化工安全与环境 第五章 压力容器安全

内容导航 5.1压力容器的安全问题 5.2 压力容器的分类 5.3压力容器的基本结构 5.4 压力容器的失效形式 5.5 压力容器的安全设计 5.6压力容器的安全制造 5.7 压力容器的定期检验 5.8 压力容器的安全装置 5.9 压力容器的事故分析和处理

5.1压力容器的安全问题 5.1.1 引言 5.1.2 压力容器的应用和特点 5.1.3 压力容器的安全特征

5.1.1 引言 压力容器是承装带有一定压力的流体的密闭设备，是工业生产中必不可少的一类机械设备。

5.1.2 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：强度、刚度和稳定性 以及密封性

5.1.3压力容器的安全特征 1、量大面广 截至 2007 年底，全国在用固定压力容器 169. 71 万台，锅炉 53.40 万台。 国家质量检验检疫总局(简称国家质检总 局）特种设备安全监察局。 《 特种设备安全监察条例》 2、事故率高 3、危害性大

5.1.3压力容器的安全特征

5.2压力容器的分类 5.2.1压力容器的安全监察范围 5.2.2压力容器的分类 5.2.3压力容器安全管理法规与安全技术标准

5.2.1压力容器的安全监察范围 根据 2002 年 6 月 29 日发布的《特种设备安全监察条例》(代替 1982 年颁布的《锅炉压力容器安全监察暂行条例》）， 将最高工作压力大于或者等于 0.1MPa(表压) ，且压力与容积的乘积大于或者等于2. 5MPa · L 的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器划归为安全监察范围。

5.2.2压力容器的分类 1、按使用位置分 压力容器 固定式压力容器 移动式容器

5.2.2压力容器的分类 2、按设计压力分 类别 压力范围 低压容器 0.1<p<1.6MPa 中压容器 高压容器 10≤p<100MPa 超高压容器 p≥100MPa

5.2.2压力容器的分类 3、按使工艺作用分 压力容器 反应容器 换热容器 分离容器 储存容器 4、按安全监察管理分 表5.2

5.2.3压力容器安全管理法规与安全技术标准 法规： 《特种设备安全监察条例》； 《锅炉压力容器安全监察暂行条例》实施细则 ; 《压力容器产品质量监督检验规则》 《压力管道安全管理与监察规定》； 《压力容器安全技术监察规程》 技术标准：GB 150《钢制压力容器》； JB 4732《钢制压力容器-分析设计标准》；

TSG R2002-2005《超高压容器安全技术监察规程》； TSG R1001-2008《 压力容器压力管道设计许可规则》 5.2.3压力容器安全管理法规与安全技术标准 GB 12337《钢制球形储罐》； JB/T4730.1-6《承压设备无损检测》； TSG R7001-2004《压力容器定期检验规则》； TSG R2002-2005《超高压容器安全技术监察规程》； TSG R1001-2008《 压力容器压力管道设计许可规则》 TSG ZF00l- 2006 《安全阀安全技术监察规程》； TSG R4001-2006《 气瓶充装许可规则》 ……

5.3压力容器的基本结构 5.3.1压力容器的主要工艺参数 5.3.2压力容器的基本构成 5.3.3压力容器的结构特征

5.3.1压力容器的主要工艺参数 1、压力 工作压力：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力； 容器的设计压力：设定的容器顶部的最高压力； 计算压力：用以确定承压元件在相应的设计温度下厚度的压力； 试验压力：压力试验时容器顶部的压力； 公称压力：标准化后的压力数值。 2、温度 3、直径 钢板卷制的容器的公称直径系指内直径；容器壳体是无缝钢管时，公称直径(mm) 均指钢管的外径。

5.3.2压力容器的基本构成

5.3.2压力容器的基本构成

5.3.3压力容器的结构特征 1、中低压容器 直径范围宽，制造较容易； 密封结构较简单，通常采用螺栓一垫片一法兰连接的强制密封结构； 封头结构形式很多，按其形状主要有平板、锥形、无折边球形、碟形、椭球形、半球形等。

5.3.3压力容器的结构特征 2、高压容器 （1）筒体圆筒形居多

5.3.3压力容器的结构特征 2、高压容器 （2）封头 主要型式是平盖或半球形封头， （3）密封 除在压力不高或波动不大情况外，采用与中低压容器类似的强制密封〈如螺栓连接的金属平垫密封等) , 高压密封还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、模形密封、B 形环密封等。

5.4压力容器的失效形式 5.4.1引言 5.4.2韧性破裂 5.4.3脆性破裂 5.4.4疲劳破裂 5.4.5应力腐蚀破裂 5.4.6蠕变破裂 5.4.7泄漏失效

5.4.1引言 压力容器及其承压部件在使用过程中，尺寸、形状或材料性能会发生改变而完全失去或不能良好地实现原定的功能或继续使用中失去可靠性和安全性， 因而需要立即停用进行修理或掉换，称为压力容器或其承压部件的失效。 破裂失效 分类：①韧性破裂s ②脆性破裂;③疲劳破裂;④腐蚀破裂;⑤蠕变破裂;⑥泄漏。

5.4.2韧性破裂 特征 : 容器发生显著的塑性变形， 主要表现在容器的周长明显伸长或容积明显增大、中间部分有鼓胀， 且壁厚明显减薄。 断口的显微特征是韧窝花样一一圆形或椭圆形窝坑。 机理上属于微孔聚集破裂。 主要原因是容器超压。

5.4.3脆性破裂 将容器不发生或未发生充分塑性变形下就破坏的破裂型式称为脆性破裂。 原因: 材料脆性；容器材料或其结构部件存在严重缺陷；容器存在较高的附加应力。 特征：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；宏观上断口平齐，呈金属光泽的结晶状，断口与最大主应力垂直；微观特征主要表现为解理断口。

5.4.4疲劳破裂 压力容器常在交变载荷( 机械载荷或热载荷)下运行，经历长期作用后，在某些局部的应力集中部位发生了破裂或泄漏。 容器外观上没有明显的塑性变形，且也是突发性的。容器的这种破坏形式称为疲劳破裂。 特征:（1）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；(2)疲劳断口的主要表现是海滩状花样，或称疲劳辉纹 预防：严格容器的制造和检验，减少附加的应力集中，避免焊接或安装过程中的先天或后天性裂纹或缺陷;要减少频繁开停车、压力或温度波动、外加强迫振动、周期性外载荷等，维持设备的稳定运行。

5.4.5应力腐蚀破裂 应力腐蚀破裂指容器材料在特定介质环境中，并在拉应力作用下，经过一定时间后发生开裂和破断的现象。 压力容器最 重要的一种腐蚀形式， 5.4.5应力腐蚀破裂 应力腐蚀破裂指容器材料在特定介质环境中，并在拉应力作用下，经过一定时间后发生开裂和破断的现象。 发生条件： (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影响。 特征：无宏观的塑性变形，断口可见到腐蚀产物;通常发生在结构的应力集中部位或腐蚀介质富集区，与主断口垂直方向有裂纹分叉， 呈树枝状。

5.4.5应力腐蚀破裂 预防措施 选择对该介质应力腐蚀不敏感的材料，或采用耐腐蚀的复合钢板、防腐蚀涂层或衬里等； 可通过加缓蚀剂等改变环境介质的条件来避免应力腐蚀破裂； 结构设计和制造过程中避免或减小应力集中，减少残余应力等的存在； 氢脆——为高压和(或)高温临氢环境下的容器材料因氢进入使材料性能变坏，诱发出微裂纹并可能不断扩展，最终也将导致容器在远低于正常工作载荷下发生开裂和破断，这就是氢致开裂(HIC) ，也称氢脆。

5.4.6蠕变破裂 在高温下工作的压力容器，操作温度超过一定极限，材料就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，最终会导致材料破裂。 通过限制容器器壁温度或选用满足高温机械性能要求的材料来避免容器的蠕变破裂。

5.4.7泄漏失效 泄漏率：单位时间介质外泄的数量。 上述压力容器可能发生的任何形式的破裂，最终都表现为容器内的介质向外泄漏。 泄漏原因：压力容器本体或各个部件之间的焊接处因发生破裂造成泄漏，在压力容器与外接设备(包括管道、阀门和安全附件等压力附件〉和不同压力腔体之间的可拆连接处，因密封失效或密封不严而发生泄漏。

5.5压力容器的安全设计 5.5.1压力容器的材料及选用 5.5.2压力容器的强度 5.5.3压力容器的结构设计 5.5.4压力容器的设计管理

5.5.1压力容器的材料及选用 1)压力容器用钢的安全要求 (1)冶炼方法 :主要承压元件用钢材应由平炉、电炉或氧气转炉冶炼； (2) 化学成分:此压力容器专用钢板对硫、磷的含量比一般结构钢板要低，按《 容规》要求硫含量不应大于 0. 020% ，磷含量不应大于 0.030.%； (3) 力学性能: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。 2）压力容器用钢（表5.5）

对圆简体，以筒体的外直径与内直径之比值 K 的大小区分，即 K<1. 2为薄壁圆筒,而 K>1. 2 为厚壁圆筒。 5.5.2压力容器的强度 单位截面上的内力 1.压力容器中的应力 内压薄壁圆筒体中的薄膜应力 对圆简体，以筒体的外直径与内直径之比值 K 的大小区分，即 K<1. 2为薄壁圆筒,而 K>1. 2 为厚壁圆筒。 “薄膜理论”：当薄壁圆筒的壁厚与直径相比很小时，为了简化计算，假设筒壁犹如薄膜一样，只能承受拉伸或压缩应力，完全不能承受弯曲应力。

1.压力容器中的应力 5.5.2压力容器的强度 内压薄壁圆筒体中的薄膜应力 圆筒器壁中的两个薄膜应力，环向应力、纵向应力分别由式5.5、5.6表示。 （5.5） （5.6）

5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 1）内压薄壁圆筒体中的薄膜应力 式5.5推导： 图 5.15(a)所示为一承受均匀内压 p 的圆筒，在离封头一定距离处，用一横向截面将其切开，使圆筒端部的总压力与作用在回筒横截面上的纵向力相等，便可计算出纵向应力[图 5.1S(b) ] : （5.1）

5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 1）内压薄壁圆筒体中的薄膜应力 式中，t为壁厚；rc和ri分别为圆筒的平均半径和内径. 因系薄壁圆筒， rc ≈ ri ，则有 （5.2）

5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 1）内压薄壁圆筒体中的薄膜应力

（5.3） （5.4） 1.压力容器中的应力 1）内压薄壁圆筒体中的薄膜应力 1.压力容器中的应力 1）内压薄壁圆筒体中的薄膜应力 如图 5. 15(c) ，使作用在圆筒上内压力的合力(可以推导出其值为压力与承压曲面沿合力方向的投影面积的乘积）与作用在圆筒横截面上的力相等则可求得环向应力: （5.3） （5.4） 若以圆筒平均直径 Dc 代替平均半径 rc ，式(5.2) 和式(5. 4)可改写为式(5. 5)和式(5. 6)。推导完毕。

1.压力容器中的应力 2）标准椭球形封头中的薄膜应力 承受内压的标准椭球形封头中: 封头的顶端（极点) ，经向应力与环向应 力相等，为 5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 2）标准椭球形封头中的薄膜应力 承受内压的标准椭球形封头中: 封头的顶端（极点) ，经向应力与环向应 力相等，为 （5.7）

1.压力容器中的应力 2）标准椭球形封头中的薄膜应力 承受内压的标准椭球形封头中: 封头的底部(赤道）处，经向应力为 5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 2）标准椭球形封头中的薄膜应力 承受内压的标准椭球形封头中: 封头的底部(赤道）处，经向应力为 在赤道处的环向应力（压缩应力） （5.8） （5.9）

5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 3）不连续应力的基本概念 当容器受到内压作用时，不连续部位由于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，这样在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。这些矩和剪力在其附近的器壁内产生附加应力，为不连续应力或边缘应力。 特点：可能达到较大数值，但作用范围是非常 局部，且有自限性。

仅与温度差和材料的物理性质(E、 α) 有关 5.5.2压力容器的强度 1.压力容器中的应力 4）热应力 产生条件： ①温度的改变使结构发生膨胀或收缩变形； ②变形受到自身内部或相邻部件的约束。 表达式：σT=-αEΔT 措施：采用挠性结构、避免刚性约束等。 仅与温度差和材料的物理性质(E、 α) 有关

2、设计方法简介 （1）按规则设计 GB 150《钢制压力容器》 5.5.2压力容器的强度 2、设计方法简介 （1）按规则设计 GB 150《钢制压力容器》 确定设计载荷 选用设计公式、曲线或图表，并对材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度 根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造 （2）按分析设计

5.5.3压力容器的结构设计 事实也表明，许多压力容器破坏的直接原因是结构的不合理性，导致应力集中，焊接缺陷等不安全因素。 因此设计过程中要在总体或局部结构、焊接结构和接头型式等方面遵循便于制造、利于检验、避免局部附加应力和应力集中的一般性原则。

5.5.4压力容器的设计管理 TSG R1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》。 压力容器设计单位必须取得国家质量监督检疫总局颁发的《特种设备设计许可证》。 设计许可证有效期为4年。 压力容器设计许可分为A级、C级、D级和SAD级等级别。每一级别又分为若干等级，如A1级指超高压容器、高压容器；D1级指第一类压力容器；D2级指第二类压力容器；SAD级指压力容器原理分析设计。

5.5.2压力容器的强度 2、设计方法简介 再考虑钢材厚度负偏差和由于腐蚀、机械磨损而导致厚度减薄等因素，实际制造容器的符合钢材标准规格的厚度或称名义厚度 tn：

5.5.3压力容器的结构设计 事实也表明，许多压力容器破坏的直接原因是结构的不合理性，导致应力集中，焊接缺陷等不安全因素。 因此设计过程中要在总体或局部结构、焊接结构和接头型式等方面遵循便于制造、利于检验、避免局部附加应力和应力集中的一般性原则。

5.5.4压力容器的设计管理 TSG R1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》。 压力容器设计单位必须取得国家质量监督检疫总局颁发的《特种设备设计许可证》。 设计许可证有效期为4年。 压力容器设计许可分为A级、C级、D级和SAD级等级别。每一级别又分为若干等级，如A1级指超高压容器、高压容器；D1级指第一类压力容器；D2级指第二类压力容器；SAD级指压力容器原理分析设计。

5.6压力容器的定期检验 5.6.1压力容器的制造缺陷 1、焊接缺陷 外部：形状缺陷，尺寸缺陷， 以及咬边、弧坑、过烧、电弧擦伤等表面缺陷； 内部：夹渣、气孔、未焊透、未熔合和裂纹等。

5.6.1压力容器的制造缺陷 2、焊接裂纹的类别和成因 热裂纹 冷裂纹 再热裂纹 3. 成型、组装缺陷

5.6.2压力容器的制造检验 1.宏观检查 2. 焊接工艺评定和产品焊接试板 3. 无损检测 4. 耐压试验 5. 气密性试验

压力容器制造质量管理 5.6.3压力容器的制造管理 建立质量保证体系 编制压力容器质 量保证手册 制定企业标准 对产品安全性能的项目进行全面监督检查 压力容器制造质量管理

5.7压力容器的定期检验 5.7.1定期检验的目的和意义 目的：及时查清设备的安全状况，及时发现设备的缺陷和隐患，及时排除险情或采取监控措施，确保压力容器在检验周期内连续的安全运行。 按照 TSG R 7001-2004(《压力容器定期检验规则》(以下简称《规则》)进行。

1、检验类别和检验周期 年度检查、 类别 全面检验 耐压试验 周期： 5.7.2定期检验的检验内容和要求 1、检验类别和检验周期 年度检查、 类别 全面检验 耐压试验 周期： 安全状况等级为 1、2 级的，一般每 6 年一次。 安全状况等级为 3 级的，一般 3~6 年一次。 安全状况等级为 4 级的，其检验周期由检验 机构确定。

5.7.2定期检验的检验内容和要求 2、检验项目和方法 项目：宏观检查，保温层、隔热层和衬里检查，壁厚测定，表面无损检测，埋藏缺陆检测，材质检查，紧固件检查，强度校核，安全附件检查，气密性试验等。 检验的方法：以宏观检查、壁厚测定、表面无损检测为主，必要时可以采用超声检测、射线检测、金相检验、化学分析或者光谱分析、强度校核或者应力测定等其他方法。

5.7.2定期检验的检验内容和要求 3、检验的一般程序

5.7.2定期检验的检验内容和要求 4、安全状况等级评定

5.8压力容器的安全装置 5.8.1压力容器安全装置的作用与类型 5.8.2压力容器安全装置的基本要求 5.8.3压力容器的安全泄压装置 5.8.4安全阀及其选用 5.8.5爆破片装置及其选用

5.8.1压力容器安全装置的作用与类型 安全泄压装置 显示和（或）报警装置 安全连锁装置 5.8.2压力容器安全装置的基本要求 选用的安全装置要满足设备的工艺操作要求 ； 安全装置的结构要能及时迅速排放器内介质，泄压反应快，动作及时，无明显的滞后现象。

5.8.3压力容器的安全泄压装置 1、类型 安全阀 爆破片装置 安全阀与爆破片装置的组合形式

5.8.3压力容器的安全泄压装置 2、安全泄放量的计算 压力容器安全泄放量指为保证容器出现超压时，器内压力不再继续升高，安全泄放装置在单位时间内所必须的最低泄放（介质)量。

5.8.4安全阀及其选用 1、类型

5.8.4安全阀及其选用 2、安全阀排放能力的计算 安全阀的排放能力，指在在排放压力下，阅全部开启时，单位时间内安全阀的理论气体排量； 安全阀的排放能力应不小于压力容器的安全泄放量。

5.8.4安全阀及其选用 3、安全阀的选用 步骤： (1)根据容器工作压力、温度、介质特性和产品样本等，选择安全阀型式、规格和材料等; (2) 按照选定的公称压力和公称直径，确定安全阀的阅座通径，并据此计算其额定排量G (3) 计算容器的安全泄放量 Ws ，要求满足 G ≥ Ws 。

5.8.5爆破片装置及其选用 1、类型

（1）最小标定爆破压力Pb,min与容器的最大正常操作压力Pw应留有适当的裕量; 5.8.5爆破片装置及其选用 2、爆破压力的确定 （1）最小标定爆破压力Pb,min与容器的最大正常操作压力Pw应留有适当的裕量; （2） Pb,min不能高于Pd ； （3）制造时允许设计爆破压力存在一定的变动范 围，称制造范围； （4）考虑膜片材料的均匀性等因素将影响爆破压力的精确性，爆破片的实际爆破试验压力相对于标定爆破压力允许一定的偏差。

5.8.5爆破片装置及其选用 3、爆破片排放面积的计算 容器内介质为气体时 （5.20） 式中。K’ -——额定排放系数， K’ =0.62；其余符号见式（5.19）

5.8.5爆破片装置及其选用 4、爆破片的选用原则 (1)下列情况应优先选用爆破片： ① 存在压力有可能迅速上升； ②泄放介质含有颗粒、易结晶、易沉淀、易聚合、黏度较大; ③泄放介质有强腐蚀性，采用安全阀价格过高; ④需要泄放面积较大。 (2) 为增加异常情况(如火灾）下的泄放面积，可并联使用爆破片装置或与安全阀并联使用。 (3) 无特殊要求下，超高、高、中低压场合一般选用正拱型爆破装置(超高、高压可选用爆破帽) ;低压、大直径或真空、有循环压力或脉冲压力场合优先选用反拱型爆破片装置。液体介质不选用反拱型爆破片装置。

5.8.5爆破片装置及其选用 4、爆破片的选用原则 (4) 泄放介质十分贵重或有剧毒，不允许有任何泄漏，应与安全阀串联使用。 (5) 爆破片装置不适用经常超压的场合，也不宜用于温度波动很大的场合。 (6) 爆破片装置的排放能力或排放面积要满足容器的安全泄放量要求。 (7) 爆破片的材料按介质腐蚀和运行温度的情况选用不同的材料或采用在金属膜片面对腐蚀介质侧覆盖或喷涂耐腐蚀膜;对压力不大的场合，可选用石墨爆破片。

5.9压力容器的事故分析与处理 5.9.1容器的爆炸和爆炸能量 绝热膨胀过程 1、压缩气体容器的爆炸能量

5.9.1容器的爆炸和爆炸能量 1、压缩气体容器的爆炸能量

爆沸 5.9.1容器的爆炸和爆炸能量 2、液化气体或高温饱和水容器的爆炸能量

5.9.1容器的爆炸和爆炸能量 2、液化气体或高温饱和水容器的爆炸能量

+ 5.9.2压力容器的事故分析与处理 事故的分析方法 现场的事故情况和过程的调查 技术上的检验与鉴定 压力容器事故 爆炸事故 重大事故 一般事故

5.9.2压力容器的事故分析与处理 事故诊断与分析 容器爆炸性质的判断 破坏类型的鉴别 破坏类型的鉴别

报送当地劳动部门和主管部门，并由他们逐级上报， 直至国家质量技术监督局锅炉压力容器安全监察局。 5.9.2压力容器的事故分析与处理 事故的处理 事故分析、诊断 编写事故报告，事故调查与技术鉴定报告 报送当地劳动部门和主管部门，并由他们逐级上报， 直至国家质量技术监督局锅炉压力容器安全监察局。

事故调查 相关要求 对事故进行全面调查有助于找出关联的事件和事故原因，并提出、落实改进措施。 应该调查每一件造成（或可能造成）危险化学品泄漏的事故（或未遂事故）。 事故调查工作要及时开展，且不得晚于事故发生后48小时内进行。 事故调查需要由一个调查小组来完成，至少有一名组员熟悉相关的工艺，其他组员有事故调查的知识与经验。

事故调查要求 事故调查报告至少应该包括： 应建立制度确保事故调查发现的问题及时纠正并落实提出的改进措施。 事故发生的日期 开始调查的日期 事故描述 造成事故的原因 改进措施 应建立制度确保事故调查发现的问题及时纠正并落实提出的改进措施。 纠正措施和改进建议应该以书面形式写入报告，该报告须经相关人员审阅。 雇主应该保留事故调查报告至少5年。