第六章-压力容器安全PPT课件.ppt

第六章压力容器安全 1 第一节压力容器的安全问题第二节压力容器的安全设计第三节压力容器的破坏形式和原因第四节安全泄压装置及相关计算第五节压力容器的爆炸危害 主要内容 2 天然气 液化器站专用容器设备 3 换热器 4 外盘半管式反应锅 5 三聚氰胺尿素洗涤塔外景 6 高桥石化石蜡加氢装置 7 高桥石化1 催化装置 8 一 压力容器的特点和安全问题压力容器 是指最高工作压力 0 1MPa 不含液体静压 内直径 0 15m 容积 0 025m3 盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体的金属设备 压力容器的特点 应用广泛操作条件复杂对安全要求高压力容器的安全问题 量大面广事故率高危害性大 第一节压力容器的安全问题 9 压力容器的特点 锅炉 换热器 加热炉 圆筒外壳 传热管束塔器 圆筒外壳 传质元件 浮阀 填料等 反应釜 圆筒夹套 搅拌器压缩机 真空泵 圆筒气缸 活塞泵 蜗壳 叶轮 应用的广泛性 过程装备 受压外壳 功能内件 10 压力容器的特点 压力容器广泛用于化学 石油化工 医药 冶金 机械 采矿 电力 航天航空 交通运输等工业生产部门 其中尤以石油化学工业应用最为普遍 如一个年产30万吨的乙烯装置 有793台设备 其中压力容器281台 占了35 4 蒸汽锅炉也属于压力容器 民用或工厂用的液化石油气瓶 更是到处可见 应用的广泛性 11 压力容器的特点 操作条件十分复杂 压力从1 2 10 5Pa的真空到高压 超高压 如石油加氢为10 5 21 0MPa 高压聚乙烯为100 200MPa 合成氨为10 100MPa 人造水晶高达140MPa 温度从 200 C低温到超过1000 的高温 操作的复杂性 压力容器因其承受各种静 动载荷或交变载荷 还有附加的机械或温度载荷 压力容器极大多数系焊接制造 容易产生各种焊接缺陷 此外 当前压力容器向大容量 高参数发展 安全的高要求 12 压力容器的安全特征 1996年12月的统计资料表明 国内在用固定式压力容器多达122 22万台 移动式压力容器中罐车16910辆 在用气瓶5498 7571万只 锅炉总台数达51 57万台全国持有压力容器制造许可证的企业合计2432个 设计单位1380个 1998年我国锅炉 压力容器 气瓶的爆炸事故率分别为1 07次 万台 0 28次 万台 0 65次 万台 量大面广事故率高 13 压力容器的安全特征 英国安全机构调查使用年限在30年以内 一级压力容器发生破坏事故的统计情况 危害性大 压力容器破坏几率容器运行灾难性事故a损伤事故b总计台 年次数事故率次数事故率次数事故10030070 7 10 41251 25 10 31321 32 10 3105400161 5 10 41231 17 10 31391 32 10 3 14 压力容器的安全特征 a 灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器 b 损伤事故指有潜在危险的事故 c 事故发生率 发生事故数 设备台数 运行年 表中的数字表明10000台容器中发生损坏事故每年12 5次 达到破坏事故0 7次 事故几率为1 32 而且这132起使用中的容器事故 按其原因分类 89 3 即118起是各种制造裂纹所引起 危害性大 15 压力容器的事故实例 国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸 击穿5个 爆炸5个 10200公斤液氯外泄 波及7公里范围 59人死亡 779人严重中毒 国内某液化气站400M3储罐爆炸 引发3个球罐和一个卧罐爆炸 5000只气瓶爆炸 600吨液化气燃烧 32人死亡 54人伤 16 一 按压力等级划分按压力容器设计压力 P 分为低压 中压 高压 超高压四个压力等级 1 低压 代号L 0 1MPa P 1 6MPa 2 中压 代号M 1 6MPa P 10MPa 3 高压 代号H 10MPa P 100MPa 4 超高压 代号U P 100MPa 二 按压力容器品种划分按压力容器在生产工艺过程中的作用原理 分为反应压力容器 R 分离压力容器 S 换热压力容器 E 储存压力容器 C 其中球罐B P133 二 压力容器的分类 多种分类方式 17 三 为便于管理 将压力容器按其压力等级 介质及所起的作用等分为三类l 第一类压力容器2 第二类压力容器3 第三类压力容器符合下列情况之一的为第三类压力容器 1 毒性程度为极度或高度危害介质的中压容器和P V 0 2MPa m3低压容器 2 易燃或毒性程度为中度危害介质且P V 0 2MPa m3中压反应容器和P V 10MPa m3的中压储存容器 3 高压 中压管壳式余热锅炉 4 高压容器 例如 氨合成塔的设计压力为32MPa 介质为氢气 氮气及氨 该合成塔属于三类高压反应容器 氯气分配器的设计压力0 6MPa 低压 介质为氯气 极毒 该容器属于三类低压分离压力容器 18 四 压力容器安全状况等级划分压力容器的安全状况分为五级 分级的原则如下所述 l级 出厂资料齐全 设计 制造质量符合有关法规和标准 在符合设计的条件下 在规定的检验周期内能安全使用的压力容器 2级 存在某些缺陷 不危及安全 的新压力容器 存在某些可不修复的一般性缺陷 不危及安全 的在用压力容器 3级 资料不够齐全 制造时存在某些问题或缺陷 但未因使用而发展或扩大 焊缝存在的缺陷经检验确定不需要修复 能在规定的操作条件下及检验周期内安全使用的压力容器 4级 技术资料不全 主体材质不符合规定 强度经核算能满足使用要求 主体结构有较严重的缺陷但未因使用而发展或扩大 焊接质量有线性缺陷 不能继续使用的压力容器 5级 缺陷严重 难于或无法修复 无修复价值或修复后仍难以确保安全使用的压力容器 必须报废 19 第二节压力容器的安全设计 一 压力容器的基本结构 主要工艺参数 压力 温度 直径 20 两个基本参数 公称直径DN 指标准化以后的标准直径 以DN表示 单位mm 例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200 公称压力PN 容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力 以PN表示 单位MPa 21 二 压力容器的安全设计1 强度安全设计 是指在确定的容器结构尺寸下 所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力 压力容器用钢的选择压力容器中的应力计算2 结构安全设计 设计容器的总体或局部结构时 尽量避免制造和使用中附加的消弱容器强度的因素 P147结构安全设计的四方面考虑3 压力容器设计举例 22 设计一液氨贮罐 工艺尺寸 贮罐内径Di 2600mm 贮罐 不包括封头 长度L 4800mm 解 1 罐体壁厚设计根据材料性质及价格等因素 本贮罐选用16MnR制作罐体和封头 设计壁厚 d根据下式计算 23 设计压力 夏季最高温度可达40 氨饱和蒸气压1 555MPa 绝压 故设计压力p 1 1x1 455 1 6MPa 表压 Di 2600mm t 170MPa 1 O 双面对接焊100 探伤 C2 1mm 腐蚀余量 24 取Cl 0 8mm 钢板负偏差 圆整取 n 16mm厚的16MnR钢板制作罐体 25 2 封头壁厚设计 采用标准椭圆形封头 椭圆形封头壁厚 d计算式 其中 焊缝系数 1 0考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量 圆整后取dn 16mm厚16MnR钢板制作 26 校核罐体与封头水压试验强度 ss 345MPa 水压试验满足强度要求 27 3 鞍座 先粗略计算鞍座负荷 贮罐总质量 m m1 m2 m3 m4式中 m1 罐体质量 m2 封头质量 m3 液氨质量 m4 附件质量 28 1 罐体质量m1 筒节DN 2600mm dn 16mm q1 1030Kg mm1 q1L 4944 Kg 2 封头质量m2 椭圆形封头DN 2600mm dn 16mm h 40mmq2 1100Kg 个m2 2q2 2200 Kg 3 充水质量m3m3 V V V对 V筒 30 42m3 m3 30420Kg 4 附件质量m4人孔约200Kg 其它接管总和按300Kg计 m4 500Kg 29 设备总重量m m1 m2 m3 m4 4950 2200 30420 500 38070 38 1t每个鞍座承约受190KN负荷 选用轻型带垫板 包角为120 的鞍座 即JB T4712 92鞍座A2600 30 4 人孔 常温及最高工作压力1 6MPa 按公称压力1 6MPa的等级选取 人孔标记 HG21523 95人孔RF A G 450 1 6RF指突面密封 指接管与法兰的材料为20R A G是指用普通石棉橡胶板垫片 450 1 6是指公称直径为450mm 公称压力为1 6MPa 31 5 人孔补强确定 人孔筒节内径d 450mm 壁厚dn 10mm 补强圈内径D1 484mm 外径D2 760mm 补强金属面积应大于等于开孔减少截面积 补强圈的厚度 故补强圈取24mm厚 32 33 6 接口管 1 液氨进料管 2 液氨出料管 3 排污管 4 液面计接管 5 放空管接管 6 安全阀接管 34 7 设备总装配图 附有储罐的总装配图 技术特性表 接管表 各零部件的名称 规格 尺寸 材料等见明细表 35 本贮罐技术要求 1 本设备按GBl50 1998 钢制压力容器 进行制造 试验和验收2 焊接材料 对接焊接接头型式及尺寸可按GB985 80中规定 设计焊接接头系数 1 0 3 焊接采用电弧焊 焊条型号为E43034 壳体焊缝应进行无损探伤检查 探伤长度为100 5 设备制造完毕后 以2MPa表压进行水压试验6 管口方位按接管表 36 37 技术特性表 38 接管表 39 厚度的定义 40 第三节压力容器的破坏形式和原因 一 韧性破裂压力容器的韧性破裂往往是容器受到超过正常工作内压的作用 在其器壁上产生的总体薄膜拉伸应力使材料发生明显的塑性变形 如果压力继续升高 一旦应力超过材料的抗拉强度时 容器就会发生破裂 主要原因是容器超压 破裂时一般不产生碎块 而是沿容器轴向撕开较长裂缝 断口无金属光泽 暗灰色纤维状 断口形貌见P148 图12 41 二 脆性破裂容器不发生或未发生充分塑性变形下就破坏的破裂类型称为脆性破裂 主要原因 一是容器材料的问题 脆性 二是容器制造或使用中的问题 断裂时器壁内的应力较低 破坏的容器常断裂成碎块飞出 断口平齐 呈金属光泽的结晶状 断口形貌见P151 图14 42 三 疲劳破裂压力容器常在交变载荷下运行 经受长期作用后 容器的承压部件发生了破裂或泄露 与脆性破裂一样 容器外观上没有明显的塑性变形 且是突发性的 主要原因 交变载荷的存在 包括高应力低循环疲劳和低应力高循环疲劳 疲劳破裂的发生常在局部应力较高或存在材料缺陷处 如遇使用强度较低且韧性较好的材料时 通常发生泄露 若压力容器的材料强度偏高且韧性较差时 则发生爆炸 43 四 应力腐蚀破裂压力容器材料在特定介质环境中 并在拉应力作用下 经过一定时间后发生开裂和破断的现象 因此 应力腐蚀破裂是应力与环境对材料综合作用的结果 主要原因 化学腐蚀或电化学反应等 应力腐蚀发生的条件 特定腐蚀介质与材料的组合拉应力的存在材料纯度和组织状态的影响 44 五 蠕变破裂在高温下工作的压力容器 当操作温度超过一定极限 材料在应力的作用下发生缓慢的塑性变形 这种塑性变形经过长期的积累 最终会导致材料破裂 不同材料具有不同的蠕变温度 低于此温度不会发生蠕变 容器超温 局部过热等是蠕变破类的常见原因 45 第四节安全泄压装置及相关计算 一 安全泄放量的计算Ws 7 55d2 0wp ZT其中 Ws压力容器的安全泄放量 kg hd容器进口管的内直径 mm 0标准状态下气体的密度 kg m3w进口管内的气体流速 m sp排气压力 绝压 MPap 1 1 容器表压 0 1Z气体压缩因子T排气温度 K见例3 P164 为防止超压 单位时间内所必须的最低泄放量 学习压缩气体储罐的安全泄放量计算方法 46 二 安全阀及其排放能力1 杠杆式安全阀和弹簧式安全阀 47 2 安全阀排放能力的计算 例题4 安全阀的排放能力必须大于最低泄放量 48 3 安全阀的选择步骤根据容器工作压力 温度 介质特性和产品样本等 选择安全阀型式 规格和材料 按照选定的公称压力 PN 和公称直径 DN 确定安全阀的阀座通径 并据此计算额定排放量G 计算容器的安全泄防量Ws 要求满足G Ws 49 三 爆破片及其选用1 爆破片的主要型式与特点 50 2 爆破片爆破压力的确定设计爆破压力 pb 指爆破片在额定温度下的爆破压力 标定爆破压力 ps 系爆破片产品铭牌上注明的爆破压力 最低标定爆破压力 psmin 则是制造爆破片时 当设计爆破压力的允许变化范围为零的设计爆破压力 参见P168例6的计算方法 会选择爆破片 3 爆破片排放面积的计算经验公式 P169 51 第五节压力容器的爆炸危害 一 压缩气体容器的爆炸能量由于压缩气体的爆炸相当于瞬间泄压 未与外界发生能量交换 因此是绝热膨胀过程 因此爆炸能量相当于理想气体绝热膨胀所释放的能量 计算方法 170二 液化气体或高温饱和水容器的爆炸能量液化气体或高温饱