《矿井灾害防治与智能监测》课件-第八章 压力容器安全

第八章

压力容器安全

8.1压力容器概述

8.1.1压力容器从广义上讲应该包括所有盛装气体或液体，承受一定压力载荷的容器。

《特种设备安全监察条例》规定安全监察范围：同时符合下述3个条件的固定式压力容器或移动式压力容器：(1)最高工作压力p≥0.1Mp(不包括液体静压力，下同)；(2)压力与容积的乘积pV≥2.5MPa·L；(3)工作介质为气体、液化气体和最高工作温度不小于标准沸点(指在1.013×105Pa压力下的沸点)的液体。

压力容器《特种设备安全监察条例》规定安全监察范围：符合下述3个条件的气瓶：(1)工作压力p≥0.2MPa(表压)；(2)压力与容积的乘积pV≥1.0MPa·L；(3)工作介质为气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60℃的液体；压力容器分类

按容器所承受压力的大小把压力容器分为如下4类：低压容器，设计压力0.1≤p＜1.6MPa；中压容器，设计压力1.6≤p＜10MPa；高压容器，设计压力10≤p＜100MPa；超高压容器，设计压力p≥100MPa。压力容器分类根据承受压力的高低，工作介质的危险程度和在生产中的重要性，把压力容器划分为3类：(1)属于下列情况之一者为一类容器：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器和换热器。(2)属于下列情况之一者为二类容器：中压容器；毒性为极度和高度危害介质的低压容器；易燃或毒性为中度危害介质的反应容器和低压储存容器；低压管壳式余热锅炉；低压搪玻璃压力容器。压力容器分类(3)属于下列情况之一者为三类容器：高压容器；毒性为极度和高度危害介质的中压容器；易燃或毒性为中度危害介质且PV≥10MPa·m3的中压贮运容器；易燃或毒性为中度危害介质且PV≥0.5MPa·m3的中压反应容器；毒性为极度和高度危害介质且PV≥0.2MPa·m3的低压容器；高压、中压管壳式余热锅炉；中压搪玻璃压力容器；各种移动式压力容器；容积V≥50m3的球形储罐；容积V>5m3的低温液体储存容器。8.1.2压力容器的基本结构最基本结构是一个密闭壳体，其形状多为球形或圆筒型。

矿山应用的压力容器以圆筒形容器为多。低压容器的筒体为薄壁圆筒体，一般都采用焊接结构。采用的凸形封头，有半球形、椭圆形、碟形等形状。椭圆形封头应用最多。

封头

圆筒体

接管

排泄管

接管

压力容器的结构基本要求

承压壳体的结构形状应该连续和圆滑过渡，避免因几何形状的突变或结构上的不连续产生较高的应力。把器壁开孔、焊缝或转角等产生应力集中或降低部件强度的结构相互错开，防止局部应力叠加。避免采用刚性大的结构。刚性结构使焊接时的自由胀缩受到约束，产生较大的焊接内应力，也会限制承压壳体受压力或温度变化引起的伸缩变形，产生附加弯曲应力或正应力。

常见的制造缺陷

焊接缺陷：没焊透、气孔、夹渣、焊缝咬边和焊缝裂纹等。残余应力：较大的残余应力会使容器的承压能力降低，产生局部裂纹，并且能加剧应力腐蚀破坏及疲劳破坏。几何形状不连续：壳体的几何形状，如椭圆度等，不符合要求；焊缝接头不平整，或表面粗糙等问题，会造成局部应力集中和应力腐蚀厂最终导致容器破坏。

8.2压力容器的设计

8.2.1圆筒形薄壁容器的应力分析

圆筒形薄壁容器的主体部分为圆筒形壳体，称之为“薄壁圆筒。在内压力p的作用下，筒壁上的任一点产生沿圆筒轴向的轴向应力和沿圆周切向的环向应力。

1.轴向应力分析

用垂直于圆筒轴线的假想截面将圆筒截为两部分，考察其中的一部分的力平衡条件。在x方向的力平衡条件是轴向应力

2.环向应力分析假设圆筒长为L，且沿长度方向上环向应力均匀分布。用沿圆筒轴向过直径的假想截面把圆筒分为两部分，考察其中一部分的力平衡条件。由y方向的力平衡条件环向应力圆筒形薄壁容器的应力分析薄壁圆筒承受内压时，其环向应力是轴向应力的2倍。筒体的纵焊缝较环焊缝受力大得多，在制造和检验方面都有特殊的要求。如果需要在筒体上开孔，应该尽量开成其短轴平行于筒体轴线的椭圆形孔。封头顶部的应力

8.2.2压力容器设计的几个基本参数设计压力：在设计的工作温度一定时，用以确定壳壁计算厚度及其它零部件尺寸的压力。一般情况下，取压力容器的最高工作压力作为设计压力。在容器带有安全泄压装置的场合，设计压力往往略高于最高工作压力，以避免安全泄放装置做不必要的泄放。

压力容器设计的几个基本参数设计温度：容器在正常工作过程中，在设计压力下，壳体或金属元件可能达到的最高或最低温度。当设计温度不超过20℃时，属于低温容器；当设计温度高于45℃时，属于高温容器。许用应力：以材料的极限应力为基础，并选用合理的安全系数得到。焊缝系数：焊缝强度与原材料强度的比值。壁厚附加量

8.2.3

圆筒形薄壁容器壁厚设计筒体壁厚计算根据应力分析

用内径Di取代平均直径D

，考虑焊缝系数和壁厚附加量圆筒形薄壁容器壁厚设计封头壁厚计算

椭圆形封头采用JB1154-73标准。当8.3安全泄压装置

8.3.1安全泄压装置的类型阀型安全泄压装置：以阀的开启排放部分介质来达到降压目的的。断裂型安全泄压装置：通过元件在较高压力下发生破裂，排出内部介质来达到泄压的目的。熔化型安全泄压装置：借助高温下易熔合金熔化，使容器内介质从原来充填有易熔合金的孔道中排出，达到安全泄压的目的。组合型安全泄压装置。

8.3.2压力容器的安全泄放量压力容器的安全泄放量：压力容器的内部压力超过允许工作压力时，为了使内部压力不再继续上升，在单位时间内必须泄放的介质量。

1.压缩气体容器的安全泄放量取决于输入的气体量。空气压缩机的缓冲储气罐、油水分离器等附属容器的安全泄放量，就是空气压缩机的产气量。非设备附属容器2.液化气体的安全泄放量取决于在最恶劣的受热条件下内部液态介质的蒸发量。液态介质的蒸发量取决于容器的吸热情况。当压力容器无绝热保温层时有良好的绝热保温层时

8.3.3安全阀

安全阀由阀座、阀瓣和加载机构组成。阀座与容器内部联通；阀瓣上部与加载机构相连，在加载机构施加的载荷的作用下，阀瓣紧扣在阀座上。加载机构施加的载荷的大小是可以调节的。当容器内的压力达到安全阀的开启压力时，内部压力作用于阀瓣上的力大于加载机构施加的力，阀瓣离开阀座，使内部气体排出。当内部压力降低后，在加载机构施加载荷的作用下，阀瓣重新紧扣在阀座上，使容器保持正常的工作压力。

1.安全阀的种类

根据加载机构的不同，有弹簧式、杠杆式和脉冲式3种。根据安全阀阀瓣的最大开启高度与阀孔直径之比的大小，可以把安全阀分为全启式和微启式两种。

2.安全阀的排量安全阀的排量：处于全开状态时，在泄放压力下单位时间内排出的气体量。工作介质为空气、氧气等双原子气体的中、低压容器的安全阀

3.安全阀的使用与维护

对安全阀的基本要求是，动作灵敏可靠，密封性能良好，结构紧凑，调节、维修方便。在选用安全阀时，要使其工作压力与容器的工作压力相适应，安全阀的排量必须大于容器的安全泄放量。安全阀必须垂直安装，一般应该安装在容器本体上。液化气体储罐的安全阀应该装设在其气相部位。安全阀周围的环境温度应该在0℃以上。

安全阀的使用与维护安全阀在安装之前要进行耐压试验和气密性试验。调整加载机构和调节圈对安全阀进行调整和校正，以保证它在工作压力下严密不漏，在容器内部压力超过工作压力时能够及时开启排气。经常进行维修和检查，定时进行清洗、研磨和试验、调整。8.4压力容器的破坏

8.4.1压力容器的破坏形式1.塑性破坏容器破坏后有明显的塑性变形，破坏后容积残余变形率和圆周最大伸长率可达10%~20%。裂口呈撕裂状、不齐平，且与容器轴向平行；断口为暗灰色的纤维状，有明显地减薄；一般没有碎片或只有少量碎块。压力容器的塑性破坏主要是由于使用、维修和操作不当引起的。

压力容器的破坏形式2.脆性破坏一种突然发生的破坏。裂口齐平，断口呈现金属光泽的结晶状。脆性破坏多发生在寒冷的冬季。因为钢的低温冷脆性。容器的脆性破坏多属于容器本身的质量问题。

压力容器的破坏形式3.疲劳破坏由于频繁地加压、卸压，器壁长期受到交变载荷的作用产生金属疲劳而发生的。断口呈现两个明显不同的区域：断口较平滑的疲劳破裂发生和扩展区域；断口呈纤维状或结晶状的最后断裂区域。疲劳破坏只产生了一个破裂口，使容器泄漏而失效。压力容器的破坏形式4.腐蚀破坏压力容器的腐蚀破坏以应力腐蚀破裂为主。所谓应力腐蚀破裂，是指在拉应力和腐蚀性介质的共同作用下发生的“滞后破坏”。5.蠕变破坏长期在高温下工作的压力容器，器壁发生缓慢而连续的塑性变形——蠕变，壁厚逐渐减薄，最终导致容器破裂。蠕变破坏发生于高温压力容器。

8.4.2压力容器的爆炸能量属于物理爆炸。1.压缩气体容器的爆炸能量

压缩气体膨胀释放的能量，是气体绝热膨胀所作的功：

可燃性气体容器外二次爆炸能量，属于化学爆炸：

压力容器的爆炸能量2.液化气体容器爆炸能量容器的爆炸能量是饱和液体蒸发所释放出的能量：8.4.3压力容器爆炸的破坏作用爆炸冲击波的破坏作用。

爆炸碎片的破坏作用。碎片对周围设备、建筑物的破坏作用，常用穿透能力来描述。碎片的穿透能力与它的动能成正比：

8.5压力容器的

使用与管理

压力容器的使用与管理压力容器属于特种设备。特种设备：涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施等。根据《特种设备安全监察条例》的规定，国家对压力容器的设计、制造、安装、改造、维修、使用和检验等环节实行安全监察。

压力容器的使用与管理矿山企业必须根据《特种设备安全监察条例》的规定，选购和使用有相应资质的设计单位设计、有相应资质的厂家制造的符合安全技术规范要求的压力容器，并由有相应资质的单位安装和检验。压力容器的使用与管理压力容器投入使用前，使用单位应当核对其是否附有安全技术规范要求的设计文件、产品质量合格证明、安装及使用维修说明、监督检验证明等文件。在投入使用前或者投入使用后30日内，应当向省级（移动式压力容器）或市级（其它压力容器）的特种设备安全监督管理部门登记，登记标志应当置于或者附着于该压力容器的显著位置。8.5.1压力容器的日常管理

建立压力容器安全技术档案制定压力容器安全操作规程正确使用、维护压力容器操作人员应该经过培训，取得特种作业人员证书，持证上岗，并且严格遵守安全操作规程。进行经常性日常维护保养，并定期自行检查。8.5.2压力容器的检验外部检验：每年至少进行一次。内外部检验：投入使用3年进行首次检验，以后根据容器的安全等级至少每3年或6年进行一次。内外部检验在容器停止运行后进行，除外部检验内容外，主要检查容器的缺陷产生和发展情况。耐压试