特种设备安全技术.docx

1、特种设备安全技术特种设备安全技术第五章 特种设备安全技术5.1 特种设备概述5.1.1 特种设备 特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施。名词解释：压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25的管道。5.1.2 特种设备的安全问题 特种设备的安全问题有如下特点：（即事故有三个主要特征）（1）特种设备应用广泛，涉及公共安全，即：量大

2、面广由于特种设备在生产和生活中应用广泛，一旦发生事故，不仅会对使用人员造成伤害，而且可能对附近的无关人员造成伤害。（口头举例）（2）事故率较高特种设备经常处于承压或空中运行状态，只要设备设计、制造、安装、使用、维护和管理等方面存在隐患，发生特种设备事故（如泄漏、爆炸、坠落）的可能性就客观存在。以锅炉、压力容器为例，1998年国内共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸伤人事故132起，共造成104人死亡，371人受伤。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为1.07、0.28、0.65次/万台。（3）危害性大容易造成人员的群死群伤。尤其是盛装危险品的压力容器爆炸，甚至会造成较大范围的环境灾难。例如，198

3、4年12月3日美国联碳公司在印度中央邦博帕尔市的农药厂发生异氰酸甲酯泄漏事故，使4000居民中毒死亡，200000人受害。这次事故是由异氰酸酯储罐的防爆膜破裂造成的。1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个国家4亿人受害。5.1.3 特种设备的安全监督管理2003年3月11日国务院发布的特种设备安全监督条例是关于特种设备生产、使用、检验检测、监督检查和法律责任的安全法规。下面介绍特征设备生产、使用和检验检测的有关规定。（1）特种设备的生产特种设备的生产涉及设计、制造、安装、改造和维修。压力容器和压力管道的设计单位必须经国务院特种设备安全监督管理部门许可，或

4、经该部门授权的省级特种设备安全监督管理部门许可，才能从事相应的设计活动。以压力容器设计为例，高压和超高压容器的设计，要经国家质量监督检验检疫总局许可，而中、低压容器的设计，要经过省级质量技术监督局许可。锅炉、压力气瓶、氧舱和客运索道、大型游乐设施的设计文件，须经国务院特种设备安全监督管理部门核准的检验检测机构鉴定，或其授权的省级特种设备安全监督管理部门核准的检验检测机构鉴定，方可用于制造。特种设备及其安全附件、安全保护装置的制造、安装、改造单位，以及压力管道用管子、管件、阀门、法兰、补偿器、安全保护装置等（简称压力管道元件）的制造单位，应当经国务院特种设备安全监督管理部门许可，或经其授权的省级

5、特种设备安全监督管理部门许可，方可从事相应的活动。特种设备的安装、改造、维修单位，必须依照条例取得相应的行政许可；其工程在交付使用前要经过特种设备检验检测机构监督检验。特种设备的设计、制造、安装、改造和维修单位，应当按照条例及有关安全技术规范的要求，进行生产活动。（2）特种设备的使用使用单位应当使用符合安全技术规范要求的特种设备。特种设备在投入使用前或投入使用后30日内，使用单位应向该区的市级特种设备安全监管部门登记。使用单位应当建立特种设备安全技术档案。使用单位负责特种设备的日常维护保养和故障检查及报修，并按照定期检验的要求，在安全检验合格证有效期届满前1个月向有关特种设备检验检测机构提出定

6、期检验要求。特种设备作业人员及其相关管理人员应当取得特种作业人员证书，方可从事相应的工作。使用单位应当对特种作业人员进行安全教育和培训。（3）特种设备的检验检测从事特种设备监督检验、定期检验、型式试验检验检测工作的机构，应当具备条例规定的条件，并经国务院特种设备安全监管部门核准，才能从事相应的工作。目前这类机构主要有，国家和地方质量技术监督局的直属特种设备检验检测院（所），社会中介性质的特种设备检验检测机构和一些大企业组建的特种设备检验检测机构。5.2 锅炉安全技术5.2.1 锅炉概述（1）锅炉的概念锅炉是利用各种燃料、电或其他能源，将水加热，产生蒸汽或热水的密闭设备。生产蒸汽的锅炉叫蒸汽锅炉

7、；生产热水的锅炉叫热水锅炉。特种设备安全监察条例规定，容积大于或等于30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或等于0.1MPa（表压），且额定功率大于或等于0.1MW的承压热水锅炉属特种设备。锅炉包括“锅”与“炉”两部分，“锅”为水汽系统，由一系列密闭容器和管道组成，通过从“炉”内吸热，将水加热或转化为蒸汽；“炉”为燃料燃烧系统，由燃烧室、给煤（油、气）设施、鼓风、排渣、排烟和烟气处理设施组成。此外，锅炉还有一些辅助设施（如水质软化处理设施）、安全附件和仪表等。（2）锅炉的分类锅炉的分类方法较多，仅列出以下几种：按出口介质分类，有蒸汽锅炉和热水锅炉。按容量大小分类，有大型锅炉（蒸发量大于100吨/时

8、）、中型锅炉（蒸发量20100吨/时）和小型锅炉（蒸发量小于20吨/时）。按用途分类，有工业锅炉、电站锅炉、采暖锅炉、机车锅炉和船舶锅炉等。按结构分类，有火管锅炉、水管锅炉和水火管锅炉。按燃料或能源分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、废热（余热）锅炉等。按压力分类有：低压锅炉工作压力2.45MPa；中压锅炉工作压力5.90MPa；高压锅炉工作压力9.80MPa；此外还有超高压锅炉、亚临界锅炉和超临界锅炉等。5.2.2 常见锅炉事故（1）爆炸事故主要有炉膛爆炸、炉管爆炸和汽包爆炸等。炉膛爆炸：因供燃料和供空气失调，可燃物与空气形成爆炸混合物，遇明火发生爆炸。其爆炸位置发生在燃烧室或烟道，故称炉

9、膛爆炸。例如，燃油或燃气锅炉点火不当，可能造成炉膛爆炸；在锅炉燃烧过程中，因燃烧状况不好，如供氧不足或燃料供给过多，造成可燃气体或粉尘进入爆炸极限而发生爆炸。这种爆炸的威力一般不是特别大，但能造成锅炉损坏和人身伤亡。因此一般锅炉都设有泄压孔，以减轻炉膛爆炸可能造成的损坏。炉管爆炸：承受压力的炉管或炉管连接部分，因超压或局部高温、局部应力、局部薄弱等原因，而引发的破裂爆炸事故。爆炸的能量主要来自高温高压的汽水介质，瞬时膨胀产生冲击力很大的压力气流，可导致厂房设备损坏和人员伤亡。防止这种事故发生的措施主要是坚持安全运行，定期检查检验，及时维护维修，保持安全附件完好。 汽包爆炸：汽包是锅炉的蒸汽与水

10、分离和向炉管供水的设备，属于压力容器。由于汽包是锅炉系统储存汽水较多的设备，一旦发生爆炸事故，其后果通常是锅炉事故中最为严重的。 （2）缺水事故 缺水会使锅炉蒸发面的管子过热变形，严重时使管子破裂，甚至发生炉管爆炸。即使不发生爆炸，也会使炉子受到破坏。 （3）满水事故 汽包水位高于最高安全水位的情况叫满水。其主要危害是降低蒸汽品质，严重时液态水进入蒸汽管道和过热器，造成水击。水击可能造成管路和设备损坏。 （4）汽水共腾 锅炉蒸发面汽水共同升起，产生大量泡沫上下翻腾的现象。其后果是蒸汽带水，蒸汽品质下降，并可能造成水击。锅炉给水质量差，排污不当造成锅水质量差，或系统压力下降过快等可能引起汽水共腾

11、现象。5.2.3 锅炉的安全附件 锅炉上的安全附件主要是指安全阀、压力表、液位计和液位报警器。 （1）安全阀 当锅炉汽水系统超压时，安全阀自动开启，排汽泄压，并发出警报；当压力降到允许值后，安全阀又能自动关闭，让锅炉在允许压力范围内继续运行。常见锅炉安全阀为弹簧式安全阀和杠杆式安全阀。 （2）压力表 压力表是测量和指示锅炉汽水系统压力大小的仪表，有现场指示表和通过变送器远传至控制室的指示表。其中远传表可以设置超压报警功能。防止超压是保证锅炉安全运行的基本要求。压力表的结构简单（一根弹簧管），使用方便，但由于其作用非常重要，为了确保压力表的长期运行可靠，压力表至少每半年应校验一次。 （3）液位计

12、 液位计是现示汽包内液面高低的仪表，有现场液位计和通过变送器远传至控制室的液位计。其中现场安装的液位计是根据连通器内液柱高度相等的原理设计的，用于观察液位的通常是一段玻璃管或空心玻璃板；远传液位计是通过将液位转换成压力信号，再通过变送器来实现信号传递的，其原理与远传压力表类似。操作人员通过液位计观察和调节汽包的液位，防止发生锅炉缺水或满水事故。 （4）液位报警器 液位报警器用于在锅炉液位发生异常（高于最高安全液位或低于最低安全液位）时发出报警，提醒操作人员采取措施，消除险情。5.2.4 锅炉的安全运行与管理（1）锅炉房一般应单独建造，每层至少有两个出口，并与其他建筑物保持一定的安全距离；（2）

13、锅炉在使用前应按照特种设备安全监察条例的规定，办理有关手续；（3）锅炉的操作人员应经过培训，取得相应的作业证书；（4）建立健全锅炉安全运行操作规程、岗位记录和管理制度，锅炉维护维修和检查检验规章制度，以及锅炉及其操作人员技术档案；（5）重视锅炉水质处理，防止锅炉结垢造成事故；（6）加强锅炉运行安全管理、停炉和开炉的安全管理，防止各种事故发生。5.3 压力容器安全技术 压力容器安全技术不仅适用于压力容器，也基本适用于气瓶和压力管道。5.3.1 压力容器及其特点（1）压力容器压力容器是指承载一定压力的液体或气体介质的密闭容器。具备下列3个条件之一的压力容器属于特种设备：最高工作压力大于或等于0.1

14、MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPaL的气体或液化气体的固定式容器和移动式容器；最高工作压力大于或等于0.1MPa（表压），且最高工作温度高于或等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称压力大于或等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPaL的气体、液化气体和标准沸点等于或低于60液体的气瓶；氧舱等。（2）压力容器的特点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、交通运输等部门。民用液化石油气瓶更是到处可见。操作条件的复杂性压力从低压到高压、超高压；温度从低温到高温。处理介质包括：爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、

15、磨(损)等。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。5.3.2 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 MPa； 1.6 MPa；2)中压容器： 1.6 MPa； 10 MPa；3)高压容器： 10 MPa； 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

16、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HG20660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

17、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。5.3.3 压力容器的基本结构5.3.3.1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

18、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、14

19、00、(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)。5.3.3.2 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，

20、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

21、用中附加的削弱容器强度的因素。 5.4.1.1 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

22、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。5.4.1.2 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

23、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

24、 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。(2)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

25、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

26、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 %。(3)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)、(b)。一根长为L的直管，管子一端被约束。当管子受热工作时，工作温度T与安装温度Ta存在温差T = TTa，管子伸长，伸长量为：L=LT 式中：

27、 管子材料的线膨胀系数,单位为1/0C；而当另一端也被约束时(图5.10(b)，这一伸长量完全被限制，相当于管子受到一约束反力P (本例为压缩力)，其压缩量等于伸长量，存在以下关系：L = PL / EA 式中： E管子材料的弹性模量，A管子的横截面积。将 L=LT 和 L = PL / EA 两式合并得： LT = PL / EAT = P/A = ET 因为是压缩力，故取“”号，则： 温差应力T仅与温度差和材料的物理性质(E、)有关，与部件尺寸无关。温差越大，应力越高。现实中常可采用挠性结构、避免刚性约束等方法来降低或消除温差应力。5.4.1.3、压力容器设计方法简介工程上，压力容器设计有

28、两种方法：按规则设计和按分析设计。我们只谈按规则设计，它是基于理论、实验和经验的一种方法。压力容器设计的目的是把容器可能发生的破坏从工程设计角度限制在安全水平之内，即依据特定的使用条件，有效地利用选定材料的强度或刚度，使容器或其部件在设计寿命内不失去正常工作能力。弹性失效设计准则在内压力等静载荷作用下，容器壁中的最大当量应力(d)不应超过材料的弹性极限，并考虑应力分析、材料性质等方面估计的不精确性，采用通过安全系数(n)确定的许用应力()来代替弹性极限。对受均匀内压力的薄壁圆筒容器而言，弹性失效设计准则是以筒体的环向薄膜应力作为最大当量应力，使其保持在材料的许用应力之内，从而确定它的计算壁厚。

29、这里说的当量应力是理论假设得到的一相当应力，以代替容器实际受到的复杂应力，并将它与该容器材料的简单拉伸或压缩试验中得到的弹性或塑性极限值（“”）进行比较。压力容器设计规范中应用较早又较广泛的一种强度理论是“最大正应力理论”，该理论假设容器材料受到多向应力，其最大主应力等于或大于同样材料的试件在简单拉伸试验中失去弹性时的最大正应力即告破坏。它的数学表达式是： 式中： d最大当量应力，MPa； 2环向薄膜应力，MPa； “”塑性极限值， MPa； 许用应力， MPa； n安全系数， p工作压力， MPa； DC圆筒平均直径，mm； t圆筒壁厚， mm。若需确定圆筒的计算壁厚t时，则将上式变为(以计

30、算压力pc代替工作压力p)： 考虑到焊接和温度因素，且有Dc = Di + t，许用应力 = 设计温度下材料的许用应力焊接接头系数即： = t则有： 式中： pc 计算压力， MPa Dc 容器内径， mmt 设计温度下材料的许用应力, MPa 焊接接头系数 1，具体值参见表5.6。再考虑到钢材厚度偏差、腐蚀、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(又称名义厚度)tn为： (mm)式中： t 计算厚度， mm； c1 钢材厚度负偏差，当c1不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，cl可忽略不计； c2 腐蚀裕量，当介质为压缩空气、水或水蒸气时，c2不小于1mm； t 厚度圆整值，mm。通过下例题将上面所讲的内容应用如下：解：计算压力pc = 6.3MPa，内直径Di= 600 mm，设计温度下材料的许用应力 t = 133 MPa，由于是100%无损探伤，查表5.6知焊接接头系数 = 1， 按下式计算出计算