压力容器的安全附件.docx
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压力容器的安全附件
安全技术/特种设备
压力容器的安全附件
压力容器的安全附件是为使容器安全运行而装设的一种附属装置。
通常不仅把能自动泄压的装置称为附属装置，如安全阀、防爆片等当作安全附件，而且也把一些显示设备中与安全有关的参数计量仪器，如压力表、液面计等也作为安全附件，因为这些装置可使操作人员及时了解设备运行情况，发现不安全因素，以便采取措施，预防事故发生。
压力容器常用的安全附件有压力表、液面计和安全泄压装置。
压力表是用来测量容器内介质压力的仪表。
在压力容器中，大部分使用弹簧管压力表，。
在高压气瓶上如氧气瓶和乙炔瓶应采用专用的压力表，而在一些工作介质具有腐蚀性的容器中，也有使用薄膜压力表的。
在低压容器上则用U型压力计。
一、液面计
液面计只在个别压力容器上应用，如盛装易燃或剧毒、有毒介质的液化气体的容器上，装置板式玻璃液面计或自动液面指示器。
液面计或液面指示器上应有防止泄漏的装置和防护罩。
有的容器需要控制温度，必须装设温度测量或自动控温仪表，防止超温。
以上这些是保证压力容器安全运行的安全附件，均应定期检查，保证其精确度和安全可靠性。
二、安全泄压装置
（一）安全泄压装置的作用及其设置原则
压力容器是按预定的使用压力设计的，它的壁厚只能允许承受一定的压力，即所谓最高使用压力，在这个范围内容器可安全运行，超过这个压力，容器就可能遭到破坏。
由于种种原因，压力容器在运行过程中常常出现超压。
如压力来自容器外的压力容器，输入气量大于输出气量时，使气体密度增大，压力升高；减压阀失灵或操作失误，高压气体直接进入容器而造成超压；装液过量或受热温度升高，器内液体膨胀，压力剧增；容器内介质的化学反应使压力增高等等。
1．安全泄压装置的作用
安全泄压装置就是防止超压，保证压力容器安全运行的一种保险装置。
当容器在正常压力工作时，它保持密闭不漏，而当容器压力超过规定时，就能把器内的气体迅速排出，使容器内的压力始终保持在最高许用压力范围以内。
它不仅有这一主要功能，还有报警作业。
在开放排气时，气体流速较高，可发生较大的声响，成为超压的报警信号。
2．安全泄压装置的设置原则
（1）在连续操作的系统中，如装有工作压力相同的多个压力容器，而气体压力在每个容器内不会自行升高者，可按同压系统在连接管道或其中一个容器上装设安全泄压阀。
（2）压力容器内的压力是由于器内的介质化学反应而产生，或化学反应能使压力升高者，应单独装设安全泄压装置。
（3）压力容器内介质的压力会因器内外受热而增高，且容器与其它设备的连接管道又装有阀门者，应单独装设安全泄压装置。
（4）盛装或使用蒸汽的压力容器，如最高许用压力不小于蒸汽锅炉时，可不装设安全泄压装置。
如果蒸汽是经过减压阀以后输入压力容器，且蒸汽的最高许用压力小于锅炉者，则应在容器上或减压阀出口管上装置安全泄压装置。
（二）安全泄压装置的类型
安全泄压装置的类型有阀型、断裂型、熔化型和组合型等。
1．阀型安全泄压装置
阀型安全泄压装置就是常用的安全阀，它是通过阀的开放排气降低容器内的压力。
它的特点是仅仅排出容器内高于规定的部分压力，当容器内的压力降至正常操作压力时，即自动关闭。
避免了因出现超压就得把全部气体排出而造成的浪费或中断生产，所以广泛应用于各种压力容器。
缺点是密闭性差，常有开放滞后现象。
2．断裂型安全泄压装置
常用的断裂安全泄压装置是防爆片和防爆帽。
防爆片用于中、低压容器，防爆帽用于超高压容器。
它是通过装置元件（防焊片、防爆帽）的破裂排出容器内的气体的。
特点是密封性能较好，泄压反应快，气体内所含污物对它的影响较小等。
但是，泄压后不仅它不能继续使用，而且容器也要停止运行，所以一般只用于超压可能性较小或是不易用阀型安全泄压装置的压力容器。
3．熔化型安全泄压装置
熔化型安全泄压装置就是常用的易熔塞。
它是通过易熔合金的熔化使容器内的气体从已熔化易熔合金形成的孔中排出而泄压的。
主要是用于因温度升高而发生的超压。
因为易熔合金强度低，这种装置的泄放面积不能太大，因此，只能装在需要泄放量很小的压力容器上，多用于液化气体气瓶。
4．组合型泄压装置
组合型安全泄压装置同时具有阀型和熔化型或阀型和断裂型的泄放装置。
常用的有弹簧安全阀和防爆片的组合型。
它的优点是，既克服了阀型安全泄压装置密闭性差的缺点，又可以在排放过高的压力以后使容器继续运行。
组合型安全泄压装置的防爆片，可以装在安全阀的入口侧，也可装在出口侧，前者主要是利用防爆片把安全阀和气体隔离，以防安全阀受腐蚀和污物堵塞粘结等。
容器超压时，防焊片断裂，安全阀放开排气。
待压力降至正常工作压力时，安全阀关闭，容器可以继续运行。
这种结构要求防爆片断裂对安全阀正常工作无防碍，并在中间设置检查孔，以便及时发现防爆片的异常现象。
防爆片在安全阀的出口侧可使防爆片不受气体的压力与温度的长期作用而产生疲劳，而利用防爆片来防止安全阀的泄漏。
这种结构要求及时把安全阀与防爆片之间的气体（由安全阀漏出的）排出，否则将使安全阀失效。
（三）压力容器的安全泄放量
安全泄压装置的作用是防止压力容器超压。
这就是必须使安全泄压装置的排放量大于容器的安全泄放量。
容器的安全泄放量是指压力容器在超压为时保证它的压力不再升高，在单位时间内所必须泄放的气量。
不同的容器用不同的方法来确定其安全泄放量。
1．压缩气体或水蒸汽容器的安全泄放量
用于贮存或处理压缩气体、水蒸汽的压力容器，由于容器内不可能产生气体，即使受到较高的辐射热，器内压力一般也不会显著升高。
这一类容器的安全泄放量决定于容器的气体输入量。
因此对于生产有压气体的设备的附属容器。
如压缩机的贮气罐（压力缓冲器、油水分离器）、废热锅炉的气泡等，其安全泄放量，就是产生有压气体的设备的最大生产能力（产气量）。
而对于非设备附属容器，即不是由某一台设备直接输入气体的压力容器，如气体贮槽、分蒸汽泡等，其安全泄放量可由容器的进气管直径及气体的最大流速来确定，一般可按下式计算：
G′=0.28ρVd＜sup＞2＜/sup＞1
式中G′——容器的安全泄放量（kg/h）；
ρ——气体在泄放压力下的密度（kg/m＜sup＞3＜/sup＞）；
d——容器进气管内径（cm）；
V——气体在管内的流速（m/s）；对一般气体，V=10~15；饱和蒸汽，V=20~30；过热
蒸汽，V=30~60。
例题：
球形压缩空气贮罐的外径为20m，设计压力为98N/cm＜sup＞2＜/sup＞，进气管内径为100mm，确定其安全泄放量。
解：
压缩气体在表压力为98N/cm＜sup＞2＜/sup＞、温度为常温（20℃）下的密度为ρ=12.8kg/m＜sup＞3＜/sup＞，取进气管的流速为V=15m/s，则由公式1可求得贮罐的安全泄放量为
G′=0.28×12.8×15×（0.1）＜sup＞2＜/sup＞=1935.36kg/h
2．液化气体容器的安全泄放量
液化气体受热蒸发，体积增大，因此用以贮存或处理液化气体的压力容器，应该按它在可能遇到的最不利的受热情况下的蒸发量来确定安全泄放量。
介质为可燃液化气体的压力容器，或介质是非可燃的液化气体，但使用环境有发生火灾可能的压力容器，它的安全泄放量按容器周围发生火灾的情况下的蒸发量来考虑。
（1）介质为易燃液化气体或装设在有可能发生火灾的环境下工作时间非易燃液化气体：
1）对无绝热材料保温层的容器安全泄放量按下式计算：
2
式中G′——容器的安全泄放量（kg/h）；
q——在泄放压力下液化气体的汽化潜热（J/kg）；
F——系数，容器装在地面下用砂土覆盖时，取F=0.3；容器在地面上时，取F=1；对设置在大于10l/m＜sup＞2＜/sup＞·min，喷淋装置下时，取F=0.6。
A——容器的受热面积（m＜sup＞2＜/sup＞），按下列公式计算：
对半圆形封头的卧式容器：
A=πD＜sub＞o＜/sub＞L；
对椭圆形封头的卧式容器：
A=πD＜sub＞o＜/sub＞（L=0.3D＜sub＞o＜/sub＞）；
对立式容器：
A=πD＜sub＞o＜/sub＞L′；
对球形容器：
A=或从地平面起到7.5m高度以下所包括的外表面积，
取两者中较大的值。
式中D＜sub＞o＜/sub＞——容器外径（m）；
L——容器总长（m）；
L′——容器内最高液位（m）。
2）对有完善的绝热材料保温层的液化气体容器的安全泄放量按下式计算
3
式中G′——容器的安全泄放量（kg/h）；
t——泄放压力下的饱和温度（℃）；
λ——常温下绝热材料的导线系数（J/m·h·℃）；
A——容器的受热面积（m＜sup＞2＜/sup＞）；
δ——保温层厚度（m）；
q——泄放压力下液化气体的汽化潜热（J/kg）。
（2）介质为非易燃液化气体的容器，而且装设在无火灾危险的环境下工作时，安全泄放量可根据有无保温层分别选用不低于按公式2或3计算值的30%。
由于化学反应使气体体积增大的容器，其安全泄放量，应根据容器内反应可能生成的最大气量以及反应时所需的时间来决定。
例题：
卧式液化氨贮槽是椭圆形封头，直径为2.5m，总长为10m，设计压力为液氨在50℃时的饱和蒸汽压力，贮槽无保温层，试确定其安全泄放量。
解：
取贮槽的泄放压力为设计压力，液氨在50℃下的饱和蒸汽压力为202.98N/cm＜sup＞2＜/sup＞（绝压），在此压力下的汽化热为q=251J/kg，贮槽的受热面积为：
A=πD＜sub＞o＜/sub＞（L+0.3D＜sub＞o＜/sub＞）=π×2.5×（10+0.3×2.5）≈84m＜sup＞2＜/sup＞
因此，由2式即可求得其安全泄放量为
（四）安全阀
1．安全阀的作用和原理
安全阀的主要作用是当压力容器内的压力超过许用工作压力时，自动开启，排出气体，以降低容器内的压力，直到容器压力降到正常工作压力时，又自动关闭，以保证压力容器在正常压力下运行。
安全阀主要包括阀座、阀瓣和加压装置。
阀座内有通道与压力容器相通，阀瓣由加压装置的压力紧压在阀座上，当阀瓣所受到压紧力大于气体对阀瓣的作用力（等于气体压力与阀座通道面积的乘积）时，阀瓣紧贴阀座，安全阀处于关闭状态；如果压力容器内压力升高，气体作用于阀瓣的力增大，当这个力大于加压装置为阀瓣的压紧力时，阀瓣上升离开阀座，这时安全阀处于开放状态，气体从阀内排出，压力下降，安全阀又自动关闭。
使容器内的压力始终保持在规定范围。
2．安全阀的结构
安全阀有静重式、杠杆式、弹簧式等。
最常用的是弹簧式安全阀，它的结构如图1。
它的加压装置是一个弹簧，螺旋形弹簧套在阀杆上，利用它上面的调节螺母使弹簧放松或压紧，调整阀瓣对阀座的压紧力，使安全阀在规定的压力下开放。
弹簧式安全阀结构紧凑、体积小、动作灵敏，对震动不太敏感，可装在移动式容器上。
缺点是弹簧受高温影响而使弹性减低，当阀瓣开启时，弹力随之增加，这对安全阀的全开是不利的。
图1弹簧式安全阀
1－阀座2－阀3－排气孔4―阀套5―阀体6―弹簧7―上体8―铅封9―压力调节螺钉10―阀盖
从安全阀的封闭结构（阀瓣、阀座）形式来分，又可分为全启式、微启式两种。
微启式安全阀开启高度是阀座口径的1/20~1/10，因而排气量很小。
全启式安全阀的开启高度等于或大于阀座口径的1/4，因而排气量大。
不过全启式安全阀结构比较复杂，阀瓣开启后回座压力较低，有时要降至正常工作压力以下很多才能关严。
3．安全阀排量的计算
安全阀的排量是指它处于全开状态时，在排放压力下单位时间内排出的气量。
排量可按下式计算
4
式中G——安全阀排量（kg/h）；
P——容器内气体的绝对压力（N/m＜sup＞2＜sup＞）；
C——气体流量系数；
A——安全阀量小流通面积（m＜sup＞2＜sup＞）；
M——气体的分子量；
T——容器内气体的绝对温度（273+t℃）；
X——气体特性系数；
Z——气体压缩系数；
气体特性系数X是气体绝热指数K的函数，即，对于具有不同的绝热指数K值的各种气体，其特性系数X值如表1。
K
1.02
1.06
1.10
1.14
1.18
1.22
1.26
1.30
1.34
1.38
X
236
240
243
246
250
252
255
258
260
264
K
1.40
1.42
1.46
1.50
1.54
1.58
1.62
1.66
1.70
2.00
X
265
266
268
271
274
276
278
280
283
298
表1不同K值的气体特性系数X值
安全阀最小流通面积A是喉部截面积，全启式安全阀，，d是喉部直径。
在微启式安全阀中，如是平型密封面的，A=πdh，式中d为阀口直径，h为开启高度。
如是锥形密封面的，A=πdhsinφ，式中φ为锥形密封面的半锥角，h为开启高度。
如无试验数据，通常采用：
有调节圈取，无调节圈取。
C值的选用：
全启式安全阀，C=0.6~0.7；带调节圈的微启式安全阀，C=0.4~0.5；不带调节圈的微启式安全阀，C=0.25~0.35。
例题：
全启式安全阀（型号A44Y-04），具有调节圈与反冲盘，公称通径D＜sub＞g＜sub＞=80，用于压力表为294.18N/cm＜sup＞2＜sup＞、温度为20℃的甲烷气，计算其排量。
解：
P（绝压）=304N/cm＜sup＞2＜sup＞、T=（273+25）＜sup＞0＜sup＞K，由有关图表查得Z≈0.94、K=1.315、X=259、C=0.7。
公称通径80的安全阀。
喉部直径d=50mm，故，M=16，P=3.04N/cm＜sup＞2＜sup＞=31kgf/cm＜sup＞2＜sup＞。
所以：
4．安全阀的选用
选用什么形式的安全阀，主要取决于容器的工艺条件和工作介质特性。
按安全阀加载结构形式选用，一般容器适用于弹簧式安全阀，因为它结构紧凑、轻便、灵敏可靠。
一般可用到200℃，带散热器的安全阀可用到450℃。
压力较低而又不受震动影响的压力容器。
也可用杠杆式安全阀。
按安全阀的排气方式选用时，如容器的介质是有毒、易燃的气体或是制冷剂和其它能污染大气的气体，应选用封闭式安全阀，只有空气和其它不污染环境的气体才选用半封闭式和敞开式。
按安全阀的封闭结构的形式选用时，高压容器以及安全泄放量大，而壁厚又不大富裕的中、低压容器量好采用全启式安全阀。
选用安全阀除了正确选型外，还要注意它的压力范围，不应把高压安全阀用于低压容器上，也不能把低压安全阀用于高压容器上。
选用时，首先要注意安全阀具有足够的排气能力，确保压力容器在规定的压力下运行。
要求安全阀的排气量不小于容器的安全泄放量。
这样才能保证容器超压、安全阀开放时能及时把气体排出，避免容器内压力继续升高。
安全阀的排气量一般应标记在它的铭牌上。
如果所用的工作介质及工作压力、温度等与铭牌不同，则应按不同介质的分子量、压力、温度等换算成实际使用条件下的排量，要求此排量不小于容器的安全泄放量。
如果安全阀没标明排量，则应根据安全阀结构形式和工作介质性质按公式4进行计算。
5．安全阀的安装与维护
安全阀的安装是否正确与安全阀能否正常工作有很大关系。
安装位置、方式以及排放等不适当的安全阀，不但会失去应有的作用，而且还会导致意外事故。
因此，安全阀的安装应注意以下几个问题。
（1）安全阀应有直接装在压力容器的本体上。
如果安全阀与容器用短管连接，则此短管直径不得小于安全阀的进口直径，短管上不应装阀。
（2）工作介质不宜在室内排放的压力容器，安全阀应装有排气管，排气管的最小截面积应大于安全阀的出口截面积。
排气管尽量减少阻力，并不得装阀。
（3）装设安全阀的部位要便于日常的维护和检查，并使安全阀开放时操作人员能听到响声。
（4）安全阀安装前应先做水压强度试验和气密性试验，经试验合格后才能进行调整校正，经过调整校正合乎要求的安全阀要做铅封。
（5）安装杠杆式安全阀，必须严格保持阀瓣杆中心线垂直于水平面。
所有安全阀的进气管、排气管连接法兰的螺栓必须均匀上紧，以免阀体产生附加应力，破坏阀件的同心度，影响安全阀的正常动作。
要使安全阀保持灵敏好用，除了合理选用和正确安装外，还要注意日常的维护和检查。
1）安全阀要经常保持清洁，防止阀体、弹簧等被油垢、脏污所沾满或生锈腐蚀，有排气管的安全阀要经常检查排气管的畅通。
2）安全阀的加压装置经调整铅封后，不能随意松动或移动，要经常检查铝封是否完好，检查杠杆式安全阀的重锤是否松动或被移动。
安全阀有泄漏现象时，应及时检修或更换。
禁止用拧紧弹簧或在杠杆上多挂重物等方法消除安全阀的渗漏。
3）为了防止阀瓣和阀座被油垢等脏物粘住或者堵塞，使安全阀不能按规定压力开放排气，工作介质为空气、蒸汽和其它惰性气体的压力容器上的安全阀，应定期作手提排气试验。
安全阀要定期校验，每年至少一次。
6．其它安全泄压装置
（1）防爆片是一种断裂型的泄压装置。
用于中低压容器，具有密封性好，反应动作快，不易受介质粘污物的影响等优点。
它是通过膜片的断裂作用排泄压力的。
它在完成泄压作用后，不能继续使用，且容器也停止运行，所以一般只用于超压可能性较小，而且又不易装设安全阀的容器上。
防爆片的结构主要由一块很薄的金属板和一副特殊的管法兰夹盘组成。
如图2a是膜片由夹盘用埋头螺钉夹紧后装入容器接口法兰上。
图2b是直接用接管的法兰夹紧膜片。
图2c是用螺纹套管通过垫圈将膜片压紧，采用这种结构应注意气体流出的方向。
图2防爆片
防爆片的夹盘内径与平面间应有圆角（剪切破坏型除外），以免膜片变形时未达到设计爆破压力时即在周边被切断。
圆角半径的大小与夹盘内径、膜片厚度和材料的型性有关。
如表2是低碳钢、不锈钢、铜、铝等塑性较好的材料作膜片时，夹盘的圆角半径。
夹盘内直径（mm）
10
25
40
50
70
圆角半径（mm）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
夹盘内直径（mm）
80~100
125~150
175~200
250~400
≥500
圆角半径（mm）
3.0
3.5
5.0
6~7
8~10
表2防爆片夹盘的圆角半径
防爆片的膜片按其断裂时受力变形的基本形式又分为拉伸破坏型、弯曲破坏型和剪切破坏型等几种。
目前采用最多的是拉伸破坏型的防爆片。
几种防爆片的主要区别是膜片的形状及制造材料。
拉伸破坏型膜片一般用塑性较好的材料，如铝、铜、黄铜、不锈钢、低碳钢等；弯曲破坏型膜片用脆性材料，如铸铁、硬质塑料等。
但要注意，介质为易燃气体的容器不要用铸铁等材料制造膜片，以免破裂时产生火花，引起从器内排出可燃气体在空间爆炸。
如果器内排出的是可自燃气体，还应在防爆片外设防护装置，防止排出气体在空间爆炸。
为防止膜片金属在高温下产生蠕变，应根据制造材料限定使用温度。
如表3。
膜片材料
铝
黄铜
铜
低碳钢
不锈钢
蒙氏合金
最高使用温度（℃）
100
150
200
380
400
430
表3几种膜片材料最高使用温度
一般压力容器防爆片的设计破裂压力为工作压力的1.25倍，如果容器压力波动较大，设计破裂压力还要定得高一些，有的甚至定为工作压力的1.7倍。
在任何情况下，防爆片的爆破压力都不得大于容器设计压力。
爆破压力主要决定于膜片的直径、厚度和所用的材料。
1．防爆片的泄放面积可按下式计算
5
式中A——防爆片泄放面积（cm＜sup＞2＜sup＞）；
G′——容器安全泄放量（kg/h）；
C——流量系数：
对一般直圆管C=0.71，对喇叭型接管C=0.87；
P——防爆片设计爆破压力（N/cm＜sup＞2＜sup＞）；
X——气体特性系数（接表1选取）；
M——容器内气体分子量；
T——容器内气体的绝对温度（273+t℃）；
Z——气体的压缩系数。
2．防爆片的厚度可按下式计算
6
式中S——防爆片初始厚度（mm）；
P＜sub＞B＜sub＞——防爆片设计时确定的爆破压力（N/cm＜sup＞2＜sup＞）；
σ＜sup＞t＜sup＞＜sub＞b＜sub＞——材料在工作温度下的强度极限（N/cm＜sup
＞2＜sup＞）
D——防爆片夹紧直径（mm）；
7
式中K——系数；
对不锈钢（1C＜sub＞r＜sub＞18N＜sub＞i＜sub＞9T＜sub＞i＜sub＞）
K=（24.5~2.85）×10＜sup＞3＜sup＞（温度＜400℃）；
对铝：
K=（2.4~2.9）×10＜sup＞3＜sup＞（温度＜100℃）；
对铜：
K=（7.7~8.8）×10＜sup＞3＜sup＞（温度＜200℃）；
对于材料经完全退火，膜片较薄，取K的较小值。
对于操作温度下的爆破压力、按上式求得的数值，还应乘上温度校正系数，校正系数值按图3查取。
图3温度对爆片压力的影响
式6、式7的适用范围：
压力P＜sub＞B＜sub＞=0~3136N/cm＜sup＞2＜sup＞；防爆片型式为预拱型或平板型。
8
式中C′＜sub＞u＜sub＞——实险系数，按表4查取；
σ＜sub＞b＜sub＞——材料强度极限（实测值），按表4查取。
材料
宽度（b）
（mm）
厚度（S）
（mm）
σ＜sub＞B＜sub＞
（三个平均值）
（N/mm＜sup＞2＜sup＞）
C′＜sub＞u＜sub＞
1C＜sub＞r＜sub＞18N＜sub＞i＜sub＞9T＜sub＞i＜sub＞
14.02~14.34
0.368~0.373
719.32
1.767（1.819）①
钛Ti
14.20~14.34
0.286~0.206
233.24
1.695（1.822）①
铝Al
14.00~14.10
0.201~0.206
85.06
1.456（1.544）①
镍Ni
19.5
1.420~1.425
36.45
1.831（1.91）①
表4几种材料的C′＜sub＞u＜sub＞、σ＜sub＞b＜sub＞值
①为考虑圆角影响时的C′＜sub＞u＜sub＞值。
适用于常温压力P＜sub＞B＜sub＞=0~3136N/cm＜sup＞2＜sup＞；预拱型防爆片。
防爆片应逐个检
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