第4章--压力容器安全技术.ppt

第四章压力容器安全技术 压力容器由于危险性大 政府设有专门机构进行监督 压力容器的设计 制造 安装 维修 改造 检验或使用都必须遵照执行原劳动部颁发的 压力容器安全技术监察规程 这些部门并都应有政府颁发的生产许可证 才可从事这些工作 应用的广泛性 第一节 压力容器的概述 一 何谓压力容器一般指在工业生产中盛装用于完成反应 传质 传热 分离和贮存等生产工艺过程的气体 液体 并能承载一定压力的密闭容器 它广泛用于化工 石油 能源 冶金 机械 医药 轻纺 国防等工业领域 一般指具备下列条件的容器 下述三个条件需同时符合 最高工作压力大于或等于0 1MPa 不含液体静压力 下同 内直径 非圆形截面指断面最大尺寸 大于或等于0 15m 且容积 V 大于或等于0 025m 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 二 压力容器的分类1 按工作压力分类按压力容器的设计 压力分为低压 中压 高压 超高压4个等级低压 代号L 0 1MPa P 1 6MPa中压 代号M 1 6MPa P 10MPa高压 代号H 10MPa P 100MPa超高压 代号U 100MPa P 1000MPa 2 按用途分类 反应容器 代号R 主要用于完成介质的物理 化学反应的压力容器 如 反应釜 分解锅 分解塔 蒸压锅等 换热容器 代号E 主要用于完成介质的热交换的压力容器 如 冷凝器 热交换器 蒸发皿 加热器 蒸脱机等 分离容器 代号S 主要用于完成介质的液体压力平衡和气体净化分离等的压力容器 如 分离器 过滤器 吸收塔 干燥塔 汽提塔等 贮存容器 代号C 其中球罐代号B 主要盛装生产用的原料气体 液体 液化气体等的压力容器 如各类贮罐 如具备两个以上作用 应按主要作用划分 3 按危险性和危害性分类 一类压力容器 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 二类压力容器 任何介质的中压容器 易燃介质或毒性强度为中度危害介质的低压反应容器和贮存容器 毒性程度为极度和高度危害介质的低压反应容器 低压管壳式余热锅炉 搪瓷玻璃压力容器 三类压力容器 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和PV 设计压力 容积 0 2MPa m 的低压容器 易燃或毒性程度为中度危害介质且PV 0 5MPa m 的中压反应容器 PV 10MPa m 的中压贮存容器 高压 中压管壳式余热锅炉 高压容器具体可见教科书P101图4 1 三 压力容器的特点 应用的广泛性 压力容器不仅被广泛用于化学 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 在农业 民用和军工部门也颇常见 其中尤以石油化学工业应用最为普遍 石油化工企业中的塔 釜 槽 罐无一不是贮器或作为设备的外壳 而且绝大多数是在压力温度下运行 如一个年产30万吨的乙烯装置 约有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 但它是用直接火焰加热的特种受压容器 至于民用或工厂用的液化石油气瓶 更是到处可见 操作的复杂性 压力容器的操作条件十分复杂 甚至近于苛刻 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 196 C低温到超过一千摄氏度的高温 而处理介质则包罗爆 燃 毒 辐 照 腐 蚀 磨 损 等数千个品种 操作条件的复杂性使压力容器从设计 制造 安裝到使用 维护都不同于一般机械设备 而成为一类特殊设备 安全的高要求 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 其次 大多数容器容纳压缩气体或饱和液体 若容器破裂 导致介质突然卸压膨胀 瞬间释放出来的破坏能量极大 加上压力容器极大多数系焊接制造 容易产生各种焊接缺陷 一旦检验 操作失误容易发生爆炸破裂 器内易爆 易燃 有毒的介质将向外泄漏 势必造成极具灾难性的后果 因此 对压力容器要求很高的安全可靠性 当前压力容器向大容量 高参数发展 如核电站一个1500MW压水堆压力壳 工作压力为14 16MPa 工作温度为250 330 C 容器内直径7800mm 壁厚317mm 重650吨 又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17 5 25MPa 工作温度为450 550 C 内直径为3000 5000mm 壁厚为200 400mm 重400 2600吨 对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高 显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求 量大面广 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 锅炉总台数也高达51 57万台 此外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 如此庞大且潜在隐患容器的存在 以及地域广泛的制造设计部门 自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因 事故率高 国内1998年共发生锅炉 压力容器 气瓶爆炸事故132起 严重事故274起 共死亡104人 受伤371人 直接经济损失2813 58万元 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 压力容器的事故实例 1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏 31人死亡 20个国家4亿人受害 压力容器的事故实例 1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏 2580人死亡 125000人中毒 5万人失明 第二节压力容器的安全使用 一 压力容器的安全附件 安全附件是承压设备安全 经济运行不可缺少的一个组成部分 有安全阀 爆破片装置 紧急切断装置 压力表 液位计 测温仪表 快开门式压力容器的安全联锁装置 一 安全装置的作用与类型按照功能可分成三类 1 泄压装置 安全阀 爆破膜及其组合等 2 计量显示或 和 报警装置 液面计 压力表 温度计及其报警装置等 3 联锁装置 联锁开关 联动阀 电接点压力表或温度计 自动液面计等 二 安全泄压装置 1 安全阀 作用原理 它正常使用时 严密不漏 当压力超过设定值时 安全阀在压力作用下自行开启 使容器泄压 以防止容器或管线的破坏 当容器压力泄至正常值时 它又能自行关闭 停止泄放 安全阀选用 制造单位有制造许可证 应根据器皿的工艺条件及工作介质的特性从安全阀的安全泄放量 加载机构 封闭机构 气体排放方式 工作压力范围等方面来考虑 安全阀工作压力范围 要与压力容器的工作压力范围相匹配 安全阀要定期检查 每年至少检查一次 定期检查工作包括清洗 研磨 试验和校正 安全阀的安装注意事项 1 新装安全阀应附有产品合格证2 安全阀应铅直安装 并应装设在容器或管道气相界面位置上 3 安全阀的出口应无阻力或避免产生背压现象 4 压力容器与安全阀之间不得装有任何阀门5 安全阀与锅炉压力容器之间的连接短管的截面积 不得小于安全阀通流截面 2 防爆片 防爆片又称防爆膜 防爆板 时一钟断裂型的安全泄压装置 特点 密封性好 反应动作快 以及不易受介质中粘污物的影响等优点 但泄压后不会恢复 不能再使用 容器也被迫停止 它只安装在不宜装安全阀的压力容器上如 易存在突爆 有可能剧毒物泄漏 易产生大量沉淀或粉状黏附物 妨碍安全阀动作设计压力为工作压力的1 25倍 但爆破压力都不得大于容器设计压力 3 压力表压力表是测量压力容器中介质压力的一种计量仪表压力表种类 液柱式 弹性元件式 活塞式 电量式四类 压力表的选用 应根据被测压大小 安装位置的高低 介质的性质 如温度 腐蚀性等 来选择精度等级 最大量程 表盘大小以及隔离装置 压力表选用的要求如下 一 选用的压力表 应当与压力容器内的介质相适应 二 设计压力小于1 6MPa压力容器使用的压力表的精度不应当低于2 5级 相对误差 设计压力大于等于1 6MPa压力容器使用的压力表的精度不应当低于1 6级 三 压力表盘刻度极限值应当为最大允许工作压力的1 5 3 0倍 最好是2倍 表盘直径不应当小于100mm 压力表校验 压力表的校验和维护应当符合国家计量部门的有关规定 压力表安装前应当进行校验 在刻度盘上应当划出指示最高工作压力的红线 注明下次校验日期 一般每6个月校验一次 通常压力表上应有校验标志 注明下次校验日期或校验的有效期 校验后的压力表应加铅封 未经校验合格和无铅封的压力表均不准安装使用 压力表的安装要求如下 1 用于水蒸气介质的压力表 在压力表与压力容器之间应当装有存水弯管 2 用于具有腐蚀性或高粘度介质的压力表 在压力表与压力容器之间应当装设能隔离介质的缓冲装置 3 压力表与压力容器之间 应当装设三通旋塞或针形阀 三通旋塞或针形阀上应当有开启标记和锁紧装置 压力表与压力容器之间 不得连接其他用途的任何配件或接管 4 液面计作用 显示压力容器内的液面 或粉面 的高度 压力容器用液位计应当符合有关标准的规定 并且应当符合下列要求 一 应当根据压力容器的介质 最大允许工作压力和温度正确选用 二 在安装使用前 设计压力小于10MPa压力容器用液位计 应当进行1 5倍液位计公称压力的液压试验 设计压力大于等于10MPa压力容器的液位计 应当进行1 25倍液位计公称压力的液压试验 三 盛装0 以下介质的压力容器 应当选用防霜液位计 四 寒冷地区室外使用的液位计 应当选用夹套型或保温型结构的液位计 五 用于易燃 毒性程度为极度 高度危害介质的液化气体压力容器上 应当有防止泄漏的保护装置 六 要求液面指示平稳的 不应当采用浮子 标 式液位计 二 压力容器使用安全管理 压力容器的设计 制定和安装 1 设计 有许可证才能设计压力容器设计过程中直接影响容器安全运行的三个方面 壁厚的确定 材料的选用 合理的结构 壁厚确定 要求它的承压部件具有足够的强度 以抵抗外力的作用 材料选用 钢材选用是否合适是设计的一个关键问题 如选材不当 即使壁很厚 有可能在使用条件下 或者由于材料韧性降低而发生脆性断裂 或由于材料的受腐蚀裂开等等选用钢材应符合 钢制压力容器 的规定注意 含碳量大于0 24 的材料不得用于焊制容器 原因太脆 几种常用材料介绍 A3钢 Q235 A 特点 含硅量多 脱氧完全 因而质量较好使用范围 设计压力 1 0MPs 设计温度0 350 用于制造壳件时 钢板厚度不得大于16mm 不得用于盛装液化石油气体 毒性程度为极度 高度危害介质及直接受火焰加热的压力容器 20g 20g锅炉钢板与一般20号优质钢相同 含硫量比Q235 A钢低 具有较高的强度 b 402MPa s 225 255MPa 使用温度范围为 20 475 常用于制造温度较高的中压容器 16MnR 普通低合金容器钢板 含碳量0 12 0 20 含碳量为1 2 1 6 强度极度 b 470 510MPa 屈服极限 s 284 343MPa 用这种钢制造时 低压容器可减轻温度较高的容器重量 使用温度范围 20 475 低温容器材料 指 20 下使用 要求 较好的韧性防脆裂 一般的在使用温度下的冲击值 k作为依据 深冷容器用高合金钢 如OCr18Ni9 OCr18Ni9Ti等使用温度 下限为 196 一般低温容器用钢多采用锰钒钢 16MnR 09Mn2VR 高温容器用钢 温度小于400 可用普通碳钢 沸腾钢为250 使用温度400 500 可用15MnVR 14MnMoVg使用温度500 600 可采用OCr13Ni9 OCr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti等高合金钢 合理的结构 目的 防止局部受力过高 导致容器的疲劳破裂或脆性破裂 结构一般要符合下列原则 防止结构的形状突变方法 采用平滑过渡的结构形式 防止突变 以免产生过高的压力 避免局部压力增加由于受压元件中总是不可避免地存在一些局部受力集中或部件强度受到削弱的结构 如开孔 转角 焊缝等部位 设计时应使这些结构相互错开 以防局部压力增加 产生更高的压力 如壳体开孔不能布置在焊缝上 避免产生过大焊接压力或附加压力的刚性结构刚性结构 即可能因焊接时胀缩受到约束而引起较大的焊接压力 也可能使壳体在压力或温度变化时 因变形受到过分约束而产生附加弯曲应力 对开孔的形状 大小及位置的限制 a 受压壳体 包括封头与筒体 上的开孔应为圆形 椭圆形或长圆形 b 开孔直径或长短径之比要符合设计规定 c 开孔的位置应避免焊缝和凸形封头的过渡区 筒体上两个或两个以上开孔中心一般不应在同一轴线上 d 为了减小开孔对筒体强度的削弱 椭圆形或长圆形孔的短径一般应设计在筒体的轴向 e 为了降低壳体开孔边缘的局部应力 在开孔处应进行补强 f 为了便于对容器内外检验 设计时要考虑到人孔 观察孔的设置 2 制造 需有省级 及以上 劳动部门颁发的制造许可证 压力容器制造的优劣取决于三个方面 材料质量 焊接质量 检验质量注意 焊接及其热影响区的缺陷处往往是容器破裂的断裂源 检验 压力检验压力试验指耐压试验和气密性试验包括液压试验和气压试验 气压试验不能代替液压试验 只有设计图纸另有规定除外 特别注意 只有液压试验合格后 才能进行气密性试验 3 安装 经劳动部门审批才可进行安装作业 安装质量验收实行分段验收和总体验收 验收三方参加 使用单位 安装单位 上级主管部门 压力容器的定期检验 压力容器的定期检验是指在压力容器的使用过程中 每隔一定的时期采用各种适当而有效的方法 对容器的各个承压部件和安全装置进行检查和必要的试验 定期检验 是及时发现缺陷 清除隐患 保证压力容器安全运行的重要必不可少的措施 一 定期检验要求 1 按 在用压力容器检验规程 的规定进行2 检验单位和人员需取得检验资格证 有专业检验人员 3 由锅炉压力容器安全检查机构负责监督检查 二 定期检验内容 1 外部检查2 内部检查3 全面检查 包括焊缝无损探伤和耐压试验 定期检验和检验周期分为 1 外部检查 是指在用压力容器运行中的定期在线检查 每年到少一次 外部检查可由检验单位有资格的压力容器检验员进行 也可由经安全监察机构认可的使用单位压力容器专业人员进行 2 内部检验 是指在用压力容器停机时的检验 内部检验应由检验单位有资格的压力容器检验员进行 其检验周期分为 1 安全等级为1 2级的 每六年至少一次 2 安全等级为3级的 每3年至少一次 3 耐压试验 是指压力容器停机检验时 所进行的超过最高工作压力的液压试验或气压试验 以固定式压力容器 每两次内部检验期间内 至少进行一次耐压试验 对移动式压力容器 每6年至少进行一次耐压试验 外部检查和内部检验内容及安全等级的规定 按 在用压力容器检验规程 执行 其它规定 投用首次内外部检验周期一般为3年 以后的内外部检验周期 由检验单位要根据前次内外部检验情况与使用单位协商确定后报当地安全监察机构备案 有下列情况之一的压力容器 内外部检验周期应适当缩短 1 介质对压力容器材料的腐蚀情况不明或介质对材料的腐蚀速率大于0 25mm 年 以及设计者所确定的腐蚀数据与实际不符的 2 材料表面质量差或内部有缺陷 材料焊接性能不好 制造时曾多次返修的 3 使用条件恶劣或介质中硫化氢及硫元素含量较高的 一般指大于100mg L时 4 使用已超过20年 经技术鉴定后或由检验员确认按正常检验周期不能保证安全使用的 5 停止使用时间超过两或三年的 6 有缺陷经安全评定合格后继续使用的 7 经常改变使用介质的 如印染机 8 搪玻璃设备 9 球形储罐 使用 b 540Mpa材料制造的 投用一年后应开罐检验 10 介质为液化石油气且有氢鼓包应力腐蚀倾向的 每年或根据需要进行内外部检验 11 采用 亚铵法 造纸工艺 且无防腐措施的蒸球每年至少一次或根据实际情况需要缩短内外部检验周期 安全等级为1 2级的压力容器有下列情况之一时 内外部检验周期可以适当延长 1 非金属衬里层完好的 其检验周期可延长 但不超过9年 2 介质对材料腐蚀速率低于0 1mm 年 实测数据 有可靠的耐腐蚀金属衬里 复合钢板 或热喷涂金属 铝粉或不锈钢粉 涂层的压力容器 通过一至二次内外部检验确认腐蚀轻微或衬里完好的 检验周期可处长 但不超过12年 3 装有触媒的反应容器以及装有充填物的大型压力容器 其检验周期根据设计图样和实际使用情况由使用单位 设计单位和检验单位协商确定 报当地安全监察机构备案 有下列情况之一的压力容器 内外部检验合格后应进行耐压试验 1 用焊接方法修理改造 更换主要受压元件2 改变使用条件 且超过原设计参数 3 需要更换衬里的 4 停止使用二 三年后重新复用的 5 使用单位从外单位拆来新安装的或本单位内部移装的 6 使用单位对压力容器的安全有怀疑的 低温液体 绝热 压力容器定期检验项目至少应包括 1 用户使用情况调查 1 运行记录包括使用频率和工况 有无异常情况发生等 2 日蒸发率变化情况 外壳体有无结霜等情况发生 2 外部检验及外壳体结构检查和腐蚀情况检验 3 压力表 安全阀 液面计 内胆爆破片装置的检验与校验 4 管路系统和阀门的检验 5 必要时 利用合适的介质进行内胆气压试验 三 气瓶的安全技术 气瓶是 指在正常情况下 40 60 可重复充气使用的 公称工作压力 表压 为1 0 30mpa 公称容积为0 4 1000L的盛装压缩气体 液化气体或溶解气体等的移动式压力容器 气瓶的分类 1 按充装介质的性质分类 1 压缩气体气瓶压缩气体因其临界温度小于 10 常温下呈气态 所以称为压缩气体 如氢 氧 氦 空气 煤气及氩 氦 氖 氮等 这类气瓶一般都以较高的压力充装气瓶 目的是增加气瓶的单位容积充气量 提高气瓶利用率和运输效率 常见充装压力为15mpa 也有充装20 30mpa的 2 液化气体气瓶 液化气体气瓶充装是都以低温液态灌装 高压液化气体 液化气体的临界温度较低 装入瓶内后受环境温度的影响而全部气化 临界温度大于或等于 109 且小于或等于70 常见有乙烯 乙烷 二氧化碳等 常见充气压力有15mpa和12 5mpa等 低压液化气体 液化气体的临界温度较高 装瓶后在瓶内始终保持气液平衡状态 临界温度大于70 如液化石油气 硫化氢 丙烷等 规定 最高使用温度60 充装压力都不高于10mpa 3 溶解气体气瓶 是专门用于盛装乙炔的气瓶 由于乙炔气体极不稳定 故必须把它溶解在溶剂 常见的为丙酮 中 气瓶内装满多孔性材料 以吸收溶剂 设定 充装气 一般要求分两次进行 第一次充气后静置8h以上 再第二次充气 1 按制造方法分类 1 钢制无缝气瓶 主要用装压缩气体和高压液化气体 2 钢制焊接气瓶 主要用装低压液化气体 3 搪瓷玻璃纤维气瓶 多用于装呼吸用压缩空气一般容积小 1 10L 充气压力多为15 30mpa 2 按公称工作压力分类 分高压气瓶和低压气瓶 高压气瓶公称工作压力 mpa 30201512 58低压气瓶公称工作压力 mpa 5321 61 气瓶的安全附件 1 安全泄压装置安装目的 是为了防止气瓶在遇到火灾等高温时 瓶内气体受热膨胀而发生破裂爆炸 常见泄压装置有 爆炸片和易溶塞 爆炸片 装在瓶阀上 其爆炸压力略高于瓶内气体的最高温升压力 其多用于高压气压 但有的不安装 因有利有弊 2 易溶塞 一般安装在低压气瓶的瓶肩上 当周围环境温度超过气瓶的最高使用温度时 易溶塞的金属熔化 瓶内气体排出 避免气体爆炸 2 其他附件 1 防震圈 一般在瓶体上有两个 防止应滚动 震动 碰撞而损伤瓶壁 以致发生脆性破坏 2 瓶帽 是瓶阀的防护装置 以免瓶阀受损坏 3 瓶阀 一般黄铜或钢制造 充装可燃性气体钢瓶的瓶阀 其出气口螺纹为左旋 盛装助燃气体的气瓶 其出气螺纹为右旋 目的 这种结构可有效的防治可燃性气体与非可燃气体的错接 气瓶的颜色 国家标准 气瓶颜色标记 对气瓶的颜色 字样和色环作了严格的规定 常见气瓶颜色如下 序号气瓶名称化学式外表面颜色字样字样颜色 1氢H2深绿氢红色环加色环p 14 7mpa黄色环一道p 19 6mpa蓝色环二道p 29 4mpa 序号气瓶名称化学式外表面颜色字样字样颜色色环2氧O2天蓝氧黑白色3氨NH3黄液氨黑4氯Cl2草绿液氯白5空气黑空气黄氮N2黑氮黑白色7二氧化碳CO2铝白液化二氧化碳黑色 气瓶的管理 1 充装安全 对压缩气体及高压液化气体气瓶的充装量 要求瓶内的气体在最高使用温度 60 下的压力 不超过气瓶的最高许用压力 对低压液化气体气瓶 则要求瓶内液体在最高使用温度下 不会膨胀制瓶内满液 即要求瓶内始终保留有一空气相空间 2 出现安全问题 原因气瓶充装过量 是气瓶破裂爆炸的常见原因之一 不同性质气体混装 只同一瓶内灌装两种气体或液体 3 使用安全 先检查外观 瓶体 瓶阀使用和储存是一般要求立放 乙炔瓶严禁卧放使用 不得靠近热源防日光暴晒 雨淋 水浸瓶阀冻结严禁用火烤 应用40 以下温水浇淋解冻 瓶内气体不得用尽 应余压不低于0 05mpa 气瓶检验 检验有取得资格的专门单位负责进行 各类瓶检验周期如下 1 盛装腐蚀性气体的气瓶 每2年检验一次2 盛装一般气体的气瓶 每3年检验一次3 液化石油气气瓶 使用未超过20年的每5年检验一次 超过20年的 每2年检验一次4 盛装惰性气体的气瓶 每5年检验一次 煤气瓶爆炸有前兆 使用液化石油气瓶 当出现下列三种细微的变化时 就有相当大的机率会出现火灾爆炸 市民一定要提高警惕 1 火焰发白 变亮 有刺眼的感觉 组成液化石油气的烃类在火灾情况下会出现高温裂解 产生碳粒子 碳粒子在一般火焰温度 700 800 时呈现红光或黄光 在火焰温度超过1000摄氏度高温时 这些碳粒子就会发白 变亮 2 安全阀和排空阀等泄放孔发出刺耳的啸叫声 火场上温度比常温高出许多 温度升高使液化石油气储罐内的气体体积膨胀 为了保持罐内的安全压力 罐内的气体会大量外泄 通过安全阀和排空阀等泄放孔的气体流速就会大大增大 从而发出刺耳的啸叫声 3 金属罐体变形 抖动 并且发出响声 当储罐所承受的主应力