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压力容器基本知识 安全教育管理中心讲课人 邱旭波电话 8775284 1 2 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分类第四节压力容器的应力及其对安全的影响 3 第一节压力容器简介 一 压力容器定义二 压力载荷三 压力容器工作介质四 压力容器的压力源五 压力容器界定 4 一 压力容器概念 压力容器定义 作为特种设备的一种 一般泛指在工业生产中盛装气体或液体用于完成反应 传质 传热 分离和储存等生产工艺过程 并能承载一定压力的密闭设备 压力容器应用 它被广泛用于化工 炼油 机械 石油 动力 轻工 纺织 冶炼 核能及运输等工业部门 是生产过程中必不可少的重要设备 5 如制冷装置是食品工业 化学工业和医疗卫生等部门用以制造 人造冷 的一种通用设备 化工生产中的反应装置 换热装置 分离装置的外壳 流体储罐 核动力反应堆的压力壳 电厂锅炉系统的汽包 钻井气动装置的储气罐 采油采气用的分离器 脱水器 加热炉 石油练制工程中的各种塔和罐 还有使用广泛的液化石油气瓶 高分子聚合反应的反应釜等都是压力容器 例如 用乙烯和水 高压过热蒸汽 制造乙醇 就需要在7MPa的压力下进行 用氢和氮制造合成氨 要在10 100MPa的压力下才能交好的反应 6 二 压力容器的压力载荷 压力容器器壁两边 内 外部 所存在的压力差称作压力载荷 所以压力容器也称为受压容器 压力容器所承受的压力载荷等于人为地将能量进行提升 积蓄 使容器具备了能量随时释放的可能性和危险性 也就是会发生泄漏和爆炸事故 而且事故的危害比较大 随着生产规模和油田开发面积的扩大 压力容器的品种越来越多 使用范围越来越广 因此 设计好 管理好 使用好 检验好压力容器是非常重要的 其压力容器操作人员 管理人员 检验人员都应熟悉压力容器的基本知识 经过专门培训 以确保压力容器安全运行 7 三 压力容器的工作介质 容器所盛装的 或在容器内参加反应的物质 称之为工作介质 压力容器的危险程度跟压力容器的工作介质 工作压力和容积 温度等密切相关 常用压力容器的工作介质一般包括压缩气体 水蒸汽 液化气体和工作温度高于其标准沸点的饱和液体 由于液体的压缩性小 卸压时液体的膨胀很小 容器爆炸时所释放的能量也很小 工作介质是气体的 由于气体的压缩性很大 卸压膨胀所释放的能量也很大 所以 工作介质为气体的压力容器其爆炸危险性比介质为液体的压力容器大很多 8 四 压力容器的压力源压力来源 根据气体压力的产生或增大 从广义和狭义来讲 有来自容器内的和容器外的二种 1 来自容器外的压力源 来源于容器外的压力 其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉 1 气体压缩机 主要有容积型和速度型两类 A容积型气体压缩机是通过缩小气体的体积 增加气体的密度来提高气体压力的 B速度型气体压缩机是通过增加气体的流速 使气体的动能转变为势能来提高气体压力的 气体压缩机的附属设备如气体冷却器 油水分离器 储气罐 干燥过滤装置等都是压力容器 工作介质为压缩气体的压力容器 其可能达到的最高压力为气体压缩机出口的气体压力 压力容器简介 9 2 蒸汽锅炉是利用燃料燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸汽的一种设备 由于在相同压力下水蒸汽的体积是饱和水的1600多倍 例如在1个绝对大气压力下 1公斤饱和水的体积是1 043升 而变为水蒸汽后的体积则是1725升 约增大1700倍 因为锅炉是密闭的 锅筒的体积有限 随着炉水不断受热蒸发 蒸汽密度不断增加 压力也随之增高 工作介质为水蒸汽的压力容器 其可能达到的最高压力为锅炉出口处的蒸汽压力 压力容器简介 10 2 来自容器内的压力源 1 容器内介质的聚集状态发生改变 2 气体介质在容器内受热 温度急剧升高 3 介质在容器内发生体积增大的化学反应等 压力容器简介 11 1 由于介质的聚集状态发生改变而产生或增加压力 是由于液态或固态物质在容器内受热 如周围环境温度升高 容器内其他物料发生放热化学反应等 蒸发或分解为气体 体积剧烈膨胀 但因受到容器容积的限制 气体密度增加 因而在容器内产生压力或使原有的气体压力增加 压力容器简介 12 2 气体介质在容器内受热 温度急剧升高而产生或增大压力这种情况一般少见 因特殊原因 气体在容器内吸收了大量的热量 温度大幅度升高时压力显著增加的情况才会发生 例如有些贮装易于发生聚合反应的气体容器 如某些碳氢化合物贮罐 在合适条件下单分子气体可以局部发生聚合反应 产生大量的聚合热 使容器内的气体受热 温度大幅度上升 使压力剧烈增高 有时还会因此而发生容器超压爆破事故 压力容器简介 13 3 由于介质在容器内发生体积增大的化学反应使压力升高如 碳酸钙加水经化学反应生成乙炔气体 体积增加 在密闭的容器内产生较高的压力 又如电解水制取氢和氧 因为1米3的水可以分解成1240米3的氢气和620米3的氧气 体积约增大2600倍 在密闭的容器内也会产生很高的压力 压力容器简介 14 五 压力容器的界定划分压力容器的界限应从事故发生的可能性与事故危害性的大小两个方面来考虑 工作介质是气体的压力容器 因气体具有很大的压缩性 容器爆破时膨胀大 即瞬时所释放的能量很大 危害性也就大 工作介质是液体的压力容器 由于液体的压缩性极小 因此在容器爆破时其膨胀小 即所释放的能量很小 危害性也小 这是指常温下的液体 而不包括高于标准沸点 在标准大气压下的沸点 的饱和液体 如锅炉中汽包的高温饱和水 和沸点低于常温的液化气体 因为这些介质在容器内由于压力较高才呈现液态 实际在容器内是汽液并存的饱和状态 如果容器破裂 容器内的压力下降 饱和液体呈现过热状态 并立即蒸发汽化 体积急剧膨胀 发生 蒸汽爆炸 暴沸 所释放的能量要比同体积 同压力的饱和蒸汽大的多 相当于瞬间不断地产生饱和蒸汽 压力容器简介 15 我国压力容器的界定 按照 压力容器安全技术监察规程 同时要具备下列三个条件 1 最低工作压力 0 1MPa 不包括液体静压力 下同 2 内直径 非圆形截面指断面最大尺寸 0 15m 且容积 V 25L且最高工作压力与容积的乘积 20L MPa 3 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 压力容器每年要进行一次外检 每3年进行一次内检 每6年进行一次全面检查 压力容器简介 16 第二节压力容器的工艺参数 一 压力二 温度三 直径 17 一 压力1 定义 在物理学中 压力指垂直作用于物体表面上的力 而垂直作用在物体单位面积上的力称为压力强度 简称压强 在工业上 压力的概念实质上就是物理学中的压强 P 压强 F 压力 S 受力面积 1帕斯卡 1牛顿 平方米 即1Pa 1N m2l公斤力 厘米2 0 098 106Pa1兆帕 106Pa 压力容器的工艺参数 18 2 大气压力地球表面被一层很厚的大气包裹着 大气受地心的吸引产生重力 所以包围在地球外面的大气层对地球表面及其上的物体便产生了大气压力 即所谓大气压 大气层越厚 压力就越大 反之就越小 所以大气压力不是恒定不变的 将0 北纬23 5度的海平面上的大气压力1 033公斤力 厘米2 相当于0 1MPa 或760毫米汞柱称为1个标准大气压 19 3 绝对压力 表压力与负压力 1 容器内介质的实际压力称为绝对压力 2 当容器内介质的压力大于大气压力时 压力表的指针所指示的压力简称表压力 3 当容器内介质的压力低于外界大气压力时 简称负压 人们通常所说的容器压力或介质压力均指表压力P绝 P表 P大气P负 P大气 P绝 20 4 工作压力 也称操作压力 系指容器顶部在正常工艺操作时的压力 不包括液柱压力 5 最高工作压力 系指容器在工艺操作过程中可能产生的最大表压力 不包括液体静压力 压力超过最高工作压力时 容器上的安全装置就动作 容器最高工作压力的确定与工作介质有关 在不同情况下 最高工作压力的选取应具备如下三条规定 21 1 盛装临界温度高于50 的液化气体的压力容器 如设计有可靠的保冷设施 其最高工作压力应为所盛装液化气体在可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力 如无保冷设施 其最高工作压力不得低于该液化气体在50 时的饱和蒸气压力 压力容器的工艺参数 22 2 盛装临界温度低于50 的液化气体的压力容器 如设计有可靠的保冷措施 并能确保低温贮存的 其最高工作压力不得低于试验实测的最高温度下的饱和蒸气压力 没有实测数据或没有保冷设施的压力容器 其最高工作压力不得低于所装液化气体在规定的最大充装量时 温度为50 的气体压力 压力容器的工艺参数 23 3 常温下盛装混合液化石油气的压力容器 应以50 为设计温度 当其50 的饱和蒸气压力低于异丁烷50 的饱和蒸气压力时 取50 异丁烷的饱和蒸气压力为最高工作压力 如其高于50 异丁烷的饱和蒸气压力时 取50 丙烷的饱和蒸气压力为最高工作压力 如其高于50 丙烷的饱和蒸气压力时 取50 丙烯的饱和蒸气压力为最高工作压力 压力容器的工艺参数 24 6 设计压力 系指在相应设计温度下用以确定容器计算壁厚及其元件尺寸的压力 一般取设计压力等于或略高于最高工作压力 压力容器安全技术监察规程 规定容器的设计压力不得低于最高工作压力 装有安全装置的容器 其设计压力不得低于安全装置的开启压力或爆破压力 压力容器的工艺参数 25 1 当容器各部位或受压元件所受的液柱静压力达到5 的设计压力时 应取设计压力和液柱压力之和进行该部位或元件的设计计算 2 容器上装有安全泄放装置时 设计压力应不小于安全装置的开启压力 3 对于盛装液化气体的容器 在规定的充装系数范围内 设计压力应根据操作条件下允许达到的最高金属温度确定 压力容器的工艺参数 26 4 外压容器的设计压力 应取不小于在正常操作情况下可能出现的最大内外压力差 5 真空容器按承受外压设计 当装有安全控制装置 如真空泄放阀 时 设计压力取1 25倍的最大内外压力差 或0 1MPa两者中的较小值 当没有安全控制装置时取0 1MPa 压力容器的工艺参数 27 二 温度 介质温度 1 介质温度 系指压力容器的工作温度 即容器内介质的温度 可以用测温仪表测得 如 我国规定气瓶最高工作温度应不高于60 压力容器的工艺参数 28 二 温度 金属温度 2 金属温度 金属温度系指容器受压元件沿截面厚度的平均温度 在任何情况下 元件金属的表面不得超过钢材的允许使用温度 压力容器的工艺参数 29 二 温度 设计温度 3 设计温度 设计温度系指容器在正常操作过程中 在相应的设计压力下 壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度 壳壁或元件金属的温度低于 20 时 按最低温度确定设计温度 除此以外 设计温度一律按最高温度选取 设计温度是指壳体的设计温度 压力容器的工艺参数 30 三 直径 一般所说的直径指其内径 单位多用毫米表示 由于标准化的需要 把容器直径按尺寸大小排列成一定数目的系列 该系列中的各尺寸称为公称直径 压力容器的工艺参数 31 第三节压力容器的分类 一 一般分类1 压力分类2 壳体承压方式分类3 设计温度分类4 安全技术管理角度分类5 生产工艺过程原理分类二 压力容器安全技术监察规程 对压力容器的分类三 其他分类 32 一般分类 一 按压力分类 按所承受压力的高低 压力容器可分为低压 中压 高压 超高压四个等级 1 低压容器 代号L 0 1MPa P 1 6MPa基本化学工业 机械制造业以及冶金 采矿 医药 食品 精细化工 日用化工 饮食服务业等用的压力容器大多为低压容器 2 中压容器 代号M 1 6Mpa P 10MPa多用于石油化学工业 3 高压容器 代号H 10MPa P 1OOMPa主要用于氮肥工业和一部分石油化学工业 4 超高压容器 代号U P 100MPa目前使用还不太多 一般用于实验室设备 高分子聚合设备 33 二 按壳体承压方式分类 压力容器可分为内压 壳体内部承受介质压力 容器和外压 壳体外部承受介质压力 容器 这两类容器是截然不同的 其差别首先反映在设计原理上 内压容器的壁厚是根据强度计算确定的 而外压容器的设计则主要考虑稳定性问题 其次 反映在安全性上 外压容器一般较内压容器安全 34 三 按设计温度分类 按设计温度 t 的高低 可分为 低温容器 t 一20 常温容器 一20 t 450 高温容器 t 450 此温度为容器壁温度 35 四 安全技术管理角度分类 可分为固定式容器和移动式容器两大类 1 固定式容器系指有固定的安装和使用地点 工艺条件和使用操作人员也比较固定 一般不是单独装设 而是用管道与其他设备相连接的容器 如合成塔 蒸球 管壳式余热锅炉 热交换器 分离器等 2 移动式容器 系指一种贮装容器 其主要用途是装运有压力的气体 如气瓶 汽车槽车 铁路槽车等 无固定使用地点 一般没有专职使用操作人员 使用环境经常变迁 管理比较复杂 较易发生事故 36 气瓶 是使用最为普遍的一种移动式容器 按气瓶盛装气体的特性 用途或结构形式分为 1 永久气体气瓶 一般以较高的压力充装气体 常用的充装压力为15MPa和12 5MPa 永久气体有 氧 空气 氢 甲烷 CO NO及一些惰性气体 2 液化气体气瓶 在充装时都是以低温液态罐装 有低临界温度液化气体气瓶和高临界温度液化气体气瓶之分 低临界温度液化气体气瓶一般用较高的压力来充装 按气瓶公称工作压力系列分有20MPa 15MPa 12 5MPa 8MPa 常用的是15MPa和12 5MPa 高临界温度液化气体气瓶其工作压力为最高工作温度下的饱和蒸汽压力 不超过5MPa 最高工作温度不超过60 3 溶解气体气瓶 转供盛装乙炔气的气瓶 最高工作压力 3 0MPa 37 五 按生产工艺过程作用原理分类 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 这种容器的压力源于加压反应和反应升压 加压反应是指容器内部的压力由容器外产生 工作介质经过加压后才进入容器内进行反应 反应升压是指通过容器内介质反应而产生的压力常用的反应容器有 反应器 反应釜 合成塔 变换炉 蒸煮锅 蒸球 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 其主要过程是物理过程 按传热的方式分为蓄热式 直接式和间接式三种 常用的换热器有管壳式余热锅炉 热交换器 冷却器 电热蒸汽发生器等 38 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等的压力容器 常用的分离容器有分离器 过滤器 洗涤器 吸收塔干燥塔 分气缸等 4 储存压力容器 代号C 其中球罐代号 B 如各种型式的储罐 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 常用的有压缩气体储罐 压力缓冲器等 大型的储存压力容器多为球形容器 小型的常为卧式圆筒形容器 在一种容器中 如同时具备两个以上的工艺作用原理时 应按工艺过程中的主要作用来划分品种 39 二 压力容器安全技术监察规程 对压力容器的分类 为有利于安全技术管理和监督检查 根据容器的压力高低 介质的危害程度以及在生产过程中的重要作用 容规 将其适用范围的容器划分为三类 1 属于下列情况之一者为一类容器 代号为I 1 非易燃和无毒介质的低压容器 2 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器 40 2 属于下列情况之一者为二类压力容器 代号为II 1 中压容器 2 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器 3 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器 4 低压管壳式余热锅炉 5 低压塘玻璃压力容器 41 3 属于下列情况之一者为三类压力容器 代号为III 1 毒性程度为极度和高度危害介质且PV 0 2MPa m3的低压容器 2 易燃或毒性程度为中度危害介质且PV 0 5MPa m3的中压反应容器 PV lOMPa m3的中压储存容器 3 高压 中压管壳式余热锅炉 4 高压容器 中压搪玻璃压力容器 5 容积 50m3的球形储罐 容积 5m3的低温绝热压力容器 6 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 汽车 液化气体运输车 低温液体运输车 永久气体运输车 和罐式集装箱 介质为液化气体 低温液体 42 名词解释 废热锅炉 余热锅炉 利用化学反应热 烟气余热等废热来生产蒸汽的设备 按照热源不同而分成管壳式和烟道式两类 前者主要是利用化学反应热 后者则利用烟气余热 43 剧毒介质 是指进入人体量20 的气体 如一甲胺 乙烷 乙烯 氯甲烷 环氧乙烷 环丙烷 氢 丁烷 三甲胺 丁二烯 丁烯 丙烷 丙烯 甲烷等 44 介质毒性程度的分级 介质的毒性程度参照GB5044 职业性接触毒物危害程度分级 的规定 按其最高容许浓度的大小分为下列四级 1 极度危害 I级 最高容许浓度 0 1mg m32 高度危害 II级 最高容许浓度0 1 1 0mg m33 中度危害 III级 最高容许浓度1 0 10mg m34 轻度危害 IV级 最高容许浓度 10mg m3 45 三 压力容器的其他分类方法 1 按容器的壁厚有薄壁容器 壁厚不大于容器内径的1 10 和厚壁容器之分 2 按壳体的几何形状有球形容器 圆筒形容器 圆锥形容器之分 3 按制造方法有焊接容器 锻造容器 铆接容器 铸造容器及各式组合制造容器之分 4 按结构材料可有钢制容器 铸铁容器 有色金属容器和非金属容器之分 5 按容器的安放形式有立式容器 卧式容器等之分 46 第四节压力容器的应力及其对安全的影响 压力容器在运行过程中 可能承受着各种形式的载荷 其中比较常见的是压力载荷 重力载荷 温度载荷 风载荷和地震载荷等 这些载荷都会使容器器壁产生整体的或局部的变形 并相应的产生各种应力 47 压力容器的应力及其对安全的影响 各种载荷所产生的应力 1 由压力而产生的应力 压力是压力容器最主要的载荷 受内压的容器 由于壳体在压力作用下要向外扩张 所以在器壁上总是要产生拉伸应力 这一应力又称为薄膜应力 由压力而产生的应力是确定容器壁厚的主要因素 对大多数容器来说往往是唯一的因素 48 压力容器的应力及其对安全的影响 各种载荷所产生的应力 2 由重量而产生的应力 压力容器本体就具有一定的重量 此外 容器内的工作介质 工艺装置附件以及容器外的其他附加装置 如保温装置 扶梯 平台等也有较大的重量 所有这些重量作用在器壁上也会使器壁产生应力 如卧式容器常用的是鞍式支座 壳体横卧在两个支座上 由于重量的作用而产生弯曲应力 49 压力容器的应力及其对安全的影响 各种载荷所产生的应力 3 由温度而引起的应力 压力容器在使用过程中 由于温度变化也会引起应力 热胀冷缩是物体的固有特性 如果物体的温度发生了变化 而它又受到相邻部分或其他物体的牵制约束而不能自如地热胀冷缩 则此物体内部就会产生应力 这种应力称为温度应力 50 压力容器的应力及其对安全的影响 各种载荷所产生的应力 4 风载荷产生的应力 安装在室外的塔器 大多数是支承式的 在风力作用