《压力容器安全》 (2)PPT演示文稿

1、第 5 章压力容器安全,第 5 章 压力容器安全,5.1 压力容器的安全问题 5.2 压力容器的分类 5.3 压力容器的基本结构 5.4 压力容器的失效形式 5.5 压力容器的安全设计 5.6 压力容器的安全制造 5.7 压力容器的定期检验 5.8 压力容器的安全装置,看书,5.1.1 引言,按照特种设备安全监察条例，承压类特种设备： 锅炉、压力容器、气瓶、压力管道等，安全附件：超压泄放装置、压力表、液位计等。,压力容器的操作条件范围宽：包括压力、温度、介质、使用环境等，与一般机械设备不同。 承压设备属于国家法规严格监管特种设备。在设计、制造、使用和管理方面有严格的规定和管理体系，以保证其安全

2、性。,5.1 压力容器的安全问题,从广义上讲，压力容器包括所有承受压力载荷的密闭容器。,直接受火的锅炉；非受火压力容器,组装在运输装备上的压力容器罐体（铁路、公路、水路运输）、气瓶移动式压力容器,固定式压力容器广泛用在化工工艺流程中，如各种反应器、塔设备、换热器、储罐、分离容器 ,固定式 移动、气瓶,安装在固定位置，或仅在使用单位内部区域使用的压力容器 固定式压力容器,球形储罐,换热器,反应釜,压缩天然气长管运输车,低温压力液化天然气运输车,5.1.2 压力容器的应用和特点,压力容器应用的特点 1）应用广泛 （占化工厂设备总数的50左右） 不同的用途、型式、操作条件、类别， 共同特点：受压外壳

3、+功能内件。,2）操作条件复杂 承受不同的温度、压力或交变载荷； 各种介质：有毒、易燃易爆、腐蚀性； 化学反应：反应过程中的各种不确定因素等；,3、对安全要求高，为特种设备,压力、温度越高，尺寸越大，则对容器在选材、设计、制造、检验和使用等方面要求越高。,压力容器结构并不复杂，但承受载荷：静、动、交变载荷，附加机械或温度载荷； 装载压缩、液化气体或饱和液体，若容器破裂，介质瞬间膨胀释放，破坏能量极大； 焊接结构多，易产生焊接缺陷。 安全要求：足够的强度、刚度、稳定性，密封性好。,5.1.3 压力容器的安全特征,1、量大面广 应用面广，数量多，分布地域广泛，至2007年底， 固定式压力容器 16

4、9.71万台， 锅炉 53.40万台， 另有数量巨大的各类气瓶、罐车、压力管道。,2003年修订为特种设备安全监察条例 2009年再次修订。,1982年，国务院颁布了锅炉压力容器安全监察暂行条例,专门管理机构：国家质量检验检疫总局特种设备安全监察局 对特种设备的设计、制造、使用、检验等进行管理。,2、事故率高,其中89.3%（118起）是各种制造裂纹所引起,总的来说，随着加强管理和技术的进步，压力容器的事故率呈下降趋势，但远高于其他机械设备的事故率(交通运输除外)。,2005年压力容器事故率0.28 次/万台年。,次/万台年,危害：灾害性后果。 压缩气体、液化气体或过热液体卸压膨胀，瞬间释放出

5、巨大能量，产生强的空气冲击波； 可燃气体或毒气泄漏，造成大面积毒害区，与周围的空气混合，产生更大火灾爆炸； 设备碎片飞出产生破坏； 相邻设备连锁爆炸等。 原因：因制造缺陷、使用缺陷和操作管理上的原因。 措施： “全过程安全监察模式”设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造等环节,3、事故危害性大,TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程界定的监管范围： （1）最高工作压力pW0.1MPa；（表压） （2）且设计压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL； （3）且介质为气体、液化气体和最高工作温度高于等于标准沸点的液体。,5.2.1 压力容器的安全监察范围,5.2 压力容器分

6、类,考虑了工作压力、容积、介质性态三方面对容器发生爆炸时释放能量的影响。,是否有压力就称为压力容器？,压力容器爆炸能量计算： 5.9.1 容器的爆炸和爆炸能量 185页 1、压缩气体容器的爆炸能量,压缩气体 k=1.4，Ug=CgV，,（MJ）,干饱和蒸汽k=1.135，Us=CsV，,Cg、Cs为p的函数（MJm-3）,问题：容器爆炸的能量与什么有关？,爆炸能量系数Cg（k=1.4）,爆炸能量系数 随压力升高而增大。,爆炸能量系数Cs（k=1.135）,常用压力下的气体爆炸能量系数（k=1.4）MJm3,2、液化气体或高温饱和水的爆炸能量,U1=w(i1-i2)-(S1-S2)T1,Uw=C

7、wV,8.1 15.83 25.60 39.78 66.22,（MJm-3）,0.45 0.85 1.54 2.8 6.2,同样容积的压力容器，当p=0.9MPa时， Cw/Cs=25.6/1.54=16.6 即同等体积饱和水爆炸能量为干饱和蒸汽的17倍。,Cs (MJm-3 ),Cw (MJm-3 ),w=V,1 MPa的容器爆炸释放的能量： 压缩空气/压缩水0.33 / 0.05310-3 =6226倍。,而标准沸点以上的饱和液体，爆炸时释放的能量远大于饱和蒸气。,几种典型介质爆炸能量的比较,爆炸释放能量比较：饱和液体饱和蒸气常温液体,Uw=CwV=56.34MJ/m31/4500=12.

8、5 kgTNT,1、按使用位置分 固定式：固定安装在使用地点；移动式：槽车、气瓶等,2、 按设计压力分类（表压） (1)低压容器 0.1MPap 1.6MPa； (2)中压容器 1.6MPap 10MPa； (3)高压容器 10MPap 100MPa； (4)超高压容器 p100MPa.,5.2.2 压力容器分类,不同的压力采用相应的设计规范： 0.1MPa，钢制焊接常压容器 0.1-35MPa，GB150钢制压力容器； 35MPa，JB4732钢制压力容器分析设计标准,设计温度、设计压力、介质、用途以及类别都是容器的重要技术参数。无论设计还是使用、管理一台容器，都要明确这些参数。,3、 按工

9、艺用途分类 (1)反应容器 (R) 进行化学反应。 反应釜、聚合釜、合成塔等。 (2)换热容器 (E) 完成介质的热交换。 各种管壳式换热器、蒸发器、板式换热器等。 (3)分离容器 (T) 完成组分或相的分离。 吸收塔、解吸塔、萃取塔、精馏塔等。 (4)储存容器 (V) 主要用于储存介质。 各种压缩气体或液化气体储罐、压力缓冲罐等。,4、按安全监察管理综合分类（见139-140页）,按容规进行综合分类：一类、二类、三类，综合体现了一台容器的重要程度和危险程度。 容规的分类主要综合考虑了4方面因素： 压力的高低； 介质的易燃程度和毒性大小；,高压三类， 中压二类， 低压一类,+极(高)毒,+易燃

10、或中度毒性的储存容器，且PV10MPam3,PV值； 用途。,+极(高)毒， PV0.2MPam3,+易燃或中度毒性的反应容器，且PV0.5MPam3,+极(高)毒,+搪玻璃压力容器,移动式压力容器、球形储罐、余热锅炉等,特种设备安全监督管理的专门法规： 行政法规 国务院颁布的特种设备安全监察条例 （2009修订） 技术法规 国家质量技术监督局颁布的特种设备安全技术规范： TSG G0001-2008 锅炉安全技术监察规程 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0005-2010 移动式压力容器安全技术监察规程 TSG D0001-2009 压力管道安全技术监

11、察规程-工业管道 TSG R7001-2004 压力容器定期检验规则 ,5.2.3 压力容器安全管理法规与安全技术标准,设计、制造和检验的技术规范和标准： GB150-1998钢制压力容器 JB4732-95钢制压力容器-分析设计标准 GB12337-99钢制球形储罐 JB/T4730.1-2005承压设备无损检测 TSG R1001-2008压力容器压力管道设计许可规则 ,5.3 压力容器的基本结构,5.3.1 压力容器的主要工艺参数 压力 工作压力 设计压力 试验压力（表压） 公称压力：0.1、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0,直径 卷制筒体的公称直径指内径：300、400

12、、500 无缝钢管筒体的公称直径为钢管外径：159、219、273,根据公称压力、公称直径选用标准化容器零部件：法兰、封头、支座等。,温度 设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件 可能达到的最高或最低温度（0以下）,设计温度 常温 设计压力 20MPa,压缩天然气长管运输车,低温压力液化天然气运输车,设计温度 -196 设计压力 0.9MPa,容器内径Di=2300mm，=8mm,容器内径Di=525mm，=20mm,（内外筒之间设绝热层）,壁厚计算公式：,（P158-159内压薄壁圆筒体的薄膜应力）,5.3.2 压力容器的基本结构,足够的强度、刚度、稳定性,观察工艺参数、监控和保护作用,5.

13、3.2 压力容器的结构特征,1、中低压容器的结构特征 圆筒形容器：小直径：无缝管制造；较大直径：钢板卷制 大型容器：球形,5.3.2 压力容器的结构特征,圆筒形容器的封头：,平板 锥形 无折边球形 蝶形 椭球形 半球形,受力状况,最差,最好,材料消耗（同等压力）,最少,最多,制造,较难,最易,标准椭圆形封头,半球形封头,封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难,封头的选择主要根据设计对象的要求，并考虑经济技术指标。,封头的选择,5.4 压力容器的失效形式,5.4.1 引言 设计结构、制造质量原因，使用和维护不当，高温、腐蚀、疲劳等恶劣的工作环境使材料发生劣化，造成强度下降，裂纹扩展，甚至破裂，发生

14、事故。,压力容器常见的失效形式： 韧性破裂 脆性破裂 疲劳破裂 腐蚀破裂 蠕变破裂 泄漏,通过对破裂容器的宏观变形和断口形貌的显微观察，分析事故原因，采取改进措施。,5.4.2 韧性破裂（延性破裂）,在超过正常工作内压的作用下，在容器壳体产生的薄膜拉伸应力使壳体产生较大的塑性变形，当应力达到或超过材料的强度极限（环向b），容器发生破裂。,水压爆破试验：韧性破裂,焊缝,5.4.2 韧性破裂（延性破裂）,断口宏观特征： 断口处有明显伸长变形(10%)，容器形状发生较大变化； 容器一般不是碎裂，沿容器轴向裂开； 断面与主应力方向成45夹角，呈暗灰色纤维状； 爆炸压力接近计算爆破压力。,断口微观特征：

15、韧窝 外力作用形成微裂纹，聚合产生微孔洞，孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。,容器超压的原因： a. 液化气体过量充装 事故：液化石油气钢瓶超装发生爆炸 b. 违规操作、超压泄放装置选用不当或失灵 事故：某化肥厂合成氨系统高压设备气密试验爆炸，因煤气与空气混合气被压缩机压入试压系统。,c. 容器腐蚀严重，壁厚过度减薄 事故：加压变换冷却塔腐蚀爆裂 P=0.8MPa，Di=1000， =8mm，经三年运行腐蚀后：,max=3mm min=1mm,d. 设计选材不当或结构不合理,防止韧性破裂的安全措施：正确设计、规范操作，设置超压泄放装置，正确选用和维护，加强在用容器检验。,5.4.3 脆性破裂,

16、容器破裂时没有经过明显的塑性变形，破裂时壳体的应力（正常工作压力下）远远低于材料的强度极限，所以也称为低应力脆断。常发生在壳体材料的缺陷处。,脆性破裂发生的原因： 材料韧性差（焊接造成或温度原因） 用冲击功度量材料韧性 容器存在超标缺陷（制造或使用中产生的裂纹）,冲击韧度 表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。 值的大小表示材料的韧性好坏。,材料的 值随温度降低而减小，且在某一温度范围内， 值急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度”。,材料的冲击试验,摆锤刀刃,V型缺口冲击值：,试样：,事故：1965年英国汤姆森公司氨合成塔在水压试验时爆炸， Pc=35.1MPa，

17、t=200，Di=1700， =150mm 爆炸时压力34.5MPa，=199.5 MPab=388 MPa 设备材料：锰铬钼钒低合金钢， 原因：焊接处材料存在成分偏析；有10mm埋藏裂纹； 材料韧性差：理论 =60Nm/cm2 实际 =15Nm/cm2,事故：1962年某化肥厂水洗塔爆炸，Pc=3MPa，Di=2200，=44mm，爆炸时压力2.8MPa，=70 MPa b=240 MPa ，设备材料：碳钢 原因：焊缝质量差，存在13-19mm深的裂纹； 环境气温-27，导致材料韧性差。,宏观特征： 外观没有明显伸长变形； 裂口齐平，与最大主应力方向垂直； 容器常破裂成碎片； 低温或介质腐蚀

18、易发生脆断。,韧性断裂的断口 微观特征：韧窝,脆性断裂微观特征：穿晶脆性断裂,脆性破裂的三个条件： 高应力场；材料的脆性倾向；存在脆裂的引发源：如裂纹或缺口。,预防脆性破裂的措施 合理选材，选用在运行温度下有良好冲击韧性的材料； 在制造和运行过程中材料不发生韧性下降； 加强定期检验，及时发现缺陷(裂纹)的产生和扩展。,5.4.4 疲劳破裂,压力容器在长期交变载荷作用下所发生的破裂称为疲劳破裂。,原因： 由交变的压力、温度以及振动等原因引起的交变应力。,（1）高应力低循环疲劳 交变载荷循环次数102105，而相应的应力水平较高。 以应变值为控制变量。,（2）低应力高循环疲劳 应力值在弹性极限以下

19、，交变载荷循环次数在105以上。 疲劳极限：材料经过一定循环次数不发生破坏的最大交变应力值。,疲劳破裂的特征： 总体应力不大，没有明显伸长变形，发生在局部应力较高及材料缺陷处； 若材料强度较低而韧性好，则疲劳裂纹穿透器壁发生泄露而失效， 若材料强度偏高而韧性差，则疲劳裂纹导致爆炸事故； 经历裂纹发生、裂纹扩展、失稳断裂3个阶段； 破裂断口呈现两个区域：疲劳裂纹产生及扩展区，最后断裂区；可以由此判断疲劳破裂。,疲劳条痕,一种铝合金断裂表面的疲劳条痕,向前扩展的疲劳裂纹留下特征性的斑纹，说明疲劳引起失效。,1m,裂纹扩展的方向和条纹垂直,5.4.5 应力腐蚀破裂,1、应力腐蚀概念 Stress C

20、orrosion Cracking 应力腐蚀开裂指在静拉伸应力和特定的腐蚀介质的共同作用下导致材料腐蚀开裂的现象，记为SCC。,应力腐蚀开裂的发生: 可以在极低的应力条件下发生； 腐蚀性极弱的介质也能引起腐蚀开裂。,往往没有先兆的进展突然断裂，容易造成严重事故。 断口形貌：脆断，有亚稳扩展区，最后瞬断区 占化工腐蚀破坏事故近半数.,应力腐蚀裂纹,2、应力腐蚀破裂发生的条件,（1）特定的腐蚀介质与材料组合,常见应力腐蚀破裂的材料-介质组合：,碳钢氢氧化物溶液； H2S水溶液,奥氏体不锈钢氯化物溶液； H2S水溶液,（2）拉应力的存在 装配应力、残余应力、腐蚀产物引起的内应力、载荷应力等。,（3）材料纯度和组织状态影响,一般认为合金发生SCC，纯金属极少发生，但存在少量杂质时也可能发生SCC。 材料硬度增加，SCC敏感性增加。,