压力容器安全操作技术.docx

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压力容器安全操作技术

压力容器安全操作技术

压力容器基本知识

第一节 压力容器简介

  压力容器是化工生产中不可缺少的设备，作为操作人员，保证压力容器安全运行是自己应尽的职责。

下面就简要介绍一些基本知识。

  一、压力 在物理学上把垂直作用在物体表面上的力叫做压力。

单位面积所受的力称之为压强。

     P（压强）＝F（压力）/S（受力面积）

  力的国际基本单位是“牛顿（N）”；

  面积的国际基本单位是“米2（m2）”；

  压强的国际基本单位是“帕斯卡”，简称“帕”，用“Pa”表示。

1帕斯卡＝1牛顿/米2，即1Pa＝1N/m2。

  在生产实践中，习惯上说的压力就是指物理学中的压强。

人们习惯用的单位有“公斤”，实际指的是“公斤力/厘米2”，

  1公斤力/厘米2＝10000公斤力/米2＝9.8×104Pa

  在今后的工作中未做特别说明则所说的压力就是指压强。

  常用的压力单位有：

  大气压 1大气压＝1.013×105Pa＝760毫米汞柱

  巴 1巴＝1×105Pa

  1公斤力/厘米2＝9.8×104Pa≈1×105Pa＝0.1MPa

  绝对压力、表压力与负压力。

P绝（a）＝P表＋P大气

  二、压力容器的定义容器是指由曲面构成用于盛装物料的空间构件。

工业生产中具有特定的工艺功能并承受一定压力的设备，称压力容器。

贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。

  三、压力容器的压力源 

  1.源于外部：

压力的产生和增大来源于蒸汽锅炉或气体压缩机。

  2.源于内部：

（1）容器内介质的聚集状态发生改变；

（2）气体介质在容器内受热，温度升高；

  （3）介质在容器内发生体积增大的化学反应等。

  四、压力容器界限

  1.划分压力容器的界限应考虑的因素主要是事故发生的可能性与事故危害性的大小两方面。

  2.我国压力容器管制界限范围为了与一般容器（常压容器）相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器：

（1）最高工作压力≥9.8104Pa（1Kgf/cm2）；

（2）容积≥25L，且工作压力与容积之积≥200L.Kgf/cm2（1960104L.Pa）；

  （3）介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体。

  五、压力容器的用途十分广泛。

它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。

  压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。

此外，还配有安全装置、压力表、液位计及完成不同生产工艺作用的内件。

  压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。

目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

  第二节压力容器的工艺参数

  压力容器的工艺参数是由生产的工艺要求确定的，是进行压力容器设计和安全操作的主要依据。

压力容器的主要工艺参数为压力和温度。

  一、压力

  1.工作压力。

工作压力也称操作压力，是指容器顶部在正常工艺操作时的压力（即不包括液体静压力）。

  2.最高工作压力。

是指容器顶部在工艺操作过程中可能产生的最大表压力（即不包括液体静压力）。

压力超过此值时容器上的安全装置就要动作。

如安全阀起跳，爆破板爆破等。

  3.设计压力。

是指在相应设计温度下用以确定容器计算壁厚及其元件尺寸的压力。

一般取设计压力等于或略高于最高工作压力。

  «压力容器安全监察规程»规定容器的设计压力，应略高于容器在使用过程中的最高工作压力。

装有安全装置的容器，其设计压力不得小于安全装置的开启压力或爆破压力。

  «钢制石油化工压力容器设计规定»规定容器的设计压力，应略高于或等于最高工作压力。

针对不同的情况，提出了如下几种确定设计压力的方法。

（1）当容器上装有安全泄放装置时，取安全泄放装置的开启压力作为设计压力。

（2）当单个容器上无安全泄放装置，而在工艺系统中装有安全泄放装置时，可根据容器在系统中的工作情况，以最高工作压力增加适当裕度作为设计压力。

裕度取值无明文规定，但多数设计者往往取最高工作压力的1.05～1.1倍为设计压力。

  （3）当容器内为爆炸性介质时，容器的设计压力根据介质特性、爆炸前的瞬时压力，爆破膜的破坏压力以及爆破膜的排放面积与容器中气相容积之比等因素作特殊考虑。

爆破膜的实际爆破压力之差，应在±5％范围之内。

实际上，对于这种工况，国内设计多取最高工作压力的1.15～1.3倍作为设计压力。

  （4）对装有液化气体的容器，应根据充装系数和可能达到的最高温度确定设计压力。

  （5）外压容器，应取不小于在正常工作过程中任何时间内可能产生的最大内外压力差为设计压力。

  （6）真空容器，按外压容器设计，当装有安全控制装置时，取最大内外压力差的1.25倍或0.1MPa（1㎏f/cm2）两者中的较小者为设计压力；当未安装安全控制装置时，设计压力取0.1MPa（1㎏f/cm2）；对带有夹套的真空容器，按上述原则再加夹套内压力为设计压力。

  二、温度

  1.介质温度。

系指容器内工作介质的温度，可以用测温仪表测得。

  2.设计温度。

压力容器的设计温度不同与其内部介质可能达到的温度，系容器在正常工作过程中，在相应设计压力下，表壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。

«设计规定»对设计温度的选取有如下规定：

（1）当容器的各个部位在工作过程中可能产生不同温度时，可取预计的不同温度作为各相应部位的设计温度。

（2）对有内保温的容器应作壁温计算或以工作条件相似容器的实测壁温作为设计温度，并需在容器壁上设置测温点或涂以超温显示剂。

  值得注意的是，只有当工作温度低于-20oC时，才按最低温度确定设计温度。

除此而外，设计温度一律按最高温度选取。

  第三节 压力容器的分类

  压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。

  一、按承受压力的等级分为：

  1.低压容器0.1≤P<1.6MPa；2.中压容器1.6≤P<10MPa；

  3.高压容器10≤P<100MPa；4.超高压容器P。

  二、按盛装介质分为：

  1.非易燃、无毒；2.易燃或有毒；3.剧毒。

  三、按工艺过程中的作用不同分为：

  ①反应容器：

用于完成介质的物理、化学反应的容器。

  ②换热容器：

用于完成介质的热量交换的容器。

  ③分离容器：

用于完成介质的质量交换、气体净化、固、液、气分离的容器。

  ④贮运容器：

用于盛装液体或气体物料、贮运介质或对压力起平衡缓冲作用的容器。

  在一种容器中，如同时具有两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的注意作用来划分。

  四、为了更有效地实施科学管理和安全监检，我国《压力容器安全监察规程》中根据工作压力、介质危害性及其在生产中的作用将压力容器分为三类。

并对每个类别的压力容器在设计、制造过程，以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。

  为有利于安全技术监督和管理，将本规程适用范围内的压力容器划分为三类（压力等级和品种的划分，见附件一）：

１．低压容器（本条第２、３款规定的除外）为第一类压力容器。

     2.下列情况之一为第二类压力容器：

（１）中压容器（本条第３款规定的除外）；

（２）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；

*１．易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于１０％，或爆炸上限和下限之差值大于等于２０％的气体，如：

一甲胺、乙烷、乙烯、氯甲烷、环氧乙烷、环丙烷、氢、丁烷、三甲胺、丁二烯、丁烯、丙烯、甲烷等。

*２．介质的毒性程度参照ＧＢ５０４４《职业性接触毒物危害程度分级》的规定，分为四级，其最高容许浓度分别为：

（１）极度危害（Ⅰ级）＜０．１ｍｇ／ｍ３；

（２）高度危害（Ⅱ级）０．１～＜１．０ｍｇ／ｍ３；

（３）中度危害（Ⅲ级）１．０～＜１０ｍｇ／ｍ３；

（４）轻度危害（Ⅳ级）≥１０ｍｇ／ｍ３。

举例：

  Ⅰ、Ⅱ级棗氟、氢氰酸、光气、氟化氢、碳酸氟氯等；Ⅲ级棗二氧化硫、氨、一氧化碳、氯乙烯、甲醇、氧化乙烯、硫化乙烯、二硫化碳、乙炔、硫化氢等；Ⅳ级棗氢氧化钠、四氟乙烯、丙酮等。

  *３．压力容器中的介质为混合物质时，应以介质的组成并按本注的毒性程度或易燃介质的划分原则，由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门，决定介质毒性程度或是否属于易燃介质。

 （3）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

 （4）低压管壳式余热锅炉（管壳式余热锅炉是指本规程第三条所述烟道式余热锅炉之外的、结构类似压力容器、并按压力容器标准、规范进行设计和制造的余热锅炉）；

 （５）搪玻璃压力容器。

３．下列情况之一为第三类压力容器：

（１）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和P•Ｖ值大于等于0.2MPa•m3的低压容器；其中Ｐ指设计压力。

（２）易燃或毒性程度为中度危害介质且P•V大于等于０．５MPa•m3的中压反应容器和P•V大于等于１０MPa•ｍ３的中压储存容器；

（３）高压、中压管壳式余热锅炉；

（４）高压容器。

压力容器常用的钢材

  一、对选用钢材的要求用来制造压力容器的钢材应能适应容器的操作条件（如温度、压力、介质特性等），并有利于容器的加工制造和质量保证。

具体选用时，重点应考虑钢材的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性。

  1.机械性能。

用于制造压力容器的钢材主要强调其强度、塑性、韧性三个性能指标。

（1）强度 物体的原子间存在着的相互作用力称为内力，这是物体所固有的。

当对物体施加外力时，在物体内部将引起附加的内力，这一附加内力会随着外力的加大而相应的增加。

我们把物体单位面积上所受的附加力称为应力。

对于某一材料来说，所能承受的应力有一定的限度，超过了这个限度，物体就会破坏，这一限度就称为强度。

在此，我们也可以将物体的强度简单说成能承受外力和内力作用而不被破坏的能力。

  概念：

a.抗拉强度――钢材试样在拉伸试验中，拉断前所承受的最大应力。

  b.屈服极限（又称屈服强度）――试样拉伸过程中，拉力不增加（甚至有所下降），还继续显著变形的最小应力。

有些钢材无明显临界屈服点，则规定其发生0.2％残余伸长变形的应力为“条件屈服极限”，以Ó0.2表示。

  c.蠕变极限――在一定温度和恒定拉力负荷下，试样在规定的时间间隔内的蠕变变形量或蠕变速度不超过某规定值时的最大应力。

例如，在«钢制石油化工压力容器设计规定»中采用的“Ótn”，是指在tOC温度条件下，经过10万小时后的总变形量为1％的蠕变极限。

  d.持久强度，对于应力容器来讲，失效的形式主要是破坏而不是变形，所以要有一个能更好地反映高温元件失效特点的强度指标――持久强度：

试样在给定温度下，经过规定时间发生断裂的应力。

在«钢制石油化工压力容器设计规定»中用“ÓtD”表示,即tOC温度下，经过10万小时而断裂应力。

（2）塑性 指金属材料发生塑性变形的性能。

  （3）韧性 表征材料抵抗脆性断裂的能力。

  2.工艺性能。

即冷塑性变形能力和可焊性。

碳钢和普通低合金钢含碳量分别小于0.3％和025时，一般都具有良好的可焊性。

对于合金钢，可焊性与其碳当量有关，一般认为，碳当量不超过0.45％的合金钢具有良好的可焊性。

  3.耐腐蚀性。

指材料在使用条件下抵抗工作介质腐蚀的能力。

压力容器在使用过程中接触腐蚀性介质时会受到腐蚀，其用钢要求具有良好的耐蚀性。

金属的耐腐蚀性（一般腐蚀，或称连续腐蚀）通常按腐蚀速率（毫米/年）评定。

  二、压力容器常用钢材及使用范围

  1.碳钢。

含碳量<2.06％的铁碳合金为碳钢，具有适当的强度和塑性，工艺性能良好，价格低廉，因而被广泛用来制造一般的中、低压容器。

如Q235、20g等。

  2.低合金钢。

如16MnR，15MnVR等

  3.特殊条件下使用的容器用钢

（1）低温（<-20OC）容器用钢要求在最低使用温度下仍具有良好的韧性，以防止容器在运行中发生脆性破裂。

  深冷容器常用高合金钢制造，如0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti，其使用温度下限可达-196OC。

低温容器还常用Al、Cu等金属制造，其特点是低温韧性好。

（2）高温容器用钢，碳钢Q235R、20g等可以用到475OC，而其它普通碳钢一般只能用到400OC。

使用温度在400～500OC范围内的容器，一般可选用锰钒钢、锰钼钒钢等低合金钢，如15MnVR,14MnMoVg等；使用温度为500～600OC时，可选用铬钼低合金钢，如15CrMo、12CrMo1等；使用温度为600～700OC时，则可选用镍铬高合金钢，如0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等。

  （3）抗氢腐蚀用钢，根据国内外的使用经验，工作压力为300大气压、介质含氢的压力容器，可以根据不同的使用温度选用下列一些钢材：

低于200OC时可选用优质碳钢，如10号钢；低于350OC时可用铬钼低合金钢，如15CrMo、30CrMo；低于450OC时可用铬钼合金钢，如Cr6Mo。

更高的温度下使用时可选用含钒量0.5％的铬钼合金钢。

  （4）在醋酸工业中使用的耐腐蚀材料有锆702（容器）、锆705（紧固件）、哈氏B2、哈氏B3、哈氏G、哈C－276及不锈钢304、304L、316、316L等。

由于锆及哈氏合金价格昂贵，因此在做压力较高及器壁较厚的容器时往往使用复合板，复合板由两层或三层构成。

如反应器材料就是由锆－钛－碳钢复合板制造而成。

第五节 压力容器的应力及其对安全的影响

  应力容器在使用过程中承受着各种载荷并相应的产生各种应力。

  各种载荷所产生的应力

  1.由压力而产生的应力。

这往往是确定容器壁厚的唯一因素。

  2.由重力产生的应力。

容器、附属设备及介质重力引起的应力。

  3.由温度而引起的应力。

温度变化引起各部分变形（收缩或膨胀）要求不一致，从而产生应力

  4.风载荷产生的应力。

安装在室外的塔器，大多数是支承式的，在风力作用下，塔体就会随风向发生弯曲变形，使迎风面产生拉伸应力，而背风面则产生压缩应力。

  除上述载荷引起的应力外，还有地震、在容器侧旁或顶部装置的重量较大的附属装置等均会使容器壁产生相应的应力。

  应力对容器安全运行的影响

  不同的载荷使容器产生的应力或者由同一种载荷在容器各部位引起不同类型的应力。

  有些应力分布在容器的整个截面上，它使容器发生整体变形，且随着应力增大容器变形加剧，当这些应力达到材料的屈服极限时，容器即产生显著的塑性变形，若应力继续增加，容器则因过度的塑性变形而最终破裂。

由容器内的压力而产生的薄膜应力就是这样一种应力。

因其能直接导致容器的破坏，所以是影响容器安全最危险的一种应力。

  有些应力只产生在容器的局部区域内，也能引起容器变形，当应力增大到材料的屈服极限时，局部地方还可能产生塑性变形，但由于相邻区域应力较低，材料处于弹性变形，使这局部地方的塑性变形受到制约而不能继续发展，应力将重新分布。

一般温度应力和总体结构不连续处的弯曲应力就是这样一种应力。

在这种应力作用下，容器的加载与卸载循环次数不需太多，就会导致容器破坏，因此对容器的安全也构成重要影响。

  有些由应力集中而次数的局部应力，只局限在一个很小的区域内，因为这种应力衰减的快，在其周围附近会很快消失，因受到相邻区域的制约，基本上不会使容器次数任何重要变形。

如容器壁上的小孔或缺口附近的应力集中就是这样一种应力。

这种类型的应力虽不会直接导致容器破坏，但可使韧性较差的材料发生脆性破坏，也会使容器发生疲劳破坏。

故对容器安全也有一定影响。

  从上分析可知，不同应力对压力容器安全的影响虽然不同，但都可能导致容器破坏。

为了防止在使用过程中压力容器早期失效或发生破裂而导致严重的破坏事故，对容器在各种载荷下可能产生的各类型的应力都不需加以控制而把它限制在允许范围内。

要做到这一点，除设计人员精心设计外，操作人员认真操作，保持工况稳定，不超温、不超压也是十分重要的。

压力容器结构

第一节 压力容器的基本构成

  压力容器的结构形式是多种多样的，它是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定的。

  容器的结构是由承受压力的壳体、连接件、密封元件和支座等主要部件组成。

此外，作为一种生产工艺设备，有些压力容器，如用于化学反应、传热、分离等工艺过程的压力容器，其壳体内部还装有工艺所要求的内件。

  壳体 壳体是压力容器最主要的组成部分，是贮存物料或完成化学反应所需要的压力空间，其形状有圆筒形、球形、锥形和组合形等，但是最常用的是圆筒形和球形两种。

  1.圆筒形壳体。

其形状特点是轴对称，圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，承载能力较高，且易于制造，便于内件的设置和装拆，因而获得广泛的应用。

圆筒形壳体由一个圆柱形的筒体和两端的封头或端盖组成。

（1）筒体 筒体直径较小时（一般<500mm），可用无缝钢管制作；直径较大时，可用钢板在卷板机上先卷成圆筒，然后焊接而成。

随着容器直径的增大，钢板需要拼接，因而筒体的纵焊缝条数增多。

当壳体较长时，因受钢板尺寸的限制，需要两个或两个以上的筒体（此时每个筒体称为筒节）组焊成所需长度的筒体。

为便于成批生产，筒体直径的大小已标准化。

对焊接筒体，表中公称直径（Dg）是指它的内径；而无缝钢管制作的筒体，表中公称直径则是指它的外经。

  表2－1      筒体的公称直径

300  （350）  400  （450）  500  （550）  600  （650）  700  800  

900  1000  （1100）  1200  （1300）  1400  （1500）  1600  （1700）  1800  

（1900）  2000  （2100）  2200  （2300）  2400  2600  2800  3000  3200  

3400  3600  3800  4000                          

  表2－2用无缝钢管作筒体的公称直径

  筒体公称直径  159  219  273  325  377  426  

所用无缝钢管的公称直径  150  200  250  300  350  400  

（2）封头与端盖。

凡与筒体焊缝连接而不可拆的，称为封头；与筒体以法兰等连接而可拆的则称为端盖。

根据几何形状不同，封头可分为半球形、椭圆形、碟形、有折边锥形、无折边锥形和平板封头（也称平盖）等数种。

对于组装后不再需要开启的容器，如无内件或虽有内件而不需要更换、检修的容器，封头和筒体采用焊接连接形式，能有效地保证密封，且节省钢材和减少制造加工量。

对需要开启的容器，封头（端盖）和筒体的连接应采用可拆式的，此时封头和筒体之间必须装置密封件。

  2.球形壳体。

容器壳体呈球形，又称球罐。

其形状特点是中心对称，具有以下优点：

受力均匀；在相同的壁厚条件下，球形壳体的承载能力最高，即在同样的内压下，球形壳体所需要的壁厚最薄，仅为同直径同材料圆筒形壳体壁厚的（不计腐蚀裕度）；在相同容积条件下，球形壳体的表面积最小。

壳壁薄和表面积小，制造时可以节省材料，如制造容积相同的容器，球形的要比圆筒形的节省约30～40％的钢材。

此外，表面积小，对于用作需要与周围环境隔热的容器，还可以节省隔热材料或减少热的传导。

所以，从受力状态和节约用材来说，球形是压力容器最理想的外形。

但是，球形壳体也存在某些不足：

一是制造比较困难，工时成本较高，往往需要采用冷压或热压成形法。

对于小型球形壳体，可先冲压成两个，然后再组焊成一个整球，由于半球的冲压深度深，钢材变形量大，不仅需要大型的冲压设备，而且容易产生冲压裂纹和过大的局部壳壁减薄；对于大型球形壳体，往往需要先压制成若干个球瓣，然后再将众多的球瓣组焊成一个整球，球瓣的成形和组焊都是比较困难的，容易发生过大的角变形和焊接残余应力，有的还会产生焊接裂纹；对于超大型的球形壳体，由于运输等原因，首先在制造厂压好球瓣，然后运到现场组装，由于施工条件差，质量更不易保证。

二是球形壳体用于反应传质或传热容器时，既不便于在内部安装工艺内件，也不便于内部相互作用的介质流动。

由于球形容器的上述不足，所以其使用受到一定的限制，一般只用于中、低压的贮存容器，如液化石油气贮罐、液氨贮罐等。

此外，有些用蒸汽直接加热的容器，为了减少热损失，有时也采用球形壳体，如造纸工艺中用于蒸煮纸浆的“蒸球”等。

  其它形状的壳体，如锥形壳体，因为用的较少，故不作介绍。

  二、连接件 压力容器中的反应、分离、换热等容器，由于生产工艺和安装检修的需要，封头和筒体需采用可拆连接结构时就要使用连接件。

此外，容器的接管与外部管道连接也需要连接件。

所以，连接件是容器及管道中起作用的部件，一般均采用法兰螺栓连接结构。

  法兰通过螺栓起连接作用，并通过拧紧螺栓使垫片压紧而保证密封。

用于管道连接和密封的法兰叫管法兰；用于容器端盖和筒体连接后密封的法兰叫容器法兰。

容器法兰按其结构分为整体式活套式和任意式，其结构特点和应用范围，见本章第四节。

  三、密封元件 是可拆连接结构的容器中起密封作用的元件。

它放在两个法兰或封头与筒体端部的接触面之间，借助于螺栓等连接件的压紧力而起密封作用。

根据所用材料不同，密封元件可分为非金属元件（如石棉橡胶板、聚四氟乙烯板、橡胶板、橡胶O形环、塑料垫、尼龙垫等）、金属密封元件（如紫铜垫、不锈钢垫、铝垫等）和组合式密封元件（如铁皮包石棉垫、缠绕垫等）。

按截面形状的不同又可分为平面垫、三角形与八角形垫片、透镜式垫片等。

  不同的密封元件和不同的连接件配合，就构成了不同的密封结构。

  四、接管、开孔及其补强结构

  1.接管。

接管是压力容器与介质输送管道或仪表、安全附件管道等进行连接的附件。

常用的接管有三种，即螺纹短管、法兰短管与平法兰。

  短管螺纹式接管是一段带有内螺纹或外螺纹的短管。

短管插入并焊接在容器的器壁上，短管螺纹用来与外部管件连接。

这种形式的接管一般用在连接直径较小的管道，如接装测量仪表等。

  法兰短管式接管一端焊有管法兰，一端插入并焊接在容器的器壁上，法兰用以与外部管件连接。

  平法兰是法兰短管式接管除掉了短管的一种特殊型式。

  2.开孔。

为了便于检查、清理容器的内部，装卸、修理工艺内件及满足工艺的需要，一般压力容器都开设有手孔和人孔。

一般手孔直径不小于150mm。

对于内径大于1000mm的容器，如不能其可拆装置进行内部检验和清洗时，应开设人孔（人孔尺寸有（400mm）、450mm、500mm、550mm、600mm）。

手孔和人孔有椭圆形和圆形两种。

人孔以圆形多见。

手孔和人孔的封闭型式有内闭式和外闭式两种。

  3.开孔补强结构。

容器的筒体或封头开