壓力容器安全基礎(chǔ)知識

1、壓力容器安全基礎(chǔ)知識,長春市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 王世忠,提綱,壓力容器定義壓力容器術(shù)語壓力容器的分類壓力容器結(jié)構(gòu)壓力容器設(shè)計壓力容器制造壓力容器的安全附件壓力容器的檢驗,2024/3/30,3,壓力容器制造過程事故,蘭州高壓反應(yīng)器水壓試驗開裂,15CrMoR鋼板設(shè)備水壓試驗開裂,進口二氧化碳氣提塔水壓試驗開裂,西安液化氣爆炸事故,1998年3月5日傍晚18:45，隨著一聲驚天動地的巨響，西安市建國以來最大的一起事故發(fā)生了。

2、儲罐區(qū)共有１６個液化石油氣儲罐（其中１０００ｍ３球罐２個 ,４００ｍ３球罐２個 ,１００ｍ３臥罐１０個 ,殘液儲罐２個）　　當天下午15:45左右，西安煤氣公司液化石油氣管理所的一容積為400M3、儲存170噸液化氣的11號球罐根部發(fā)生泄漏，該站工作人員在經(jīng)過一個多小時的處置后，仍無法堵住球罐內(nèi)20個大氣壓的液化氣外泄的強大氣流。泄漏越來越嚴重，液化所此時感覺已無力自救。16:51該站職工打電話向119報警救助。6分鐘后，西安市消防

3、隊趕到現(xiàn)場，用水槍驅(qū)散泄漏的液化氣。然而，由于液化氣的氣化溫度很低，以致噴出的消防水變成了水霧，驅(qū)散液化氣的效果不明顯，還降低了能見度。與此同時，現(xiàn)場指揮部還采取了切斷電源、清除一切火源、禁止在現(xiàn)場附近行駛車輛等措施。在用去80條棉被對泄漏部位加厚堵源層，并對泄漏的儲罐進行了注水后，18:40，堵漏取得了明顯效果。,球罐下面的接管示意圖,續(xù),就在救援人員看到勝利的曙光時，18:45，泄漏的液化氣為生了第一次閃爆。閃爆點位于距罐區(qū)38米處

4、的配電房。隨著爆炸，從罐區(qū)防護堤內(nèi)火海里跑出30多人，很多人身上已沒有一點衣物，全身燒傷，慘不忍睹。受傷的人員很快地被送往附近的醫(yī)院。整個搶救過程用了5分鐘。　　大約過了10分鐘，更為強烈的第一次燃爆發(fā)生了。這次爆炸點是與之相鄰的另一個40OM3的12號球罐，所幸的是人員已后撤，沒有造成傷亡。,續(xù),此時，大火從11、12號球罐頂部爆裂的口子直沖而出，又相繼發(fā)生了兩次爆炸，這兩次爆炸是泄漏出的液化氣發(fā)生燃爆。指揮部決定對未爆炸的儲罐實施

5、冷卻保護，控制火勢蔓延同時，在連接管道中插入盲板以防止管道內(nèi)竄火，危及其它儲罐。經(jīng)過8個小時的激戰(zhàn)，險情得到了控制。第二天上午7:00，將殘液引到空地，實施了點燃。大火在控制下穩(wěn)定燃燒了37個小時后，于3月7日下午7:05完全熄滅。　　整個救援行動，共投入300余名消防戰(zhàn)士，50多輛消防車。7名消防戰(zhàn)士和5名液化氣站工作人員犧牲，傷32人。直接經(jīng)濟損失480萬元，社會影響極大。,二、原因剖析,這起液化氣泄漏事故是由于法蘭的固定螺栓松緊

6、不均勻，使得法蘭間的墊圈長時間受到不均勻的壓力，而受壓較高一側(cè)的墊圈迅速老化，因而引起泄露。　　自救不力，缺乏相應(yīng)的堵漏工具，未能在第一時間內(nèi)采取有效措施實施堵漏是導(dǎo)致事故進一步擴大的主要原因。其次是現(xiàn)場指揮不當，延誤了救援時機。在危險尚未完全消除的情況下接通電源，從而導(dǎo)致了爆炸。缺乏專業(yè)隊伍、缺乏必要的監(jiān)測儀器和沒有科學(xué)的預(yù)案，也是事故未得到及時控制的原因。,三、幾式啟示,這是一起由化學(xué)物品泄漏而造成火災(zāi)的典型案例?；瘜W(xué)事故救援不同

7、于一般事故，有其特殊性。因此，必須由受過專業(yè)訓(xùn)練的隊伍實施救援。并需有必要的救援器材和裝備。同時必須要有預(yù)案，科學(xué)的、可操作性強的化救預(yù)案是迅速而有效地將事故造成的損失減至最少或?qū)⑹鹿氏麥缭诿妊繝顟B(tài)的重要保證。類似事故1995年初冬，長春市煤氣公司液化氣廠球罐泄漏事故。,法規(guī)措施,《固定容規(guī)》：3.17 壓力容器用管法蘭 (1)鋼制壓力容器管法蘭、墊片、緊固件的設(shè)計應(yīng)當參照行業(yè)標準HG 20592～HG 20635-200

8、9《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》系列標準的規(guī)定； (2)盛裝液化石油氣、毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)以及強滲透性中度危害介質(zhì)的壓力容器，其管法蘭應(yīng)當按照行業(yè)標準HG 20592～HG 20635系列標準的規(guī)定，至少應(yīng)用高頸對焊法蘭、帶加強環(huán)的金屬纏繞墊片和專用級高強度螺栓組合。,高頸對焊法蘭、平焊法蘭,帶加強環(huán)的金屬纏繞墊片與石棉墊片,高強度螺栓組合,吉林煤氣公司球罐爆炸事故,一、事故概況及經(jīng)過1979年12月18日14點7分，

9、吉林市煤氣公司液化氣站的102號400立方米液化石油氣球罐發(fā)生破裂，大量液化石油氣噴出，順風(fēng)向北擴散，遇明火發(fā)生燃燒，引起球罐爆炸。由于該球罐爆炸燃燒，大火燒了19個小時，致使五個400立方米的球罐，四個450立方米臥罐和8000多只液化石油氣鋼瓶(其中空瓶3000多只)爆炸或燒毀，罐區(qū)相鄰的廠房、建筑物、機動車及設(shè)備等被燒毀或受到不同程度的損壞，400米遠相鄰的苗圃、住宅建筑及拖拉機、車輛也受到損壞，直接經(jīng)濟損失約627萬元，死36人

10、，重傷50人。球罐的主體材質(zhì)為15MnVR，內(nèi)徑9200毫米，壁厚25毫米，容積400立方米，用于貯存液化石油氣。,二、事故原因分析,1．根據(jù)斷口特征和斷裂力學(xué)的估算，該球罐的破裂是屬于低應(yīng)力的脆性斷裂，主斷裂源在上環(huán)焊縫的內(nèi)壁焊趾上，長約65毫米。2．經(jīng)宏觀及無損檢驗，上、下環(huán)焊縫焊接質(zhì)量很差，焊縫表面及內(nèi)部存在很多咬邊、錯邊、裂紋、熔合不良、夾渣及氣孔等缺陷。3．事故發(fā)生前在上下環(huán)焊縫內(nèi)壁焊趾的一些部位已存在縱向裂紋，這些裂紋

11、與焊接缺陷(如咬邊)有關(guān)。4．球罐投入使用后，從未進行檢驗，制造、安裝中的先天性缺陷未及時發(fā)現(xiàn)和消除，使裂紋擴展、當球罐內(nèi)壓力稍有波動便造成低應(yīng)力脆性斷裂。國務(wù)院1980年曾以國發(fā)99號文批轉(zhuǎn)《關(guān)于吉林市煤氣公司液化石油氣廠惡性爆炸火災(zāi)事故》時指出：這次事故暴露出來的壓力容器組裝質(zhì)量差、使用管理混亂，領(lǐng)導(dǎo)干部不重視安全生產(chǎn)，不認真執(zhí)行安全規(guī)章制度，不懂業(yè)務(wù)，不注意技術(shù)管理以及對設(shè)備長期不檢驗等問題，在不少企業(yè)、事業(yè)單位中都不同程度的

12、存在，應(yīng)當引起各級領(lǐng)導(dǎo)的嚴重注意。,三、防止同類事故的措施,1．在球罐設(shè)計、制造、安裝中要把住質(zhì)量關(guān)，特別是要保證焊接質(zhì)量。2．球罐投用后，使用單位的領(lǐng)導(dǎo)要提高安全意識，重視球罐的安全。 3．要建立健全必要的規(guī)章制度，提高管理人員和操作人員的素質(zhì)。,青島某化工廠爆炸事故,圖二,長春市鍋爐壓力容器壓力管道氣瓶狀況,壓力容器安全相關(guān)要素,器,人要安全可靠,設(shè)備安全可靠,系統(tǒng)安全可靠,管理安全可靠,本質(zhì)安全,狹義的本質(zhì)安全: 一

13、般是指機器、設(shè)備本身所具有的安全性能，是指機器、設(shè)備等物的方面和物質(zhì)條件能夠自動防止操作失誤或引發(fā)事故。在這種條件下，即使一般水平的操作人員發(fā)生人為的失誤或操作不當?shù)炔话踩袨?，也能夠保障人、設(shè)備和財產(chǎn)的安全。廣義的本質(zhì)安全: 指包括“人—機—環(huán)境—管理”這一系統(tǒng)表現(xiàn)出的安全性能，通過優(yōu)化資源配置和提高其完整性，使整個系統(tǒng)安全可靠?；谶@一系統(tǒng)和安全管理體系的本質(zhì)安全理念認為，所有事故都是可以預(yù)防和避免的。本質(zhì)安全具有如下特征

14、：一是人的安全可靠性。二是物的安全可靠性。三是系統(tǒng)的安全可靠性。四是管理規(guī)范和持續(xù)改進。,壓力容器的定義,廣義的壓力容器的定義：壓力容器，是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備?！短胤N設(shè)備安全監(jiān)察條例》中壓力容器的定義： 壓力容器，是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓），且壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPa·L的氣體、液化氣體和最高工作溫

15、度高于或者等于標準沸點的液體的固定式容器和移動式容器。 注：《固定容規(guī)》監(jiān)察范圍已經(jīng)完全符合《條例》的規(guī)定，但不包含移動式壓力容器。,《條例》中壓力容器監(jiān)察的范圍,同時具備以下條件的壓力容器：1.最高工作壓力P≥0.1MPa，2.壓力與容積的乘積值PV≥2.5MPa·L，3.介質(zhì)：氣體、液化氣體、氣體與液體的混合體。表壓：gauge pressure 以大氣壓為基準的流體指示壓力，可用壓力計測得，稱為表壓，即：絕對

16、壓力-大氣壓力=表壓力?？碱}1：《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》所規(guī)定的壓力容器安全監(jiān)察的范圍是什么？,各類容規(guī)適用范圍,《固定容規(guī)》適用于同時具備下列條件的壓力容器： (1)工作壓力大于或者等于0.1MPa（注1-2）； (2)工作壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPa·L (注1-3)； (3)盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體以及介質(zhì)最高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體 (注1-4)。超高壓容器應(yīng)當符合《超高壓容器安全技術(shù)

17、監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定；非金屬壓力容器應(yīng)當符合《非金屬壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定；簡單壓力容器應(yīng)當符合《簡單壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。,液化石油氣儲罐,舉例：氣體緩沖罐,,壓力供水罐（氣體+液體）,低溫絕熱儲罐,壓力容器術(shù)語,1、壓力（物體單位面積上所承受的力）（1）工作壓力Pw：在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。（2）設(shè)計壓力P：指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工

18、作壓力。（3）計算壓力PC：指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。（4）試驗壓力PT：在壓力試驗時，容器頂部的壓力。,壓力容器術(shù)語,（5）最大允許工作壓力[Pw]：指在設(shè)計溫度下，容器頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據(jù)容器殼體的有效厚度計算所得，且取最小值。 最大允許工作壓力可作為確定保護容器的安全泄放裝置動作壓力（安全閥開

19、啟壓力或爆破片設(shè)計爆破壓力）的依據(jù)。（6）安全閥的開啟壓力PZ：安全閥閥瓣開始離開閥座，介質(zhì)呈連續(xù)排出狀態(tài)時，在安全閥進口測得的壓力。（7）爆破片的標定爆破壓力Pb：爆破片銘牌上標明的爆破壓力。,壓力容器術(shù)語,2、溫度（1）溫度 金屬溫度：容器元件沿截面厚度的溫度平均值。 工作溫度：容器在正常工作情況下介質(zhì)溫度。（2）最高、最低工作溫度：容器在正常工作情況下可能出現(xiàn)介質(zhì)最高、最低溫度。（3）設(shè)計溫度：壓力容器在

20、正常工作情況，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。設(shè)計溫度與設(shè)計壓力一起作為壓力容器的設(shè)計載荷條件。（4）試驗溫度：系指壓力試驗時容器殼體的金屬溫度。 設(shè)計常溫儲存壓力容器時，應(yīng)當充分考慮在正常工作狀態(tài)下大氣環(huán)境溫度條件對容器殼體金屬溫度的影響，其最低設(shè)計金屬溫度不得高于歷年來月平均最低氣溫（是指當月各天的最低氣溫值相加后除以當月的天數(shù)）的最低值。,壓力容器術(shù)語,3、厚度（1）計算厚度δ：容器受壓元件為滿足強

21、度及穩(wěn)定性要求，按相應(yīng)公式計算得到的不包括厚度附加量的厚度。（2）設(shè)計厚度δd：計算厚度與腐蝕裕量之和。（3）名義厚度δn（即圖樣標注厚度）：設(shè)計厚度加上鋼材厚度負偏差后，向上圓整至鋼材（鋼板或鋼管）標準規(guī)格的厚度。（4）有效厚度δe：名義厚度減去厚度附加量（腐蝕裕量與鋼材厚度負偏差之和）。（5）最小實測厚度：實際測量的容器殼體厚度的最小值。（6）厚度附加量：設(shè)計容器受壓元件時所必須考慮的附加厚度，包括鋼板（或鋼管）厚度負偏

22、差C1及腐蝕裕量C2。注意：容器殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度δmin： 對碳素鋼、低合金鋼，不小于3mm 對高合金鋼，不小于2mm,常見壓力容器介質(zhì),壓縮氣體：空氣、氮氣、氧氣、氬氣、氫氣、一氧化碳、甲烷等液化氣體：液化石油氣、丙烷、丁烷、丙烯、液氨、液氯、二氧化碳等超低溫液化氣體：液氧、液氮、液氬、液化天然氣等。超過標準沸點的液體：高溫水等

23、。,介質(zhì)對容器帶來的危害,1、壓力：爆炸、開裂、泄漏、失穩(wěn)等2、溫度：高溫強度下降、蠕變，低溫脆斷等。3、腐蝕：壁厚減薄、材質(zhì)劣化等。4、沖擊：增加沖擊載荷。5、磨損：壁厚減薄。6、振動：附加應(yīng)力，疲勞。,常見介質(zhì)爆炸當量對比,相關(guān)參數(shù)對容器安全的影響,超壓會導(dǎo)致承載容器發(fā)生開裂或者爆炸而失效，負壓會導(dǎo)致大容積薄壁容器失穩(wěn)（癟了）。高溫會導(dǎo)致材料強度下降，失去承載能力；低溫會使材料失去延性（塑性），產(chǎn)生無預(yù)變的破壞。壁厚不

24、足或者減少會使容器承載能力下降可能導(dǎo)致失效。過厚導(dǎo)致浪費。,壓力容器的分類,1.按壓力為四級： 低壓L、中壓M、高壓H、超高壓U； 2、按工藝中的作用即品種分四種： 儲存容器C、換熱容器E、分離容器S、反應(yīng)容器R。 3、按照PV積及危險程度分三類： I、II、III類容器。,分類的目的,劃分類別、品種目的；便于分級進行安全技術(shù)管理和監(jiān)察，實施有目的性的分類監(jiān)管按不同類別對壓力容器材料選用、設(shè)計、制

25、造、使用管理分別提出不同要求；便于上報、統(tǒng)計。,壓力等級劃分,壓力容器的設(shè)計壓力（p）劃分為低壓、中壓、高壓和超高壓四個壓力等級： (1)低壓(代號L)，0.1MPa≤p＜1.6MPa； (2)中壓(代號M)，1.6MPa≤p＜10.0MPa； (3)高壓(代號H)，10.0MPa≤p＜100.0MPa； (4)超高壓(代號U)，p≥100.0MPa。,壓力容器品種劃分,壓力容器按照在生產(chǎn)工藝過程中

26、的作用原理，劃分為反應(yīng)壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器。具體劃分如下： (1)反應(yīng)壓力容器（代號R），主要是用于完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)的壓力容器，例如各種反應(yīng)器、反應(yīng)釜、聚合釜、合成塔、變換爐、煤氣發(fā)生爐等； (2)換熱壓力容器（代號E），主要是用于完成介質(zhì)的熱量交換的壓力容器，例如各種熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等； (3)分離壓力容器（代號S），主要是用于完成介質(zhì)的流體壓力平衡緩沖和氣

27、體凈化分離的壓力容器，例如各種分離器、過濾器、集油器、洗滌器、吸收塔、銅洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等； (4)儲存壓力容器（代號C，其中球罐代號B），主要是用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的壓力容器，例如各種型式的儲罐、緩沖罐、消毒鍋、印染機、烘缸、蒸鍋等。 在一種壓力容器中，如同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應(yīng)當按照工藝過程中的主要作用來劃分品種。,板翅式換熱器,板式換熱器,硫化罐,丙烯球罐,低溫絕

28、熱容器,過濾分離器,加氫反應(yīng)器,該反應(yīng)器高35.9米、直徑4米，總重680噸安慶石化重點工程220萬噸蠟油,介質(zhì)分組,壓力容器的介質(zhì)分為以下兩組，包括氣體、液化氣體以及最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體： (1)第一組介質(zhì)，毒性程度為極度危害、高度危害的化學(xué)介質(zhì)，易爆介質(zhì)，液化氣體。 (2)第二組介質(zhì)，除第一組以外的介質(zhì)。,常見氣體屬性表,固定容規(guī)中壓力容器類別劃分,第一組介質(zhì)第二組介質(zhì),第一組介

29、質(zhì),第二組介質(zhì)分類,容器分類舉例,設(shè)計壓力1.8MPa，介質(zhì)為液化石油氣，容積分別為25立方米、30立方米，應(yīng)當各自劃成幾類容器？答：1、PV=1.8X25000=45000MPa*L查表1，因P>1.6,PV1.6,PV>50000,在III類區(qū)內(nèi)，定為III類。分界點：27.78立方米。老容規(guī)：5.56立方米。液氨的分界點：25立方米。老容規(guī)：5.0立方米,壓力容器的分類,4. 其他分類方法：,4.1 按形狀分類

30、,如圓筒形、球形、組合型(前者均為回轉(zhuǎn)殼體)以及方形、矩形等; 4.2 按筒體結(jié)構(gòu)分為整體式、組合式. 4.3 按制造方法分為焊接(最為普通)、鍛焊、鍛造(主要用于超高壓)、鑄造(主要優(yōu)點是方便制造),但因其質(zhì)量問題需加大安全系數(shù),多用于小型、低壓. 4.4 固定式、移動式 4.5 立式、臥式,壓力容器的分類,4.6按材料分為金屬與非金屬兩大類,其中:金屬中分為鋼、鑄鐵、有色金屬與合金.其中有色金屬與合金主要用于腐蝕

31、等特殊工況,在生產(chǎn)條件、生產(chǎn)裝備、原材料驗收與堆放、吊裝、運輸包裝，尤其是焊接等環(huán)節(jié)有一系列特殊要求。鋼中以其化學(xué)成份又分為碳素鋼、低合金鋼（前兩者主要是強度鋼）及高合金鋼（主要用于腐蝕、低溫、高溫等特殊工況）。,壓力容器結(jié)構(gòu),壓力容器一般是由筒體（又稱殼體）、封頭（又稱端蓋）、法蘭、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等組成。它們統(tǒng)稱為過程設(shè)備零部件，這些零部件大都有標準。其典型過程設(shè)備有換熱器、反應(yīng)器、塔式容器、儲存容器等。

32、 壓力容器的結(jié)構(gòu)形狀主要有圓筒形、球形、和組合形。圓筒形容器是由圓柱形筒體和各種成型封頭（半球形、橢圓形、碟形、錐形）所組成。球形容器由數(shù)塊球瓣板拼焊成。承壓能力很好，但由于安置內(nèi)件不便和制造稍難，故一般用作貯罐。壓力容器的筒體、封頭（端蓋）、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、膨脹節(jié)、開孔補強圈、設(shè)備法蘭；球罐的球殼板；換熱器的管板和換熱管；M36以上的主螺栓及公稱直徑大于250mm的接管和管法蘭均作為主要受壓元件。,壓力容器結(jié)構(gòu)—

33、—典型結(jié)構(gòu),,壓力容器結(jié)構(gòu)——典型結(jié)構(gòu),,壓力容器結(jié)構(gòu)——典型結(jié)構(gòu),,丙烯球罐,壓力容器結(jié)構(gòu)——典型結(jié)構(gòu),,壓力容器結(jié)構(gòu)——典型結(jié)構(gòu),,壓力容器結(jié)構(gòu)——典型結(jié)構(gòu),,壓力容器結(jié)構(gòu)——零部件,1. 筒體 圓柱形筒體是壓力容器主要形式，制造容易、安裝內(nèi)件方便、而且承壓能力較好，因此應(yīng)用最廣。圓筒形容器又可以分為立式容器和臥式容器。 由于容器的筒體不但存在與容器封頭、法蘭相配的問題，而且臥式容器的支座標準也是按照容器的

34、公稱直徑系列制定的，所以不但管子有公稱直徑，筒體也制定了公稱直徑系列。 對于用鋼板卷焊的筒體，用筒體的內(nèi)徑作為它的公稱直徑，其系列尺寸有300、400、500、600…等，如果筒體是用無縫鋼管制作的，用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑。,壓力容器結(jié)構(gòu)——零部件,2. 封頭（1）球形封頭——壁厚最薄，用材比較節(jié)省。但封頭深度大、制造比較困難。（2）橢圓形封頭——橢圓形封頭縱剖面的曲線部分是半個橢圓形，直邊段高度為h，因此橢圓形封

35、頭是由半個橢球和一個高度為h的圓筒形筒節(jié)構(gòu)成。橢圓殼體周邊的周向應(yīng)力為壓應(yīng)力，應(yīng)保證不失穩(wěn)。（3）碟形封頭——碟形封頭是由三部分組成。第一部分是以半徑為Ri的球面部分，第二部分是以半徑為Di/2的圓筒形部分，第三部分是連接這兩部分的過渡區(qū)，其曲率半徑為r,Ri與r均以內(nèi)表面為基準。不連續(xù)過渡導(dǎo)致邊緣應(yīng)力。,,,,,壓力容器結(jié)構(gòu)——零部件,（4）球冠形封頭——球冠形封頭可用作端封頭，也可以用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，由于封頭為一球

36、面且無過渡區(qū)，在連接邊緣有較大邊緣應(yīng)力，要求封頭與筒體聯(lián)接處的T形接頭采用全焊透結(jié)構(gòu)。（5）錐形封頭——錐形封頭有無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭。（6）平蓋——彎曲應(yīng)力較大，在等厚度、同直徑條件下，平板內(nèi)產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力是圓筒壁薄膜應(yīng)力的20～30倍。但結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。,,,,,壓力容器結(jié)構(gòu)——零部件,3. 支座 支座是用來支承容器重量和用來固定容器的位置。支座一般分為立式容器支座、臥式容器支座。 立

37、式容器支座分為耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。臥式容器多使用鞍式支座。 4. 法蘭 法蘭連接主要優(yōu)點是密封可靠和足夠的強度。缺點是不能快速拆卸、制造 成本較高。 法蘭分類主要有以下方法：（1）按其被連接的部件分為壓力容器法蘭和管法蘭。（2）按法蘭接觸面的寬窄可分為窄面法蘭和寬面法蘭。（3）按整體性程度分為整體法蘭、松式法蘭和任意式法蘭。5. 人孔與手孔,,,,壓力容器結(jié)構(gòu)——開

38、孔與補強,1 為何要進行開孔補強 通常所用的壓力容器，由于各種工藝和結(jié)構(gòu)的要求，需要在容器上開孔和安裝接管，由于開孔去掉了部分承壓金屬，不但會削弱容器的器壁的強度，而且還會因結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到破壞在開孔附近造成較高的局部應(yīng)力集中。這個局部應(yīng)力峰值很高，達到基本薄膜應(yīng)力的3倍，甚至5-6倍。再加上開孔接管處有時還會受到各種外載荷、溫度等影響，并且由于材質(zhì)不同，制造上的一些缺陷、檢驗上的不便等原因的綜合作用，很多失效就會在開

39、孔邊緣處發(fā)生。主要表現(xiàn)不疲勞破壞和脆性裂紋，所以必須進行開孔補強設(shè)計。2 壓力容器為何有時可允許不另行補強 壓力容器允許可不另行補強是鑒于以下因素： 容器在設(shè)計制造中，由于用戶要求，材料代用等原因，殼體厚度往往超過實際強度的需要。厚度的增加使最大應(yīng)力有所降低，實際上容器已被整體補強了。例如：在選材時受鋼板規(guī)格的限制，使壁厚有所增加；或在計算時因焊接系數(shù)壁厚增加，而實際開孔不在焊縫上；還有在設(shè)計時采用封頭

40、與筒體等厚或大一點，實際上封頭已被補強了。在多數(shù)情況下，接管的壁厚多與實際需要，多余的金屬起到了補強的作用。,,,,壓力容器結(jié)構(gòu)——開孔與補強,3 開孔補強結(jié)構(gòu)所謂開孔補強設(shè)計，就是指采取適當增加殼體或接管壁厚的方法以降低應(yīng)力集中系數(shù)。其所涉及的有補強形式、開孔處內(nèi)、外圓角的大小以及補強金屬量等。(1) 加強圈是最常見的補強結(jié)構(gòu)，貼焊在殼體與接管連接處，如圖a、b、c。該補強結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但加強圈與金屬間存在一層靜止的氣隙

41、，傳熱效果差。當兩者存在溫差時熱膨脹差也較大，因而在局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。另外，加強圈較難與殼體形成整體，因而抗疲勞性能較差。這種補強結(jié)構(gòu)一般用于靜壓、常溫及中、低壓容器。(2) 接管補強，即在殼壁與接管之間焊上一段厚壁加強管，如圖d、e、f。它的特點是能使所有用來補強的金屬材料都直接處在最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，因而能有效地降低開孔周圍的應(yīng)力集中程度。低合金高強度鋼制的壓力容器與一般低碳鋼相比有較高的缺口敏感性，采用接管補強為好。(3

42、) 整鍛件補強結(jié)構(gòu)如圖g、h、I，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大的部位，補強后的應(yīng)力集中系數(shù)小。由于焊接接頭為對接焊，且焊接接頭及熱影響區(qū)可以遠離最大應(yīng)力點位置，所以抗疲勞性能好。但這種結(jié)構(gòu)需要鍛件，且機械加工量大，所以一般只用于要求嚴格的設(shè)備。,,,,壓力容器結(jié)構(gòu)——開孔與補強,圖 補強結(jié)構(gòu),,,,,壓力容器設(shè)計,1. 常用設(shè)計規(guī)范及適用的壓力范圍GB150－1998《鋼制壓力容器》 設(shè)計壓力P：

43、0.1～35 MPa ； 真空度：≥0.02 MPa JB4732－95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標準》 設(shè)計壓力P：0.1～100 MPa； 真空度：≥0.02 MPa 疲勞載荷；高溫蠕變GB151－1999《管殼式換熱器》 設(shè)計壓力P：0.1～35 MPa ；真空度：≥0.02 MPaGB12337－1998《鋼制球形儲罐》 設(shè)計壓力

44、：P≤4MPa；公稱容積：V≥50M3,壓力容器設(shè)計,2. 設(shè)計時應(yīng)考慮的載荷GB150－1998《鋼制壓力容器》：（1）內(nèi)壓、外壓或最大壓差；（2）液體靜壓力(≥5%P)； （3）容器的自重（內(nèi)件和填料），以及正常工作條件下或壓力試驗狀態(tài)下內(nèi)裝物料 的重力載荷；（4）附屬設(shè)備及隔熱材料、襯里、管道、扶梯、平臺等的重力載荷；（5）風(fēng)載荷、地震力、雪載荷；（6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撐件的反

45、作用力；（7）連接管道和其他部件的作用力；（8）溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力；（9）包括壓力急劇波動的沖擊載荷；（10）沖擊反力,如流體沖擊引起的反力等；（11）運輸或吊裝時的作用力。,壓力容器設(shè)計,3.失效準則:容器從承載到載荷的不斷加大最后破壞經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、爆破，因此容器強度失效準則有三種觀點：（1）彈性失效——常規(guī)設(shè)計（GB150等） 彈性失效準則認為殼體內(nèi)壁產(chǎn)生屈服即達到材料屈服限時該殼

46、體即失效，將應(yīng)力限制在彈性范圍，按照強度理論把筒體限制在彈性變形階段。認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服時即為承載的最大極限。 （2）塑性失效——分析設(shè)計（JB4732） 塑性失效準則將容器的應(yīng)力限制在塑性范圍，認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服而外層金屬仍處于彈性狀態(tài)時，并不會導(dǎo)致容器發(fā)生破壞，只有當容器內(nèi)外壁面全屈服時才為承載的最大極限。 （3）爆破失效——高壓、超高壓設(shè)計 爆破失效準則認為容器由韌性鋼材制成，有明顯的應(yīng)變

47、硬化現(xiàn)象，即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力，只有達到爆破時才是容器承載的最大極限。 *****用途：設(shè)計的理論基礎(chǔ)，指標限制，什么時候算失效，不能用。,壓力容器設(shè)計,4.彈性實效準則下的四個強度理論：第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）——常規(guī)設(shè)計（GB150等）這個理論也叫做“最大正應(yīng)力理論”，該理論假定材料的破壞只取決于絕對值最大的正應(yīng)力，就是說，材料不論在什么復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，只要三個主應(yīng)力中有一個達到軸向拉伸或壓縮中破壞應(yīng)

48、力的數(shù)值時，材料就要發(fā)生破壞。 第二強度理論（最大變形理論）這個理論也稱為“最大線應(yīng)變理論”，它認為材料的破壞取決于最大線應(yīng)變，即最大相對伸長或縮短。 第三強度理論（最大剪應(yīng)力理論）——分析設(shè)計（JB4732）此即“最大剪應(yīng)力理論”。該理論認為，無論材料在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要最大剪應(yīng)力達到在軸向拉伸中破壞時的數(shù)值，材料就發(fā)生破壞。 第四強度理論（剪切變形能理論） 該理論也稱作“形狀改變比能理論”認為材料的破壞取決于變形比能，

49、把材料的破壞歸結(jié)為應(yīng)力與變形的綜合。 *****用途：將復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)進行等效簡化，以便建立強度條件關(guān)系式。,金屬材料的強度,1、室溫下的抗拉強度Rm ，屈服強度；2、設(shè)計溫度下的屈服強度RteL；3、設(shè)計溫度下持久強度極限平均值 RtD；4、設(shè)計溫度下蠕變極限平均值（每1000小時蠕變率為0.01%的）Rtn,HYW-600KN微機控制電液伺服萬能試驗機,在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。測定鋼材強度的主要方法是拉

50、伸試驗，鋼材受拉時，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映出鋼材地主要力學(xué)特征。從圖2-3低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到拉斷，經(jīng)歷了四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段。,拉伸試樣,安全系數(shù),壓力容器設(shè)計,5. 安全系數(shù) 5.1安全系數(shù)的作用---安全性與經(jīng)濟性辯證統(tǒng)一，整部標準規(guī)范的核心。 5.2 為何有安全系數(shù) 載荷誤差;設(shè)計誤差;材料誤差;制造與檢驗的誤差;使用中的問

51、題;未可知因素,許用應(yīng)力的獲得,許用應(yīng)力=材料某種強度÷對應(yīng)安全系數(shù)取最小數(shù)值為許用應(yīng)力。一般可以在相應(yīng)設(shè)計標準中查到。,壓力容器設(shè)計,5. 安全系數(shù)5.3 安全系數(shù)發(fā)展的歷史與趨向單一走向多元---nb(強度)、ns(屈服)、nst(設(shè)計溫度下屈服)、nD(持久)、nn(蠕變)。取五者中最小許用應(yīng)力。從高到低，下降趨勢（技術(shù)進步，經(jīng)驗積累）。針對不同應(yīng)力對安全的不同影響，取不同的安全系數(shù)。,壓力容器設(shè)計,5.

52、 安全系數(shù) 5.4 螺栓安全系數(shù)的特殊性---避免過度上緊一般只對屈服點取安全系數(shù)依材料而異依規(guī)格而異,壓力容器設(shè)計,6. 焊縫(焊接接頭)系數(shù)6.1 焊縫系數(shù)的作用---設(shè)計系數(shù)?？紤]焊縫對容器強度的削弱，用整個增加壁厚的方式補足.6.2 焊縫系數(shù)的選取---依焊接接頭型式及無損檢測長度（比例）確定。,壓力容器設(shè)計,6. 焊縫(焊接接頭)系數(shù)6.3 幾個問題的解釋相當于雙面焊的全焊透對接接頭，可采用多種方法實現(xiàn)，最終由

53、無損檢測判斷；一般均指縱縫，環(huán)縫焊接接頭系數(shù)僅在特定條件（如高塔風(fēng)載）下采用;容規(guī)對無墊板單面焊環(huán)向接頭焊縫系數(shù)的規(guī)定，應(yīng)理解為對無墊板單面焊使用的限制。,壓力容器設(shè)計,7.應(yīng)力分析設(shè)計的一般概念7.1 常規(guī)設(shè)計的局限性（GB150、151、12337等） 壓力容器的常規(guī)設(shè)計經(jīng)過了長期的實踐考驗，簡便可靠，目前仍為各國壓力容器設(shè)計規(guī)范所采用。然而，常規(guī)設(shè)計也有其局限性，主要表現(xiàn)在以下幾方面。載荷限制：常規(guī)設(shè)

54、計將容器承受的“最大載荷”按一次施加的靜載荷處理，不涉及容器的疲勞壽命問題，不考慮熱壓力。計算不準確，難以發(fā)現(xiàn)危險點，也不經(jīng)濟：常規(guī)設(shè)計以材料力學(xué)及板殼薄膜簡化模型的簡化計算公式為基礎(chǔ)，確定筒體中平均應(yīng)力的大小，只要此值限制在以彈性失效設(shè)計準則所確定的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，則認為筒體是安全的。而對容器上結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域和一些部件，只能通過經(jīng)驗公式或經(jīng)驗系數(shù)計算，同時限制結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、工作條件來保證安全。顯然，這種方法是粗略的，具有局限性

55、。結(jié)構(gòu)限制：常規(guī)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定了具體的容器結(jié)構(gòu)形式，但規(guī)范中未作規(guī)定或限制應(yīng)用的一些結(jié)構(gòu)和載荷形式就無法采用，因此，常規(guī)設(shè)計不利于新型設(shè)備和結(jié)構(gòu)的開發(fā)和使用。,壓力容器設(shè)計,7.應(yīng)力分析設(shè)計的一般概念7.2 應(yīng)力分析設(shè)計（JB4732）與規(guī)則設(shè)計（GB150）的主 要區(qū)別 GB150將復(fù)雜（真實）應(yīng)力狀態(tài)簡化，只考慮一次膜 應(yīng)力對安全的影響，其他應(yīng)力的影響用結(jié)構(gòu)限制、元 件系數(shù)等方法簡單處理，可滿足多數(shù)一般產(chǎn)品安

56、全， 設(shè)計計算簡便，同一臺容器采用統(tǒng)一的安全系數(shù)； JB4732需進行詳細的應(yīng)力計算與分類，可滿足高參 數(shù)重要產(chǎn)品的安全，設(shè)計計算復(fù)雜必須采用計算機， 根據(jù)不同應(yīng)力的各種組合（應(yīng)力強度）對安全的不 同影響分別加以不同限制。,壓力容器設(shè)計,7.2 應(yīng)力分析設(shè)計（JB4732）與規(guī)則設(shè)計（GB150）的主 要區(qū)別 GB150采用第一強度理論，彈性失效準則，不適用 于疲勞容器，壓力適用上

57、限35MPa，安全系數(shù)較高； JB4732采用第三強度理論，塑性失效準則，可用于 疲勞容器，壓力適用上限100MPa，安全系數(shù)較低。二者的制造檢驗要求無本質(zhì)差別，僅JB4732要求更嚴格，如不允許采用局部無損檢測、每臺容器均制備產(chǎn)品焊接試板、對接管開孔倒圓倒角有明確要求、疲勞容器不得保留焊縫余高等。,壓力容器設(shè)計,7.3 應(yīng)力分類的基本知識按各類應(yīng)力對容器安全的不同影響,將其分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力與峰值應(yīng)力.,仿真研究

58、,壓力容器制造,《鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理 辦法》《鍋爐壓力容器制造許可條件》《鍋 爐 壓 力 容 器 產(chǎn) 品 安 全 性 能 監(jiān) 督 檢 驗 規(guī) 則》GB150，GB151，JB/T4732，GB713-2008.,壓力容器制造質(zhì)量控制環(huán)節(jié),鍋 爐 壓 力 容 器 制 造 許 可 條 件：壓 力 容 器 制 造 企 業(yè) 具 有 與 所 制 造 壓 力 容 器 產(chǎn) 品 相 適 應(yīng) 的 ， 具 備 相關(guān) 專 業(yè) 知 識 和 一 定

59、 資 歷 的 下 列 質(zhì) 量 控 制 系 統(tǒng) （ 以 下 簡 稱 ： 質(zhì) 控 系 統(tǒng) ） 責(zé)任 人 員 ：（ 一 ） 設(shè) 計 、 工 藝 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 二 ） 材 料 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 三 ） 焊 接 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 四 ） 理 化 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 五 ） 熱 處 理 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 六 ） 無 損 檢 測 質(zhì) 控

60、系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 七 ） 壓 力 試 驗 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。（ 八 ） 最 終 檢 驗 質(zhì) 控 系 統(tǒng) 責(zé) 任 人 員 。,制造程序,1、設(shè)計及設(shè)計審查2、工藝編制3、材料及零部件入廠檢查，材料復(fù)驗。4、下料及鋼板材料標記移植。5、卷板、焊接，無損檢測，成型。6、熱處理，壓力試驗，最終檢驗。生產(chǎn)過程要接受檢驗機構(gòu)的產(chǎn)品安全性能監(jiān)督檢驗。,焊接試板,4.3.1 需要制備產(chǎn)品焊接試件的條件(

61、1)碳鋼、低合金鋼制低溫壓力容器；(2)材料標準抗拉強度下限值大于或者等于540MPa的低合金鋼制壓力容器；(3)需經(jīng)過熱處理改善或者恢復(fù)材料力學(xué)性能的鋼制壓力容器；(4)設(shè)計圖樣注明盛裝毒性為極度或者高度危害介質(zhì)的壓力容器；(5)設(shè)計圖樣和本規(guī)程引用標準要求制備產(chǎn)品焊接試件的壓力容器。,壓力容器制造,1. 產(chǎn)品焊接試板1.5 不合格處理允許重新取樣復(fù)驗允許重新熱處理如仍不合格且無試板,則代表的產(chǎn)品焊縫為不合格

62、1.6 應(yīng)注意的問題試板焊縫應(yīng)探傷，但無合格級別且不需返修，目的在于避開缺陷處取樣，防止缺陷造成試驗結(jié)果不合格。環(huán)縫不做，需要時做鑒證環(huán)。,壓力容器制造,2. 焊后(消除應(yīng)力)熱處理2.1 目的 消除過大焊接應(yīng)力2.2 焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因、特點及危害焊接應(yīng)力因焊接過程中變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生焊接應(yīng)力的特點:量值高,可能≥屈服極限；一直存在；屬二次應(yīng)力有“自限性”；測量困難（x光衍射、小孔）。對容器的主要危害為應(yīng)力腐蝕。,壓力

63、容器制造,2. 焊后(消除應(yīng)力)熱處理2.3 需進行焊后熱處理的條件通用條件---依據(jù)材質(zhì)、厚度、預(yù)熱溫度的不同組合判定； 必需條件---圖樣注明應(yīng)力腐蝕、盛裝極度、高度危害介質(zhì)；免做條件---奧氏體不銹鋼； 關(guān)注應(yīng)力腐蝕的復(fù)雜性（介質(zhì)、溫度、酸堿度、材質(zhì)、 殘余應(yīng)力等）,壓力容器制造,2. 焊后(消除應(yīng)力)熱處理2.4 焊后熱處理 整體進爐、分段進爐、局部、現(xiàn)場熱處理2.5 熱處理工藝要求

64、 進、出爐爐溫；升、降溫速度；保溫時溫差；爐內(nèi)氣氛。目的在于熱透；避免過大溫差應(yīng)力造成的損害.,壓力容器制造,3. 耐壓試驗與氣密性試驗3.1 耐壓試驗的目的內(nèi)壓—竣工后出廠前全面考核(驗證)強度;檢漏3.2 液壓試驗試驗壓力的確定--試驗壓力計算公式中的系數(shù)與安全系數(shù)有關(guān)，試驗前的應(yīng)力校核是基于彈性失效準則。,壓力容器制造,3. 耐壓試驗與氣密性試驗3.3 氣壓試驗氣壓試驗的危險性遠高于液壓，氣體會高速恢復(fù)被壓縮的

65、體積形成沖擊波；允許氣壓試驗的條件：因承重等原因無法液壓；液體無法吹干排凈生產(chǎn)中不允許殘留液體。,壓力容器制造,3. 耐壓試驗與氣密性試驗3.4 氣密試驗?zāi)康?--檢漏條件---極度高度危害介質(zhì);生產(chǎn)工藝過程中不允許泄漏；試驗介質(zhì)---空氣、氨、惰性氣體等，氣壓試驗后是否再做氣密與介質(zhì)有關(guān)試驗合格指標與檢漏方法,壓力容器制造,4. 壓力容器的改造與維修4.1 應(yīng)充分關(guān)注改造與維修的難度和質(zhì)量 在使用現(xiàn)

66、場對在役容器進行維修、改造,尤其是動火(焊接)維修、改造在技術(shù)上是件十分困難的事,主要難點在于:缺陷的去除、坡口加工、開孔等由于位置、工具等原因，難度大于制造廠；焊接修復(fù)由于位置、施焊環(huán)境、預(yù)熱條件、拘束度等原因，難度大于制造廠。 在役產(chǎn)品的材料可能早被淘汰，在長期使用過程中因老化、腐蝕等原因可能造成材料性能質(zhì)量的改變，均會加大維修、改造的難度。,壓力容器制造,4. 壓力容器的改造與維修4.2 對提高維修改造的建議措施

67、提高對維修改造單位、人員的市場準入標準。焊補前一定要嚴格進行無損檢測確保缺陷除凈，并應(yīng)進行必要的焊接工藝評定。對Cr-Mo低合金鋼及高強鋼的維修改造應(yīng)慎之又慎，最好由原制造廠或其他經(jīng)驗豐富的單位實施。是否值得維修改造要充分考慮容器的使用年限與價值。,壓力容器制造,5. 管子與管板的脹接5.1 脹接的分類貼脹。貼脹在管板孔內(nèi)表面可不開槽。貼脹一定要與強度焊聯(lián)合使用，其目的在于減少管子與管板間的間隙，防止震動。強度脹。強度

68、脹管板孔內(nèi)表面應(yīng)開矩形槽，并應(yīng)達到全厚度脹接。強度脹可單獨使用，亦可與密封焊聯(lián)合使用，對重要場合亦可與強度焊聯(lián)合使用。,壓力容器制造,5. 管子與管板的脹接5.2 脹接方法 一般分為柔性脹（如液壓脹、橡膠脹、液袋式液脹等）和機械脹。5.3 脹接質(zhì)量控制要求嚴格檢查管端與管板孔內(nèi)表面的尺寸精度、清潔度、硬度、粗糙度，尤其不應(yīng)有縱向或螺旋狀刻痕。脹接前應(yīng)計算脹接壓力并進行試脹，測試脹接接頭的拉脫力。脹后應(yīng)進行耐壓