第7章 安全技术工程简介(4 锅炉与压力容器安全)(2013)

1、第第7 7章章 安全技术工程简介安全技术工程简介 曲曲 方方 教授教授 博士博士 2012年9月 第第7 7章章 安全技术工程简介安全技术工程简介 安全技术工程是运用安全工程的原理和方法，从技术上防止劳动者在生 产过程中发生事故所采取的一系列措施。 安全技术是生产技术的一个组成部分，并且与之密切相关的安全技术贯 穿于生产的全过程，并且随着生产技术的发展而发展。 不同行业有不同的安全技术不同行业有不同的安全技术。 按产业性质区分，有煤矿安全技术、冶金安全技术、建筑安装工程安全 技术等； 按生产机械、设备区分，有电气安全技术、起重安全技术、机床安全技 术、锅炉压力容器安全技术等。 为使读者对安全技

2、术工程有一大概的了解，本文摒弃上述传统的区分方 式，仅向读者介绍生产中主要的安全技术知识，即以按机械设备种类区分为 主，兼顾介绍一些易发生事故的重点行业，如建筑安装、矿山、交通等。 参考教材：参考教材：安全科学与工程导论安全科学与工程导论周世宁主编。周世宁主编。 第第7 7章章 安全技术工程简介安全技术工程简介 本章学习目标及内容：本章学习目标及内容： u1.机械安全:化工机械与设备、机械安全工程环保技术与设备、噪声与振动控制技术 u2.电气安全:电气安全工程 u3.起重设备安全:特种设备安全检测与评定 u4.4.锅炉压力容器安全锅炉压力容器安全: :锅炉压力容器安全技术锅炉压力容器安全技术

3、u5.建筑安全:建筑施工安全技术 u6.防火防爆技术:火灾与爆炸控制技术、消防工程与设计、工业通风与除尘、工业防 毒技术 u7.交通安全 u8.矿山安全 u9.焊接安全技术 u10.非煤矿山安全技术 u11.煤矿安全技术 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全( (自学）自学） 锅炉与压力容器是工业生产、基本建设、交通运输和日常生活中常用的设备。其内盛装的 都是有压力的气体或饱和液体，有的还有高温、易燃、易爆、毒性等特点，易发生事故，且发生 爆炸事故时具有极大的破坏力和危害性。 7.4.1 7.4.1 锅炉和压力容器事故锅炉和压力容器事故(1/2)(1/2) 根据国家有关法规规定

4、，按照设备损坏的程度，将事故分为3类。 （一）爆炸事故（一）爆炸事故 锅炉或压力容器在使用中或试压时发生破裂，使压力瞬时降至等于外界大气压力的事故。例 如，锅炉的汽包、水包内贮存着几吨，甚至几十吨具有一定压力的饱和水及饱和汽，蕴藏着巨大 的能量。如汽包、水包突然破裂，那么这些巨大的能量将在瞬间释放完毕，这个能量的瞬间释放 过程就是锅炉爆炸。锅炉爆炸会摧毁邻近的设备、建筑物，造成人身伤亡，后果十分严重。 （二）重大事故（二）重大事故 锅炉或压力容器的受压部件严重损坏、附件损坏或炉膛爆炸等，造成被迫停炉大修的事故属 于重大事故。例如，锅炉受压元件烧塌、严重变形、爆管、炉膛爆炸引起炉墙倒塌、钢架严重

5、变 形等。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.1 7.4.1 锅炉和压力容器事故锅炉和压力容器事故(2/2)(2/2) （三）一般事故（三）一般事故 损坏程度不严重，不需要停止运行进行修理的事故。 爆炸事故与重大事故中虽然都可能有某一受压元件破裂，但两者的重要区 别就是压力是否在瞬间降至外界大气压力，若是则为爆炸事故，否则为重大事 故。例如，锅炉爆管，汽水混合物冲出时的破坏力也很大，但这时锅炉的表压 力不会在瞬时降至零，锅炉本体也不会飞出去，所以它属于重大事故。 重大事故与一般事故主要区别在于，锅炉受压元件或其他主要部件是否损 坏？是否必须大修？ 例如，炉膛发生轻微

6、爆炸，并未造成破坏，也不必停炉大修，就可定为一 般事故。但是，因供气停止而对别的生产环节或单位产生重大影响，这样的事 故也可定为重大事故。例如，发电厂把并未引起本体损坏的缺水或满水事故也 都列为重大事故。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.2 7.4.2 压力容器的破坏形式及原因压力容器的破坏形式及原因(1/4)(1/4) 压力容器的破坏形式主要有5种，即塑性破坏、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变塑性破坏、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变 破坏破坏。 （一）塑性破坏（一）塑性破坏 塑性破坏是由于，在载荷的作用下，器壁产生的应力过大以至超过了材料的屈服极限或 强度

7、极限，因而产生较大的塑性变化，乃至发生破裂。 其主要特征是：容器有较大的塑性变形，破裂口呈撕裂状，一般不产生碎块或仅有少量 碎块；裂口大小跟容器爆破时的膨胀能量关系密切、膨胀能量大，裂口也大，也可能将容器 撕裂成很多碎块。塑性破坏的原因主要有： (l) 容器内介质充装过量，温度骤增，介质体积急剧膨胀，使容器内的压力大幅度升高。 (2) 违反操作规程，操作失误或容器的安全装置不全或失灵，造成压力失控而使压力急剧 增大。 (3) 容器内混装了能起化学反应且生成大量气体或热量的物质，使容器内的压力、温度骤 然上升。 (4) 容器维护不良致使壁厚减薄，降低了耐压强度。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安

8、全锅炉与压力容器安全 7.4.2 7.4.2 压力容器的破坏形式及原因压力容器的破坏形式及原因(2/4)(2/4) （二）脆性破裂（二）脆性破裂 脆性破裂是容器在较低应力状态下发生的与脆性材料的破裂现象相似的破裂。其特征是：破裂容器 没有或只有很小的塑性变形，断裂速度极高，在一瞬间发生，破坏前没有什么征兆；容器破坏时，一般 都裂成碎块，并常有碎块飞出，断口有晶粒状光亮。 脆性破裂的原因主要是： (1) 温度较低，引起材料韧性下降，材料变脆。 (2) 容器存有缺口或裂纹，容器受力时，容易出现局部高应力，使材料的韧性降低。 (3) 外力的冲击或震动，也可促使脆性破裂的发生。 （三）疲劳破裂（三）疲

9、劳破裂 疲劳破裂是材料在反复载荷的作用下，出现“疲劳”而在比较低的应力状态下，没有经过明显的塑 性变形而突然发生的损坏。 疲劳破裂一般多发生在容器接口、接管、焊缝、几何形状变化等应力集中区；破坏时，无明显的塑 性变形；破坏断面存在丽个区域，一个是裂缝的形成和扩大区域，另一个是脆断区域。疲劳破裂的原因 主要是容器的温度或所受载荷波动频繁使容器壁的应力变化频繁和制造时存在裂纹性的缺陷。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.2 7.4.2 压力容器的破坏形式及原因压力容器的破坏形式及原因(3/4)(3/4) （四）腐蚀破裂（四）腐蚀破裂 腐蚀破裂是容器在有腐蚀性介质的作用下

10、，截面积减小或材料的机械性能降低，以致其 承受载荷的能力降低到不能满足设计要求而产生的损坏。 腐蚀破裂可分为均匀腐蚀、局部腐蚀、晶间腐蚀和断裂腐蚀四种。均匀腐蚀是指在材料 整个接触面上都发生腐蚀，使其厚度逐渐减薄的一种腐蚀现象。 局部腐蚀是指材料表面区域性的腐蚀，包括深坑腐蚀、片状腐蚀和密集斑点腐蚀等。晶 间腐蚀通常不引起材料外表的变化，而是沿着材料的晶粒边界进行，晶间的连接被破坏，破 坏了材料的物理性能，使其机械性能大大降低，在很低的应力状态下也会发生破碎：晶间腐 蚀最危险，但也较少见。断裂腐蚀是材料在应力和腐蚀介质的共同作用下产生的，根据应力 的破坏机理不同又可分为应力腐蚀和疲劳腐蚀两种。

11、 应力腐蚀是金属在腐蚀和拉伸应力的共同作用下产生的疲劳腐蚀则是金属在腐蚀和交 变的拉伸应力共同作用下发生的。 腐蚀破裂的原因主要包括：(l) 设计不好，制造质量差。(2) 材料有缺陷或防腐层破坏。 (3) 工艺或操作有异常。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.2 7.4.2 压力容器的破坏形式及原因压力容器的破坏形式及原因(4/4)(4/4) （五）蠕变破坏（五）蠕变破坏 蠕变破坏是由长期在高温条件下工作的材料，由低 于其使用温度下的强度极限的应力作用发生蠕变而导致 材料断裂的一种破坏形式。 其特点是容器长期受高温作用，破坏时的应力低于 材料在使用温度下的强度极限；

12、有明显的塑性变形，破 口断面一般是塑性的，材料金相分析有热影响的变化。 蠕变破坏的原因主要是：超温、选材不当、操作不 善、修理、检查不及时等。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.3 7.4.3 压力容器破坏事故压力容器破坏事故 压力容器虽然不像一般转动机械那样容易磨损，也不像高速发动机那样承受着高频率反复载 荷，容易导致疲劳破坏，但是它的破坏率还是相当高的。 根据英国原子能局及联合部的调查，在使用的10 000台压力容器中，每年发生事故达13.3次， 其中重大事故0.7次。压力容器事故较多的因素是多方面的。就技术角度来讲，其原因主要是： (1) 压力容器的结构虽然比

13、较简单，但其部件的受力情况还是比较复杂，特别在开孔之处，更是 结构强度上的薄弱点。 (2)压力容器的使用条件比较苛刻，它不但承受压力，而且有些还在高温或深冷的条件下运行。 (3)现代的压力容器大都是焊接结构，焊缝中留下的微小缺陷，在使用中遇到合适的条件（如使 用温度等）就会迅速扩展而突然发生破坏。 (4)与其他设备比较起来，压力容器比较容易发生超载，从而导致迅速破坏。 压力容器之所以作为特殊设备，除了因为它比较容易发生事故以外，更重要的还在于破坏压力容器之所以作为特殊设备，除了因为它比较容易发生事故以外，更重要的还在于破坏 性非常严重。性非常严重。一个容积为IOm3、压力为10大气压（1大气压

14、=101 325 Pa）的空气贮罐，如果发生 爆炸，它所产生的冲击波可以毁损距离在30 m以外的门窗玻璃。不但如此，在石油、化学工业的 压力容器中，工作介质有很多是可燃或有毒的气体，这些容器一旦爆裂，内部介质向外扩散，就 会引起化学爆炸、着火燃烧和恶性中毒等一连串的严重事故。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.4 7.4.4 压力容器安全技术压力容器安全技术 （一）压力容器的分类（一）压力容器的分类（1/2)1/2) 压力容器有多种分类方式，这里仅介绍按其安全的重要程度进行分类。根据 安全的重要程度（安全的重要程度是由其压力高低、介质的危害程度以及在生产中 的重要作

15、用来决定的），将压力容器划分为3类，即第一类容器、第二类容器和第第一类容器、第二类容器和第 三类容器三类容器，其中的第三类容器最为重要，要求也最为严格。其具体划分如下： (1) 低压容器（另行规定的除外）为第一类压力容器。 (2) 有下列情况之一者，为第二类压力容器： 中压容器（规定为第三类的除外）； 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和储存容器； 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； 低压管壳式余热锅炉； 玻璃压力容器。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.4 7.4.4 压力容器安全技术压力容器安全技术 （一）压力容器的分类（一）压力容器的分类（2

16、/22/2） (3) 有下列情况之一者，为第三类压力容器： 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器或设计压力与容积的乘积大于等于0.2 MPam3的低压容器； 易燃或毒性程度为中度危害介质的中压容器或设计压力与容积的乘积大于等于0.5 MPam3的中压反应容器或设计压力与容积的乘积大于等于10 MPam3的中压储存容器； 高压、中压管壳式余热锅炉； 高压容器。 根据压力容器安全技术监察规程的注明，易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10%， 或爆炸上、下限之差值大于等于20的气体。介质的毒性程度则参照GB5044-85职业性接触毒物危 害程度分级的规定，按其最高容许浓度的大小分为下列四级：最高

17、容许浓度小于0.1 mg/m3，为极 度危害（I级）；容许浓度小于0.11.0 mg/m3，为高度危害（级）；容许浓度小于1.0 I0mg/m3，为中度危害（级）；容许浓度大于I0 mg/m3的为轻度危害（级）。 又根据锅炉压力容器安全监察暂行条例及其实施细则的规定除液化石油气气瓶划 入第二类压力容器外，其他气瓶（包括有缝和无缝的）均划入第三类压力容器：液化气体槽车、 超高压容器、特种材料容器、特殊用途容器也属第三类压力容器. 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.4 7.4.4 压力容器安全技术压力容器安全技术 （二）压力容器安全装置（二）压力容器安全装置 压力容器的

18、安全装置系指为了使压力容器能够安全运行，而装设在设备上：一种附属机构， 又称为安全附件。按其使用性能或用途可分为四大类型，即，泄压装置、计量装置、连锁装置和 报警装置。 1.1.泄压装置泄压装置 泄压装置是在容器超压时能自动泄放压力，以保证容器在低于最高许用压力下运行、而防止 出现因超压而引起的各种事故的一种安全装置。它是压力容器最常用，也是最关键；安全装置。 按其工作原理和结构形式可以分为阀型、断裂型、熔化型和组合型等几种。主要包括安全阀、爆 破片、爆破帽、易熔塞及安全阀与爆破片（或易熔塞）的组合结构。 2 2计量装置计量装置 计量装置是指，能自动显示容器运行中与安全有关的工艺参数的器具。如

19、压力表、温度计等。 3 3连锁装置连锁装置 连锁装置是指，为了防止操作失误而设置的控制机构。如连锁开关、联动阀等。 4.4.警报装置警报装置 警报装置是指，容器在运行过程中出现不安全因素，致使容器处于危险状态时，能自动以音 响或其他明显报警讯号进行报警的仪器。如，压力报警器、温度监测仪等。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.5 7.4.5 锅炉常见事故及其原因锅炉常见事故及其原因 锅炉事故按设备损坏程度分为爆炸事故、重大事故和一般事故。 重大事故包括缺水事故、满水事故、炉管爆破、炉膛爆炸、气水共腾、水击事故、省煤器破 坏、过热器破坏、尾部烟道二次燃烧等事故。 一般事

20、故是指，在运行中可以排除或经过短暂停炉可以排除的事故，其影响和损失较小。其 中爆炸事故的危险性最大，缺水事故的发生率最高。造成锅炉事故的原因，往往是多方面的、复 杂的，主要有以下一些。 （一）设计，制造与安装方面（一）设计，制造与安装方面 (l) 结构不合理，如钢板太薄，连接形式不合理，水管布置不合理，下降管与上升管截面积 比例不合适，顶部水冷壁管与水平线的夹角太小，无手孔或人孔，运行时难于清洗而结垢某些 部分不能自由膨胀以致产生裂纹等。 (2) 金属材料不符合质量要求，强度不够，内部有交渣、夹层等。 (3) 制造工艺不良，如受压部件加工超差以致壁厚减薄，焊接工艺有问题引起了裂纹等。 (4)

21、安装不合理，如最低安全水位低于最高火界，排污位置不当，应绝热处未绝热，不能自 由膨胀或受力不均匀等。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.5 7.4.5 锅炉常见事故及其原因锅炉常见事故及其原因 （二）缺乏安全附件或附件失灵（二）缺乏安全附件或附件失灵 (l) 缺乏安全阀，安全阀结构不合理，安装和调整不符合要求等。 (2) 缺乏水位表，水位表的设计、安装和使用不良，如连通管堵塞等。 (3) 缺乏压力表，压力表不准或失灵等。 (4) 给水设备或给水逆止阀损坏。 (5) 排污阀泄漏。 （三）运行管理不善（三）运行管理不善（1/2)1/2) (1) 水位过低或过高，过低易使

22、水循环不良，过高易使过热器爆管。 (2) 水质管理不良，结垢太厚，因给水中含有油类物质而使金属过热，炉水的pH值过低、又未除 氧而使腐蚀严重，炉水属侵蚀性而又有泄漏的地方，以致锅炉产生苛性脆化裂纹。 (3) 水循环被破坏，如水管锅炉若降压速度太快（15 min内降5个大气压以上），可使水循环遭 受破坏。 (4) 超温运行，例如，一台过热蒸汽温度为450的锅炉，在480下运行30 min，便会发生过热 器爆管事故。 (5) 超压运行，用重物将杠杆式安全阀压住，水压试验后未把安全阀堵板拆除，安全阀锈死失灵 等，都会造成锅炉超压运行。有的锅炉曾因此发生爆炸事故。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅

23、炉与压力容器安全 7.4.5 7.4.5 锅炉常见事故及其原因锅炉常见事故及其原因 （三）运行管理不善（三）运行管理不善(2/2)(2/2) (6) 司炉擅离工作岗位，或让无独立操作能力的人看管锅炉，或因司炉做其 他工作而未认真监视仪表等。 (7) 误操作，司炉经验不足，因判断错误而进行错误操作。例如，误把主汽 门关闭，当看不见水位时强行上水，误把缺水当成满水而大量排水，忘关排污 阀，当燃油锅炉点火不着时，未进行通风就再次点火而造成炉膛爆炸等。 (8) 缺乏定期检修制度，不能及时发现锅炉在长期运行中所形成的缺陷，最 终造成事故。 (9) 检修方法错误，如焊缝渗漏，在可能发生苛性脆化的情况下进行

24、焊补， 错误地把铆缝用电焊焊住。 锅炉事故的原因往往不是单方面，而可能是两三种原因共同造成的。其中主 要的原因是管理不善，安全附件不良和强度不够。 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.6 7.4.6 锅炉安全技术锅炉安全技术 锅炉是工业生产和人们生活中重要的动力设备和热力设备，使用极为广 泛。锅炉要承受高温、高压，接触腐蚀性介质，故易发生事故，其爆炸事故往 往会造成灾难性的后果。 （一）锅炉的分类（一）锅炉的分类 锅炉的种类繁多，分类方法也多种多样。 (l) 按锅炉的结构来分，可分为火管式、水管式和混合式3种。 (2) 按装配形式来分，可分为快装式、组装式和散装式3种

25、。 (3) 按蒸发量划分，可分为大型锅炉（100 t/h以上）、中型锅炉(20 100t/h)和小型锅炉（20 t/h以下）。 (4) 按出口介质可分为蒸汽锅炉和热水锅炉。 (5) 按蒸汽压力来分，可分为高压锅炉(9.8 MPa)、中压锅炉(2.49.8 MPa) 和低压锅炉(1.57 MPa) 7.4 7.4 锅炉与压力容器安全锅炉与压力容器安全 7.4.6 7.4.6 锅炉安全技术锅炉安全技术 （二）锅炉安全附件（二）锅炉安全附件 锅炉的安全附件是以显示其工作参数和发出报警信号等方式来控制锅炉机组 工作和保证锅炉机组安全运行的设施。主要包括：安全阀、压力表、水位表和 水位警报器及排污装置。 1 1安全阀安全阀 安全阀是用来将锅炉内的压力限制在许用压力以内的安全装置。超压时，它 能自动开启，排气泄压，同时发生呜叫声报警；降压到许用范围后，其又能自 行关闭，以维持运行的连续性。安全阀有杠杆式、弹簧式、脉冲式等。 2 2压力表压力表 压力表是测量和显示锅炉汽水系统压力大小（即受压元件实际承受的压力） 的仪表，使操作人员随时掌握锅炉的受压情况。 弹簧式压力表结构简单、准确可靠、测量范围大、使用方便，在锅炉上得到 了普遍应用。 7.4 7.4