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1、第五章 压力容器安全5.1 压力容器的安全问题5.1.1 压力容器的应用和特点压力容器是工业生产中必不可少的一类机械设备，压力容器不仅是承受流体压力(包括内压或外压)的密闭容器，从安全使用管理而言，更是一类具有潜在爆炸危险的特种设备。 (1)容器应用的广泛性压力容器广泛用于石油、化工、医药、冶金、机械、采矿、航天航空、交通运输等工业生产部门，且多半在压力条件下操作。(2)操作条件的复杂性压力从真空到高压、超高压；温度从低温到高温。处理介质包括：爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等。(3)对安全的高要求压力容器本身要求有足够的强度、刚度和稳定性，密封性好。5.1.2压力容器的安全问题压力容
2、器事故有三个主要特征：（1） 量大面广；（2）事故率高；（3）危害性大。发生压力容器事故多是由于制造和操作管理上的原因。压力容器只要在压力容器的材料、设计、制造、检验、运行、管理等各个环节循其规律，周密防范，完全可做到减少和避免事故发生。压力容器是具有潜在爆炸危险的特殊承压设备，需要专业技术与专门管理，即技术管理和行政管理。技术管理是指各种压力容器的安全技术，包括设计、制造、安装、检验的技术、标准与规范等；行政管理即政府和劳动部门的安全监察机构与技术检验单位，包括各项压力容器、锅炉、气瓶、液化石油气槽车安全监察法规、规程和条例等制度。5.2 压力容器的分类5.2.1 压力容器的定义范围压力容器
3、从字面上看，凡承受压力的密闭容器都属压力容器范围。实际中只是将比较容易发生事故，且事故危害性较大的压力容器才作为一种需要实施专门安全监察的设备；即：最高工作压力0.1Ma(不包含液体静压力)；内直径(非圆形截面则指断面最大尺寸)0.15m，且容积0.025m；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。5.2.2 压力容器的分类（1）按使用位置分类：1) 固定式压力容器即固定安装在使用地点的容器；2) 移动式容器指气瓶、气桶和槽车等无固定安装和使用地点的容器。（2）按设计压力分类：1)低压容器： 0.1 1.6 MPa；2)中压容器： 1.6 10 MPa；3)高压容器：
4、10 100 MPa；4)超高压容器： 100 MPa。(3)按工艺作用分：1) 反应容器主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器；2) 换热容器主要用于完成介质的热量交换的压力容器；3) 分离容器主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的容器； 4) 储存容器主要用于盛装生产或生活用的原料气体、液体、液化气体等。(4)按安全监察管理分：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，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不同要求，具体划分见表5.2所示。（此表未附上，祥见教材）化学介质毒性程度和易燃介质的划分参照HG20
5、660压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类。无规定时按毒性程度，即极度、高度、中度、轻度危害分为四级，其分别最高允许浓度为0.1mgm-、0.11.0mgm-、1.010mgm-、10mgm-。易燃介质是指与空气混合的爆炸下限10%，或爆炸上限和爆炸下限之差20%的气体。5.3 压力容器的基本结构5.3.1 概述1.压力容器的结构组成：由上图可见，影响压力容器安全性的主要部分是承压部件。重点就是这些承压部件的正确选用、合理设计结构、保证有足够的强度、刚度与稳定性。2. 压力容器的主要工艺参数：影响压力容器设计、制造和使用管理的主要技术参数有压力、温度、直径。(1)压力：工作压力指在正常
6、工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。计算压力在相应的设计温度下用以确定承压元件厚度的压力。试验压力在压力试验时容器顶部的压力。公称压力即标准化后的压力数值（如当设计为0.5MPa时，公称压力应为0.6MPa）。常用的公称压力有：0.1、0.25、0.6、1.0、1.6 (MPa) 等。(2)温度：容器的机械强度取决于材料的机械性能，而材料的机械性能又与温度高低有关，因此需要规定设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。温度可通过传热计算求得，或取容器在工作状态下内部介质可能达到最高温度或最低温度(当摄氏零度以下时)。为
7、此，在容器压力试验时，要规定试验温度，即压力试验时壳体的金属温度。(3)直径：容器直径大体决定了容器的容积。为了标准化，采用公称直径。系列的公称直径有300、400、500、1000、1200、1400、(mm)。除无缝钢管制的容器壳体外，钢板卷制的容器的公称直径均指内直径。当容器壳体是无缝钢管时，容器的公称直径均指钢管的外直径。系列的公称直径有159、219、273、325、426(mm)。5.3.2 压力容器的结构特征1、中低压容器的结构特征直径不十分大时，其壁厚较小，直径范围宽，制造较易，一般用金属板材卷焊制造，密封结构较简单，常用螺栓垫片法兰连接的强制密封结构。中低压容器的几何形状通常
8、为圆筒形或球形，也有异形。中低压容器的封头结构形式很多，主要有平板、锥形、无折边球形、碟形、椭球形、半球形等。2、高压容器的结构特征壁厚、长直径比大、外观细长、密封要求高。（1）筒体圆筒体居多，由于壁厚，常见筒体的器壁形式有二类，单层式和多层式或组合式，锻造的比焊接的质量高。它们各有其优缺点，根据具体情况，综合考虑来选择。 (2)封头封头主要是平盖（小直径容器）或半球形封头（直径较大的容器）。(3)密封高压密封采用各种在操作时有自密封作用的半自紧密封，或自紧密封结构，如双锥密封、伍德式密封、C形环密封等。5.4 压力容器的安全设计5.4.1 强度安全设计压力容器设计从安全角度考虑应包括强度安全
9、设计和结构安全设计。强度安全设计：指在确定的容器结构尺寸下，所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力；结构安全设计：指设计容器的总体或局部结构时，尽量避免制造和使用中附加的削弱容器强度的因素。 1、压力容器用钢的选择压力容器设计要求的材料的主要性能是：机械性能和制造工艺性能。普通机械性能主要包括：强度、塑性、韧性、冷弯性能和硬度等。制造工艺性主要指：铸、锻、焊、热处理等加工性能。 (1)压力容器用钢的安全要求1) 冶炼方法：承压元件应使用由平炉、电炉或氧气转炉冶炼的钢材，要求使用镇静钢板，如碳素钢沸腾钢板因是在不完全脱氧条件下获得，因此质量较差。2) 化学成分一
10、般要求含碳量在0.25 %以下，硫含量不大于O.020 %，磷含量不大于0.030 %。3) 机械性能要求强度高、塑性和韧性好，较低的冷脆倾向，较低的缺口和时效敏感性等。4) 与介质的相容性某些介质对某种钢材具有腐蚀性，故选钢材时应注意。(2)压力容器用钢：有普通碳素钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、抗氢钢和低温钢等。应根据需要来选择。2、压力容器中的应力压力容器承受的载荷有静载荷和动载荷两类。设计容器时主要考虑的是静载荷，包括内压、外压和液体静压力。压力容器受到载荷后发生变形，并在器壁中产生内力，通常把单位截面上的内力称为应力。当该应力大到超过材料允许的限度时，即屈服点或强度极限，容器产生明显的
11、塑性变形或破裂。为此，控制应力值是容器强度安全设计的目标。应力的数值与容器的几何形状、尺寸和施加的载荷有关，同样的载荷在同一容器不同结构部位产生的应力大小也不相同，各类应力对容器破坏的作用也不相同。(1)内压薄壁圆筒筒体中的薄膜应力对圆筒体，以筒体的外直径与内直径之比值K的大小区分：K1.2为薄壁圆筒，K1.2为厚壁圆筒。当筒壁很薄时，假设犹如薄膜一样，只能承受拉伸或压缩应力，完全不能承受弯曲应力，称为“无力矩理论”或“薄膜理论”。由薄膜理论分析得到的应力，称为“薄膜应力”。如图5.7(a)为一承受均匀内压力p的圆筒，在离开封头一定距离处，用一横向截面将其切开，使圆筒端部的总压力与作用在圆筒横
12、截面上的纵向力相等，便可计算出纵向应力1，如图5.7(b)： 式中： 1t 2rc纵向压力 pri2总压力1 纵向应力 MPa t 容器壁厚 mm r c 圆筒的平均半径 mm r i 圆筒的内半径 mm 2rc 圆筒的平均周长 mm ri2 圆筒的截面积 mm2 p 圆筒承受的内压力 Mpa因是薄壁圆筒，rc ri，故有： 如在圆筒水平直径处将一段圆筒切开。得到下图5.7(c)所示的上半个圆筒体。作用在圆筒上内压力的合力与作用在圆筒横截面上的力相等。则可求得环向应力2：若以圆筒平均直径D c代替平均半径r c，则有： 比较12，显然可见，圆筒器壁中薄膜应力中的环向应力2比纵向应力1要高两倍。
13、(3)不连续应力的基本概念：实际容器都是几个不同几何形状壳体的组合，当容器受到内压作用时，这些部位受相邻部分材料的约束或结构自身的约束，将产生局部的弯曲，这样接合处受到附加的弯矩和剪力的作用，也称边缘弯矩和边缘剪力。边缘弯矩和边缘剪力在其附近的器壁内产生附加应力，可能比筒体上内压产生的薄膜应力大得多。边缘弯矩和边缘剪力只存在于不连续部位，因此称为不连续应力。例如图5.9为一厚平盖与圆筒体的连接部位。在内压的作用下，该处圆筒部分的径向增大量与封头径向增大量是不相同的，在这些部位的接合处就发生了局部弯曲，产生如图中虚线所示的弯曲变形，在其附近产生相应的附加应力，即不连续应力。这些应力只存在于接合部
14、位及其邻近的区域，离开连接处不远，就很快衰减至筒体的正常薄膜应力。对于厚平盖与圆筒的情况，当离开连接边缘X = 2k时，(k称衰减系数，其值与圆筒尺寸和材料有关)，与圆筒处合，弯曲应力已经趋近于零。当X =k时，对于钢质圆筒，即相当于X = 2.5（R t）1/2时，其轴向弯矩已衰减掉95.7 %。(4)热应力的基本概念大多数容器在一定温度下运行，由于温度的改变(未运行或安装时的温度,通常为室温)，升高或降低，使结构发生膨胀或收缩变形。由于温度的改变，使容器材质结构发生膨胀或收缩变形，受到自身内部或相邻部件的限制时，将在器壁内产生应力，这种应力称为温差应力或热应力。用符号T表示。温差应力概念的说明：如图5.10(a)、(
