压力容器及压力管道安全技术

压力容器及压力管道安全技术的思维导图，压力容器安全总论内容有：安全性、分类、基本组成、运行特性和基本要求。

压力容器及压力管道安全技术

• 压力容器安全总论
  • 安全性
    • 法规条例
      • 《中国人民共和国特种设备安全法》
      • 《特种设备安全监察条例》
        • 特种设备指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、超重机械、客运索道、大型游乐设施和场内专用机动车辆
      • 《固定式压力容器安全技术监察规程》 TSG 21-2016
      • 《压力容器》 GB150-2011
    • 分类
      • 按照工作特点
        • 承压类特种设备
          • 承载一定压力的密封设备或管状设备
            • 锅炉、压力容器、压力管道
        • 机电类特种设备
          • 必须由电力牵引或驱动的设备
            • 电梯、起重机械
    • 常见事故
      • 爆炸性事故
        • 锅炉、压力容器、气瓶、压力管道
      • 易发生群死群伤性事故
        • 电梯、起重机械、场内机动车辆，游乐设施、客运索道
    • 应用
      • 量大面广
        • 加氢反应器
        • 储氢容器
        • 超高压食品杀菌釜
        • 核反应堆
        • 超临界流体萃取装置
      • 复杂性
        • 压力、温度、处理介质
      • 极其严格的安全性
    • 工作特性
      • 爆炸特性
        • 工作介质为气体、液化气体或者最高温度高于或等于标准沸点的液体
      • 接触腐蚀性介质
      • 维持连续运行
    • 事故危害
      • 比较容易发生事故，危害性又非常严重
        • 爆炸冲击波危害
        • 爆炸碎片的危害
        • 泄露介质危害
    • 介质危害性
      • 介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性
      • 毒性
        • 指某种化学毒物引起的机体损伤的能力
          • 极度危害：最高允许浓度<0.1mg/m3
          • 高度危害：最高允许浓度0.1~1.0mg/m3
          • 中毒危害：最高允许浓度1.0~10mg/m3
          • 轻度危害：最高允许浓度>10,g/m3
      • 易燃性
      • 易爆介质
        • 易燃气体
          • 爆炸下限不超过10%，与爆炸上限差值不超过20%
        • 液化气体
  • 分类
    • 压力来源
      • 介质在容器外通过加压或增压后，送入容器内，使容器壳体承受压力
        • 气体压缩机、液体泵、蒸汽锅炉
      • 介质送入容器后，物理状态、密度、温度发生变化，在容器内发生体积增大的反应
        • 危险性较大
    • 主要技术参数
      • 工作压力和设计压力
        • 工作压力也称操作压力，容器顶部在正常工作过程中产生的表压力
        • 最高工作压力是指容器在工艺操作过程中可能出现的最大表压力
        • 设计压力是指相应温度设计下用以确定容器壳壁计算壁厚及其元件尺寸的压力
          • 不得低于最高工作压力
      • 设计温度
        • 在正常操作下，相应的设计压力下，壳壁及元件金属可能达到的最高或最低温度
      • 公称直径
        • 容器零部件标准化系列选定的壳体直径，以DN表示
          • 无缝钢管制作的圆筒体，公称直径指外径
          • 焊接的圆筒体，公称直径指内径
      • 壁厚
        • 计算壁厚
          • 按应力计算公式计算所得厚度（不包括壁厚附加量)
        • 设计壁厚
          • 指计算壁厚与厚度附加值之和
        • 名义壁厚
          • 将设计壁厚向上圆整至钢材标注得厚度，图样上标注得厚度
        • 有效壁厚
          • 名义厚度减去厚度附加量
    • 分类方法
      • 压力等级
        • 承压方式
          • 外压容器（外面压力大)
          • 内压容器(里面压力大）
            • 低压L:0.1MPa~1.6MPa
            • 中压M:1.6MPa~10MPa
            • 高压H：10MPa~100MPa
            • 超高压U：100MPa~1000MPa
      • 工艺用途
        • 反应容器（R）
          • 反应器、发生器、聚合釜、合成塔
        • 换热容器（E）
          • 热交换器、冷却器、加热器
        • 分离容器（S）
          • 吸收塔、过滤器、洗涤塔、分离器、净化塔、回收塔
        • 储运容器（C,球罐代号B）
          • 储罐、储槽和槽车
      • 安全技术管理
        • 固定式反应容器
          • TSG R0005-2011
        • 移动式反应容器
          • TSG 21-2016
      • 安全重要程度（我国使用得分类方法）
        • 固定式压力容器
          • Ⅰ类
          • Ⅱ类
          • Ⅲ类
        • 分类方法
          • 先判断是否属于压力容器
          • 先判断介质
          • 根据介质的分类，从图上查找类别
    • 分类
      • 固定式反应器
        • 低压容器
        • 中压容器
        • 高压容器
        • 超高压容器
        • ——
          • 反应容器
          • 换热容器
            • 直接式
            • 间接式
              • 管式
                • 列管式换热器
              • 板式
                • 夹套容器
          • 分离容器
          • 储存容器
  • 基本组成
    • 筒体
      • 储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间
      • 形式
        • 圆柱筒体
          • 制造方法
            • 无缝钢管（无纵焊缝）
              • 直径较小
            • 卷焊
              • 有纵环焊缝
                • 直径较大
            • 整体锻造
              • 可能有环焊缝
            • 整体铸造
              • 无纵环焊缝
          • 结构
            • 单层式
            • 组合式
              • 多层式
              • 缠绕式
        • 球状筒体
    • 封头
      • 与筒体等部件形成封闭空间
      • 封头形式
        • 凸型封头
          • 球形、椭圆形、蝶形、球冠形
        • 锥形
        • 平盖
      • 封头与筒体的连接
        • 不可拆式（焊接）
        • 可拆式（螺栓连接）
    • 密封装置
      • 可靠性关系到压力容器能否正常、安全的运行
      • 法兰
        • 容器法兰
        • 管道法兰
        • 筒体端部（高压容器）
    • 开孔与接管
      • 开孔目的：满足工艺要求 满足结构要求
      • 开孔结果
        • 开孔部位的强度被削弱
        • 结构连续性被破坏
        • 与接管焊接时易产生焊接残余应力和缺陷焊接
        • 应少开孔并作开孔补强设计
      • 破坏形式
        • 疲劳破坏
      • 开孔类型
        • 人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接以及安装压力表、液面计
      • 开孔大小
        • 手孔>=150mm
        • 人孔
          • 圆形>=400mm
          • 椭圆形350*450mm
      • 开孔位
        • 满足工艺要求，考虑操作方便
    • 支座
      • 圆筒形容器支座
        • 卧式容器支座
          • 鞍座、圈座、支腿
        • 立式容器支座
          • 腿式支座、支承式支座、耳式支座、裙式支座
      • 球形容器支座
        • 柱式
        • 裙式
    • 安全附件
      • 安全阀
      • 爆破片装置
      • 紧急切断阀
      • 安全连锁装置
      • 压力表
      • 液面计
    • 组成
      • 筒体+封头+密封装置+开孔接管+支座+安全附件——压力容器外壳——储运容器
      • 压力容器加内件——反应、传热、传质、分离等容器
    • 焊接结构设计
      • 接头的形式
        • 对接、搭接、角接
      • 坡口形式和尺寸
      • 焊接方法
        • 手工焊、自动焊
      • 检验要求
        • 表面探伤、投射探伤
  • 运行特性和基本要求
    • 基本特性
      • 压力
        • 主要外力、次应力
      • 温度
        • 指在正常操作情况时，相应的设计压力条件下，壳壁或受压元件可能达到的最高、最低温度
      • 介质特性
        • 与温度和压力相关的物理特性
        • 对材料的腐蚀性
        • 介质化学特性及易燃易爆性
    • 事故的严重程度
      • 容器的工作压力
      • 容器的容积
      • 工作介质的种类
    • 基本要求
      • 安全可靠
        • 材料强度、韧性
        • 材料与介质的相容性
        • 设备的刚度
        • 抗失稳能力
        • 密封性能
          • 内泄露
          • 外泄露
      • 满足过程要求
        • 功能要求
        • 寿命要求
      • 综合经济性好
        • 生产效率高、消耗系数低
        • 结构合理、制造简便
        • 易于运输和安装
      • 易于操作、维护和控制
        • 操作简单
        • 维护性和修理性好
        • 便于控制
      • 优良的环境性能
• 主题
• 外压容器
  • 断裂形式
    • 过度变形、断裂、泄露
    • 常温、静载条件下会发生屈服或断裂
  • 外压容器：受压应力
  • 内压容器：受拉应力
  • 失效形式
    • 定义
      • 容器失去了正常的工作能力
    • 形式
      • 强度不够（压裂、塑性变形）
      • 稳定性不足
        • 承受外压力的薄壁容器，强度还远能满足要求时，由于稳定性不足而突然失去原有的形状而被压成波形，叫做容器的失稳
          • 圆筒形容器失稳后可出现两个以上的波形
          • 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式
  • 失稳
    • 定义
      • 壳体外部压力大于壳体内部压力的容器称为外压容器
        • 真空冷凝器、夹套反应釜
    • 受力
      • 薄壁圆筒
        • 经向薄膜应力
        • 周向薄膜应力
      • 压应力
    • 失稳及其实质
      • 承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或者出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，外压壳体的失稳
      • 压杆失稳过程中应力的变化
        • 压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形
        • 压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不能恢复
        • 失稳是瞬时发生的，压应力突然变为弯曲应力
      • 失稳的过程
        • 前：壳壁内存在有压应力，外压卸掉后变形完全恢复
        • 后：壳壁内产生了以弯曲应力为主的复杂应力
        • 失稳过程是瞬时发生的
  • 容器失稳型式的分类
    • 按受力方向
      • 侧向失稳
        • 容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向失稳
        • 横断面由圆形变为波形
      • 轴向失稳
        • 由轴向压应力引起的，失稳后其经线由原来的直线变为波浪线，而横截面仍为圆形
      • 观察圆截面是否变化
    • 按压应力作用范围
      • 整体失稳
        • 压应力均布于全部周向或径向，失稳后整个容器被压瘪
      • 局部失稳
        • 压应力作用于某局部处，失稳后局部被压瘪或皱折
          • 如容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳
  • 临界压力
    • 临界压力Pcr
      • 壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力
      • 影响因素
        • 筒体几何尺寸的影响
          • 长径比相同时，厚径比大者临界压力高
          • 厚径比相同时，长径比小者临界压力高
          • 长径比和厚径比都相同时，有加强圈者临界压力高
        • 筒体材料性能
          • 材料的弹性模数E和泊桑比μ（塑性变形）越大，其抵抗变形的能力就越强，因而临界压力也就越高
          • 但是由于各种材料的E和μ相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，并不能提高筒体的临界压力
        • 筒体椭圆度和材料不均匀性的影响
          • 稳定性的破坏并不是由于由壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的，无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，外压力达到一定数值时也会失稳
          • 但壳体的椭圆度和不均匀性能使临界压力值降低，使失稳提前发生
        • 定性描述
          • 先分是失稳还是强度破坏
        • 理论计算公式
          • 长圆筒
            • 钢制长圆筒：
            • 临界压力跟厚径比有关，和长径比无关
            • 推论
              • 临界压力
              • 临界应力：
              • 应变：
              • 应变与材料无关，只与筒体几何尺寸有关
          • 钢制短圆筒
            • • 临界压力和长径比和厚径比都有关系
              • L-筒体的计算长度，mm;
              • L-圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离
                • 子主题
            • 推论
              • 临界压力：
              • 临界应力：
              • 应变：
              • 应变与材料无关，只与筒体几何尺寸有关
          • 刚性圆筒
          • 外压薄壁圆筒上设置加强圈的作用
            • 壁厚确定时，可减少圆筒的计算长度，增大临界压力，提高容器承受外压力的能力； 当承载要求确定时，设置加强圈可减小圆筒的壁厚，从而节省材料
        • 临界长度和长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定量描述
          • 临界长度
            • 定义：容器在外压作用下，与临界压力相对应的长度，称为临界长度
            • 作用：用临界长度和作为长、短圆筒和刚性圆筒的区分界限
            • 求解
              • 长圆筒（不用记，了解）
              • 短圆筒
            • 结论
            • 计算
              • 许用外压力是否大于设计外压
                • 大于则安全
              • 夹套式反应釜—判断其强度及稳定性分析情况
                • 特别注意这类表面仅受内压，但还存在稳定性问题
                • 釜体和夹套不同时泄压时会使釜体称为受外压的容器，需要进行稳定性设计
    • 临界压应力σcr
      • 壳体在临界压力的作用下，壳体内存在的压应力称为临界压应力
  • 壁厚的确定
    • 压力实验
      • 外压容器在外压作用下，缺陷不可能开裂，外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，用内压实验来进行试漏，检查焊接接头的致密性并验证密封结构的密封性能
      • 外压和真空容器以内压进行压力实验
        • 实验压力
          • 液压实验：pT=1.25P
          • 气压实验：pT=1.1P
          • pT-试验压力，MPa,p-设计压力，MPa
      • 夹套容器
        • 夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；为负值时，按外压容器进行液压实验
        • 夹套容器液压实验合格后再焊接夹套，夹套内压试验压力
        • 内压实验压力：
        • 事先必须校核稳定性是否满足要求，不满足则在液压容器内保持一定压力，以便试压过程中，夹套和筒体的压力差不超过设计值
    • 设计准则
      • 许用外压力[P]和稳定安全系数m
        • • [P]—许用外压力，MPa;m—稳定安全系数
            • 对圆筒、锥壳，m=3
            • 球形、碟形和椭圆形封头，m=15
      • 外压容器理论上不失稳的条件是计算压力pc<=Pcr
        • 工程上不失稳的条件是pc<=[p]
    • 壁厚设计的图算法
      • 由已知条件（几何条件，L/D0，D0/δe以及材质、设计温度），确定许用外压力[p]
      • 判断计算压力是否满足pc<=[p]
      • 确定几何条件和ε的关系
        • • 长圆筒：
          • 短圆筒：
      • 另A=ε，纵坐标为L/D0,作图
        • 几何参数计算图
        • 平行于纵轴为长圆筒，斜着为短圆筒
      • 确定ε和[P]的关系
      • 由A(ε)，根据不同的材料及不同的设计温度确定B值
        • 弹性模量E随材料及温度而变化
      • 根据公式，确定许用外压力
    • 厚度计算