第六章 压力容器

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⒈什么是压力容器?在《容规》中压力容器的界限范围如何划分?⒉压力容器有哪些主要破坏形式?原因及特征?⒊容器的耐压试验?⒋安全阀和爆破片的优缺点?分别适合何种场合?思考题第六章第六章压力容器压力容器⒌一空气贮罐的压力为1MPa,设计温度为50℃,进气管的内直径为100mm,试确定其安全泄放量?(取气体最大流速为15m.s-1)。若安装全启式安全阀,其最小流通直径d0=32mm,该安全阀是否满足使用要求?若安装爆破片,计算其泄放面积?§6.1压力容器的安全问题§6.1.1压力容器的应用和特点①容器应用的广泛性②操作条件的复杂性③对安全的高要求30万吨年乙烯装置:35.4%的压力容器压力:1×10-5~200×106Pa温度:-196~1000℃煤气液化装置:25MPa、500℃、0.2~0.4m、400~2600t第六章第六章压力容器压力容器§6.1压力容器的安全问题§6.1.2压力容器事故的特征①量大面广②事故率高③危害性大2000年锅炉、压力容器等设备事故:178起,死亡120人。事故率高达1.32‰。1984年印度博帕尔异氰酸甲酯储罐泄漏;1986年前苏联切尔诺贝利核电站压力壳核泄漏第六章第六章压力容器压力容器第六章第六章压力容器压力容器《压力容器安全技术监察规程》简称“容规”§6.2压力容器分类根据工作压力、容积、介质状态,界定了压力容器:★①最高工作压力≥0.1Mp;②内直径≥0.15m,容积≥0.025m3;③盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。第六章第六章压力容器压力容器⒈按存在形式①固定式压力容器;②移动式容器。“容规”不适用⒉按设计压力①低压容器:0.1≤P<1.6MPa②中压容器:1.6≤P<10MPa③高压容器:10≤P<100MPa④超高压容器:P≥100MPa⒊按工艺功能①反应容器:用于完成介质的物理、化学反应的压力容器,如反应釜、聚合釜、合成塔、变换炉等;第六章第六章压力容器压力容器⒊按工艺功能①反应容器:②换热容器:用于完成介质的热量交换的压力容器。如废热锅炉、热交换器、蒸发器、硫化锅、蒸压釜等;第六章第六章压力容器压力容器⒊按工艺功能①反应容器:②换热容器:③分离容器:用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的容器,如分离器、过滤器、洗涤器、吸收塔、干燥塔等;第六章第六章压力容器压力容器⒊按工艺功能①反应容器:②换热容器:③分离容器:④储存容器:用于盛装生产或生活用的原料气体、液体、液化气体等,如各种型式的贮罐、槽车等。第六章第六章压力容器压力容器⒋按安全监察管理分类:根据容器在生产过程中的重要性、压力高低和介质危害程度(指易燃介质、毒性介质)将容器分成三类,“容规”并对不同类别的容器在设计、材料、制造检验与使用管理等方面提出了不同要求,具体划分见表6-1。第六章第六章压力容器压力容器气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体介质非易燃无毒或轻度毒性易燃中度毒性极度或高度毒性PV(MPa.m3)≥0.0025<0.5≥0.51.0≥10≥0.0025<0.5≥0.5<1.0≥10≥0.0025<0.2≥0.2管壳式余热锅炉反应容器储存容器换热容器分离容器低压0.1≤P<.6(MPa)搪玻璃容器管壳式余热锅炉反应容器储存容器换热容器分离容器中压1..6≤P<0(MPa)搪玻璃容器管壳式余热锅炉反应容器储存容器换热容器分离容器搪玻璃容器σb≥540MPa材料制造的容器移动式容器球形储罐(V≥50m3)高压10≤P<00(MPa)低温液体储存容器(V≥50m3)图例说明:一类容器;二类容器;三类容器。第六章第六章压力容器压力容器第六章第六章压力容器压力容器§6.3压力容器的基本结构§6.3.1压力容器的结构组成中压圆筒形卧式贮罐第六章第六章压力容器压力容器第六章第六章压力容器压力容器§6.3.2压力容器的主要工艺参数⒈温度温度→材料的机械性能→容器的机械强度设计温度是指容器在正常工作情况下设定的壳体金属温度第六章第六章压力容器压力容器⒉压力⑴压力容器的工作压力:在正常工作情况下,容器顶部可能达到的最高压力。⑵容器的设计压力:设定的容器顶部的最高压力。⑶计算压力:⑷试验压力:⑸公称压力,即标准化后的压力数值。0.1、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0…(MPa)。第六章第六章压力容器压力容器⒊直径钢板卷制的容器壳体的公称直径系指内直径。如公称直径,300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400…(mm)等。当容器壳体是无缝钢管时,公称直径均指钢管的外径,如159、219、273、325、426…(mm)。第六章第六章压力容器压力容器§6.3.3压力容器的结构特征⒈中低压容器的结构特征壁厚较小,直径范围宽,制造较容易,故密封结构较简单,通常采用螺栓—垫片—法兰连接的强制密封结构。项目圆筒形球形受力状况表面积/体积材料消耗制造内件安装应用较好大多易易广泛好小(10%一30%)少(30%一40%)难难大型液化气、液氨储罐表6-2圆筒形与球形容器的比较图6-2球形储罐第六章第六章压力容器压力容器图6-3各种封头结构型式。a.平板;b.锥形;c.无折边球形;d.碟形;e.椭球形;f.半球形第六章第六章压力容器压力容器⒉高压容器的结构特征壁厚大,长径比大,密封要求上比中低压容器高。①筒体:②封头高压容器封头的主要型式是平盖或半球形封头。第六章第六章压力容器压力容器图6-4典型的圆筒型高压容器第六章第六章压力容器压力容器第六章第六章压力容器压力容器★§6.4压力容器的破坏形式和原因§6.4.1韧性破裂⒈压力容器韧性破裂的原因①容器超压:如液化气储罐过量充装;操作人员操作失误;未设置超压泄放装置或泄放装置选用不当或失灵;★§6.4压力容器的破坏形式和原因§6.4.1韧性破裂⒈压力容器韧性破裂的原因①容器超压:②容器的承载能力降低:容器末正常维护,设计中的材料选择不当或结构不合理,最终导致容器发生韧性破裂。第六章第六章压力容器压力容器在其器壁上产生的应力超过材料的抗拉强度,而发生破裂。●某地10年间,液化石油气瓶超装发生爆炸11次,死10人,伤47人。按照气瓶的有关规定充装低压液化气(如液氨、液氯等)气瓶,由于瓶内气、液两相共存,其充装量要保证所装入的液化气体在60℃时瓶内不满液,仍保留有气体空间。而高压液化气体(如乙烯等)和压缩气体气瓶则要求60℃时瓶内的气化或气体压力不超过气瓶的最高许可压力。●某化肥厂检修合成氨系统高压设备气密试验,整个试压系统五台高压容器和管道等炸毁。原因是检修系统与煤气柜的连接管道未用盲板隔断,截止阀泄漏使煤气与空气混合被压缩机压入试压系统。第六章第六章压力容器压力容器⒉特征:容器发生显著塑性变形,破裂时一般不会产生碎块,而是沿容器轴向撕开较长裂缝,如图6-6第六章第六章压力容器压力容器图6-5压力容器的韧性破裂韧性越好、壁厚越薄的容器,破裂的断口宏观特征为无金属光泽、暗灰色的纤维状。图6-6韧性破裂的断口形貌第六章第六章压力容器压力容器当壁厚较厚或材料强度较高而韧性较差时,断口出现纤维区、放射纹与人字纹区、剪切唇区等三部分(图6-6)。第六章第六章压力容器压力容器⒊预防压力容器韧性破裂的措施①正确设计和规范操作压力容器;②正确设置超压泄放装置,保持其状态完好;③加强压力容器的检查维护工作,及时发现容器爆破预兆。第六章第六章压力容器压力容器§6.4.2脆性破裂容器总体薄膜应力低于制造容器材料的抗拉强度,在不发生或末发生充分塑性变形下发生的破裂类型。⒈脆性破裂发生的原因①材料断裂韧性小②容器材料或其结构部件存在严重缺陷③容器存在较高的附加应力第六章第六章压力容器压力容器⒉脆性破裂的特征脆性破裂在发生断裂前外观没有明显的预兆和塑性变形,断裂时器壁内的应力较低,且破坏的容器常断裂成碎块飞出。图6-7英国汤姆森公司发生脆性断裂的氨合成塔。●英国汤姆森(JohnThomson)公司在1965年12月制造的一台氨合成塔,其外壳的内直径1.7m,壁厚150mm,高18.3m。制造该容器的材料为锰铬铂钒低合金钢,在-120℃下的实际屈服点为388MPa。容器的设计压力为35.1MPa,设计温度为200℃,水压试验压力48MPa。在室温下进行水压试验时,试至压力34.5MPa容器发生爆炸,4块重2t的碎片飞出。此时器壁应力为199.5MPa,仅为材料屈服的50%。爆破原因系端部法兰锻件存在成分偏析的焊接热影响区到金属焊缝处有10mm的三角形埋藏裂纹。此外,由于对该处环焊缝退火处理时,退火温度较低(120℃),致使材料从理论冲击韧性αKV(20℃)=60N·m·cm-2下降到实际冲击韧性αKV(20℃)=15N·m·cm-2。第六章第六章压力容器压力容器图6-8脆性破裂断口形貌第六章第六章压力容器压力容器材料脆性引起的脆性破裂,其断口宏观特征为断口平齐,呈金属光泽的结晶状,断口与最大主应力垂直(图6-8)第六章第六章压力容器压力容器⒊预防脆性破裂的措施①防止发生脆性破裂条件的存在②合理选材,规范制造,正确操作,定期检查第六章第六章压力容器压力容器§6.4.3疲劳破裂⒈疲劳破裂的产生原因压力容器常在交变载荷下运行,经受长期作用后,容器的承压部件发生了破裂或泄漏。疲劳破裂按机理分为:①高应力低循环疲劳:指材料所受的交变载荷循环次数在102~l05,而相应的应力水平较高,接近或超过材料的屈服点。第六章第六章压力容器压力容器§6.4.3疲劳破裂⒈疲劳破裂的产生原因疲劳破裂按机理分为:①高应力低循环疲劳:②低应力高循环疲劳:发生疲劳破坏的构件的应力值在材料的弹性极限以下,材料所受的交变载荷循环次数在105以上。第六章第六章压力容器压力容器⒉压力容器疲劳破裂的特征①疲劳破裂常发生在结构局部应力较高或存在材料(包括焊缝及其热影响区)缺陷处,容器没有明显的塑性变形。压力容器材料强度偏高而韧性较差时,则要发生爆破事故;当用强度较低而韧性较好的材料制造容器时,不一定发生破裂,而是疲劳裂纹穿透壁厚发生泄漏。②疲劳破裂的断口:裂纹萌生、裂纹扩展区和最终断裂三个区。第六章第六章压力容器压力容器⒊疲劳破裂的预防①对新设计的容器,选择抗疲劳材料,采用抗疲劳结构②严格控制容器的制造和检验③维持设备稳定运行图6-9典型的疲劳断裂断口第六章第六章压力容器压力容器图6-10疲劳断裂断口的显微镜相第六章第六章压力容器压力容器第六章第六章压力容器压力容器§6.4.4应力腐蚀破裂腐蚀破裂:材料与周围环境介质产生化学或电化学作用,使材料厚度减薄或本身性能发生变化,从而导致的容器破裂现象。应力腐蚀破裂:容器材料在特定介质环境中,并在拉应力作用下,经过一定时问后发生开裂和破断的现象。第六章第六章压力容器压力容器§6.4.4应力腐蚀破裂⒈应力腐蚀破裂发生的条件①特定腐蚀介质与材料的组合。②拉应力的存在。③材料纯度和组织状态的影响。第六章第六章压力容器压力容器§6.4.4应力腐蚀破裂⒉应力腐蚀破裂的特征①无宏观的塑性变形,断口可见到腐蚀产物;②发生在结构的应力集中部位或腐蚀介质富集区③断口存在两个区域,一是腐蚀裂纹扩展区;二是快速断裂区。第六章第六章压力容器压力容器§6.4.4应力腐蚀破裂⒊预防应力腐蚀破裂的措施①选择对介质不敏感的材料②设计时避免应力集中③加缓蚀剂第六章第六章压力容器压力容器§6.4.5蠕变破裂⒈原因:在高温下工作的压力容器,当操作温度超过一定极限,材料在应力的作用下发生缓慢的塑性变形,这种塑性变形经过长期的累积后,最终会导致材料破裂。⒉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。(a)第六章第六章压力容器压力容器(c)(b)以上两类缺陷使焊缝的有效承载截面减少,造成局部的应力集中,削弱了抗疲劳强度。§6.5压力容器制造安全技术§6.5.1压力容器的制造缺陷⒈焊接缺陷⑴外部缺陷①形状缺陷②尺寸缺陷图a③咬边图b④弧坑图c(g)(e)⑵内部缺陷①夹渣:这是残留在焊缝中的非金属夹杂物(图d)②气孔:气孔是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