毒性程度为中度危害介质 且压力与容积的乘积PV 0 5MPam3的中压反应容器和PV 10MPam3的中压储存容器 毒性程度为极度或高度危害介质的中压容器和PV 0 2MPam3的低压容器 高压 中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器 使用强度级别较高 指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa 的材料制造的压力容器 移动式压力容器 包括铁路罐车 介质为液化气体 低温液体 罐式汽车 液化气体运输 半挂 车 低温液体运输 半挂 车 永久气体运输 半挂 车 和罐式集装箱 介质为液化气体 低温液体 等 球形容器 容积大于等于50m3 低温液体储存容器 容积大于50m3 代号标记法 压力容器注册编号的前三个代号分别是上述分类法的代号 如 MS 分离容器 中压 第二类 第一个代号表示类别 一类压力容器 二类压力容器 三类压力容器 第二个代号表示压力的等级 I 低压low M 中压medium H 高压high U 超高压ultrahigh 第三个代号表示用途 R 反应容器 E 换热容器 S 分离容器 C 储存容器 B 球形容器 LA 液化气体汽车罐车 LT 液化气体铁路罐车 一 压力容器对材料性能的要求及安全性 二 压力容器的选材 第五节压力容器常用的钢材 压力容器在特定压力 温度和介质下可能发生的脆性破坏 疲劳破坏 腐蚀破坏 蠕变变形及断裂 局部或整体弹性失稳或刚性不足以及超载破坏等 压力容器的安全性 安全可靠性是压力容器最重要的质量特性 其选材 制造必须符合有关标准 规范 压力容器的工作条件与失效形式 1 优良的综合力学性能 较高强度但 s b不能过大 良好塑性 韧性 抵抗超负荷 较小应变时效敏感性 容器冷成形后不变脆 2 优良抗腐蚀性能 内部介质腐蚀速度应 0 1 1mm a 3 良好的工艺性能 焊接性 压力加工性和热处理性能 压力容器的用钢的一般要求 抗拉强度 tensilestrength 当钢材屈服到一定程度后 由于内部晶粒重新排列 其抵抗变形能力又重新提高 此时变形虽然发展很快 但却只能随着应力的提高而提高 直至应力达最大值 此后 钢材抵抗变形的能力明显降低 并在最薄弱处发生较大的塑性变形 此处试件截面迅速缩小 出现颈缩现象 直至断裂破坏 钢材受拉断裂前的最大应力值 b点对应值 称为强度极限或抗拉强度 万能材料试验机 压力容器的用钢的一般要求 屈服强度 yieldstrength 当应力超过弹性极限后 变形增加较快 此时除了产生弹性变形外 还产生部分塑性变形 当应力达到b点后 塑性应变急剧增加 曲线出现一个波动的小平台 这种现象称为屈服 这一阶段的最大 最小应力分别称为上屈服点和下屈服点 由于下屈服点的数值较为稳定 因此以它作为材料抗力的指标 称为屈服点或屈服强度 1 对于屈服现象明显的材料 屈服强度就是在屈服点在应力 屈服值 2 对于屈服现象不明显的材料 与应力 应变的直线关系的极限偏差达到规定值 通常为0 2 的永久形变 时的应力 通常用作固体材料力学机械性能的评价指标 是材料的实际使用极限 因为材料屈服后产生颈缩 应变增大 使材料失去了原有功能 压力容器的用钢的一般要求 人类社会发展史 原始社会 奴隶社会 封建社会 资本主义社会 人类使用材料的历史 石器 青铜器 铁器 工业化 钢铁 信息社会 多种新材料 我国冶金工业发展史 中国冶金的辉煌历史 鱼肠剑 据 吴越春秋 公子姬光备办酒席宴请吴王僚 当时吴王僚穿了三重铁甲 但仍然未能防住公子姬光的精心算计 喝酒喝到畅快的时候 公子姬光假装脚有毛病 出门让专诸把鱼肠剑放到烤鱼的肚子里把鱼献上去 然后 专诸擘烤鱼推匕首进行刺杀行动 专诸固然是个胆大的刺客 而那柄精巧的鱼肠剑竟然锋利到了不可思议的程度 经它一刺 吴王僚不但透胸断骨 而且被贯穿铁甲 直达后背 一代枭雄随风而去 公子姬光上台 这才引出了以后的吴灭楚 越亡吴的精彩故事 长流程 铁矿石 高炉 铁水 转炉 钢水 浇注 钢坯 轧钢 钢材短流程 废钢等 电炉 钢水 浇注 轧钢 钢材 现代钢铁生产的一般流程 现代钢铁生产的一般流程 钢铁工业发展 现代炼铁方法 现代炼铁方法 高炉炼铁法 即以焦炭为能源基础的传统炼铁方法 它与转炉炼钢相配合 是目前生产钢铁的主要方法 高炉炼铁的这种主导地位预计在相当长时期之内不会改变 由于高炉炼铁受能源焦炭的限制 在一些缺乏焦煤资源的国家和地区 经过长期的研制和实践 也逐步形成了不同形式的非高炉炼铁法 高炉炉型 转炉炼钢 电弧炉炼钢 模铸法主要设备 钢锭模 渣包 钢锭模 型钢 棒线材 重轨 桥梁用钢 奥运鸟巢 板卷 冷轧镀锌板 船板钢 钢管 碳钢 含碳量wc小于2 的铁碳合金 按含碳量可以把碳钢分为低碳钢 wc 0 25 中碳钢 wc0 25 0 6 和高碳钢 wc 0 6 按磷 硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢 含磷 硫较高 优质碳素钢 含磷 硫较低 和高级优质钢 含磷 硫更低 按用途可以把碳钢分为碳素结构钢 碳素工具钢和易切削结构钢三类 碳素结构钢又可分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种 碳素结构钢 主要保证力学性能 故其牌号体现其力学性能 用Q 数字表示 其中 Q 为屈服点 屈 字的汉语拼音字首 数字表示屈服点数值 例如Q275表示屈服点为275MPa 优质结构钢 保证化学成分和力学性能 其牌号是采用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数 w 10000 例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0 45 常用的锅炉钢有平炉冶炼的低碳镇静钢或电炉冶炼的低碳钢 含碳量wc在O 16 0 26 范围内 制造高压锅炉时则应用珠光体耐热钢或奥氏体耐热钢 近年来也采用普通低合金钢建造锅炉 如12锰 15锰钒 18锰钼铌等 二 压力容器的选材 压力容器用钢特点锅炉钢 用小写g在牌号尾表示 其牌号可用屈服点表示 如 Q390g 也可用含碳量或含合金元素来表示 如20g 22Mng 15CrMog 16Mng 19Mng碳素结构钢 a Q195 b Q215 A B c Q235 AF A B C d Q255 A B e Q275 压力容器用钢板 用大写R在牌号尾表示 其牌号可用屈服点也可用含碳量或含合金元素表示 如 Q345R Q345为屈服点 再如 20R 16MnR 15MnVR 15MnVNR 8MnMoNbR MnNiMoNbR 15CrMoR等均用含碳量或含合金元素来表示 杂质低 Ws 0 030 Wp 0 035 性能与质量检验要求高 增加力性检验率 有高 低温性能要求 出厂保证项目多 二 压力容器的选材 锅炉钢简介 boilersteel 主要指用来制造过热器 主蒸汽管和锅炉火室受热面用的材料 对锅炉钢的性能要求主要是有良好的焊接性能 一定的高温强度和耐碱性腐蚀 耐氧化等 常用的锅炉钢有平炉冶炼的低碳镇静钢或电炉冶炼的低碳钢 含碳量Wc在0 16 0 26 范围内 制造高压锅炉时则应用珠光体耐热钢或奥氏体耐热钢 近年来也采用普通低合金钢建造锅炉 如12锰 15锰钒 18锰钼铌等 二 压力容器的选材 适合制造锅炉用的钢材 包括汽包用钢和锅炉管用钢 汽包用钢要有高的热强性 韧性和组织稳定性 长期处于高压中温水蒸气作用下不发生过大的永久变形及破裂 锅炉管用钢要求具有足够高的高温强度 持久塑性 抗氧化性和耐蚀性 组织稳定以及良好的加工性 常用汽包用钢有12Mn钢 16Mn钢 19Mn6钢 15MnV钢 14MnMoV钢 13MnNiMoNb钢 常用锅炉管钢有12CrMo钢 12Cr1MoV钢 12MoVWBSiRE钢 12Cr2MoWVB钢以及12Cr3MoVSiTiB钢 二 压力容器的选材 锅炉钢简介 boilersteel 在工作温度下 应有足够的强度 合理的强韧性配合及组织性质稳定性 可使构件的壁厚不致太大以易于加工并不致显著地影响传热效果 从钢材性能上保证长期安全运行 良好的冷 热加工性能 其中特别是良好的焊接性能 高压锅炉钢应是优质钢或特殊质量钢 为电炉或顶吹转炉冶炼 镇静钢 在冶炼时除用优质原料外 一般要求加以炉外精炼和真空脱气等工艺以使有害杂质如硫 磷 锡 锑 砷等及气体含量降到最低程度 使钢纯净化 以避免脆性断裂事故发生 有好的低倍组织及表面质量 前者如不允许有白点 肉眼可见的夹杂和分层等缺陷出现 后者则如不允许在内外表面上有诸如裂纹 重皮 折叠 结疤和离层等缺陷存在等 因类似缺陷有可能成为构件脆性断裂的事故源 有良好的导热性 对受热面管子则会有较好的传热效果 对厚壁构件则会有更快的温度均匀 锅炉钢按化学成分可分为碳素钢及合金钢两类 为兼顾强度和焊接性能的需要 碳钢多为含碳量0 15 0 25 的低碳钢 最高不超过0 35 对合金钢来说 为兼顾高温下强度 抗氧化和焊接性能的需求 钢中含碳量不超过0 25 并随着工作温度的提高 增加提高高温强度和抗氧化性能的各元素含量 为此就有低合金钢 中合金钢及高合金钢的分类以与其使用温度相适应 锅炉钢选择注意事项 压力容器选材的一般原则 详细考虑具体操作条件 T P 介质 使用环境等 确定相应的性能要求 要综合良好加工工艺性与容器材料性能之间的协调 所选压力容器用材的质量和规格必须符合现行标准或规范 二 压力容器的选材 碳素钢和低合金高强度钢 热轧态使用 设计压力较小 直径较大时 按刚度选材 或设计压力较高 按强度选材 但板厚小于8 10mm 尽量选用碳素钢 如20R等 要求比上述更高时 用低合金高强度钢 最常用16MnR和15MnVR 达300 450MPa 高温用钢 400 600 热强性为主15CrMoR 12Cr2Mo1R等 正火或调质态使用 600 1100 高铬镍奥氏体耐热钢 700 且承载不大 要求抗氧化性 Cr6Si2Mo 同时要求高热强性与抗氧化性 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti 高于700 选1Cr25Ni20 二 压力容器的选材 低温用钢 40 16MnDR 正火态 07MnNiCrVDR 大型球形容器 调质态 60 09MnTiCuREDR 正火态 70 09Mn2VDR 09MnNiDR 90 06MmNbDR 90 高铬镍奥氏体钢等 超高压用钢选择 中碳铬镍钼 钒 钢 如30CrNi5Mo调质 自增强设计 耐蚀钢与抗氢钢 耐蚀钢可选0Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢 常用抗氢钢有15CrMoR 12Cr2Mo1R或Cr18Ni9型奥氏体不锈钢 第二章压力容器缺陷评定 一 压力容器主要缺陷二 压力容器的失效形式三 无损探伤技术 主要缺陷 焊接缺陷 板材中缺陷 锻件中缺陷 外观缺陷 成形不良 表面气孔 烧穿 凹陷等埋藏缺陷 气孔 夹渣 未熔合 未焊透等 非金属夹杂化学成分不合格裂纹热处理缺陷 非金属夹杂物锻造裂纹夹沙龟裂 合乎使用原则 安全评定 对于新制造的或已有的压力容器结构的焊接接头 必须用无损检验方法对其内部质量进行精确的检查 而且根据已建立的缺陷验收标准 对已检出的缺陷进行评定 看其是否在允许范围内 从而判定压力容器的可靠性 这样的评定标准包括两类 一是质量控制验收标准 一是合乎使用的验收标准 合乎使用原则 由无损检测发现的焊接缺陷 经规范中偏安全的断裂力学容限分析以后 如果确认不致发生断裂破坏 且有足够的安全裕度 则这些缺陷被认为是安全的 可接受的 无损探伤技术 无损探伤是在不损伤被检工件的情况下 利用材料中缺陷所具有的物理特性来检测其内部或表面是否存在缺陷的方法 常用的方法包括超声波探伤 射线探伤 磁粉探伤 渗透探伤 声发射检测等等 无损探伤方法也有其局限性 必然带来一定的不确定性 因此必须给予一定的安全裕度 以确保评定的可靠性 主要规范性文件 WEE 37 焊接缺陷验收标准若千方法指南 国际焊接学会IIW 按脆断破坏观点建议的缺陷评定方法 日本WES 2085K 按脆断评定的焊接缺陷验收标准 英国BSIPD6493 焊接缺陷验收标准若干方法指南 美国ASME 锅炉及压力容器规范 第 篇附录G防止非延性破坏美国ASME 锅炉及压力容器规范 第 篇附录A防止非延性破坏美国R H R6 有缺陷结构完整性的评定 我国 压力容器评定规范CVDA 1984 第四节压力容器安全监测与监控 一 压力容器的事故危害二 压力容器运行期间的安全监测与监控 压力容器的事故危害 在压力容器事故中 危害最严重的是破裂爆炸 压力容器爆炸是一种极其迅速的物理的和化学的能量释放过程 压力容器破裂时 带压气体突然外泄 气体瞬间膨胀 释放出大量的能量 这就是物理爆炸 如果容器内充装的是可燃的液化气体 在容器破裂后 它立即蒸发并与周围的空气形成可爆性混合气体 遇到明火或容器碎片撞击设备产生的火花或高压气流所产生的静电作用 会立即发生化学爆炸 也即通常所说的二次爆炸 爆炸危害 1 压力容器爆炸能量造成的破坏作用爆炸冲击波极其破坏作用爆破碎片造成的破坏作用2 毒性介质压力容器破裂所造成的危害3 压力容器事故造成的火灾危害 部分有毒气体吸入5 10分钟致死浓度 压力容器运行期间的安全监测与监控目的是及时发现操作上或设备上所出现的不正常状态 采取相应的措施进行调整或消除 防止异常情况的扩大和延续 保证容器安全运行 主要监测与监控以下三个方面 1 工艺条件方面 主要监测与监控操作条件 包括操作压力 操作温度 液位等 工作介质的化学成分 物料比等 2 设备状况方面 主要监测与监控各连接部位有无松动 泄露 渗漏现象 部件和附件有无塑性变形 腐蚀等 3 安全装置方面 主要监测与监控安全装置 安全阀 爆破片等 以及安全有关的计量器具 温度计等 是否保持完好 监测与监控内容 压力容器类似锅炉 是承受压力的密闭容器 有些压力容器盛装可燃介质 一旦发生泄露 这些可燃气体会立即与空气混合并达到爆炸极限 若遇到火源即可导致二次爆炸火燃烧等连锁反应 造成特大的火灾 爆炸和伤亡事故 四 压力容器的危险因素 由于压力容器是在压力状态下运行 内部介质又有可能是有毒可燃的 所以压力容器一旦发生事故必须进行周密检查和必要的技术措施 一般压力容器破裂原因可分为韧性破裂 脆性破裂 疲劳破裂 腐蚀破裂和蠕变破裂等五种形式 五 压力容器爆炸的危害与预防 冲击波及其破坏作用冲击波超压会造成人员伤亡和建筑物破坏爆破碎片的破坏作用爆炸碎片具有较高速度和较大质量 其对人的伤害取决于其动能 会对人造成伤亡 并且可能损坏附近设备和管道 引起二次事故介质伤害主要是有毒介质的毒害和高温水汽的烫伤 二次爆炸及燃烧当容器所盛装的介质为可燃液化气体时 容器破裂爆炸在现场会形成大量可燃蒸气 并迅即与空气混合形成可爆性混合气 在扩散中遇明火即形成二次爆炸 1 压力容器设计及其制造必须按 压力容器安全监察规定 中规定的符合等级类别的设计制造单位进行 其受压元件焊接工作 必须由经过考核合格的焊工担任 焊缝的表面质量必须符合规定质量标准 并作表面探伤 不允许有裂纹 气孔 凹坑和肉眼可见的夹渣等缺陷 六 压力容器危险的防护措施 2 压力容器制成后必须进行耐压试验 必要时还应进行气密性试验 5 使用压力容器的单位 应根据生产工艺要求和容器的技术性能制定安全操作规程 并严格执行 3 压力容器应按规定装设安全阀 爆破片 压力表 液面计 温度计及切断阀等安全附件 在容器运行期间 应对安全附件加强维护与定期校验 保持齐全 灵敏 可靠 4 使用压力容器的单位 必须向当地压力容器安全监察机构登记并取得使用证 才能将设备投入运行 使用单位应根据设备数量和安全性能要求 设专门机构或专职技术人员 加强压力容器的安全技术管理 建立和健全安全管理制度 6 压力容器应定期进行检验 每年至少一次外部检查 每3年至少进行一次内外部检验 每6年至少进行一次全面检验 使用期达20年 每年至少进行内外部检验 并根据检验情况 确定全面检验时间和作出能否使用的结论 7 压力容器的壳体及受压元件不得有裂纹存在 经内外部检验发现有严重裂纹的容器 应分析原因 采取措施加以消除 修理 更换或报废 对于压力容器操作人员 安全要求如下 1 操作人员必须遵守压力容器安全操作规程 2 压力容器操作人员必须是受过培训 经过考核并取得操作资格证书的人员 必须了解压力容器基本结构和主要技术参数 熟悉操作工艺条件 3 应做到平稳操作 缓慢加压和卸压 缓慢地升温和降温 运行期间 保持压力和温度的相对稳定 7 掌握紧急情况的处理方法 发生故障 严重威胁安全时 应立即采取紧急措施 停止容器运行 并报告有关部门 4 严禁超温 超压运行 5 做好班前 班中和班后的检查工作 及时发现设备的不正常状态 及时采取措施进行处理 6 认真填写操作记录 压力容器的操作与维护 压力容器设计的承压能力 耐蚀性能和耐高低温性能是有条件 有限度的 操作的任何失误都会使压力容器过早失效甚至酿成事故 国内外压力容器事故统计资料显示 因操作失误引发的事故占50 以上 特别是化工新产品不断开发 容器日趋大型化 高参数和中高强钢广泛应用的条件下 更应重视因操作失误引起的压力容器事故 压力容器的操作与维护 1 压力容器工艺参数原则2 压力容器操作维护3 异常情况处理 1 压力容器工艺参数原则 压力容器的工艺规程 岗位操作法和容器的工艺参数应规定在压力容器结构强度允许的安全范围内 工艺规程和岗位操作法应控制下列内容 1 压力容器工艺操作指标及最高工作压力 最低工作壁温 2 操作介质的最佳配比和其中有害物质的最高允许浓度 及反应抑制剂 缓蚀剂的加入量 3 正常操作法 开停车操作程序 升降温 升降压的顺序及最大允许速度 压力波动允许范围及其他注意事项 4 运行中的巡回检查路线 检查内容 方法 周期和记录表格 5 运行中可能发生的异常现象和防治措施 6 压力容器的岗位责任制 维护要点和方法 7 压力容器停用时的封存和保养方法 使用单位不得任意改变压力容器设计工艺参数 严防在超温 超压 过冷和强腐蚀条件下运行 操作人员必须熟知工艺规程 岗位操作法和安全技术规程 通晓容器结构和工艺流程 经理论和实际考核合格者方可上岗 2 压力容器操作维护 1 应从工艺操作上制定措施 保证压力容器的安全经济运行 如完善平稳操作规定 通过工艺改革 适当降低工作温度和工作压力等 2 应加强防腐蚀措施 如喷涂防腐层 加衬里 添加缓蚀剂 改进净化工艺 控制腐蚀介质含量等 3 根据存在缺陷的部位和性质 采用定期或状态监测手段 查明缺陷有无发展及发展程度 以便采取措施 3 异常情况处理 为了确保安全 压力容器在运行中 发现下列情况之一者应停止运行 1 容器工作压力 工作壁温 有害物质浓度超过操作规程规定的允许值 经采取紧急措施仍不能下降时 2 容器受压元件发生裂纹 鼓包 变形或严重泄漏等 危及安全运行时 3 安全附件失灵 无法保证容器安全运行时 4 紧固件损坏 接管断裂 难以保证安全运行时 5 容器本身 相邻容器或管道发生火灾 爆炸或有毒有害介质外逸 直接威胁容器安全运行时 在压力容器异常情况处理时 必须克服侥幸心理和短期行为 应谨慎 全面地考虑事故的潜在性和突发性 附件一 压力容器安全技术监察规程 2000年01月1日 监察范围 本规程适用于具备下列条件的压力容器 1最高工作压力 pw 大于等于0 1Mpa 不含液体静压力 下同 2内直径 非圆形截面指其最大尺寸 大于等于0 15m 且容积 V 大于等于0 025m3 3盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点液体 压力容器安全技术监察规程 2000年01月1日 监察范围 以下压力容器也适用于本规程 1与移动压缩机一体的非独立的容积小于等于0 15m3的储罐 锅炉房内的分气缸 2容积小于0 025m3的高压容器 3深冷装置中非独立的压力容器 直燃型吸收式制冷装置中的压力容器 空分设备中的冷箱 4螺旋板换热器5水力自动补气气压给水 无塔上水 装置中的气压罐 消防装置中的气体或气压 泡沫 压力罐 6水处理设备中的离子交换或过滤用压力容器 热水锅炉用膨胀水箱 7电力行业专用的全封闭式组合电器 电容压力容器 8橡胶行业使用的轮胎硫化机及承压橡胶模具 压力容器安全技术监察规程 2000年01月1日 本规程适用于上述压力容器所用的安全阀 爆破片装置 紧急切断装置 安全联锁装置 压力表 液面计 测温仪表等安全附件 本规程适用的压力容器除本体外还应包括 1压力容器与外部管道或装置焊接连接的第一道环向焊缝的焊接坡口 螺纹连接的第一个螺纹接头 法兰连接的第一个法兰密封面 专用连接件或管件连接的第一个密封面 2压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件 3非受压元件与压力容器本体连接的焊接接头 附件三 锅炉压力容器制造监督管理办法 2002年07月12日 1 最高工作压力大于及等于0 1MPa 表压 且压力与容积的乘积大于及等于2 5MPa l的盛装气体 液化气体和最高工作温度高于及等于标准沸点的液体的各种压力容器 2 公称工作压力大于及等于0 2MPa 表压 且压力与容积的乘积大于及等于1 0MPa l的盛装气体 液化气体和标准沸点低于60 液体的各种气瓶 3 医用氧舱 本办法不适用于船舶 铁路机车 航空器 军事装备和核设施中使用的锅炉压力容器以及额定热功率小于0 1MW且输出热水温度低于及等于90 的电或燃气加热热水器 锅炉压力容器制造监督管理办法 2002年07月12日 压力容器按照附件一的规定 划分为A B C D4个制造许可级别 A超高压容器 高压容器 A1 第三类低 中压容器 A2 球形储罐现场组焊或球壳板制造 A3 非金属压力容器 A4 医用氧舱 A5 A1应注明单层 锻焊 多层包扎 绕带 热套 绕板 无缝 锻造 管制等结构形式B无缝气瓶 B1 焊接气瓶 B2 特种气瓶 B3 B2注明含 限 溶解乙炔气瓶或液化石油气瓶 B3注明机动车用 缠绕 非重复充装 真空绝热低温气瓶等C铁路罐车 C1 汽车罐车或长管拖车 C2 罐式集装箱 C3 D第一类压力容器 D1 第二类低 中压容器 D2 注 一 二 三类压力容器的划分按照 压力容器安全技术监察规程 确定 附件六 GB150 1998 钢制压力容器 一 范围 引用标准 总论 标准的适用范围 1 1 1 2节 适用的压力范围设计压力P 0 1 35MPa真空度 0 02MPa适用的温度范围 钢材允许的使用温度 2 不适用范围 1 3节 3 对超出标准范围的容器的处理办法 1 4节 包括有限元法在内的应力分析 验证性实验分析 如实验应力分析 验证性液压试验 用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计 引用标准 5 总论 1 容器管辖范围 3 3 1节 3 3 4节 2 定义 3 4节 1 压力除注明者外 压力均为表压力 工作压力Pw设计压力Pd计算压力Pc最大允许工作压力 Pw 安全阀的开启压力Pz爆破片的标定爆破压力Pb 2 温度金属温度 工作温度 最高 最低工作温度 设计温度 试验温度 3 载荷 经常性载荷 选择性载荷 3 5 4节 4 厚度 厚度的定义 计算厚度 设计厚度 名义厚度 有效厚度等 3 4 8节 厚度负偏差C1腐蚀裕量C2C2 Nf dC2 Nf 设计寿命 单位 年 dC2 腐蚀速率 单位 毫米 年腐蚀裕量考虑的原则 与工作介质接触的筒体 封头 接管 人 手 孔及内部构件等 均应考虑腐蚀裕量 下列情况一般不考虑腐蚀裕量 a 介质对不锈钢无腐蚀作用时 不锈钢 不锈复合钢板或有不锈钢堆焊层的元件 b 可经常更换的非受压元件 c 有可靠的耐腐蚀衬里 d 法兰的密封表面 e 管壳式换热器的换热管 f 管壳式换热器的拉杆 定距管 折流板和支持板等非受压元件 g 用涂漆可以有效防止环境腐蚀的容器外表面及其外部构件 如支座 支腿 底板及托架等 但不包括裙座 3 腐蚀裕量一般应根据钢材在介质中的腐蚀速率和容器的设计寿命确定 对有使用经验者 可以按经验选取 4 容器的设计寿命除有特殊要求外 塔 反应器等主要容器一般不应少于15年 一般容器 换热器等不少于8年 腐蚀裕量的选取 1 容器筒体 封头的腐蚀裕量a 介质为压缩空气 水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制的容器 其腐蚀裕量不得小于1 0mm b 除a以外的其他情况可按下表确定筒体 封头的腐蚀裕量 筒体 封头的腐蚀余量最大腐蚀余量不应大于6mm 否则应采取防腐措施 2 容器接管 包括人 手孔 的腐蚀余量 一般情况下应取壳体的腐蚀余量 3 筒体内侧受力焊缝应取与筒体相同的腐蚀余量 4 容器各部分的介质腐蚀速率不同时 则可取不同腐蚀余量 5 两侧同时与介质接触的元件 应根据两侧不同的操作介质选取不同的腐蚀余量 两者叠加作为总的腐蚀余量 6 容器地脚螺栓的腐蚀余量可取3mm 5 最小厚度 3 5 6节 1 对碳钢和低合金钢制容器 不小于3mm2 对高合金钢容器 不小于2mm 3 碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2 1000的塔器内直径 且不小于4mm 对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于3mm 4 管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB151 管壳式换热器 的相应规定 5 复合钢板复层的最小厚度a 为保证工作介质干净 不被铁离子污染 而采用的复合钢板 其复层厚度不应小于2mm b 为了防止工作介质的腐蚀而采用的复合钢板 其复层厚度不应小于3mm 不锈钢堆焊层在加工后的最小厚度为3mm6 对有防腐蚀衬里的碳钢或低合金钢制容器 其钢壳的最小厚度为5mm 6 焊接接头系数 3 7节 焊接接头系数 焊缝区材料强度 本体材料强度 1焊接接头系数大小与以下主要因素有关 a 焊接接头的结构形式b 焊接接头无损检测的长度比例 7 压力试验 液压试验 气压试验 3 8节 压力试验a 液压试验 碳素钢 16MnR和正火15MnVR钢制容器液压试验时 液体温度不得低于5 其他低合金钢制容器 液压试验时液体温度不得低于15 试验压力PT内压容器液压试验PT 1 25P外压容器和真空容器按内压容器进行试验 液压试验压力PTPT 1 25pb 气压试验碳素钢和低合金钢制压力容器的试验用气体温度不得低于15 其他材料制压力容器 其试验用气体温度应符合设计图样规定 气压试验PT 1 15P 外压容器及真空容器气压试验压力PTPT 1 15p 3 夹套容器 对于带夹套的容器 应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力 对立式容器卧置进行液压试验时 试验压力应为立置时的试验压力加液柱静压力 液压试验时 圆筒的薄膜应力校核式 T 0 9 s 0 2 气压试验时圆筒的薄膜应力校核式 T 0 8 s 0 2 8 致密性试验 致密性试验有气密性试验或煤油渗漏试验 气密性试验压力一般取PT 1 0P 空气或氮气 对于壳程压力低于管程压力的列管式换热器 如果不能采用提高壳程试验压力等于管程试验压力的方法 来检查管子与管板连接的严密性时 则壳程 管程按各自要求试验压力试压 然后壳程再以1 05倍壳程设计压力的含氨体积约1 的压缩空气或低压纯氨渗透试验 煤油渗漏试验将焊缝能够检查的一面清理干净 涂以白粉浆 晾干后在焊缝另一面涂以煤油 使表面得到足够的浸润 经半小时后白粉上没有油渍为合格 9 现场组装大型容器的耐压试验 3 9节 对不能按3 8的规定作出压力试验的容器 设计单位应提出确保容器安全运行的措施 经设计单位技术负责人批准 并在图样上注明 二 内压园筒和内压球壳 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的三种观点 弹性失效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 塑性失效它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 爆破失效它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 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 认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力 1达到了极限应力 材料就发生破坏 强度条件 1 t第二强度理论 最大变形理论 认为材料的最大的应变达到了极限状态 材料就发生破坏 强度条件 max 第三强度理论 最大剪应力理论 材料的最大剪应力 max达到了极限应力 材料就发生破坏 强度条件 max 1 3 t第四强度理论 剪切变形能理论 材料变形时 即内部变形能量达到材料的极限值时 材料破坏 强度条件 e 1 2 2 2 3 2 3 1 2 t 1 内压园筒 5 2节 薄壁圆筒容器在工程中采用无力矩理论来进行应力计算 在内压P作用下 筒壁承受轴向应力和切向应力 薄膜应力 作用 由于壳体壁厚较薄 且不考虑壳体与其它连接处的局部应力 忽略了弯曲应力 这种应力称为薄膜应力 轴向应力 z 切向应力 t 按第一强度理论条件得 1 t t t t 由上式计算厚度 上式适用于设计压力P 0 4 t 的范围 2 内压球壳 球形容器在均匀内压作用下 球形壳体轴向应力和切向应力相等 即 t z t 上述公式中 如将D Di 代入并考虑了焊接接头系数 如采用第一强度理论时 即得出 t 所以可求出计算厚度 mm 3 设计参数的确定 设计压力 P 0 6 t 容器设计时 必须考虑在工作情况下可能达到的工作压力和对应的工作温度两者组合中的各种工况 并以最苛刻工况下的工作压力来确定设计压力 对内压容器 无安全泄放装置时 Pd 1 0 1 1 PW 装有安全阀时 不低于 等于或稍大于 安全阀开启压力 安全阀开启压力取1 05 1 10倍工作压力 装有爆破片时 取爆破片设计爆破压力加制造范围上限 对真空容器 无夹套真空容器 有安全泄放装置设计外压力取1 25倍最大内外压力差或0 1MPa两者中的小值 无安全泄放装置设计外压力取0 1Mpa 夹套内为内压 容器 真空 设计外压力按无夹套真空容器规定选取 夹套 内压 设计内压力按内压容器规定选取 外压容器 设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最大内外压力差 盛装液化石油气或混合液化石油气的容器 介质50 饱和蒸汽压力低于异丁烷50 的饱和蒸汽压力时 如丁烷 丁烯 丁二烯 设计压力取0 79MPa 介质50 饱和蒸汽压力高于异丁烷50 的饱和蒸汽压力时 如液态丙烷 1 77Mpa 介质50 饱和蒸汽压力高于丙烷50 的饱和蒸汽压力时 如液态丙烯 2 16MPa 4 边缘应力 1 边缘应力的产生 当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后 各自产生的变形是不一致的 称为变形不连续 相互产生约束这时 除内压产生的膨胀外 还会产生附加的弯曲变形 与弯曲相对应 壳壁内将产生弯矩和剪力 对薄壁壳体来说 由此产生的弯曲应力有时比薄膜应力大得多 两连接件刚度相差越大 产生的应力也将越大 在实际结构中 成以圆筒与平盖连接时的边缘应力为最大 该应力由于只发生在两连接件的边界处 所以称为边缘效应力或称为不连续应力 2 边缘应力的特点 由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点 局限性自限性3 设计中对边缘应力的考虑 由于边缘应力具有局限性 设计中可以在结构上只作局部处理 例如改变连接处的结构 保证边缘焊接的质量 降低边缘区的残余应力 避免边缘区附加的局部应力集中 如应避免在边缘区开孔 只要是塑性材料 即使边缘区应力超过材料的屈服极限 邻近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形的发展 使容器仍处于安定状态 安定性理论 故大多数塑性材料所制成的容器 如低碳钢 奥氏体不锈钢 当受静载荷时 除在结构上需作某些处理外 一般并不对边缘应力作特殊考虑 在下列情况下应考虑边缘应力 a 塑性较差的高强度钢制压力容器b 低温下操作的铁素体制的重要压力容器c 受疲劳载荷作用的压力容器d 受核幅射作用的压力容器 这些压力容器 若不注意控制边缘应力 在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲劳 因此必须正确计算边缘应力并按JB4732 95 钢制压力容器分析设计 进行设计 5 压力容器的应力分析设计 1 常规设计 压力容器设计基本上是采用传统的设计方法 常规设计 常规设计是基于弹性失效准则 认为容器内某一最大应力点一旦达到屈服限 进入塑性 丧失了纯弹性状态即为失效 2 分析设计 分析设计 从设计思想上来说 就是放弃了传统的弹性失效准则 采用弹塑性或弹性失效准则 允许结构出现可控制的局部塑性区 采用这个准则 可以合理地放松对计算应力的过严限制 适当地提高了许用应力值 但又严格地保证了结构的安全性 3 应力分类1 一次应力P一次应力分为一次总体薄膜应力Pm一次弯曲应力Pb一次局部薄膜应力PL2 二次应力Q3 峰值应力F 4 应力的限制条件Pm tPL 1 5 t 极限载荷设计法 Pb PL 1 5 t Pm PL 1 5 tPb PL