压力容器基础及安全技术

压力容器基础及安全技术压力容器基础及安全技术 压力容器是我们厂最重要 最危险 使用最多的设备类型 申报的两个重大危险源 氧气球罐和液氧贮罐 也都是压力容 器 因此 了解掌握压力容器基础及安全知识 对提高我们厂 的安全生产水平是很有意义的 我主要讲七个方面的内容 压 力容器的定义 分类 结构 失效 氧气瓶安全知识 事故危 害与案例以及安全管理要点 1 压力容器的定义压力容器的定义 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等于 0 1mpa 表压 压力与容积的乘积大于或等于 2 5 mpa l 盛装介质为气体 液 化气体和最高工作温度等于或高于标准沸点的液体的容器 制 氧车间的压力容器包括 26 台固定式压力容器和 520 个氧气瓶 最低工作压力 0 18 mpa 最高为 15 mpa 2 压力容器的分类压力容器的分类 压力容器的使用范围广 数量多 工作条件复杂 发生事 故所造成的危害程度与工作压力 工作温度 使用场合 安装 方式等多种因素有关 危害程度越高 压力容器的管理要求也 越高 因此 需要对压力容器进行合理分类 压力容器安全 技术监察规程 规定了四种分类方法 2 1 按设计压力分类 把内压容器分为四类 低压容器 代号 l 0 1mpa p1 6mpa 中压容器 代号 m 1 6mpa p10 0mpa 高压容器 代号 h 10mpa p100mpa 和超高压容器 代号 u 100mpa 制 氧车间固定式压力容器中包括 17 个低压容器和 9 个中压容器 氧气瓶均为高压容器 2 2 按容器在生产中的作用分类 可分为反应压力容器 换热压力容器 分离压力容器 储 存压力容器 4 种 a 反应压力容器 代号 r 主要用于完成介质的物理 化学反 应 如锅炉的上锅筒 b 换热压力容器 代号 e 主要用于完成介质热交换 如 350m3 h 制氧机的高效冷却器 1000m3 h 制氧机的空压机后冷 却器和增压机后冷却器等 c 分离压力容器 代号 s 主要用于完成介质流体压力平衡缓 冲和气体分离净化 如制氧机的水分离器和吸附器 d 储存压力容器 代号 c 其中球罐代号 b 主要用于储存盛 装气体 液体 液化气体等介质 如制氧车间的低温液体贮罐 氧气球罐等 2 3 按安装方式分类 可分为固定式压力容器和移动式压力容器 固定式压力容器 有固定的安装和使用地点 工艺条件和 操作人员也比较固定 移动式压力容器 是一种储运容器 没有固定的使用地点 一般也没有专职的操作人员 使用环境经常变化 管理比较困 难 容易发生事故 我们厂的液体槽车和氧气瓶属于移动式压 力容器 上面的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数 或使用状况 不能综合反映压力容器的危险程度 压力容器的 危险程度还与介质危险性及其设计压力 p 和全容积 v 的乘积有 关 pv 值愈大 则容器破裂时爆炸能量愈大 危害性愈大 2 4 按安全技术管理分类 我国 压力容器安全技术监察规程 根据容器压力的高低 介质的危害程度及在使用中的重要性 将压力容器分为三类 即一类容器 二类容器 三类容器 其中三类容器要求最严格 a 第三类压力容器 具有下列情况之一的 为第三类压力 容器 高压容器 盛装极度或高度危害介质的中压容器 盛装易 燃或中度危害介质 且 pv 乘积大于等于 10mpa m3 的中压储 存容器 盛装易燃或中度危害介质 且 pv 乘积大于等于 0 5pa m3 的中压反应容器 盛装极度和高度危害介质 且乘积 大于等于 0 2mpa m3 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 使用抗拉强度下限 540mpa 的材料制造 的压力容器 移动式压力容器 容积大于等于 50m3 的球形储 罐 容积大于 5m3 的低温液体储存容器 b 第二类压力容器 具有下列情况之一的 属于第二类压 力容器 中压容器 盛装极度和高度危害介质的低压容器 盛装易 燃介质或中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器 低压 管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器 c 第一类压力容器 上述范围以外的低压容器为第一类压力 容器 按照这种分类方法 制氧车间的压力容器有一类容器 12 台 二类容器 8 台 三类容器 6 台 氧气瓶均属于三类容器 3 压力容器的结构压力容器的结构 压力容器的结构形式是多种多样的 要根据用途 工艺要 求 和制造方法等因素确定 容器的结构是由承受压力的壳体 连接件 密封元件 接管开孔及其补强结构 支座和安全附件 等部件组成 3 1 壳体 形状有圆筒形 球形 锥形和组合形等 最常见 的是圆筒形和球形 3 1 1 圆筒形壳体的几何特点是轴对称 由一个圆柱形筒体 和两端的封头或端盖组成 其优点是应力分布比较均匀 承载 能力高 易于制造 因而应用最广泛 我们厂大多数压力容器 的壳体都是圆筒形 3 1 2 球形壳体又称球罐 其几何特点是中心对称 优点是 受力均匀 在相同的壁厚条件下 球形壳体的承载能力最高 在相同容积条件下 球形壳体的表面积最小 所以 从受力状 态和节约用材来说 球形是压力容器最理想的外形 我们厂最 大的压力容器是氧气球罐 日本 1988 年研制的潜深为 6000m 的深海潜艇 其耐压舱就是壁厚 70mm 的钛合金球形壳体 但 是 球形壳体也存在一些不足 一是制造比较困难 往往要采 用冷压或热压成形 成本较高 二是球形壳体既不便于安装工 艺内件 也不利于内部相互作用的介质的流动 所以一般只用 于中低压的储存容器 3 2 连接件 连接件是容器及管道中起连接作用的部件 一 般均采用法兰螺栓连接结构 法兰配合螺栓起连接作用 并通 过拧紧螺栓使垫片压紧而保证密封 3 3 密封元件 它放在两个法兰或封头与筒体端部的接触面 之间 借助于螺栓的压紧力起密封作用 一般低压 常温 100 和无腐蚀性的情况多用橡胶板 经过硫化处理的硬 橡胶工作温度可达 200 介质温度较高 对水蒸气 450 对油类 350 的中 低压容器通常用石棉橡胶板或耐油石棉 橡胶板 一般的腐蚀性介质的低压容器常采用耐酸石棉板 压 力较高时则用聚乙烯板或聚四氟乙烯板 不同的密封元件和不 同的连接件相配合 就构成了不同的密封结构 这是压力容器 的一个重要的组成部分 不但影响到整个容器的结构和制造成 本 而且关系到容器投产后能否正常安全运行 3 4 接管 开孔及其补强结构 由于工艺要求和检修的需要 压力容器的筒体或封头上常设有各种开孔和接管 如人孔 手 孔 视镜孔 物料进出口接管及安装各种仪表用接管 容器开 孔后 开孔部位的强度减弱 为了补偿开孔处的薄弱部位 就 需进行补强措施 容器上的开孔补强一般均用局部补强法 常 用的结构有补强圈 厚壁短管和整体锻造补强等 3 5 支座 支座对压力容器起支承和固定作用 用于圆筒形 容器的支座 有立式容器支座和卧式容器支座两类 其中立式 容器支座又有腿式支座 支撑式支座 耳式支座和裙式支座四 种 球形容器多采用柱式支座或裙式支座 3 6 安全附件 压力容器的安全附件主要有安全阀 爆破片 紧急切断阀 安全连锁装置 压力表 液位计 测温仪表等 其作用是保证 压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行 在这里我们重点 了解一下安全阀和压力表的安全技术要求 对于安全阀要注意 五点 1 安全阀应当铅直安装在压力容器液面以上的气相空间部 分 或者装设在与压力容器气相空间相连的管道上 2 压力容器与安全阀之间的连接管和管件的通孔 其截面 积不得小于安全阀的进口截面积 其接管应当尽量短而直 3 压力容器一个连接口上装设两个或者两个以上的安全阀 时 该连接口入口的截面积 应当至少等于这些安全阀的进口 截面积的总和 4 安全阀与压力容器之间一般不宜装设截止阀 必须装设 时 在压力容器正常运行期间截止阀门必须保证全开 加铅封 或者锁定 截止阀门的结构和通径不得影响安全阀的安全泄 放 5 安全阀应定期校验 一般每年校验一次 新安全阀应当 校验合格后才能安装使用 压力容器中使用最多的压力表是弹簧管式压力表 对其安 全技术要求如下 1 压力表应装设在压力容器的气相空间 2 低压容器的压力表精度不得低于 2 5 级 工作压力等于或 大于 2 45mpa 的锅炉和中高压容器 压力表精度不得低于 1 5 级 3 压力表的量程应与工作压力相适应 通常为工作压力的 1 5 倍 3 0 倍 压力表刻度盘上应划红线 指出最高允许工作压力 4 压力表必须定期校验 校验后加铅封并注明下次校验日 期 5 压力表应装设在便于观察和吹洗的地方 并避免受到热 辐射 冰冻和震动的影响 压力表的接管不应有泄漏现象 6 压力容器用压力表应与介质相适应 蒸汽锅炉压力表下 部应装设存水弯管 7 压力表有下列情况之一者 应停止使用 1 无压力时 有限位钉的压力表指针不能恢复到限位钉 处 无限位钉的压力表指针偏离零位的数值超过压力表允许误 差 2 表面玻璃破碎或表盘刻度模糊不清 3 没有铅封 铅封损坏或超过校验日期 4 表内泄漏或指针跳动 5 其他影响压力表准确示值的缺陷 4 压力容器的失效压力容器的失效 压力容器在设计寿命内 因尺寸 形状或者材料性能变化 而危及安全或无法正常使用的现象 称为压力容器的失效 失 效形式包括强度失效 刚度失效 失稳失效和泄漏失效四类 4 1 强度失效 因材料屈服或断裂引起的压力容器失效称为强度失效 危 险性最大 包括韧性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变断裂和 腐蚀断裂 a 韧性断裂 是压力容器在载荷作用下 产生的应力接近 或达到材料的屈服极限而发生的断裂 特征是断后有肉眼可见 的宏观变形 如整体鼓胀 断口处厚度明显变薄 没有碎片或 碎片很少 厚度过薄或内压过大是引起压力容器韧性断裂的主 要原因 b 脆性断裂 这种断裂是在较低应力状态下发生的 又称 为低应力脆断 其特征是断裂后容器没有鼓胀 断口齐平 断 裂速度极快 易形成碎片 同时由于脆性断裂时容器的实际压 力值往往较低 爆破片 安全阀等安全附件不会动作 导致后 果比韧性断裂更为严重 材料变脆和缺陷两种原因都会引起脆 性断裂 除选材不当 焊接或热处理不当使材料脆化外 低温 应变时效等也会使材料脆化 压力容器用钢一般韧性较好 但 如果存在严重的原始缺陷或制造缺陷 如材料夹渣 分层 焊 接裂纹等 也会导致脆性断裂 c 疲劳断裂 是压力容器在交变载荷作用下 经过一定周期 后发生的断裂 交变载荷是指大小或方向随时间变化的载荷 包括运行时的压力波动 振动 开停车 加温或冷却等原因引 起的交变载荷 疲劳断裂的断口一般由裂纹源 裂纹扩展区和 最终断裂区组成 裂纹源往往位于压力容器接管根部 焊接接 头等高应力区或其它有缺陷的部位 裂纹扩展区是疲劳断口最 重要的特征 常呈现贝纹状 最终断裂区在裂纹扩展到一定程 度时迅速形成 d 蠕变断裂 是压力容器长期在高温下运行 随时间的增 加材料不断发生蠕变变形 造成容器厚度明显变薄与变形 最 终导致压力容器断裂的现象 e 腐蚀断裂 是由于介质的腐蚀性使容器厚度变薄或使容 器材料变脆而导致的断裂 空气中的氧对金属有腐蚀作用 温 度越高腐蚀速率越快 水的存在也会加速这种腐蚀 有的人在 焊接后用自来水冷却 这样做会使金属产生氢脆性并形成较大 的残余应力 也容易在焊缝处形成裂纹 4 2 刚度失效 是指容器由于过大的弹性变形而失去正常的工作能力 这 种失效形式通常出现在密封结构 换热设备 分馏塔等地方 4 3 失稳失效 容器在压应力的作用下 突然失去其原有的规则几何形状 而引起的失效 常见于外压容器 4 4 泄漏失效 指由于容器无法对介质保持正常的密封效果 而引起的失效 需要补充一点 在多种因素同时作用下 压力容器有可能 发生交互失效 这种失效发生的速度更快危害更大 如腐蚀介 质和交变载荷同时作用引发的腐蚀疲劳 高温和交变载荷同时 作用引发的蠕变疲劳等 5 氧气瓶安全知识氧气瓶安全知识 由于氧气在工业和医疗等领域的广泛应用 氧气瓶成为人 们接触较多的一种永久气体气瓶 工业氧气瓶都是高压气瓶 其公称工作压力系列为 15mpa 20mpa 和 30mpa 我们厂的氧 气瓶公称工作压力均为 15mpa 由于压力高 气瓶材料强度高 而韧性较低 纯氧又具有极强的助燃和氧化性能 氧气瓶在使 用中容易发生燃烧或爆炸事故 氧气瓶破裂爆炸时释放的能量 较多 气瓶常破碎成片 造成严重的破坏和伤害 因而有必要 了解氧气瓶的安全知识 5 1 氧气瓶结构 氧气瓶由气瓶本体和气瓶附件组成 气瓶本体为管状无缝结构 上端瓶口处的缩颈部分为瓶颈 瓶颈外侧固定连接有颈圈 下端一般为凹形底 瓶体由优质锰 钢 铬钼钢或其他合金钢制成 最常用的是中容积瓶 外径 219mm 容积 40l 高度约 1 5m 公称工作压力 15mpa 许用 压力 18mpa 主要附件包括瓶阀 瓶帽和防震圈 瓶阀一般由黄铜制成 抗燃 而且不起静电和机械火花 其密封材料常用聚四氟乙烯 密封带 瓶帽的作用是保护瓶阀免受磕碰 通过螺纹与颈圈连 接 瓶帽上一般有排气孔或侧孔 以防瓶阀漏气使瓶帽飞出伤 人 防震圈是套在瓶体上的弹性橡胶圈 起减震和保护瓶体的 作用 5 2 氧气瓶的充装与储运 1 氧气瓶充装时 要严防混装和超装 而混装造成的后 果更为严重 常因混入可燃气体 油脂等而导致氧气瓶爆炸 2 氧气瓶充装前 应由专人负责逐只进行检查 发现问 题时不得充装 而须对气瓶进行处置 如倒水 清除油污 送 检等 3 对应一定的充装温度 必须严格按规定的充装压力进 行充装 确保在气瓶最高工作温度 60 时瓶内压力不超过气瓶 许用压力 气瓶充气速度不得大于 8m3 h 且充装时间应不少 于 30min 4 气瓶运输装卸时 必须配戴好瓶帽 防震圈 轻装轻 卸 严禁抛 滑 滚 碰 氧气瓶不得与任何易燃 易爆物质 同车运输 夏季运输氧气瓶应避免曝晒 严禁用电磁起重机吊 运 5 氧气瓶不得与可燃气体气瓶同室储存 储存室内应禁 绝烟火 5 3 氧气瓶的安全使用 1 拒绝使用超过检验期的气瓶 2 氧气瓶不得靠近热源和明火 采用氧一乙炔焰进行作 业时 氧气瓶与焊 割 炬明火的距离应不小于 10m 氧气瓶 与溶解乙炔气瓶的距离不小于 5m 3 禁止用沾染油脂的手或工具操作气瓶 以防爆炸 4 开启瓶阀和减压阀时 动作应缓慢 以减轻气流的冲 击和摩擦 防止管路过热着火 5 禁止用压缩纯氧进行通风换气或吹扫清理 禁止以压 缩氧气代替压缩空气作为风动工具的动力源 以防引发燃爆事 故 6 氧气瓶必须留有大于 0 05mpa 的剩余压力 严防乙炔 倒灌引起爆炸 尚有剩余压力的氧气瓶 应将阀门拧紧 注上 空瓶 标记 禁止再次使用 7 冬天 气瓶的减压器和管路发生冻结时 严禁用火烘 烤或使用铁器之类的东西敲击气瓶 更不能猛拧减压表的调节 螺丝 以防氧气突然大量冲出 造成事故 8 禁止使用没有减压器或减压器损坏的氧气瓶 气瓶的 减压器应由专业人员修理 6 压力容器事故危害与案例压力容器事故危害与案例 6 1 压力容器事故的危害主要有震动危害 碎片的破坏危 害 冲击波危害 有害物质泄露危害等 1 震动危害 压力 容器发生爆炸事故时 都会产生巨大的声响 这种声响可使设 备发生震动 损坏 也可能伤及人的耳膜和内脏 危及生命 2 碎片的破坏作用 压力容器发生爆炸时 壳体可以裂 解成大小不等的碎片向四周飞散 这些碎片具有极大的动能 能够击穿墙壁 损坏设备设施 危及人身安全 也可能引起连 续爆炸和火灾 3 冲击波危害 压力容器发生爆炸时 80 以上的能量 都是以冲击波的形式扩散的 0 005mpa 的超压就可使门窗玻璃 破碎 0 1mpa 的超压可使人死亡 在爆炸中心附近 空气冲击 波波阵面上的超压可达到几个甚至十几个大气压 在这样高的 压力下 建筑物将被摧毁 设备 管道会遭到严重破坏 如果 一个压力为 2 5mpa 120m3 的氧气球罐爆炸 将释放 131kwh 的能量 4 有害物质泄露危害 如果失效的压力容器盛装介质为 有毒有害物质 泄漏的物质就会在较大范围内造成环境污染和 人员伤亡 氧气泄漏有可能造成人员富氧中毒或引发火灾 液 氮泄漏会造成人员冻伤 窒息 6 2 压力容器事故案例 固定式压力容器事故比较少见 移动式压力容器更容易发 生事故 对于我们厂 主要是氧气瓶 据统计 95 以上的氢 氧气瓶爆炸事故与气瓶充装站有关 下面我们了解一起典型的 充装低余压氧气瓶引起爆炸事故 事故经过 2004 年 8 月 17 日 12 时 10 分 某公司一制氧 站在氧气充装过程中 氧气瓶突然发生爆炸 造成制氧站充装 车间整个厂房倒塌 生产被迫停止 幸未造成人员伤亡 直接 经济损失 3 万元 事故原因 1 该氧气瓶在使用过程中 剩余压力过低 致 使乙炔倒灌进入气瓶 2 气瓶在充装过程中 操作人员违反了 对气瓶逐只进行充装前的检查 和 对瓶内无剩余压力 氧化 性气体气瓶沾有油脂 的不得充装的规定 3 制氧站在充装岗位 雇佣临时工 其安全素质差 人员流动性大 防范措施 1 氧气瓶使用时必须留有大于 0 05mpa 的剩余 压力 2 氧气瓶充装前 应由专人负责逐只进行检查 发现问 题时不得充装 3 加强相关人员的培训管理 7 压力容器安全管理要点 1 使用定点厂家的合格产品 购置 选用的压力容器应 是持证定点厂家的合格产品 并有足够的产品图样 技术文件 和质量合格证明文件 安装压力容器的施