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第六章壓力容器安全 第一節(jié)壓力容器的安全問題第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)第三節(jié)壓力容器的破壞形式和原因第四節(jié)安全泄壓裝置及相關(guān)計(jì)算第五節(jié)壓力容器的爆炸危害 主要內(nèi)容 天然氣 液化器站專用容器設(shè)備 換熱器 外盤半管式反應(yīng)鍋 三聚氰胺尿素洗滌塔外景 高橋石化石蠟加氫裝置 高橋石化1 催化裝置 一 壓力容器的特點(diǎn)和安全問題壓力容器 是指最高工作壓力 0 1MPa 不含液體靜壓 內(nèi)直徑 0 15m 容積 0 025m3 盛裝介質(zhì)為氣體 液化氣體或最高工作溫度高于或等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體的金屬設(shè)備 壓力容器的特點(diǎn) 應(yīng)用廣泛操作條件復(fù)雜對安全要求高壓力容器的安全問題 量大面廣事故率高危害性大 第一節(jié)壓力容器的安全問題 壓力容器的特點(diǎn) 鍋爐 換熱器 加熱爐 圓筒外殼 傳熱管束塔器 圓筒外殼 傳質(zhì)元件 浮閥 填料等 反應(yīng)釜 圓筒夾套 攪拌器壓縮機(jī) 真空泵 圓筒氣缸 活塞泵 蝸殼 葉輪 應(yīng)用的廣泛性 過程裝備 受壓外殼 功能內(nèi)件 壓力容器的特點(diǎn) 壓力容器廣泛用于化學(xué) 石油化工 醫(yī)藥 冶金 機(jī)械 采礦 電力 航天航空 交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)部門 其中尤以石油化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最為普遍 如一個(gè)年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置 有793臺設(shè)備 其中壓力容器281臺 占了35 4 蒸汽鍋爐也屬于壓力容器 民用或工廠用的液化石油氣瓶 更是到處可見 應(yīng)用的廣泛性 壓力容器的特點(diǎn) 操作條件十分復(fù)雜 壓力從1 2 10 5Pa的真空到高壓 超高壓 如石油加氫為10 5 21 0MPa 高壓聚乙烯為100 200MPa 合成氨為10 100MPa 人造水晶高達(dá)140MPa 溫度從 200 C低溫到超過1000 的高溫 操作的復(fù)雜性 壓力容器因其承受各種靜 動載荷或交變載荷 還有附加的機(jī)械或溫度載荷 壓力容器極大多數(shù)系焊接制造 容易產(chǎn)生各種焊接缺陷 此外 當(dāng)前壓力容器向大容量 高參數(shù)發(fā)展 安全的高要求 壓力容器的安全特征 1996年12月的統(tǒng)計(jì)資料表明 國內(nèi)在用固定式壓力容器多達(dá)122 22萬臺 移動式壓力容器中罐車16910輛 在用氣瓶5498 7571萬只 鍋爐總臺數(shù)達(dá)51 57萬臺全國持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計(jì)2432個(gè) 設(shè)計(jì)單位1380個(gè) 1998年我國鍋爐 壓力容器 氣瓶的爆炸事故率分別為1 07次 萬臺 0 28次 萬臺 0 65次 萬臺 量大面廣事故率高 壓力容器的安全特征 英國安全機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以內(nèi) 一級壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計(jì)情況 危害性大 壓力容器破壞幾率容器運(yùn)行災(zāi)難性事故a損傷事故b總計(jì)臺 年次數(shù)事故率次數(shù)事故率次數(shù)事故10030070 7 10 41251 25 10 31321 32 10 3105400161 5 10 41231 17 10 31391 32 10 3 壓力容器的安全特征 a 災(zāi)難性事故指災(zāi)難性破壞事故或無法修復(fù)的容器 b 損傷事故指有潛在危險(xiǎn)的事故 c 事故發(fā)生率 發(fā)生事故數(shù) 設(shè)備臺數(shù) 運(yùn)行年 表中的數(shù)字表明10000臺容器中發(fā)生損壞事故每年12 5次 達(dá)到破壞事故0 7次 事故幾率為1 32 而且這132起使用中的容器事故 按其原因分類 89 3 即118起是各種制造裂紋所引起 危害性大 壓力容器的事故實(shí)例 國內(nèi)某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸 擊穿5個(gè) 爆炸5個(gè) 10200公斤液氯外泄 波及7公里范圍 59人死亡 779人嚴(yán)重中毒 國內(nèi)某液化氣站400M3儲罐爆炸 引發(fā)3個(gè)球罐和一個(gè)臥罐爆炸 5000只氣瓶爆炸 600噸液化氣燃燒 32人死亡 54人傷 一 按壓力等級劃分按壓力容器設(shè)計(jì)壓力 P 分為低壓 中壓 高壓 超高壓四個(gè)壓力等級 1 低壓 代號L 0 1MPa P 1 6MPa 2 中壓 代號M 1 6MPa P 10MPa 3 高壓 代號H 10MPa P 100MPa 4 超高壓 代號U P 100MPa 二 按壓力容器品種劃分按壓力容器在生產(chǎn)工藝過程中的作用原理 分為反應(yīng)壓力容器 R 分離壓力容器 S 換熱壓力容器 E 儲存壓力容器 C 其中球罐B P133 二 壓力容器的分類 多種分類方式 三 為便于管理 將壓力容器按其壓力等級 介質(zhì)及所起的作用等分為三類l 第一類壓力容器2 第二類壓力容器3 第三類壓力容器符合下列情況之一的為第三類壓力容器 1 毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的中壓容器和P V 0 2MPa m3低壓容器 2 易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)且P V 0 2MPa m3中壓反應(yīng)容器和P V 10MPa m3的中壓儲存容器 3 高壓 中壓管殼式余熱鍋爐 4 高壓容器 例如 氨合成塔的設(shè)計(jì)壓力為32MPa 介質(zhì)為氫氣 氮?dú)饧鞍?該合成塔屬于三類高壓反應(yīng)容器 氯氣分配器的設(shè)計(jì)壓力0 6MPa 低壓 介質(zhì)為氯氣 極毒 該容器屬于三類低壓分離壓力容器 四 壓力容器安全狀況等級劃分壓力容器的安全狀況分為五級 分級的原則如下所述 l級 出廠資料齊全 設(shè)計(jì) 制造質(zhì)量符合有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn) 在符合設(shè)計(jì)的條件下 在規(guī)定的檢驗(yàn)周期內(nèi)能安全使用的壓力容器 2級 存在某些缺陷 不危及安全 的新壓力容器 存在某些可不修復(fù)的一般性缺陷 不危及安全 的在用壓力容器 3級 資料不夠齊全 制造時(shí)存在某些問題或缺陷 但未因使用而發(fā)展或擴(kuò)大 焊縫存在的缺陷經(jīng)檢驗(yàn)確定不需要修復(fù) 能在規(guī)定的操作條件下及檢驗(yàn)周期內(nèi)安全使用的壓力容器 4級 技術(shù)資料不全 主體材質(zhì)不符合規(guī)定 強(qiáng)度經(jīng)核算能滿足使用要求 主體結(jié)構(gòu)有較嚴(yán)重的缺陷但未因使用而發(fā)展或擴(kuò)大 焊接質(zhì)量有線性缺陷 不能繼續(xù)使用的壓力容器 5級 缺陷嚴(yán)重 難于或無法修復(fù) 無修復(fù)價(jià)值或修復(fù)后仍難以確保安全使用的壓力容器 必須報(bào)廢 第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì) 一 壓力容器的基本結(jié)構(gòu) 主要工藝參數(shù) 壓力 溫度 直徑 兩個(gè)基本參數(shù) 公稱直徑DN 指標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑 以DN表示 單位mm 例如內(nèi)徑1200mm的容器的公稱直徑標(biāo)記為DN1200 公稱壓力PN 容器及管道的操作壓力經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)壓力稱為公稱壓力 以PN表示 單位MPa 二 壓力容器的安全設(shè)計(jì)1 強(qiáng)度安全設(shè)計(jì) 是指在確定的容器結(jié)構(gòu)尺寸下 所選材料在容器壽命期內(nèi)有足夠抵抗各種外來載荷和經(jīng)受周圍環(huán)境條件破壞的能力 壓力容器用鋼的選擇壓力容器中的應(yīng)力計(jì)算2 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)容器的總體或局部結(jié)構(gòu)時(shí) 盡量避免制造和使用中附加的消弱容器強(qiáng)度的因素 P147結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的四方面考慮3 壓力容器設(shè)計(jì)舉例 設(shè)計(jì)一液氨貯罐 工藝尺寸 貯罐內(nèi)徑Di 2600mm 貯罐 不包括封頭 長度L 4800mm 解 1 罐體壁厚設(shè)計(jì)根據(jù)材料性質(zhì)及價(jià)格等因素 本貯罐選用16MnR制作罐體和封頭 設(shè)計(jì)壁厚 d根據(jù)下式計(jì)算 設(shè)計(jì)壓力 夏季最高溫度可達(dá)40 氨飽和蒸氣壓1 555MPa 絕壓 故設(shè)計(jì)壓力p 1 1x1 455 1 6MPa 表壓 Di 2600mm t 170MPa 1 O 雙面對接焊100 探傷 C2 1mm 腐蝕余量 取Cl 0 8mm 鋼板負(fù)偏差 圓整取 n 16mm厚的16MnR鋼板制作罐體 2 封頭壁厚設(shè)計(jì) 采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 橢圓形封頭壁厚 d計(jì)算式 其中 焊縫系數(shù) 1 0考慮鋼板厚度負(fù)偏差及沖壓減薄量 圓整后取dn 16mm厚16MnR鋼板制作 校核罐體與封頭水壓試驗(yàn)強(qiáng)度 ss 345MPa 水壓試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求 3 鞍座 先粗略計(jì)算鞍座負(fù)荷 貯罐總質(zhì)量 m m1 m2 m3 m4式中 m1 罐體質(zhì)量 m2 封頭質(zhì)量 m3 液氨質(zhì)量 m4 附件質(zhì)量 1 罐體質(zhì)量m1 筒節(jié)DN 2600mm dn 16mm q1 1030Kg mm1 q1L 4944 Kg 2 封頭質(zhì)量m2 橢圓形封頭DN 2600mm dn 16mm h 40mmq2 1100Kg 個(gè)m2 2q2 2200 Kg 3 充水質(zhì)量m3m3 V V V對 V筒 30 42m3 m3 30420Kg 4 附件質(zhì)量m4人孔約200Kg 其它接管總和按300Kg計(jì) m4 500Kg 設(shè)備總重量m m1 m2 m3 m4 4950 2200 30420 500 38070 38 1t每個(gè)鞍座承約受190KN負(fù)荷 選用輕型帶墊板 包角為120 的鞍座 即JB T4712 92鞍座A2600 4 人孔 常溫及最高工作壓力1 6MPa 按公稱壓力1 6MPa的等級選取 人孔標(biāo)記 HG21523 95人孔RF A G 450 1 6RF指突面密封 指接管與法蘭的材料為20R A G是指用普通石棉橡膠板墊片 450 1 6是指公稱直徑為450mm 公稱壓力為1 6MPa 5 人孔補(bǔ)強(qiáng)確定 人孔筒節(jié)內(nèi)徑d 450mm 壁厚dn 10mm 補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑D1 484mm 外徑D2 760mm 補(bǔ)強(qiáng)金屬面積應(yīng)大于等于開孔減少截面積 補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度 故補(bǔ)強(qiáng)圈取24mm厚 6 接口管 1 液氨進(jìn)料管 2 液氨出料管 3 排污管 4 液面計(jì)接管 5 放空管接管 6 安全閥接管 7 設(shè)備總裝配圖 附有儲罐的總裝配圖 技術(shù)特性表 接管表 各零部件的名稱 規(guī)格 尺寸 材料等見明細(xì)表 本貯罐技術(shù)要求 1 本設(shè)備按GBl50 1998 鋼制壓力容器 進(jìn)行制造 試驗(yàn)和驗(yàn)收2 焊接材料 對接焊接接頭型式及尺寸可按GB985 80中規(guī)定 設(shè)計(jì)焊接接頭系數(shù) 1 0 3 焊接采用電弧焊 焊條型號為E43034 殼體焊縫應(yīng)進(jìn)行無損探傷檢查 探傷長度為100 5 設(shè)備制造完畢后 以2MPa表壓進(jìn)行水壓試驗(yàn)6 管口方位按接管表 技術(shù)特性表 接管表 厚度的定義 第三節(jié)壓力容器的破壞形式和原因 一 韌性破裂壓力容器的韌性破裂往往是容器受到超過正常工作內(nèi)壓的作用 在其器壁上產(chǎn)生的總體薄膜拉伸應(yīng)力使材料發(fā)生明顯的塑性變形 如果壓力繼續(xù)升高 一旦應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí) 容器就會發(fā)生破裂 主要原因是容器超壓 破裂時(shí)一般不產(chǎn)生碎塊 而是沿容器軸向撕開較長裂縫 斷口無金屬光澤 暗灰色纖維狀 斷口形貌見P148 圖12 二 脆性破裂容器不發(fā)生或未發(fā)生充分塑性變形下就破壞的破裂類型稱為脆性破裂 主要原因 一是容器材料的問題 脆性 二是容器制造或使用中的問題 斷裂時(shí)器壁內(nèi)的應(yīng)力較低 破壞的容器常斷裂成碎塊飛出 斷口平齊 呈金屬光澤的結(jié)晶狀 斷口形貌見P151 圖14 三 疲勞破裂壓力容器常在交變載荷下運(yùn)行 經(jīng)受長期作用后 容器的承壓部件發(fā)生了破裂或泄露 與脆性破裂一樣 容器外觀上沒有明顯的塑性變形 且是突發(fā)性的 主要原因 交變載荷的存在 包括高應(yīng)力低循環(huán)疲勞和低應(yīng)力高循環(huán)疲勞 疲勞破裂的發(fā)生常在局部應(yīng)力較高或存在材料缺陷處 如遇使用強(qiáng)度較低且韌性較好的材料時(shí) 通常發(fā)生泄露 若壓力容器的材料強(qiáng)度偏高且韌性較差時(shí) 則發(fā)生爆炸 四 應(yīng)力腐蝕破裂壓力容器材料在特定介質(zhì)環(huán)境中 并在拉應(yīng)力作用下 經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生開裂和破斷的現(xiàn)象 因此 應(yīng)力腐蝕破裂是應(yīng)力與環(huán)境對材料綜合作用的結(jié)果 主要原因 化學(xué)腐蝕或電化學(xué)反應(yīng)等 應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件 特定腐蝕介質(zhì)與材料的組合拉應(yīng)力的存在材料純度和組織狀態(tài)的影響 五 蠕變破裂在高溫下工作的壓力容器 當(dāng)操作溫度超過一定極限 材料在應(yīng)力的作用下發(fā)生緩慢的塑性變形 這種塑性變形經(jīng)過長期的積累 最終會導(dǎo)致材料破裂 不同材料具有不同的蠕變溫度 低于此溫度不會發(fā)生蠕變 容器超溫 局部過熱等是蠕變破類的常見原因 第四節(jié)安全泄壓裝置及相關(guān)計(jì)算 一 安全泄放量的計(jì)算Ws 7 55d2 0wp ZT其中 Ws壓力容器的安全泄放量 kg hd容器進(jìn)口管的內(nèi)直徑 mm 0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度 kg m3w進(jìn)口管內(nèi)的氣體流速 m sp排氣壓力 絕壓 MPap 1 1 容器表壓 0 1Z氣體壓縮因子T排氣溫度 K見例3 P164 為防止超壓 單位時(shí)間內(nèi)所必須的最低泄放量 學(xué)習(xí)壓縮氣體儲罐的安全泄放量計(jì)算方法 二 安全閥及其排放能力1 杠桿式安全閥和彈簧式安全閥 2 安全閥排放能力的計(jì)算 例題4 安全閥的排放能力必須大于最低泄放量 3 安全閥的選擇步驟根據(jù)容器工作壓力 溫度 介質(zhì)特性和產(chǎn)品樣本等 選擇安全閥型式 規(guī)格和材料 按照選定的公稱壓力 PN 和公稱直徑 DN 確定安全閥的閥座通徑 并據(jù)此計(jì)算額定排放量G 計(jì)算容器的安全泄防量Ws 要求滿足G Ws 三 爆破片及其選用1 爆破片的主要型式與特點(diǎn) 2 爆破片爆破壓力的確定設(shè)計(jì)爆破壓力 pb 指爆破片在額定溫度下的爆破壓力 標(biāo)定爆破壓力 ps 系爆破片產(chǎn)品銘牌上注明的爆破壓力 最低標(biāo)定爆破壓力 psmin 則是制造爆破片時(shí) 當(dāng)設(shè)計(jì)爆破壓力的允許變化范圍為零的設(shè)計(jì)爆破壓力 參見P168例6的計(jì)算方法 會選擇爆破片 3 爆破片排放面積的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 P169 第五節(jié)壓力容器的爆炸危害 一 壓縮氣體容器的爆炸能量由于壓縮氣體的爆炸相當(dāng)于瞬間泄壓 未與外界發(fā)生能量交換 因此是絕熱膨脹過程 因此爆炸能量相當(dāng)于理想氣體絕熱膨脹所釋放的能量 計(jì)算方法 170二 液化氣體或高溫飽和水容器的爆炸能量液化氣體或高溫飽和水容器破裂時(shí) 不僅要泄壓膨脹 飽和液體或過熱水在大氣溫度和壓力的條件劇烈蒸發(fā)沸騰 因此爆炸能量包括上述兩部分能量 計(jì)算方法 171 案例例1某橡膠廠操作工在硫化罐內(nèi)余氣未放盡的情況下 強(qiáng)行帶壓開罐 導(dǎo)致罐蓋飛出 造成3人死亡 8人受傷 事故原因 1 該操作工是臨時(shí)替班 未經(jīng)過任何安全操作培訓(xùn)就上崗操作 2 嚴(yán)重違反操作規(guī)程 例2某化肥廠造氣爐大修后點(diǎn)火制氣時(shí)發(fā)生爆炸 爐體坍塌 樓面 樓頂被炸毀 造成4人死亡 5人受傷 事故原因 操作工違反作規(guī)程 開車前未將汽包上面的蒸汽出口閥和安全閥下面的根部閥打開 鍋爐憋壓 夾套爆裂 熱氣水進(jìn)到爐內(nèi) 大量汽化 致使煤氣爐發(fā)生爆炸 例3某化肥廠造氣爐的廢熱鍋爐爆炸 造成3人死亡 2人重傷 2人輕傷 事故原因 1 違反 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 無證設(shè)計(jì) 無證制造 制造質(zhì)量不合格又不進(jìn)行檢驗(yàn) 2 壓力容器管理不善 檔案不健全 未辦理使用登記證就投入使用 3 違反 設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程 檢修后未能按程序進(jìn)行驗(yàn)收 在安全閥未安裝和閘板閥堵塞的情況下開車 釀成爆炸事故 思考題壓力容器的定義及特點(diǎn)壓力容器按工藝作用分為哪四類 并舉例壓力容器的安全設(shè)計(jì)主要包括哪兩方面的內(nèi)容 了解壓力容器設(shè)計(jì)的一般方法壓力容器的五種破壞形式 原因及避免方法安全閥分哪兩類 簡述其特點(diǎn)及使用范圍容器的安全泄放量與哪些因素有關(guān) P175 第4題 THEENDThanks