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设备基础知识 第一章压力容器基础知识 1 主要内容 一 压力容器的定义二 压力容器的分类三 压力容器用钢四 压力容器的安全附件五 压力容器的常见失效形式六 压力容器的定期检验七 压力容器的操作与维护 2 3 一 压力容器的定义根据 压力容器安全技术监察规程 同时具备下列三个条件的容器为压力容器 最高工作压力大于等于0 1MPa 不包括液体静压力 内直径 非圆形截面指断面最大尺寸 大于等于0 15m 且容积大于等于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 什么是压力容器 4 二 压力容器的分类 压力容器按其所承受的工作压力 可分为低压 中压 高压及超高压容器四个等级 具体划分标准是 0 1MPa P 1 6MPa时为低压容器 1 6MPa P 10MPa时为中压容器 10MPa P 100MPa时为高压容器 P 100MPa时为超高压容器 5 化工压力容器按其在生产工艺中的作用原理又可分为反应容器 换热容器 分离容器 贮运容器等四种 反应容器 主要用来进行介质的物理 化学反应的容器 如反应器 发生器 反应釜 分解塔 聚合釜 合成塔 高压釜 气化炉等 换热容器 主要用于介质之间的热量交换的容器 如热交换器 冷却器等 分离容器 主要用来完成介质的压力平衡及气体净化 气液分离的容器 如缓冲罐 分离器 过滤器 吸收塔 洗涤器 干燥塔 集油器 除氧器等 贮运容器 主要是用来盛装气体 液体 液化气体的容器 如各种形式的贮槽 槽车等 6 7 此外 为了便于安全管理和监督检查 根据容器压力的高低 容器内介质的危害程度以及在生产过程中的重要作用 又将压力容器分为三类 具体分类如下 1 属于下列情况之一者为一类化工压力容器 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 2 下列情况之一者为二类化工压力容器 中压容器 剧毒介质的低压容器 易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器 8 3 属于下列情况之一者为三类化工压力容器 高压 超高压容器 剧毒介质且压力与体积的乘积 0 2MPa m3的低压容器或剧毒介质的中压容器 易燃或有毒介质且压力与体积的乘积 0 5MPa m3的中压反应容器或压力与体积的乘积 10MPa m3 cm2的中压贮运容器 9 三 压力容器用钢 石油 化学等工业中的压力容器 大多数由钢材制成 与其他材料相比 钢材的强度高 韧性好 耐冲击 1 钢材性能常用术语弹性 弹性变形 弹性极限 外力去掉后能恢复其原来形状的性能叫弹性 随着外力消失而消失的变形叫弹性变形 弹性变形达到最大时的外力为弹性极限 塑性和塑性变形 产生永久性变形不致引起破坏的性能叫塑性 在外力消失后留下来的这部分变形叫塑性变形 不可恢复 脆性 金属材料在外力作用下无明显变形即发生断裂的性质 10 刚度 金属材料抵抗弹性变形的能力 衡量指标 弹性模量 应力 应变 强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力 强度的主要指标有 屈服强度 又称为屈服极限 是指材料开始产生宏观塑性变形时的应力 抗拉强度 金属材料拉断前所承受的最大应力 硬度 金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 11 12 二 钢的分类1 钢材的分类方法比较多按其元素组成可分为 13 2 压力容器用钢按钢材形式分类 钢板 包括厚板 薄板 钢带 卷板钢管 流体传输用标准管 传热用非标管 按制造方式分为 无缝 热轧 冷轧 锻造 离心铸造 焊接 锻件 分为标准件和非标准件如封头 管板等 管件紧固件 螺母 螺栓 铸件棒和型钢 14 2 常见压力容器用钢简介容器常用的碳素钢20R 对应的新的牌号 GB713 2008锅炉和压力容器用钢 为Q245R 其中Q表示屈服强度 R表示容器用钢 Q245R即为屈服强度不小于245MPa的容器用钢 16MnR 新牌号为Q345R 属于低合金高强度钢 是锅炉压力容器专用钢 锅炉压力容器的常用材料 它是目前我国用途最广 用量最大的压力容器专用钢板 15 低温钢是通过合金元素的固溶强化 细化晶粒 并通过正火 回火处理细化晶粒 均化组织 而获得良好的低温韧性 16MnDR 15MnNiDR和09MnNiDR等 压力容器常用低合金耐热钢有1Cr 0 5Mo 15CrMo 1 25Cr 0 5Mo 2 25Cr 1Mo等 这些合金钢中所含的合金元素以及钒 妮 钦 钨和硼等碳化物形成元素也是显著提高钢的抗氢性能的基本元素 所以上述低合金耐热钢也可作为抗氢钢使用 气化炉的材质 16 合金元素总含量高于13 的合金钢称为高合金钢 按其供货状态下的组织分为铁素体 马氏体 奥氏体和奥氏体 铁素体双相钢等 这类钢中应用最广泛的是Cr或Cr Ni类钢 由于含有较高的Cr或Cr Ni合金元素 因而具有对大气和各种腐蚀介质的耐蚀性 故又称为不锈钢 其中奥氏体不锈钢应用较多 常见有0Cr18Ni9 00Cr19Ni10 0Cr17Ni12Mo2 00Cr17Ni14Mo2 0Cr18Ni10Ti等 这些对应ASME牌号是304 304L 316 316L 321常见的压力用钢的成分和力学性能见附表 17 18 四 压力容器的安全附件 压力容器的安全附件包括安全泄压装置 安全阀 爆破片 压力表 液位计 温度计等 安全泄压装置是一种防止容器超压的保护装置 它具有这样的性能 当容器在正常工作压力下运行时 保持严密不漏 而一旦容器内压力超过规定的数值时它就能自行将容器内气体迅速泄放 使容器内压力始终保持在最高许用压力范围之内 19 1 安全阀 20 定义 安全阀是一种自动阀门 它不借助任何外力 而是利用介质本身的力来排出额定数量的流体 以防止系统内压力超过预定的安全值 当压力恢复正常后 阀门再行关闭并阻止介质继续流出 常用术语 开启压力 安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力 铅封 由指定的专业人员用专用工具把安全阀的阀帽锁住 不经允许均不能启封的完整活动 21 22 弹簧式安全阀一般结构图 23 安全阀有弹簧式安全阀和杠杆式两种 弹簧式安全阀的特点有 结构简单 灵敏度较高 安装位置不受严格限制 而且对振动的敏感性低 所以可用在移动式压力容器上 其缺点是所加的载荷会随着阀的开启而发生变 因此 随着阀瓣的升高 弹簧的压缩量增大 作用在阀瓣上的力量也跟着增加 这对于安全阀的开启是不利的 另外安装在高温压力容器上的安全阀 由于长期受高温的作用 其弹簧力减少 使安全阀的正常工作受到影响 24 杠杆式安全阀不采用弹簧装置 而是利用重锤和杠杆来平衡作用在阀瓣上的力 这种安全阀有结构笨重和由于振动而产生泄漏现象等缺点 目前较少采用 安全阀起跳的原因及处理 原因1 操作压力高 超过安全阀定压值 处理 调整操作 低于安全阀的回座压力后 安全阀将自动复位 原因2 弹簧失效变软或因腐蚀而断裂 高温 腐蚀性介质 安全阀起跳压力降低 处理 关掉安全阀上 下游阀 对其重新定压 25 安全阀的维护与检验 安全阀的使用维护 新投用安全阀必须在本地有相应资质的校验单位校验合格后才能安装投用 安全阀投用使用后 前后手阀应保持全开 并加装铅封 在正常生产中 任何人不得随意将安全阀顶死 绑死或拆除 更不能随意将手阀关死 在处理事故的情况下 可以关闭手阀来处理安全阀 但必须在事后将手阀全开并加铅封 进行校验的安全阀必须按期校验 每年至少一次 当安全阀因故未能在安全阀的校验有效期内进行校验时 车间应制定超期校验安全阀使用监护措施 26 要定期对安全阀进行检查 检查内容主要有以下方面 安全阀的定压校验牌及铅封是否完好 进出口手阀全开并有铅封 检查安全阀有无内外泄露 法兰面 听 摸 及放空线流量变化 若有应及时更换和维修 安全的外部腐蚀情况的检查 做好检查记录 检查人 检查时间 安全阀的校验 安全阀校验内容包括 解体 清洗 维护 研磨 零件更换 定压和气密 安全阀校验合格后 必须加铅封 铅封牌上有定压时间 校验好的安全阀 搬运时应小心 轻放 保持直立放置 在搬运 安装 使用中 严禁破坏铅封和铭牌 如铅封破坏应予重新校验 27 安全阀在使用过程中出现下列情况之一时 应及时重新校验 1 起跳后不能复位 产生泄漏 2 超出开启压力未开启 3 低于开启压力却开启 4 低于回座压力阀瓣未能回座 5 发生频跳 颤振 卡阻时 6 安全阀内漏时 28 2 防爆膜防爆膜也称为爆破片 是一种断裂型的安全泄压装置 它是用一块很薄的平板通过法兰夹紧或直接用螺栓压紧在容器的短管法兰上 其结构简单安装方便 但由于在防爆膜破裂之后 容器将被迫停止运行 所以这种安全装置只适用于在不宜装设安全阀的压力容器中使用 29 爆破片适用于在不宜装设安全阀的压力容器中使用 30 3 压力表压力表用来显示压力容器和管道内部的压力 31 压力表的使用 维护 a 压力表表盘刻度极限值应为最高工作压力的1 5 3 0倍 最好选用2 0倍 量程太大或太小则误差较大 b 压力表安装前应进行校验 安装后一般每周期校验一次 并在刻度盘上划出指示最高工作压力的红线 并贴有检验合格证 注明下次校验日期 压力表校验后应加铅封 c 元件材质有铜的压力表不能使用在含有H2S或NH3介质 32 d 压力表如果出现指示失灵 表盘封面玻璃破裂或表盘刻度模糊不清 压力表指针松动 指针断裂或外壳腐蚀严重 超过校验有效期等情况时 应停止使用并更换 e更换压力表后 要记录好检验编号 以及更换的具体位置 f安装压力表时 要根据使用环境的不同 选用不同的垫片 压力表的完好标准有 量程选择正确 压力指示准确 不超上限红线 不失灵 铅封 合格证完好 有上限红线 镜面干净 刻度清晰 指针完好 无锈蚀 引线阀门完好 无内漏 无泄露 压力表台帐 校验证和现场实物一一对应 33 隔膜式压力表 34 隔膜式压力表主要用于具有腐蚀性或高粘度 易结晶 易凝固 温度较高的液体 气体或颗粒状固体介质的压力 这种压力表与压力容器之间装设有能隔离介质的隔膜 使用注意事项 不得拆卸或更换已配置的仪表盘 以免填充液外泄影响性能 温度对测量值的影响 因密封液的热膨胀及隔膜刚度与温度有关 受温度影响有一个误差 35 3 液位计 常用的液位计除了玻璃板式 玻璃管式液面计外还有以下几种液位计 1 磁性浮子液位计2 静压 差压 式液位计3 电磁波雷达液位计 36 a 磁性浮子液位计 37 液位计根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成 当被测容器中的液位升降时 液位计本体管中的磁性浮子也随之升降 浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器 驱动红 白翻柱翻转180 当液位上升时翻柱由白色转变为红色 当液位下降时翻柱由红色转变为白色 指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度 从而实现液位清晰的指示 该系列的液位计可以做到高密封 防泄漏和适用于高温 高压 耐腐蚀的场合 它弥补了玻璃板 管 液位计指示清晰度差 易破裂等缺陷 且全过程测量无盲区 显示清晰 测量范围大 由于测量显示部分不与介质直接接触 所以对高温 高压 有毒 有害 强腐蚀介质更显其优越性 因此 它比传统的玻璃板 管 液位计具有更高的可靠性 安全性 先进性 实用性 38 b 静压 差压 式液位计 39 c 电磁波雷达液位计 40 液位计安装使用前 对于低 中压的液位计应进行1 5倍液面计公称压力的液压试验 对于高压的液位计应进行1 25倍液面计公称压力的液压试验 液面计必须明显标注最高和最低安全液位限位线 液面计应定期检修 检修周期随装置大修周期而定 压力容器上的液面计检修周期 不应超过压力容器内外部检验周期 液位计检修内容包括液位计解体 清洗 更换损坏的配件和进行水压试压及气密试验等 液面计如果出现玻璃板 管 有腐蚀 裂纹和破碎 阀件固死 出现假液位 液面计指示模糊不清 无液位限位刻线和超过检修周期等情况时 应停止使用并进行检修或更换 对液面计的使用情况进行定期检查 特别要加强对中低汽包液位计和其它重点部位液位计的日常检查 发现问题应及时处理 液位计的使用与维护 41 4 温度计 温度计 是测温仪器的总称 热电偶是一种感温元件 是一种仪表 它直接测量温度 并把温度信号转热电偶换成热电动势信号 通过电气仪表 二次仪表 转换成被测介质的温度 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 当两端存在温度梯度时 回路中就会有电流通过 热电效应 42 需要控制壁温或介质温度的设备 必须装设测温仪表 或温度计 安装前应进行校验 测温仪表 或温度计 应定期校验维护 校验周期随装置大修周期而定 测温仪表 或温度计 如果出现玻璃有裂纹和破碎 表盘刻度模糊不清 指针断裂或外壳腐蚀严重 超过校验有效期等情况时 应停止使用并更换 温度计的使用 维护 43 五 压力容器常见失效形式 要想有效地防止压力容器的破裂事故 就必须了解容器破坏的各种形式 产生破坏原因及其规律 1 韧性破裂容器承受的压力先是超过材料的屈服极限 使材料组织发生变化 然后在更大压力下 达到或超过材料的强度极限而断裂 属于因外力过大使材料断裂的情况 发生破裂时一般无碎片飞出 只是裂开一个口 口的大小与容器爆破时所释放的能量有关 44 2 脆性破裂在试验或使用过程中 并没有达到规定的压力 即在正常压力范围内 在没有发现塑性变形的情况下突然发生爆炸 这种爆裂的形式与脆性材料的破裂很相似 即出现许多碎片 所以把这种低于材料的屈服极限 更低于强度极限时发生的爆炸称为脆性破裂 脆性破裂的特点与韧性破裂恰恰相反 脆性破裂的容器并无塑性变形 器壁也没有减薄 爆破是在材料还处在弹性阶段中发生的 45 3 疲劳破裂长期处于交变应力下工作的容器 最大工作应力低于材料的屈服极限 出现突然破裂 要防止疲劳破裂主要是在设计中尽量减少应力集中 采用合理的结构及制造工艺 同时 在使用中也应尽量减少不必要的加压 卸压或超过规定的压力波动及温度波动 46 4 腐蚀破裂根据金属被腐蚀的形式 可以分为全面腐蚀 均匀腐蚀 和局部腐蚀两大类 在压力容器中最常见 最危险的是应力腐蚀破坏 较为典型的是钢制容器的氢脆 在常温常压下 氢气对碳钢无明显腐蚀 但在高温高压下腐蚀相当严重 氢气与钢材中的渗碳体在晶界上起化学作用 使晶界变宽 使材料产生裂纹或鼓包 材料的机械性能严重下降 直至容器被破坏 这种破坏属于脆性破坏 因此相当危险 特别是处在高压条件下 这种腐蚀会造成突然性破坏 47 5 蠕变破裂 金属材料在长期的高温下受到拉应力的作用 尽管拉应力小于材料的屈服极限 材料也会产生缓慢的塑性变形 这种变形称为蠕变 要发生蠕变必须同时具备三个条件 高温 长时间与受拉应力作用 48 六 压力容器定期检验压力容器的定期检验包括 外部检查 内外部检验 耐压试验 1 外部检查外部检查 是指在用压力容器运行中的定期在线检查 在运行中检查 每年至少一次 一般由使用单位自行检查 以宏观检查为主 必要时可进行测厚 壁温检查和腐蚀介质含量测定等 49 2 内外部检验的要求内外部检验 是指在用压力容器停机时的检验 常在装置大修时进行 由有资质专业检验单位中的持证检验师进行检验内外部检验以宏观检查 壁厚测定为主 必要时可采用表面探伤 射线探伤 超声波探伤 硬度测定 金相检验 应力测定 声发射检测 耐压试验等 内外部检验的周期 安全状况等级为1 2级的 每6年至少一次 安全状况等级为3级的 每3年至少一次 投用后首次内外部检验周期一般为3年 50 容器的安全状况等级划分安全状况等级划分是指容器经内外部检验并消