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第一章压力容器基础知识 压力容器安全技术 主讲 殷恒富 目录 第一节压力容器简介第二节工艺参数第三节压力容器承受的载荷第四节压力容器常用的压力来源第五节压力容器的安全状况等级划分第六节压力容器的分类 第一章压力容器基础知识 第一节压力容器的含义压力容器是指盛装气体或者液体 具有一定的压力密闭设备 从广义上讲 所有承受压力载荷的容器都应该算压力容器 第一章压力容器基础知识 条例 中规定 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者等于0 1MPa 表压 且压力与容积的乘积大于或者等于2 5MPa L的气体 液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器 盛装公称工作压力大于或者等于0 2MPa 表压 且压力与容积的乘积大于或者等于1 0MPa L的气体 液化气体和标准沸点等于或者低于60 液体的气瓶 氧舱等 压力容器安全技术监察规程 第2条规定 本规程适用于同时具备下列条件的压力容器 最高工作压力 Pw 大于等于0 1MPa 不含液体静压力 下同 内直径 非圆形截面指其最大尺寸 大于等于0 15米 且容积 V 大于等于0 025m33 盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 第二节压力容器的参数 1 工作压力和设计压力 1 压力 垂直均匀作用于物体表面单位面积上力的度量 即是中学物理学的压强P 压强 F 压力 S 受力面积 F 压力 牛顿 N S 面积 米2 m2 P 压强 帕斯卡 Pa 2 表压 仪表上所测出的压力值 是高于大气的差值 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 以往我们将海平面上的大气压力1 033公斤力 厘米2 相当于0 1MPa MPa读作兆帕 1兆 1百万 或760毫米汞柱称为1个标准大气压 把1公斤力 厘米2 0 098MPa 的压力称为1个工程大气压 1工程大气压 0 968标准大气压 735 6毫米汞柱1公斤力 米2 9 8Pa 1毫米水柱1公斤力 厘米2 0 098MPa 10000毫米水柱 10米水柱 绝对压力 表压力与负压力 容器内介质 液体或气体 的压力高于大气压时 介质处于正压状态 如低于大气压时 则介质处于负压状态 容器内介质的实际压力称为绝对压力 仪表所测的压力称表压力 三者关系绝对压力 表压力 大气压力负压力 大气压 绝对压力 3 工作压力 也称最高工作压力 最高工作压力指在正常工作情况下 容器顶部可能达到的最高压力 在名牌上标注 4 设计压力 指设定的容器顶部的最高压力 与相应的设计温度一起作为设计载荷条件 其值不低于工作压力 2 设计温度 1 介质温度 指容器内工作介质的温度 2 金属温度 指容器受压元件沿厚度截面的平均温度 3 设计温度 指容器在正常工作条件下 设定的容器构件用材料 可能达到的最高或最低的金属温度 3 公称直径按容器的零部件标准化系列而选定的壳体直径 用DN及数字表示 单位是毫米焊接的圆筒形容器 公称直径指的是内径无缝钢管制成的圆筒形容器 公称直径是指它的外径 4 容器厚度 1 计算厚度 指按各计算公式计算所得的厚度 2 设计厚度 指计算厚度与腐蚀裕量之和 3 名义厚度 指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度 即图样上的值 第三节压力容器承受的载荷 主要有 介质压力 内压 外压或压差 液体静压力容器的自重 含内件和填料 附属设备 隔热材料 衬里 管道 扶梯 平台 重量 风载荷 地震力 雪载荷 支座反力 第四节压力容器的压力来源 容器的气体压力产生于器外 加压设备 其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉 容器的气体压力产生于容器内 工作介质 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 第五节压力容器的安全状况等级划分 共分五级 一级最好 五级最差 1级 出厂资料齐全 设计 制造质量符合有关法规和标准要求 在设计条件下能安全使用 2级 与一级不同的是存在某些不危及安全可不修复或难以纠正的缺陷 3级存在某些不符合有关法规或标准的问题或缺陷 根据检验报告 确认为在法规规定的定期检验周期内 在规定的操作条件下 能安全使用 4级 出厂资料不齐全 主体材质不明或不符合有关规定 结构和强度不符合有关法规和标准的要求 存在严重缺陷 根据检验报告 确认在法规规定的检验周期内 需要在规定操作条件下监控使用 5级 缺陷严重 难以或无法修复 无修复或修复后难以保证安全使用 检验报告结论为判废 第六节压力容器的分类 1 按容器所承受压力分类低压容器 L 0 1 P 1 6MPa 中压容器 M 1 6 P 10MPa 高压容器 H 10 P 100MPa 超高压容器 U P 100MPa 2 按设计温度分类低温容器t 20 常温容器 20 t 450 高温容器t 450 3 按在生产工艺过程中的作用原理分类 1 反应压力容器 代号R 主要用于完成介质的物理 化学反应的压力容器 如反应器 反应釜 聚合釜 煤气发生炉等 2 换热压力容器 代号E 主要用于完成介质的热量交换的压力容器 如管壳式余热锅炉 热交换器 冷凝器等 3 分离压力容器 代号S 主要用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器 如分离器 过滤器吸收塔等 4 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 液化气体等介质压力容器 如各种型式的储罐 压力容器中如同时具备两种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 4 按照安全的重要程度分类 容规 对压力容器的分类下列情况之一的 为第三类压力容器 高压容器 中压容器 仅限毒性程度为极度和高度危害介质 中压储存容器 仅限易燃或毒性程度为中度危害介质 且压强和体积的 V 乘积大于等于10MPa m3 中压反应容器 仅限易燃或毒性程度为中度危害介质 且 V乘积大于等于0 5MPa m3 低压容器 仅限毒性程度为极度和高度危害介质 且 V乘积大于等于0 2MPa m3 高压 中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器 使用强度级别较高 指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa 的材料制造的压力容器 移动式压力容器 包括铁路罐车 介质为液化气体 低温液体 罐式汽车 液化气体运输 半挂 车 低温液体运输 半挂 车 永久气体运输 半挂 车 和罐式集装箱 介质为液化气体 低温液体 等 球形储罐 容积大于等于50m3 低温液体储存容器 容积大于5m3 下列情况之一的 为第二类压力容器 本条第一款规定的除外 中压容器 低压容器 仅限毒性程度为极度和高度危害介质 低压反应容器和低压储存容器 仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质 低压管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器 低压容器为第一类压力容器 本条第1款 第2款规定的除外 第二章压力容器常用钢材的基本知识 第一节压力容器用钢的主要力学性能第二节压力容器对所用钢材的基本要求第三节压力容器用钢的主要元素组成第四节压力容器钢材的常见分类方法与牌号第五节压力容器常用钢材第六节事故案例分析 第二章压力容器常用钢材的基本知识 第一节压力容器用钢的主要力学性能力学指标主要包括强度 塑性 硬度 和韧性等强度 金属材料在外力的作用下对变形或断裂的抗力 1 屈服强度 指钢材在开始塑性变形时单位面积上所承受的拉力 表明材料抵抗塑性变形的能力 2 抗拉强度 材料在断裂前单位面积上所承受的最大拉力 是材料承受能力的极限 表明钢材抵抗断裂的能力 3 蠦变极限 反应材料高温下的变形问题 4 持久强度 反应材料高温下的变形问题 2 塑性 塑性是指金属材料发生残余变形 变形不能完全恢复 的性能 塑性变形 构件在外力作用下发生变形 当外力撤除后变形不能完全消失的永久变形 变形 金属材料在一定的外力作用下 构件的形状或尺寸发生变化 这种变化称为材料的变形 1 延伸率 试件被拉断后的总长与原长比值的百分数 2 断面收缩率 试件被拉断后的断面缩减值与原截面积比值的百分数 3 韧性 表征材料抵抗冲击功的性能 K AK FAK 冲击试验机的摆独锤冲断试样时所作的功 J mm2 F 试样槽口处的初始截面 mm2 4 硬度 材料抵抗更硬物压入的能力 同样的重量 压痕越深 说明材料越软 硬度分为布氏硬度 钢球 洛氏硬度 120 锥角金刚石 维氏硬度和肖氏硬度 钢球弹跳的高度 常见的是布氏硬度 HB 第二节压力容器对所用钢材的基本要求 1 具有良好的力学性能包括强度 塑性和韧性 2 具有良好的工艺性能加工及可焊性3 具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能4 钢材在高温下应具有的性能5 钢材在低温下应满足的要求 第三节压力容器用钢的主要元素组成 碳钢是以铁为基本成分 含有少量碳元素的铁碳合金 且含有极少量有益元素锰和硅 碳钢中还有少量杂质元素硫和磷 按作用分基本元素 添加元素和残留元素 基本元素有铁和碳 添加元素有锰mn 钼mo 钒v 镍ni 铬cr 钛ti 硼B等残留元素有硫 磷 锰 硅 氧 氢 氮等各元素对钢的影响见P23 碳对钢材的工艺性能的影响 压力容器大多数是用钢板滚卷或冲压后焊接制成的 所以要求压力容器用钢要具有良好的工艺性能 即具有冷塑变形能力和可焊性 前者可以通过控制塑性指标得到保证 而可焊性是取决于钢材的含碳量 对碳钢 或碳当量 对合金钢 碳钢和普通低合金钢其含碳量分别小于0 25 和0 30 时 一般都具有良好的可焊性 对合金钢常用碳当量Ccq 公式为 公式 日本 英国 碳当量不超过0 45 的合金钢具有良好的可焊性 第四节压力容器钢材的常见分类方法与牌号 按钢的化学成份 金属品质 冶炼方法以及制造加工形式的不同进行分类 1 按化学成份分类 碳钢和合金钢2 按金属品质分类 普通钢 优质钢 高级优质钢 3 按脱氧程度分类 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 4 按制造加工形式分类 铸钢 锻钢 热轧钢 冷轧钢 5 压力容器常用钢种牌号表示方法 碳素结构钢 由代表屈服点的字母 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法符号等四个部分按顺序组成 如Q320AF优质碳素结构钢 钢号开头的两位数字表示钢的含碳量 以平均含碳量的万分之几表示 合金结构钢 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量 以平均含碳量的万分之几表示 不锈钢和耐热钢 钢号中含碳量以千分之几表示 如钢中碳含量小于0 03 钢号前以00表示 钢中含碳量小于0 08 时钢号前以0表示 钢中主要合金元素以百分之几表示 而微量合金元素的表示方法与合金结构钢相同 第五节压力容器常用钢材 压力容器用钢对于不同用途的压力容器 其工作压力 工作温度 介质特性各部相同 在常温或中温工作下的锅炉 压力容器 常用的钢材有碳钢和低合金钢 压力容器常用的钢管牌号有 碳素钢管10 20 20g 低合金钢管16Mn 12CrMo等 石油化工常用的不锈钢有0Cr13 0Cr17Ti 0Cr17Mn3Mo2N低温 20 容器用钢 要求在最低使用温度下仍具有较好的韧性 以防产生脆性破坏 高温容器用钢 400 500 范围用锰钒钢 500 600 用铬钼钢 第六节事故案例分析 1996年10月2日20时5分 宁夏化工厂合成氨装置4115 1段4115 V1甲醇水分离罐 在正常生产工况下破裂甲醇工艺气泄漏着火 继而发生爆炸 造成该设备粉碎性破裂 罐体炸成19块 严重的人员伤亡 直接经济损失165万 装置停工12天 起火的经过 10月2日19时45分 宁夏化工厂合成车间操作人员开始对4115 4116现场装置进行巡检 做好记录后 到4118 1机房打扫卫生 19时55分 中控操作人员抄完报表后 接到班长指令 到现场检查巡查情况 在现场看到4115 1旁巡检牌在 8 的位置 确认现场岗位已经巡检 便返回中控室向班长作汇报 此时 另一操作人员在4115 4工号现场进行巡检时感到有热辐射 转身看到4115 1甲醇分离罐中下部正在燃烧 随后向4118 2号机房跑去 刚到机房东侧 听到一声巨响 甲醇分离罐发生爆炸 罐内液体溢出 形成大面积燃烧 多处工艺管道向外喷射火焰 火势迅速向四周蔓延 直接威胁到4115 C1甲醇洗涤塔的安全 事故原因分析 这起火灾是由爆炸引起的 爆炸原因系甲醇分离罐设计选材不当和制造方面的缺陷 由于介质中硫化氢应力腐蚀与焊接氢共同作用 使罐壁出现裂口 导致泄漏的可燃物料遇静电火花起火 空气从裂口进入容器形成爆炸条件发生爆炸 引起多处工艺管道泄漏燃烧 其依据是 一 设计选材不当 原甲醇分离罐为德国制造 1996年5月装置大修期间更换新设备 新罐由中国五环化学工业公司设计院设计 该罐原体积为0 88立方米 新罐扩容到8 5立方米 生产厂提供的使用工况是硫化氢浓度0 33 体积当量 设计选用武汉钢铁厂生产的CF 62高强钢 在该罐的介质工况条件下 选用CF 62高强钢是不合适的 二 制造方面的缺陷 甲醇水分离罐属于三类压力容器 但制造厂只有二类压力容器制造许可证 不具备制造此类设备的技术条件和资质 该罐在制造时由劳动部门颁发了临时三类容器制造证 封头的冲压 筒体卷筒是委托其它厂承担的 事故发生后 通过对现场设备爆炸碎片的裂口分析及取样检验 从爆点的纵焊缝断面发现长240毫米 深30毫米的长弧形典型氢致裂纹缺陷 说明焊接材料产生的熔敷金属扩散氢控制不严 是该设备破裂的突破口 事故教训 一 应加强对职工的岗位技能培训 尤其要加强设备运行异常状况下的应急处理培训 提高预防和处理事故的能力 二 要抓好重要设备和备品配件的生产制造 在生产制造过程中要有人监测 责任到人 入厂时要严格检验把关 对设备本身有问题或工程质量差的设备决不允许使用 对已经使用的应及时整改 以消除事故隐患 三 对贮存硫化氢等腐蚀性较强的设备 必须严格监控 同时强化现场用火管理 完善各项规章制度 针对薄弱环节制定相应的安全防范措施 并切实组织实施 四 化工装置火灾具有爆炸危险性大 燃烧面积大 扑救难度大 火灾损失大和影响大的特点 辖区消防中队要制订详细的灭火作战方案 并经常进行演练 在扑救化工装置火灾时 要实行统一指挥 积极听取专业工程技术人员的意见 加强安全保护工作 保障火场供水 以满足灭火工作的需要