化工安全技术第五章 压力容器安全12-13-1

1、 第 5 章压力容器安全第 5 章 压力容器安全5.1 压力容器的安全问题5.2 压力容器的分类5.3 压力容器的基本结构5.4 压力容器的失效形式5.5 压力容器的安全设计5.6 压力容器的安全制造5.7 压力容器的定期检验5.8 压力容器的安全装置5.9 压力容器的事故分析和处理看书5.1.1 引言按照特种设备安全监察条例，承压类特种设备：锅炉、压力容器、气瓶、压力管道等，安全附件：超压泄放装置、压力表、液位计等。压力容器的操作条件范围宽：包括压力、温度、介质、使用环境等，与一般机械设备不同。承压设备属于国家法规严格监管特种设备。在设计、制造、使用和管理方面有严格的规定和管理体系，以保证其

2、安全性。5.1 压力容器的安全问题从广义上讲，压力容器包括所有承受压力载荷的密闭容器。直接受火的锅炉；非受火压力容器组装在运输装备上的压力容器罐体（铁路、公路、水路运输） 移动式压力容器压力容器广泛用在化工工艺流程中，如各种反应器、塔设备、换热器、储罐、分离容器 固定式移动式气瓶安装在固定位置，或仅在使用单位内部区域使用的压力容器 固定式压力容器公称容积0.43000L，用于盛装永久气体或液化气体的移动式压力容器气瓶 (移动式)5.1.2 压力容器的应用和特点压力容器应用的特点1）应用广泛 （占化工厂设备总数的50左右）不同的用途、型式、操作条件、类别，共同特点：受压外壳+功能内件。2）操作条

3、件复杂温度：低温、常温、中温、高温；压力：真空、低压、中压、高压、超高压；交变载荷：交变的温度和压力载荷；介质：有毒、易燃易爆、腐蚀性；化学反应：反应过程中的各种不确定因素等；球形储罐换热器反应釜3、对安全要求高，为特种设备压力、温度越高，尺寸越大，则对容器在选材、设计、制造、检验和使用等方面要求越高。压力容器结构并不复杂，承受载荷：静、动、交变载荷，附加机械或温度载荷；承装压缩、液化气体或饱和液体，若容器破裂，介质瞬间膨胀释放，破坏能量极大；焊接结构多，易产生焊接缺陷。安全要求：足够的强度、刚度、稳定性，密封性好。5.1.3 压力容器的安全特征1、量大面广应用面广，数量多，分布地域广泛，至2

4、007年底，固定式压力容器 169.71万台， 锅炉 53.40万台，另有数量巨大的各类气瓶、罐车、压力管道。2003年修订为特种设备安全监察条例 2009年再次修订。1982年，国务院颁布了锅炉压力容器安全监察暂行条例专门管理机构：国家质量检验检疫总局特种设备安全监察局，对特种设备的设计、制造、使用、检验等进行管理。2、事故率高其中89.3%（118起）是各种制造裂纹所引起总的来说，随着加强管理和技术的进步，压力容器的事故率呈下降趋势，但远高于其他机械设备的事故率(交通运输除外)。 危害：灾害性后果。压缩气体、液化气体或过热液体卸压膨胀，瞬间释放出巨大能量，产生强的空气冲击波；可燃气体或毒气

5、泄漏，造成大面积毒害区，与周围的空气混合，产生更大火灾爆炸；设备碎片飞出产生破坏；相邻设备连锁爆炸等。原因：因制造缺陷、使用缺陷和操作管理上的原因。措施： “全过程安全监察模式”设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造等环节3、事故危害性大TSG R0004-2008固定式压力容器安全技术监察规程界定的监管范围：（1）最高工作压力pW0.1MPa；（表压）（2）且设计压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL；（3）且介质为气体、液化气体和最高工作温度高于等于标准沸点的液体。5.2.1 压力容器的安全监察范围5.2 压力容器分类 考虑了工作压力、容积、介质性态三方面对容器发生爆炸时释放能量的影

6、响。1 MPa的容器爆炸释放的能量：压缩空气/压缩水0.33 / 0.05310-3 =6226倍。而标准沸点以上的饱和液体，爆炸时释放的能量远大于饱和蒸气。几种典型介质爆炸能量的比较介质种类 储器容积或介质体积 m3 爆炸前容器内压力（表压）MPa 爆炸能量的TNT当量 Kg空气 110.33 常温水 110.05310-3 饱和水(184沸水)1112.7 爆炸释放能量比较：饱和液体饱和蒸气常温液体184饱和水，压力约1.0MPa，H水763.25kJ/kg，水1， H水蒸气2782.5kJ/kg， 水蒸气5.145kg/m3, 5.9 压力容器的事故分析和处理5.9.1 容器的爆炸和爆炸

7、能量 185页1、压缩气体容器的爆炸能量对于k=1.4的压缩气体，Ug=CgV，（MJ）对于k=1.4干饱和蒸汽，Us=CsV，Cg、Cs为p的函数（MJm-3）问题：容器爆炸的能量与什么有关？爆炸能量系数Cg（k=1.4）爆炸能量系数 随压力升高而增大。2、液化气体或高温饱和水的爆炸能量U1=w(i1-i2)-(S1-S2)T1Uw=CwV 8.1 15.83 25.60 39.78 66.22（MJm-3） 0.45 0.85 1.54 2.8 6.2 同样容积的压力容器，当p=0.9MPa时，Cw/Cs=25.6/1.54=16.6即同等体积饱和水爆炸能量为干饱和蒸汽的17倍。Cs (M

8、Jm-3 )Cw (MJm-3 )5.9.2 压力容器的事故分析与处理（自学）1、按使用位置分固定式：固定安装在使用地点；移动式：槽车、气瓶等2、 按设计压力分类（表压）(1)低压容器 0.1MPap 1.6MPa；(2)中压容器 1.6MPap 10MPa； (3)高压容器 10MPap 100MPa； (4)超高压容器 p100MPa.5.2.2 压力容器分类不同的压力采用相应的设计规范：10%)，容器形状发生较大变化；容器一般不是碎裂，沿容器轴向裂开；断面与主应力方向成45夹角，呈暗灰色纤维状；爆炸压力接近计算爆破压力。断口微观特征：韧窝外力作用形成微裂纹，聚合产生微孔洞，孔洞长大、增殖

9、，最后连接形成断裂。 水压爆破试验：韧性破裂焊缝容器超压的原因：a. 液化气体过量充装 事故：液化石油气钢瓶超装发生爆炸 b. 违规操作、超压泄放装置选用不当或失灵 事故：某化肥厂合成氨系统高压设备气密试验爆炸，因煤气与空气混合气被压缩机压入试压系统。c. 容器腐蚀严重，壁厚过度减薄 事故：加压变换冷却塔腐蚀爆裂P=0.8MPa，Di=1000， =8mm，经三年运行腐蚀后：max=3mmmin=1mmd. 设计选材不当或结构不合理 防止韧性破裂的安全措施：正确设计、规范操作，设置超压泄放装置，正确选用和维护，加强在用容器检验。5.4.3 脆性破裂 容器破裂时没有经过明显的塑性变形，破裂时壳体

10、的应力远远低于材料的强度极限，所以也称为低应力脆断。常发生在壳体材料的缺陷处。可以发生在正常工作压力下。原因：材料韧性差 容器存在超标缺陷（制造或使用中产生）事故：1962年某化肥厂水洗塔爆炸，Pc=3MPa，Di=2200，=8mm，爆炸时压力2.8MPa，=70 MPa b=240 MPa ，设备材料：碳钢原因：焊缝质量差，存在13-19mm深的裂纹； 环境气温-27，导致材料韧性差。事故：1965年英国汤姆森公司氨合成塔在水压试验时爆炸， Pc=35.1MPa， t=200，Di=1700， =150mm爆炸时压力34.5MPa，=199.5 MPab=388 MPa设备材料：锰铬钼钒低

11、合金钢，原因：焊接处材料存在成分偏析；有10mm埋藏裂纹； 材料韧性差：理论 =60Nm/cm2 实际 =15Nm/cm2冲击韧度 表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。 值的大小表示材料的韧性好坏。 材料的 值随温度降低而减小，且在某一温度范围内， 值急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度”。材料的冲击试验摆锤刀刃=mg(H1-H2)/S冲击韧性值等于摆锤做功除以断口截面积(J/cm2)。试块101055mm，2mm 缺口 U型缺口冲击值：V型缺口冲击值：宏观特征： 外观没有明显伸长变形； 裂口齐平，与最大主应力方向垂直； 容器常破裂成碎片； 低温或介质腐蚀易发生脆

12、断。脆性破裂断口宏观形貌韧性断裂的断口微观特征：韧窝微观特征：穿晶脆性断裂脆性破裂的三个条件：高应力场；材料的脆性倾向；存在脆裂的引发源：如裂纹或缺口。预防脆性破裂的措施合理选材，选用在运行温度下有良好冲击韧性的材料；在制造和运行过程中材料不发生韧性下降；加强定期检验，及时发现缺陷(裂纹)的产生和扩展。5.4.4 疲劳破裂压力容器在长期交变载荷作用下所发生的破裂称为疲劳破裂。原因：由交变的压力、温度以及振动等原因引起的交变应力。（1）高应力低循环疲劳 交变载荷循环次数102105，而相应的应力水平较高。以应变值为控制变量。（2）低应力高循环疲劳 应力值在弹性极限以下，交变载荷循环次数在105以

13、上。疲劳极限：材料经过一定循环次数不发生破坏的最大交变应力值。疲劳破裂的特征：总体应力不大，没有明显伸长变形，发生在局部应力较高及材料缺陷处；若材料强度较低而韧性好，则疲劳裂纹穿透器壁发生泄露而失效， 若材料强度偏高而韧性差，则疲劳裂纹导致爆炸事故； 经历裂纹发生、裂纹扩展、失稳断裂3个阶段； 破裂断口呈现两个区域：疲劳裂纹产生及扩展区，最后断裂区；可以由此判断疲劳破裂。疲劳条痕一种铝合金断裂表面的疲劳条痕向前扩展的疲劳裂纹留下特征性的斑纹，说明疲劳引起失效。1m裂纹扩展的方向和条纹垂直5.4.5 应力腐蚀破裂1、应力腐蚀概念 stress corrosion cracking应力腐蚀开裂指在

14、静拉伸应力和特定的腐蚀介质的共同作用下导致材料腐蚀开裂的现象，记为SCC。剩余厚度应力腐蚀开裂的发生:可以在极低的应力条件下发生；腐蚀性极弱的介质也能引起腐蚀开裂。往往在没有先兆的进展迅速的突然断裂，容易造成严重的事故。因此它是一种危害性极大的破坏形式。 断口形貌：脆断，有亚稳扩展区，最后瞬断区占化工腐蚀破坏事故近半数.应力腐蚀裂纹2、应力腐蚀破裂发生的条件 （1）特定的腐蚀介质与材料组合材料可发生应力腐蚀的敏感介质碳钢氢氧化物溶液； H2S水溶液；碳酸盐、硝酸盐或氰酸盐水溶液；液氨；湿的CO-CO2-空气；硫酸-硝酸混酸；热的FeCl3溶液；海水奥氏体不锈钢海水；热的氢氧化物溶液；氯化物溶液

15、； H2S水溶液；热的氟化物溶液；铝合金潮湿空气；海水；氯化物的水溶液；汞钛合金海水；盐酸；发烟硝酸；300以上的氯化物；潮湿空气；汞常见应力腐蚀破裂的材料-介质组合（2）拉应力的存在 装配应力、残余应力、腐蚀产物引起的内应力、载荷应力等。（3）材料纯度和组织状态影响一般认为合金发生SCC，纯金属极少发生，但存在少量杂质时也可能发生SCC。材料硬度增加，SCC敏感性增加。应力腐蚀举例：湿硫化氢腐蚀 在H2SH2O腐蚀环境中，碳钢设备发生两种腐蚀：均匀腐蚀和湿硫化氢应力腐蚀开裂。含硫化合物在腐蚀过程中析出的腐蚀产物氢原子，向钢中渗透，在晶界原有的微观孔隙内（微裂纹、夹杂、晶格缺陷等）聚集并形成氢

16、分子，形成小裂纹并沿着垂直于应力的方向发展，并在近表面形成氢鼓泡。 通常发生在焊接接头的热影响区及高应力集中区。开裂的形式：硫化物应力腐蚀开裂(垂直于表面)氢鼓泡(平行于表面)3、应力腐蚀破裂的特征 (1)宏观形态具有脆性破裂的特征：无宏观塑性变形，断口可见腐蚀产物；(2)断口存在两个区域：腐蚀裂纹扩展区和快速断裂区；(3)有树枝状裂纹状分叉；(4)可以是穿晶也可以是沿晶开裂。新鲜断口区域腐蚀产物内壁某柴油加氢装置炉管开裂失效，其宏观断口形貌如下图树枝状二次裂纹断口形貌扫描电镜照片（沿晶断裂）二次裂纹275 金相照片：主断口1）从介质-材料的应力腐蚀考虑（1）选择对介质应力腐蚀不敏感的材料 考

17、虑可能性和经济性（2）采用耐腐蚀的复合钢板（3）加缓蚀剂2）从结构设计和制造方面考虑，减少残余应力4、预防应力腐蚀破裂的措施化工设备的几种应力腐蚀情况：不锈钢氯化物碱硫化物碳钢、低合金钢硫化氢湿CO-CO2混合气碱硝酸盐液氨5.4.6 蠕变破裂在高温和应力的作用下，金属产生缓慢的塑性变形(蠕变)，最终导致容器破裂。特征：有明显的塑性变形和蠕变小裂纹， 断口无金属光泽呈粗糙颗粒状， 表面有高温氧化层或腐蚀物。泄漏原因：容器本体或部件焊接处破裂处； 容器与外接设备或管道连接处密封失效泄漏后果：燃烧、爆炸； 毒性介质扩散5.4.7 泄漏失效防止泄漏措施：从选材、结构设计、制造安装和使用等各环节防止容

18、器发生泄漏失效。5.5 压力容器的安全设计5.5.1 压力容器的材料及选用 压力容器要求材料的机械性能好，同时满足制造工艺要求1）压力容器用钢的安全要求（1）冶炼方法：a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢（2）化学成分：一般 要求C0.25%，P0.020%，S350，采用耐热钢，t-20，采用低温钢， 27 kgmcm-2（4）与介质的相容性 耐腐蚀性2）压力容器用钢R表示压力容器专用钢板D低温钢板5.5.2 压力容器的强度静载荷：内压、外压和液体静压力， 重力载荷：包括容器的自重、介质重量、 操作平台重量等 外加载荷：风载荷、地震力 温差载荷动载荷容器载荷载荷在容器壁中产生

19、应力, 控制应力值小于材料允许的限度（s或b），是容器强度安全设计的目标。1、压力容器中的应力1）内压薄壁圆筒中的薄膜应力内压薄壁圆筒：圆筒的外直径/内直径1.2，壳体上的应力称为薄膜应力=pDc/4trcri轴向应力：环向应力：22tl=p2rilp2rcl2=prc/t=pDc/2t【例5.1】 p=1.6MPa，Di=1000mm，t=10mm，计算其薄膜应力Dc=Di+t=1010mm1=pDc/4t=1.61010/410=40.4 MPa2=pDc/2t=1.61010/210=80.8 MPa纵向应力：环向应力：习题第1题 计算薄膜应力2）标准椭圆形封头（Dc=2h）中的薄膜应力环向应力2：经向应力1：封头顶端（极点）处：封头底部（赤道）处经向应力：封头底部（赤道）处环向应力：（压缩应力）+-+标准椭圆形