1、第六章第六章 压力容器安全压力容器安全2022-12-51什么是压力容器什么是压力容器?压力容器的定义为了与一般容器压力容器的定义为了与一般容器(常压容器常压容器)相区相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器：压力容器：1、最高工作压力、最高工作压力0.1MPa2、内直径、内直径0.15m，且容积，且容积0.025m3、介质为气体、液化气体或最高工作温度高于、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。标准沸点的液体。2022-12-52第一章 绪论第一节第一节 压力容器的特点压力容器的特点1压力容器的应用和特点压力容器的应
2、用和特点（1）容器应用的广泛性容器应用的广泛性化工企业中的塔、釜、槽、罐等。如一个年产化工企业中的塔、釜、槽、罐等。如一个年产30万吨的乙烯装置，万吨的乙烯装置，越有越有793台设备，其中压力容器台设备，其中压力容器281台，占了台，占了35.4%。至于民用或工也用。至于民用或工也用的液化石油气瓶，更是到处可见。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是的液化石油气瓶，更是到处可见。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，其设计、选材、运行和维护管理另用直接火焰加热的特种受压容器，其设计、选材、运行和维护管理另有规定。有规定。（2）操作条件的复杂性操作条件的复杂性压力容器的操作条件十分
3、复杂，甚至近于苛刻。压力从压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从110-5210-5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.521.0MPa；高压聚乙；高压聚乙烯为烯为100200MPa；合成氨为；合成氨为10100MPa；人造水晶高达；人造水晶高达140MPa；温度从温度从-196到超过到超过1000的高温；而处理介质则包括爆、燃、毒、辐的高温；而处理介质则包括爆、燃、毒、辐射、腐蚀、磨损等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、射、腐蚀、磨损等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安装到使用、维护都不同于一般机械设备，而成
4、为一类特殊设制造、安装到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。备。2022-12-53第一章 绪论（3）对安全的要求高对安全的要求高一般压力容器的结构并不复杂，但因其一承受各一般压力容器的结构并不复杂，但因其一承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其二大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，载荷；其二大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器多数系焊接制造，来的破坏能量极大，加上压力容器多数系焊接制造，容易产生各种焊
5、接缺陷，一旦检验、操作失误易发容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误易发生爆炸破裂，器内的易爆、易燃、有毒的介质将向生爆炸破裂，器内的易爆、易燃、有毒的介质将向外泄露，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压外泄露，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器本身就要求有足够的强度、刚度和稳定性，力容器本身就要求有足够的强度、刚度和稳定性，以及密封性好等很高要求的安全可靠性以及密封性好等很高要求的安全可靠性2022-12-54第一章 绪论2压力容器的安全问题压力容器的安全问题（1）量大面广）量大面广（2）事故率高）事故率高根据英国原子能局安全卫生处和联合部技术委员会工程根据英国原子能局安全卫生处和
6、联合部技术委员会工程检验机构调查使用年限在检验机构调查使用年限在30年以内，符合英国压力容器规年以内，符合英国压力容器规范的一级压力容易发生破坏事故的统计情况表明，范的一级压力容易发生破坏事故的统计情况表明，10000台台容器中发生损坏事故的次数为每年容器中发生损坏事故的次数为每年12.5次，达到破坏事故次，达到破坏事故0.7次，事故几率为万分之次，事故几率为万分之1.32，而这，而这132起使用中的容器事起使用中的容器事故，按其原因分类，故，按其原因分类，89.3%即即118起是由各种制造裂纹所引起是由各种制造裂纹所引起的。起的。据统计，国内据统计，国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆
7、炸年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故事故132起，严重事故起，严重事故274起，共死亡起，共死亡104人，受伤人，受伤371人，人，直接经济损失直接经济损失2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为事故率分别为1.07、0.28、0.65次次/万台。万台。（3）危害性大）危害性大2022-12-55第一章 绪论冲击波及其破坏作用冲击波及其破坏作用 冲击波超压会造成人员伤亡和建筑物破坏冲击波超压会造成人员伤亡和建筑物破坏爆破碎片的破坏作用爆破碎片的破坏作用 爆炸碎片具有较高速度和较大质量，其对人的伤害爆炸碎片具有较高速度和较大质量，其对人的伤害取
8、决于其动能，会对人造成伤亡，并且可能损坏附近设取决于其动能，会对人造成伤亡，并且可能损坏附近设备和管道，引起二次事故备和管道，引起二次事故介质伤害介质伤害 主要是有毒介质的毒害和高温水汽的烫伤。主要是有毒介质的毒害和高温水汽的烫伤。二次爆炸及燃烧二次爆炸及燃烧 当容器所盛装的介质为可燃液化气体时，容器破裂爆当容器所盛装的介质为可燃液化气体时，容器破裂爆炸在现场会形成大量可燃蒸气，并迅即与空气混合形成炸在现场会形成大量可燃蒸气，并迅即与空气混合形成可爆性混合气，在扩散中遇明火即形成二次爆炸。可爆性混合气，在扩散中遇明火即形成二次爆炸。2022-12-56第一章 绪论1979年年9月月7日国内某厂
9、日国内某厂415L液氯钢瓶爆炸，击穿液氯钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸个，爆炸5个，个，10200KG液氯外泄，波及液氯外泄，波及7KM的的范围，范围，59人死亡，人死亡，799人严重中毒，损失人严重中毒，损失63万元；万元；1979年年12月月18日国内某地液化气站日国内某地液化气站400m3储罐爆炸，储罐爆炸，引发引发3个球罐和一个卧罐爆炸，个球罐和一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆炸，只气瓶爆炸，600t液化气燃烧，液化气燃烧，32人死亡，人死亡，54人受伤，损失人受伤，损失627万元；万元；1986年年4月月28日前苏联切尔诺贝利核电站压日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄露，力壳发生核泄露，
10、31人死亡，人死亡，20个国家个国家4亿受害者；亿受害者；早期早期1905年年3月月20日美国日美国SULTANA蒸汽船锅炉爆蒸汽船锅炉爆炸炸20min沉没，沉没，1547人溺水身亡人溺水身亡发生压力容器事故很多是处于制造和操作管理上发生压力容器事故很多是处于制造和操作管理上的原因。的原因。2022-12-57第一章 绪论第二节第二节 压力容器的分类压力容器的分类1分类分类按使用位置分：固定式和移动式：气瓶、气桶和按使用位置分：固定式和移动式：气瓶、气桶和槽车等槽车等按设计压力分：按设计压力分：低压：低压：中压：中压：高压：高压：超高压：超高压：0.11.6pMPa1.610pMPa10100
11、pMPa100pMPa2022-12-58第一章 绪论按工艺作用分：按工艺作用分：1.1.反应容器反应容器(R)(R)：主要用于完成介质的物理、化学反应的压：主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，如反应器、反应釜、合成塔、变换炉等；力容器，如反应器、反应釜、合成塔、变换炉等；2.2.换热容器换热容器(E)(E)：废热锅炉、热交换器、蒸发器、硫化埚、：废热锅炉、热交换器、蒸发器、硫化埚、蒸压釜等；蒸压釜等；3.3.分离容器分离容器(S)(S)：分离器、过滤器、洗涤器、吸收塔、干燥：分离器、过滤器、洗涤器、吸收塔、干燥塔等；塔等；4.4.储存容器储存容器(T)(T)：主要用于盛装生产或生活用
12、的原料气体、：主要用于盛装生产或生活用的原料气体、液体、液化气体等，如各种型式的储罐、槽车等。液体、液化气体等，如各种型式的储罐、槽车等。按安全监察管理分：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）程度（指易燃介质、毒性介质）,“容规容规”将容器分成将容器分成1，2，3三类三类2022-12-59第一章 绪论一类容器一类容器非易燃或无毒介质的低压容器及易燃或有毒介质的低压传非易燃或无毒介质的低压容器及易燃或有毒介质的低压传热容器和分离容器属于一类容器。热容器和分离容器属于一类容器。二类容器二类容
13、器任何介质的中压容器；剧毒介质的低压容器；易燃或有毒任何介质的中压容器；剧毒介质的低压容器；易燃或有毒介质的低压反应容器和储运容器属于二类容器。介质的低压反应容器和储运容器属于二类容器。三类容器三类容器高压、超高压容器；高压、超高压容器；pV0.2MPam的剧毒介质低压容器和的剧毒介质低压容器和剧毒介质的中压容器；剧毒介质的中压容器；pV0.5MPam的易燃或有毒介质的的易燃或有毒介质的中压反应容器；中压反应容器；pV10MPam的中压储运容器以及中压废的中压储运容器以及中压废热锅炉和内径大于热锅炉和内径大于1m的低压废热锅炉。的低压废热锅炉。2022-12-510第一章 绪论2压力容器安全管
14、理的主要法规与技术标准压力容器安全管理的主要法规与技术标准为了保证压力容器安全运行，国内除了有各级政府劳动部门专为了保证压力容器安全运行，国内除了有各级政府劳动部门专门设立的安全监察机构外，并有由他们制定的一系列安全技术监门设立的安全监察机构外，并有由他们制定的一系列安全技术监察制度、规程和规定等，如：察制度、规程和规定等，如：1982年年2月国务院颁发的月国务院颁发的锅炉压力容器安全监察暂行条例锅炉压力容器安全监察暂行条例1982年年7月劳动人事部颁发的月劳动人事部颁发的压力容器安全监察暂行条例压力容器安全监察暂行条例1999年年6月国家质量技术局颁发的月国家质量技术局颁发的压力容器安全技术
15、监察规压力容器安全技术监察规程程即即“容规容规”1989年年3月的月的压力容器使用登记管理规则压力容器使用登记管理规则1990年年8月的月的压力容器产品安全质量监督检验规则压力容器产品安全质量监督检验规则1996年年4月的月的压力管道安全管理与监察规定压力管道安全管理与监察规定等等关于压力容器设计和制造的技术标准有：关于压力容器设计和制造的技术标准有：GB150钢制压力容钢制压力容器器，以及，以及1995年颁布的年颁布的GB4732钢制压力容器钢制压力容器-分析设计标准分析设计标准等。等。国外也有此类规程或边准，且涉及范围更广。国外也有此类规程或边准，且涉及范围更广。2022-12-511第一
16、章 绪论第三节第三节 压力容器的基本结构压力容器的基本结构1 1压力容器的结构组成压力容器的结构组成1.基本承压部件：器身、封头、连接件（法兰对、密封元件、紧固件）、接管、人（手）孔、支座。2.附件：仪表、阀门、安全附件（安全阀、爆破膜）2022-12-512第一章 绪论2主要工艺参数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，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，直径等温度，直径等1 1）压力：指容器工作时承受的介质压力，实际上是器内介质）压力：指容器工作时承受的介质压力，实际上是器内介质压力与外大气压的差值压力与外大气压的差值2 2）温度：容器的
17、机械强度取决于材料的机械性能，而材料的）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，其与设计机械性能又与温度高低有关，因此需要规定设计温度，其与设计压力一起做为设计载荷条件压力一起做为设计载荷条件设计温度指容器在正常工作的情况下，设定的元件的金属温度。设计温度指容器在正常工作的情况下，设定的元件的金属温度。通常通过传热计算可以求得设计温度，或者取容器在工作状态下通常通过传热计算可以求得设计温度，或者取容器在工作状态下内部介质可能达到最高的温度或最低温度。内部介质可能达到最高的温度或最低温度。3 3）直径）直径容器直径大体决定了容器的容积。出
18、于标准化的要求，将容器容器直径大体决定了容器的容积。出于标准化的要求，将容器直径按尺寸大小排列成系列，即标准化后的尺寸，称为公称直径。直径按尺寸大小排列成系列，即标准化后的尺寸，称为公称直径。例如容器的公称直径系列尺寸为例如容器的公称直径系列尺寸为300300、400400、500500、600600、700700、800800、900900、10001000、12001200、14001400。（。（mmmm）等。除了无缝钢管制的容）等。除了无缝钢管制的容器壳体外，钢板卷制的容器的公称直径系指内径器壳体外，钢板卷制的容器的公称直径系指内径当容器壳体是无缝钢管时，此时容器的公称直径均指钢管的外
19、当容器壳体是无缝钢管时，此时容器的公称直径均指钢管的外径，如径，如159159、219219、273273、325325、426426。2022-12-513第一章 绪论3压力容器的结构特征压力容器的结构特征3.1 中低压容器的结构特征中低压容器的结构特征中低压容器因压力不高，当直径不十分大时，其中低压容器因压力不高，当直径不十分大时，其壁厚较小，因此直径范围宽，制造较容易，除小直壁厚较小，因此直径范围宽，制造较容易，除小直径筒体直接用无缝管外，一般采用金属板材卷焊制径筒体直接用无缝管外，一般采用金属板材卷焊制造；因压力不高容易达到密封要求，故密封结构较造；因压力不高容易达到密封要求，故密封结
20、构较简单，通常采用螺栓简单，通常采用螺栓-垫片垫片-法兰连接的强制密封结法兰连接的强制密封结构。中低压容器器身的几何形状通常为圆筒形或球构。中低压容器器身的几何形状通常为圆筒形或球形，也有异形的，如长圆形、矩形等。圆筒形与球形，也有异形的，如长圆形、矩形等。圆筒形与球形容器的特点和应用范围见下表：形容器的特点和应用范围见下表：2022-12-514第一章 绪论除器身外，封头是容器的重要组成不见。在中低压容器，除器身外，封头是容器的重要组成不见。在中低压容器，中，封头结构形式很多，按其形状主要有平板、锥形、无中，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，其对
21、于如下表：折边球形、碟形、椭球形、半球形等，其对于如下表：2022-12-515第一章 绪论2022-12-516第一章 绪论 2022-12-517第一章 绪论3.2高压容器的结构特征高压容器的结构特征高压容器因其压力高，势必壁厚大；为了保证工艺空间，长径比大，高压容器因其压力高，势必壁厚大；为了保证工艺空间，长径比大，故其外观细长；在密封要求上比中低压容器高，因此在筒体的制造方故其外观细长；在密封要求上比中低压容器高，因此在筒体的制造方法和高压密封结构形式方面有更广泛和独特的特征。法和高压密封结构形式方面有更广泛和独特的特征。1）筒体）筒体高压筒体以制造方便的圆筒形居多，并采用厚壁结构，但
22、由于壁厚高压筒体以制造方便的圆筒形居多，并采用厚壁结构，但由于壁厚大，所以制造方法很多，分为单层式和多层式大，所以制造方法很多，分为单层式和多层式2）封头）封头主要型式为平盖或半球封头，这是考虑到壁厚，对小直径容器，平主要型式为平盖或半球封头，这是考虑到壁厚，对小直径容器，平盖制造容易；而直径较大的容器则采用半球形封头，有利于减少厚度盖制造容易；而直径较大的容器则采用半球形封头，有利于减少厚度或改善受力状况。或改善受力状况。3）密封）密封密封结构非常重要，其安全性能很大程度上决定密封的可靠性，高密封结构非常重要，其安全性能很大程度上决定密封的可靠性，高压化学介质一旦发生泄露，其后果自然相当严重
23、。因此除了少数压力压化学介质一旦发生泄露，其后果自然相当严重。因此除了少数压力不高或波动不大的情况外，一般不采用强制密封（如螺栓连接的金属不高或波动不大的情况外，一般不采用强制密封（如螺栓连接的金属平垫密封等），而采用各种在操作时有自密封作用的半自紧密封或自平垫密封等），而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、紧密封结构，如双锥密封、伍德式密封、C形环密封、锲形密封、形环密封、锲形密封、B形形环密封等。这些密封形式在安全性上要强于强制密封，但结构和安装环密封等。这些密封形式在安全性上要强于强制密封，但结构和安装要求要复杂得多。要求要复杂得多。2022-
24、12-518第一章 绪论一、锅炉简介 锅炉是生产蒸汽的设备，它锅炉是生产蒸汽的设备，它把燃料的化学能转变为热能，再把燃料的化学能转变为热能，再利用热能产生蒸汽。锅炉按用途利用热能产生蒸汽。锅炉按用途分为电站锅炉、工业锅炉、机车分为电站锅炉、工业锅炉、机车锅炉、船舶锅炉和生活锅炉，按锅炉、船舶锅炉和生活锅炉，按结构分为水管锅炉、火管锅炉二结构分为水管锅炉、火管锅炉二种，前者是烟气在管内流动。有种，前者是烟气在管内流动。有时又按压力分为低压、中压、高时又按压力分为低压、中压、高压与超高压锅炉四个等级。压与超高压锅炉四个等级。第四节第四节 锅炉安全问题锅炉安全问题2022-12-519第一章 绪论二
25、、锅炉的危险因素二、锅炉的危险因素 锅炉在运行时，不仅要承锅炉在运行时，不仅要承受一定的温度和压力，而且要受一定的温度和压力，而且要遭受介质的侵蚀和飞灰磨损，遭受介质的侵蚀和飞灰磨损，因此具有爆炸的危险。如果锅因此具有爆炸的危险。如果锅炉在设计制造及安装过程中存炉在设计制造及安装过程中存在缺陷或因年久失修，或违反在缺陷或因年久失修，或违反操作规程都可能出现严重的事操作规程都可能出现严重的事故。故。2022-12-520第一章 绪论 锅炉常见的危险因素有：1 1、水位异常水位异常。主要是在运行过程中发生缺水和满水。当严重缺水时，水冷壁管已部分干烧、过热，如果此时强行进水，使温度很高的气包和水冷壁
26、管发生急冷，产生巨大的热应力，同时水大量气化会造成管子大面积损坏甚至炉管爆裂。为此锅炉严重缺水时绝不能立即加水，应立即熄锅炉严重缺水时绝不能立即加水，应立即熄火停炉。火停炉。满水也会使蒸汽压力严重波动造成锅炉损坏，此时应减少给水或及时排水，必要时也应停炉。2022-12-521第一章 绪论 2 2、汽水共腾汽水共腾。主要是锅炉水位波动幅度异常，水面翻腾程度大。原因是炉水中含盐量高，管壁结垢严重管壁结垢严重，水汽化受扰动使蒸汽系统压力严重波动，有时还可引起锅炉承压系统部件损坏，甚至造成炉管爆裂。2022-12-522第一章 绪论 3 3、炉膛爆炸炉膛爆炸。炉膛爆炸是指。炉膛爆炸是指炉膛内发生可燃
27、物瞬时爆燃的现炉膛内发生可燃物瞬时爆燃的现象。其原因主要是点火前炉膛内象。其原因主要是点火前炉膛内存在可燃物，一般是点火不成功存在可燃物，一般是点火不成功没有及时清理炉膛而留存下来的，没有及时清理炉膛而留存下来的，当再次点火时就可导致炉膛内的当再次点火时就可导致炉膛内的可燃气体、可燃物发生爆燃可燃气体、可燃物发生爆燃。为此，锅炉点火前必须通风锅炉点火前必须通风置换，清除可燃物，使其置换，清除可燃物，使其浓度远远低于爆炸界限。浓度远远低于爆炸界限。2022-12-523第一章 绪论 4 4、尾部二次燃烧尾部二次燃烧。主要原因是锅炉运行中燃烧不完。主要原因是锅炉运行中燃烧不完全，从而导致部分可燃物
28、随着烟气进入尾部烟道，积全，从而导致部分可燃物随着烟气进入尾部烟道，积存于烟道内或粘附在尾部受热面上，在一定条件下这存于烟道内或粘附在尾部受热面上，在一定条件下这些可燃物自行着火燃烧。后果是常常将空气预热器、些可燃物自行着火燃烧。后果是常常将空气预热器、省煤器破坏。二次燃烧易在停炉之后不久发生。省煤器破坏。二次燃烧易在停炉之后不久发生。为此，为此，就要组织好燃烧，提高燃烧效率，尽可能就要组织好燃烧，提高燃烧效率，尽可能减少不完全燃烧损失，减少锅炉启停次数，同时加强减少不完全燃烧损失，减少锅炉启停次数，同时加强尾部受热面的吹灰，保证烟道各种门孔及烟风挡板的尾部受热面的吹灰，保证烟道各种门孔及烟风
29、挡板的密封良好，在燃油锅炉的尾部烟道上应装设灭火装置。密封良好，在燃油锅炉的尾部烟道上应装设灭火装置。2022-12-524第一章 绪论 1 1）锅炉房，每层）锅炉房，每层至少应有两个出口至少应有两个出口，分别，分别设在两侧，门应向外开，在锅炉运行期间不准锁住设在两侧，门应向外开，在锅炉运行期间不准锁住或栓住，锅炉房内的工作室或生活室的门应向锅炉或栓住，锅炉房内的工作室或生活室的门应向锅炉房内开。房内开。2 2）锅炉运行要有操作规程、交接班制度、水）锅炉运行要有操作规程、交接班制度、水质管理制度、定期检验制度等。质管理制度、定期检验制度等。3 3）运行锅炉应每年进行一次停炉内外部检验，）运行锅
30、炉应每年进行一次停炉内外部检验，每每6 6年进行一次水压试验。年进行一次水压试验。三、锅炉运行的安全防护三、锅炉运行的安全防护2022-12-525第一章 绪论 4 4）蒸汽锅炉运行中遇有下列情况之一时，应）蒸汽锅炉运行中遇有下列情况之一时，应立即停炉：立即停炉：锅炉水位降到规定的水位极限以下时；锅炉水位降到规定的水位极限以下时；不断加大向锅炉给水及采取其他措施，但水位仍继续下不断加大向锅炉给水及采取其他措施，但水位仍继续下降时；降时；锅炉水位已经升到运行规程规定的水位上位极限以上时；锅炉水位已经升到运行规程规定的水位上位极限以上时；给水机械全部失效；给水机械全部失效；水位表或安全阀全部失效；
31、水位表或安全阀全部失效；锅炉元件损坏，危及锅炉元件损坏，危及 运行人员安全；运行人员安全；燃烧设备损坏，炉膛倒塌或锅炉构架被烧红；燃烧设备损坏，炉膛倒塌或锅炉构架被烧红；其它异常运行情况。其它异常运行情况。2022-12-526第一章 绪论1993年8月,大庆石化总厂化肥厂合成车间辅助锅炉发生爆管事故。事故原因是：开车期间，由于操作失误，导致锅炉给水泵抽空，高压汽包液位由55%突然降至16%，汽包另一套电极液位指示为零。在两个液位指示不一致的情况下，操作人员误认为16%的液位是正确的，而没有果断灭火停炉，造成辅锅干烧而爆管一根。直接经济损失90.61万元。1985年2月24日，辽阳石油化纤公司
32、化工一厂裂解车间发生了一起3台急冷锅炉损坏及1号裂解炉油线焊缝撕裂的重大设备事故。事故的主要原因是：操作工技术素质较差，缺乏对锅炉严重泄漏的判断经验，不知急冷锅炉因水质不良和排污不当已腐蚀损坏，给腐蚀的锅炉继续加水，加剧锅炉的损坏。2022-12-527第一章 绪论第四节第四节 压力容器的破坏形式和原因压力容器的破坏形式和原因压力容器及其承压部件在使用过程中，其尺寸、压力容器及其承压部件在使用过程中，其尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能良好地形状或材料性能发生改变而完全失去或不能良好地实现原定的功能，或在继续使用中失去可靠性和安实现原定的功能，或在继续使用中失去可靠性和安全性，因而需
33、要立即停用进行修理或换掉，这就称全性，因而需要立即停用进行修理或换掉，这就称为压力容器或其承压部件的失效。对压力容器而言，为压力容器或其承压部件的失效。对压力容器而言，从安全出发，最关心的实效形式是破裂。从安全出发，最关心的实效形式是破裂。压力容器破裂失效通常分为以下几种型式：压力容器破裂失效通常分为以下几种型式：2022-12-528第一章 绪论1.韧性破裂韧性破裂韧性：是表示材料弹塑性变形和断裂全过程中吸收能量韧性：是表示材料弹塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。材料的韧性是强度和的能力，是强度和塑性的综合表现。材料的韧性是强度和塑性的综合体现。正如一个人一样。塑
34、性的综合体现。正如一个人一样。强度：指在外力作用下，抵抗产生塑性变形和断裂的能强度：指在外力作用下，抵抗产生塑性变形和断裂的能力。可用屈服强度（产生明显塑性变形时的应力）和强度力。可用屈服强度（产生明显塑性变形时的应力）和强度极限（拉断前承受的最大应力）来衡量极限（拉断前承受的最大应力）来衡量塑性：材料在外力作用下，发生断裂前产生塑性变形的塑性：材料在外力作用下，发生断裂前产生塑性变形的能力，常用拉伸试验中材料的延伸率能力，常用拉伸试验中材料的延伸率5表示（试件标准长表示（试件标准长度和直径之比为度和直径之比为5）和断面收缩率表示。值越大塑性越好。）和断面收缩率表示。值越大塑性越好。韧性破裂往
35、往是容器受到超过正常工作内压的作用，在韧性破裂往往是容器受到超过正常工作内压的作用，在其器壁截面上产生的总体薄膜拉应力使材料发生明显的塑其器壁截面上产生的总体薄膜拉应力使材料发生明显的塑性变形，如压力继续升高，一旦应力超过材料的抗拉强度性变形，如压力继续升高，一旦应力超过材料的抗拉强度时，容器就会发生破裂如果材料本身或容器制造过程中不时，容器就会发生破裂如果材料本身或容器制造过程中不存在严重的缺陷，容器的韧性破裂通常出自塑性很好的材存在严重的缺陷，容器的韧性破裂通常出自塑性很好的材料，如低碳钢、低合金钢制造的容器。料，如低碳钢、低合金钢制造的容器。2022-12-529第一章 绪论特征：从容器
36、来看，容器发生显著塑性变形，主要表现特征：从容器来看，容器发生显著塑性变形，主要表现在容器的周长明显伸长或容积明显增大、中间部分有鼓胀在容器的周长明显伸长或容积明显增大、中间部分有鼓胀和壁厚的明显减薄。破裂时一般不会产生碎块，而是沿容和壁厚的明显减薄。破裂时一般不会产生碎块，而是沿容器轴向撕开较长的裂缝。从断面来看，断口有缩颈，其断器轴向撕开较长的裂缝。从断面来看，断口有缩颈，其断面与主应力方向成面与主应力方向成45，有较大的剪切唇、断面多呈暗灰，有较大的剪切唇、断面多呈暗灰色纤维状。通过电子显微镜对断口进行高倍分析，韧性破色纤维状。通过电子显微镜对断口进行高倍分析，韧性破裂断口的显微特征是韧
37、窝花样裂断口的显微特征是韧窝花样-圆形或椭圆形窝坑。圆形或椭圆形窝坑。压力容器发生韧性破裂的主要原因是超压。压力容器发生韧性破裂的主要原因是超压。例：某化肥厂检修合成氨系统高压设备气密试验，整个例：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，截止阀泄露使煤气与空煤气柜的连接管道未用盲板隔断，截止阀泄露使煤气与空气混合被压缩机压入试压系统。气混合被压缩机压入试压系统。2022-12-530第一章 绪论2.脆性破裂脆性破裂将容器不发生或未发生充分塑性变形情况下就破坏的破
38、将容器不发生或未发生充分塑性变形情况下就破坏的破裂类型称为脆性破裂。从压力容器破坏时的宏观变形观察，裂类型称为脆性破裂。从压力容器破坏时的宏观变形观察，有时并不表现出明显的塑性变形，而就其破裂时的爆破压有时并不表现出明显的塑性变形，而就其破裂时的爆破压力计算出来的容器总体薄膜应力，也远低于制造容器材料力计算出来的容器总体薄膜应力，也远低于制造容器材料的抗拉强度，甚至低于它的屈服点，此外起裂部位常在截的抗拉强度，甚至低于它的屈服点，此外起裂部位常在截面不连续处，常拌有表面缺陷或内部缺陷，即该处有严重面不连续处，常拌有表面缺陷或内部缺陷，即该处有严重的应力集中。的应力集中。例：某化肥厂一台水洗塔在
39、投产例：某化肥厂一台水洗塔在投产4年多后，爆裂成年多后，爆裂成43块，块，其中一块约其中一块约1吨，飞出吨，飞出127米，伤亡米，伤亡10余人。该容器内径余人。该容器内径2.2米，壁厚米，壁厚44mm，高，高21m，设计压力为，设计压力为3MPa。在。在2.8MPa下下发生爆炸。按照计算，爆破时容器最大薄膜应力为发生爆炸。按照计算，爆破时容器最大薄膜应力为70MPa，仅是材料（普通碳素钢）屈服点仅是材料（普通碳素钢）屈服点240MPa的的29%。经分析，。经分析，断口平直，基本无塑性变形，属脆性破裂。爆破原因是焊断口平直，基本无塑性变形，属脆性破裂。爆破原因是焊缝质量差，存在缝质量差，存在13
40、-19mm深的裂缝，加上爆炸时环境气温深的裂缝，加上爆炸时环境气温低达低达-27，材料的韧性较差，终于导致了脆性破裂。，材料的韧性较差，终于导致了脆性破裂。2022-12-531第一章 绪论脆性破裂发生的原因1）材料脆性）材料脆性 关于压力容器的选材问题比较复杂，比如温度，杂质含关于压力容器的选材问题比较复杂，比如温度，杂质含量，后处理工艺等在此略。此点要求在工程上合理选材，量，后处理工艺等在此略。此点要求在工程上合理选材，即选用在运行温度下具有良好冲击韧性或断裂韧性的材料，即选用在运行温度下具有良好冲击韧性或断裂韧性的材料，同时在制造运行中保证符合规范的制造工艺和正常的操作同时在制造运行中保
41、证符合规范的制造工艺和正常的操作条件，使所用材料不发生可能的韧性下降条件，使所用材料不发生可能的韧性下降2）容器存在较高的附加应力）容器存在较高的附加应力由于容器结构设计不合理或安装质量不良，在容器局部由于容器结构设计不合理或安装质量不良，在容器局部结构处存在很高的附加应力或残余应力，如果该处材料韧结构处存在很高的附加应力或残余应力，如果该处材料韧性较差，或者已经存在裂纹等缺陷，三者的联合作用就导性较差，或者已经存在裂纹等缺陷，三者的联合作用就导致脆性破裂。致脆性破裂。此点要求采取低应力场设计方法，或采用综合考虑材料此点要求采取低应力场设计方法，或采用综合考虑材料性能、缺陷的几何尺寸和应力场影
42、响的断裂力学设计方法性能、缺陷的几何尺寸和应力场影响的断裂力学设计方法。2022-12-532第一章 绪论3）容器材料或其结构中存在严重缺陷）容器材料或其结构中存在严重缺陷 容器材料可能存在原始缺陷，如钢材中的气孔、白点、容器材料可能存在原始缺陷，如钢材中的气孔、白点、非金属夹杂物等；容器壳体或其他承压部件在制造过程中，非金属夹杂物等；容器壳体或其他承压部件在制造过程中，都有可能在不见的表面或内部产生各种类似裂纹的缺陷，都有可能在不见的表面或内部产生各种类似裂纹的缺陷，它们都是容器发生脆性破裂的根源。大多数容器发生脆性它们都是容器发生脆性破裂的根源。大多数容器发生脆性破裂的原因是焊缝和热影响区
43、的各种裂纹造成的。英国压破裂的原因是焊缝和热影响区的各种裂纹造成的。英国压力容器事故统计中，力容器事故统计中，132起使用事故中裂纹原因起使用事故中裂纹原因118件，占件，占89.3%。这点要求加强容器在制造的各阶段中的检验，及时。这点要求加强容器在制造的各阶段中的检验，及时发现和消除材料中的先后或后发性的缺陷或裂纹。此外，发现和消除材料中的先后或后发性的缺陷或裂纹。此外，在使用期间实施定期的检查，以判断上述缺陷或裂纹是否在使用期间实施定期的检查，以判断上述缺陷或裂纹是否已经扩展到临界状态，是避免容器不发生突然脆性破裂的已经扩展到临界状态，是避免容器不发生突然脆性破裂的有效措施。比如现在发展迅
44、速的无损检测技术（不损坏材有效措施。比如现在发展迅速的无损检测技术（不损坏材料而通过射线，超声波、磁粉、渗透和涡流检测等方法对料而通过射线，超声波、磁粉、渗透和涡流检测等方法对焊接接头内部和表面的缺陷进行检验）焊接接头内部和表面的缺陷进行检验）2022-12-533第一章 绪论3.疲劳破裂疲劳破裂压力容器常在交变载荷下运行，经受长期作用后，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露。容器的承压部件发生了破裂或泄露。可分为高应力低循环疲劳和低应力高循环疲劳。可分为高应力低循环疲劳和低应力高循环疲劳。疲劳破裂的断口形貌与脆性断口不同，与疲劳破疲劳破裂的断口形貌与脆性
45、断口不同，与疲劳破裂过程三个阶段，即裂纹的发生、裂纹的扩展到临裂过程三个阶段，即裂纹的发生、裂纹的扩展到临界尺寸、剩余断面的失稳相对应，断口也有三个区。界尺寸、剩余断面的失稳相对应，断口也有三个区。但由于裂纹萌生部分占断口尺寸很小，实际观察较但由于裂纹萌生部分占断口尺寸很小，实际观察较明显的是裂纹扩展区和最终断裂两个区。前者有一明显的是裂纹扩展区和最终断裂两个区。前者有一个经个经“磨亮磨亮”的平滑表面，能见到贝壳状纹理，汇的平滑表面，能见到贝壳状纹理，汇聚于破裂起源点，即应力集中或原始缺陷处；后者聚于破裂起源点，即应力集中或原始缺陷处；后者则呈放射及人字状花纹，以至最后被快速拉断。若则呈放射及
46、人字状花纹，以至最后被快速拉断。若电镜观察其微观特征，疲劳断口的主要表现是海滩电镜观察其微观特征，疲劳断口的主要表现是海滩状花样，或称疲劳辉纹。状花样，或称疲劳辉纹。2022-12-534第一章 绪论容器发生疲劳的首要条件是存在交变载荷，比如可以是容器发生疲劳的首要条件是存在交变载荷，比如可以是停开车或间歇操作容器的周期性加压和卸压；操作过程中停开车或间歇操作容器的周期性加压和卸压；操作过程中较大的压力或温度波动等，所以维持设备的稳定运行，可较大的压力或温度波动等，所以维持设备的稳定运行，可以抑制或延缓裂纹扩展破裂。以抑制或延缓裂纹扩展破裂。其次，发生疲劳破坏的局部区域存在很大的应力变化幅，其
47、次，发生疲劳破坏的局部区域存在很大的应力变化幅，因而具备疲劳裂纹扩展的载荷条件。因而可以通过控制该因而具备疲劳裂纹扩展的载荷条件。因而可以通过控制该区域的应力范围来控制疲劳破裂的形成。要严格控制容器区域的应力范围来控制疲劳破裂的形成。要严格控制容器的制造和检验，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程中的先天或后天性裂纹或缺陷此外，预防疲劳破裂，对新容器的设计，可选择塑性应此外，预防疲劳破裂，对新容器的设计，可选择塑性应变能力好的材料，采用不造成局部高应力集中等的抗疲劳变能力好的材料，采用不造成局部高应力集中等的抗疲劳
48、结构；按照容器分析设计规范进行疲劳分析或基于断裂力结构；按照容器分析设计规范进行疲劳分析或基于断裂力学的抗疲劳断裂设计方法等。学的抗疲劳断裂设计方法等。2022-12-535第一章 绪论4.应力腐蚀破坏应力腐蚀破坏在石油、化工等工业部门，腐蚀破裂是压力容器在石油、化工等工业部门，腐蚀破裂是压力容器最常见的形式。就广义而言，腐蚀破裂起源于材料最常见的形式。就广义而言，腐蚀破裂起源于材料与周围环境介质产生化学或电化学作用，使材料厚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，从而最终导致容器破度减薄或本身性能发生变化，从而最终导致容器破裂。这一点我们在后面腐蚀与防腐一章中专
49、门讲。裂。这一点我们在后面腐蚀与防腐一章中专门讲。2022-12-536第一章 绪论5.蠕变破裂蠕变破裂在高温下工作的压力容器，当操作温度超过一定极限，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。经过长期的累积后，最终会导致材料破裂。蠕变的实质：在常温下，金属材料在外力作用下，若应蠕变的实质：在常温下，金属材料在外力作用下，若应力小于弹性极限，则材料产生弹性形变；若应力达到屈服力小于弹性极限，则材料产生弹性形变；若应力达到屈服强度，除了产生弹性形变外，还
50、产生一定的塑性变形。上强度，除了产生弹性形变外，还产生一定的塑性变形。上述变形值只要受力不变就一直保持下去，不随时间的推移述变形值只要受力不变就一直保持下去，不随时间的推移而有所改变。但在高温下，受不变外力作用后所产生的形而有所改变。但在高温下，受不变外力作用后所产生的形变，会随时间的增长，塑性变形量会不断增加。这种金属变，会随时间的增长，塑性变形量会不断增加。这种金属在不变的高温和应力作用下，产生连续的、缓慢的塑性变在不变的高温和应力作用下，产生连续的、缓慢的塑性变形现象称为蠕变。形现象称为蠕变。2022-12-537第一章 绪论一般认为对大多数金属必须在高温下，超过金属材料的一般认为对大多
