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浅析压力容器安全问题

1.    引言：
压力容器的用途十分广泛, 它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
2.    我国在用压力容器安全现状
我国现有在用压力容器6 800万台(其中固定式176多万台) 。它们大多数是在高温、高压、低温、疲惫及腐蚀性介质等苛刻工况下运行。安全使用寿命长的可达20年以上,短的只有几年甚至几个月。粗略估计一下,假设能将每台设备的寿命平均延长两年,每台设备的平均寿命按15年计,则相当于制造安装新设备17万台,可为国家节约资金达百亿元。在用压力容器往往存在着各种焊接缺陷、结构缺陷、材料缺陷、使用时产生的裂痕、腐蚀、磨损等,再加上长期超期服役造成的材料损伤,潜在危害性极大。这些设备及隐患假设不及时研究处理,持续盲目使用,必将成为爆炸事故的主要根源。在用压力容器存在的失效主要有脆断、疲惫、腐蚀、冲蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀以及腐蚀疲惫等形体式,一旦发生事故将会对人民生命财产安全造成极大的危害,因而世界各国都相当重视。
3.    压力容器技术进展
随着冶金、机械加工、焊接和无损检测技术的不断进步, 特别是计算机技术的飞速发展, 在压力容器技术领域也取得了相应的进展。国际标准化一体化随着全球经济一体化的逐步发展, 压力容器标准国际化的趋势已经越来越显然。欧洲议会已于1997 年5 月正式批准了统一的压力设备指令(Pressue Equipement Directive) 该指令于1999年11 月引入欧盟成员国的法规,于2002 年5 月在欧盟内强制执行。欧洲标准化委员会(CEN)现正在采用积极行动, 试图将欧洲标准上升为国际标准。美国和日本等一些国家为了争夺国际市场,也在采用积极的措施加速国际标准的制订。设在美国的秘书处ISO/ TC11已多次召开会议, 并已经提出了ISO 15386 国际锅炉压力容器标准草案。其主要内容为国际标准的基本要求、质量体系的要求、结构安全性的要求以及各国标准成为国际标准的注册认可程序等。1914年美国制定了世界上第一部压力容器标准,材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。直到1943年,英国压力容器标准选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。为保证压力容器安全,确定材料许用应力值时,同时合计材料抗拉强度和屈服强度更为合理。奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性,为充分发挥奥氏体不锈钢材料合格性能,选取奥氏体不锈钢材料许用应力。
目前,确定压力容器材料许用应力值一般取min{σs / ns ,σb / nb , σD / nD , σn / nn }。其中, σs , σb ,σD ,σn 分别为材料的屈服强度、抗拉强度、蠕变强度，和疲惫强度,在大多数工况下,压力容器材料主要合计屈服强度和抗拉强度,在一定条件下,才需合计材料蠕变强度和疲惫强度; ns , nb , nD , nn 为安全系数。安全系数主要取决于人们对客观规律的理解程度和设备发生事故的危害程度,压力容器安全系数的选取建立在经验基础上,随着理论研究和科学实验的进步,在保证压力容器安全性前提条件下,为节省材料和经济合计,压力容器安全系数有降低的趋势。
4.    影响压力容器安全可靠性的几个因素
    制定参数
制定参数确实定是压力容器制定工作的前提和基础, 也是决定压力容器安全运行的关键因素。因此, 制定者要特别予以重视。压力容器制定参数所涉及到的内容较多, 但最关键的参数为制定压力、制定温度、介质特性( 包括易燃、易爆、毒性和腐蚀性 能等等) 。这些参数选择的合适与否, 直接影响压力容器的使用可靠性和制定的经济性。
        制定压力
关于压力容器来说, 一般依据最高工作压力来确定, 另外还应依据系统特性, 如有无安全阀,有无泄放装置, 是否在泵出入口, 设备特性是否属真空、外压操作等应综合合计, 可依据化工行业制定标准, 如HG20580-1998 规定确定制定压力。
        制定温度
影响压力容器安全可靠性制定的另一个重要参数-- 制定温度, 它是指容器在正常工作状况下, 设定的元件的金属温度。它与操作时介质温度及环境温度有关, 它的选择正确与否将直接给容器选材带来至关重要的影响。当容器处于低温时, 假设没有合计它的低温影响, 将会导致选取材料低温韧性不够而引起的脆性破坏。当容器处于高温状态,假设制定温度选取不合理, 也会导致选材不当而引起的安全性不够或者浪费等现象。我国压力容器的有关制定标准规定了对有不同温度工况下的容器, 应按最苛刻的工况制定, 并在图样或相应技术文件中注明各工况的温度值。
        介质特性
介质特性是压力容器制定中与安全有直接关系的又一个重要因素, 因此我国保证容器安全的法规性文件《容规》给予了特别的重视, 大量条文作了具体的硬性规定。为保证《容规》正确执行,国家对有毒介质分类、化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类都制定了专门规范, 只要正确执行是可以保证安全的。
        其它因素
除了要准确掌握工作压力、温度及介质特性等参数外, 对用户的压力容器使用管理水平也应有一些了解, 因为管理水平的凹凸直接影响着压力容器的安全运行。因此, 制定人员在确定制定参数时应该合计到这些状况, 在为这类企业制定压力容器时,技术要求中明确限定条件, 从而保证压力容器安全运行。

    压力容器制定主体材料选用方法
压力容器主体材料关于压力容器的安全使用是至关重要的, 在进行压力容器制定时, 除了应严格按照GB150 及压力容器安全技术监察规程等进行选材外, 还应特别注意介质特性对主体材料的影响. 主体材料的选用应合计制定压力、温度、工作介质及寿命选择等因素. 如硫浓度环境则不宜选用16MnR、15MnVR 等低合金钢, 而宜选用20R、2 0等碳素钢, 除了介质的腐蚀性、使用寿命与选材有直接关系外, 介质的易燃易爆程度及毒性级别也是选材的依据. 极度危害介质容器Q2352B不同意用于盛装极高度危害介质, Q2352A 不同意盛装易燃或中、高、极度危害介质, 不得用于盛装液化石油气. 即压力容器主体材料的选用不仅应合计容器的工作压力、温度及规范的同意范围, 而且还应合计介质特性对材料腐蚀及其它化学( 易燃爆、毒性) 性能的影响, 从而做出选择. 为了降低制造成本,可依据有关新型材料的物理化学性质选定新型代用。
    压力容器补强材料选择分析
选择强度等级较低的材料, 所需的补强面积要增加. 接管有效补强面积减少, 不仅对补强效应不利, 而且对焊接同样有负面影响. 厚壁接管可选用无缝钢管, 也可用锻件加工制造. 当制定压力较小, 同时满足补强要求所需的壁厚不太大时, 通常选用无缝钢管; 当制定压力较高, 同时满足补强要求所需的壁厚较大时, 选用锻件来加工制造, 补强圈的材料一般应与筒体的材料相同, 这是最经济合理的选择. 厚壁接管的材料应依据设备的操作条件和介质特性来选取, 一般选择与壳体材料相同类别和强度的材料.当选择强度等级较高的材料时, 补强效果较好, 安全与稳定性亦提升, 但增加了材料成本, 同时对焊接提出较高要求, 从而可能对整体强度产生负面的影响.从以上选择补强材料及效应分析可以看出, 补强材料选择应从材质强度、焊接、经济性诸方面整体分析。
5、压力容器的使用、维护与修理
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    压力容器的安全使用
为保证压力容器的安全运行, 使用中必须做到以下三大方面:
第一,严禁超压。使用压力不能超过容器的制定压力,否则会使容器超压爆炸。所有压力容器上都安装有安全卸压装置或超压报警装置,以防超压爆炸事故的发生。第二,温度限制。在使用过程中温度的变化与选择必须要在原制定的温度范围内,这是因为温度过高会引起材料的蠕变和晶粒变大而降低强度,温度过低可能会使钢材产生冷脆而断裂,温度的剧烈波动会使材料遭受严重的冷热冲击而受到破坏。第三,定期检查。压力容器制造出厂时带有产品合格证,容器上焊接缺陷都已经进行处理。但是在投产使用一定时间后,焊缝中往往会产生延迟性的裂痕或其他缺陷,尤其是低合金钢的焊接件 发生的机会更多。有些焊缝因焊接结构和焊接工艺不当存在着很大的残余应力,当设备在出厂时由于应力消除的不彻底,会在投产加载时产生应力叠加而使焊缝破裂。所以压力容器在使用中必须定期进行开罐做内外检查,如果发现裂痕或其他缺陷要及时处理。压力容器在运行中如果出现以下。
状况要马上停止运行:1〕操作压力或器壁温度超过了规程中规定的极限值,采用措施后仍无效果,而且有持续恶化的趋势。2)压力容器接口、法兰、阀门等出现裂缝、变形或泄漏,危及了容器本身的安全。3)安全装置失效、连接管线断裂、紧固件损坏,难以保证安全操作或生产现场发生火灾,威胁到容器的安全。4)压力容器上装设的安全报警装置发出报警信号。做到了以上工作,我们还要注意的是,关于储存干燥气体的压力容器,使用中不能带进水分,否则会加速容器的腐蚀速度,缩短使用寿命。
    压力容器的维护
对压力容器进行合格的维护保养,是保证其安全运行的一项重要的有效的措施,一般从以下五项入手:1)涂油漆、电镀、衬里。生产中最容易受到损害的是本腐蚀,用这些方法对容器敷设防腐层以抵抗或降低介质大气对容器造成的腐蚀,并且当防腐层有损坏时要及时处理。2)保养好安全装置。按规定进行检验和校验,保证其灵敏、可靠、准确;没有安装安全装置的压力容器不能使用,发现安全装置失灵时要及时进行处理。3)检查。常常检查压力容器零部件的安全运行状况,保证其完好性,以防止" 跑冒滴漏" 现象发生。4)依据生产介质的特性,消除引起容器腐蚀、冲蚀的各种因素。5) 长期或临时停用的压力容器应将内部介质全部处理干净,坚持容器干燥并维护好防腐层。对具有腐蚀性的介质,要经过彻底的排放、置换或清洗等技术处理,不能留有死角。压力容器表面还应常常坚持清洁。
    压力容器的检修
进行压力容器检修时,通常需要将压力容器排空或隔断,以避免火灾爆炸或中毒事故发生。
    排空
有时候要求完全排空,但使用正常的连接或排放管线不能使罐和压力容器完全排空。在这种情形下,应使用柔性软管并通过入孔盖连接到轻便泵,将罐或容器抽净。因此,鉴于上述情形,轻便泵的选择将限于:气动泵、蒸汽泵、防火电马达和防火结构的泵组成 的设备。防火防爆电机必须牢靠接地,动力电缆也应该有防护措施,以防损坏。泵抽空操作应在取得许可后方能进行。
    隔断
隔断应按下述方法之一进行:拆掉一个阀,或者从各连接管线拆下一段管子,拆下阀和管段的连接处应尽可能靠近罐和压力容器的壳体。以标准的盲法兰密封拆卸处管线;插入一个标准盲板,应该注意盲板和已关闭阀间不能留存油;一般的槽、箱可通过使用一可膨胀的橡胶塞子实现隔离。
    压力容器建档要求
使用单位申请办理压力容器登记时, 应填写" 压力容器使用登记表",并向登记部门提交有关技术资料。新压力容器投入使用前, 使用单位除了填写“压力容器使用登记表〞外, 还应该携带有关资料到当地主管部门办理登记手续。携带资料包括:产品合格证、产品质量证实书、产品图样、产品安全质量监督检验书。进口产品应持省级以上安全技术监督部门的审批手续和检验报告。关于未注册登记的在用压力容器,使用单位必须进行注册。在用压力容器设备在检验时要同时评定出安全状况等级,此等级以检验单位出示的检验报告为准。检验后安全状况等级被核定为1 、2、3 级的在用压力容器发给使用证。安全状况核定为四级的在用固定式压力容器在办理注册手续后,同意在满足检验报告所限定的使用条件和检验周期内使用,但不发使用证。待安全状况等级达到3 级以上后再发给使用证。
    压力容器安全综合要求
a)      使用容器的部门,必须对每台容器进行编号、登记,建立设备档案。档案应包括合格证、质量证实书、登记卡片、修理和检验记录等。使用容器的部门, 不得任意修改原制定单位制定容器的工艺条件,严禁超温、超压运行。
b)      压力容器上的安全附件必须完好无缺、灵活可靠,安全阀每半年校验一次,压力表要准确无误。
c)      使用部门对压力容器不得自行改造, 需要进行焊补、改换部件等都应符合原技术规范的要求。
d)      使用容器的部门,应依据《安全手册》、《操作手册》的要求和容器的技术性能制定容器安全操作规程,并要严格执行。
e)      受压容器发生以下异常现象之一时, 应马上停止使用并及时报告上级部门。
f)      使用容器的部门,必须定期对容器进行检验,平常按巡回检查制度和月度检查制度进行检查;每年由安技部门配合公司进行一次全面检验, 并将检查状况上报有关部门。
结束语
压力容器在运行和使用过程中，要受到反复升压、卸压等疲惫荷载的影响，又常常受到外部环境的影响，还要受到有腐蚀性介质的腐蚀，或在高温深冷等工艺条件下工作，其力学性能会随之发生变化，容器制造过程中的小缺陷也会随之扩大增大，对压力容器进行定期的全面地技术检验。及早发现容器存在的缺陷，消除隐患，从而保证压力容器安全运行。