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化工设备2
化工设备
(2)
第一章化工设备概述
第三节压力容器的质量保证
一、压力容器的分类
所谓“压力容器”是指压力和容积达到一定的数值,容器所处的工作温度使其内部介质呈气态的密闭容器。
按中国《压力容器安全技术监察规程》的规定,同时具备下列条件的容器称为压力容器。
(1)工作压力大于等于0.1MPa(不含液柱静压力);
(2)直径(非圆形截面指断面最大尺寸)大于等于0.15m,且容积大于等于0.025m3;
(3)介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。
压力容器一旦发生事故后果是很严重的,世界上许多国家都把压力容器作为一种特殊的设备,由专门的机构实施安全监督,制订专门的法规和标准予以管理。
对压力容器进行分类是为了便于了解不同类型容器的结构特点和适用场合,作到合理使用和规范管理。
(一)按工艺用途分类
根据用途可将压力容器分为反应容器、换热容器、分离(传质)容器和储存容器。
(1)反应容器主要用于完成介质的化学和物理反应过程。
如反应釜、分解塔、聚合釜、合成塔、煤气发生炉等。
(2)换热容器主要用于完成介质的热量交换过程。
如热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、冷却塔等。
(3)分离容器主要用于完成流体的压力平衡和气体净化分离等过程。
如分离器、过滤器、洗涤器、干燥塔、汽提塔、乙烯精馏塔等。
(4)储存容器主要用于盛装气体、液体、液化气体等介质。
如液化气储罐、液氨储罐、球罐、槽车等。
(二)按设计压力高低分类
压力容器按照承压方式有内压容器和外压容器。
当容器内壁所承受的压力高于其外壁所承受的压力时称为内压容器,反之为外压容器。
内压容器按设计压力的高低又可分为四个压力等级。
(1)低压容器0.1MPa≤p<1.6MPa。
(2)中压容器1.6MPa≤p<10.0MPa。
(3)高压容器10.0MPa≤p<100MPa。
(4)超高压容器p≥100MPa。
(三)按容器的工作温度分类
(1)低温容器设计温度≤-20℃。
(2)常温容器设计温度>-20~200℃。
(3)中温容器设计温度>-200~450℃。
(4)高温容器设计温度>-450℃。
按工作温度分类虽然没有严格的科学依据,但温度对材料的性能影响较大,在不同的温度区间,对容器材料选用上要考虑一些特殊的问题。
如在低温下要考虑材料的冷脆性,中温下要考虑氢腐蚀及材料的抗回火脆性,高温下要考虑材料的蠕变性、石墨化及抗氧化性等。
(四)按安全技术监察规程的要求分类
以上几种分类方法,都只考虑了压力容器的某个方面,并不能全面准确地反映容器的整体技术和安全状态。
为了在技术管理和监督监察上区别对待不同安全要求的压力容器,《压力容器安全技术监察规程》中,按照容器的压力等级、容积大小、介质的危害程度及在生产过程中的作用将压力容器分为三个类别。
其中第三类压力容器最为重要,要求也最严格。
这种分类方法对从事压力容器的设计、制造、安装、使用、维护及管理人员而言更为重要,具体划分如下。
1.第一类压力容器
所有的低压容器(已划分为第二类和第三类者除外)都是第一类压力容器。
2.第二类压力容器
具有下列情况之一的为第二类压力容器。
(1)中压容器(已划分为第三类者除外)。
(2)易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和储存容器。
(3)毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器。
(4)低压管壳式余热锅炉。
(5)低压搪玻璃压力容器。
3.第三类压力容器
具有下列情况之一的为第三类压力容器。
(1)高压容器。
(2)毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器。
(3)毒性程度为极度和高度危害介质,且设计压力和容积的乘积大于等于0.2MPa•m3的低压容器。
(4)易燃或毒性程度为中度危害介质,且设计压力和容积的乘积大于等于0.5MPa•m3的中压反应容器。
(5)易燃或毒性程度为中度危害介质,且设计压力和容积的乘积大于等于10MPa•m3的中压储存容器。
(6)高压、中压管壳式余热锅炉。
(7)中压搪玻璃压力容器。
(8)用标准抗拉强度大于540MPa的高强度钢制造的压力容器。
(9)移动式压力容器。
包括介质为液化气体和低温液体的铁路罐车,液化气体运输(半挂)罐式汽车、低温液体运输(半挂)罐式汽车、永久气体运输(半挂)罐式汽车,介质为液化气体和低温液体的罐式集装箱。
(10)容积大于等于50m3的球形容器;
(11)容积大于5m3的低温液体储存容器。
以上提到的易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10%,或爆炸上限和下限之差大于等于20%的气体,如一甲胺、乙烷、乙烯、氯甲烷、环氧乙烷、环丙烷、氢、丁烷、丙烷、丙烯、甲烷等。
毒性程度属于高度和极度危害的介质有氟、氢氟酸、氢氰酸、光气、氟化氢、碳酰氟、氯等,毒性程度属于中度危害的介质有二氧化硫、氨、一氧化碳、氯乙烯、甲醇、氧化乙烯、硫化乙烯、二硫化碳、乙炔、硫化氢等。
除了以上几种分类方法外,按照容器的相对壁厚将其分为薄壁容器和厚壁容器,当圆筒形容器的外直径与内直径之比小于等于1.2时称为薄壁容器,大于1.2时为厚壁容器;按照容器安装时的相对位置,当圆筒形容器的轴线与地面垂直时为立式容器,当轴线与地面平行时为卧式容器;还可以按照容器的几何形状分为圆筒形容器、球形容器、锥形容器、椭圆形容器及矩形容器等。
二、压力容器规范介绍
化工生产的特点决定了化工设备安全的重要性,作为化工设备主体的压力容器,为了确保其安全运行,世界上许多国家都有相应的研究和管理机构,并制订了适合本国的标准规范。
如美国的《ASME锅炉及压力容器规范》、日本的JISB8270《压力容器(基础标准)》和JISB8271~JISB8285《压力容器(单项标准)》、英国的《BS5500非直接火焊接压力容器规范》、德国的《AD压力容器标准》、法国的《CODAP非直接火压力容器建造规范》等。
中国压力容器规范的制定工作开始于20世纪50年代,经过多年的努力现已形成了较为完善的压力容器规范体系,如GB150—1998《钢制压力容器》、GB151—1999《管壳式换热器》、GB12337—1999《钢制球形容器》、JB4710—2000《钢制塔式容器》、JB4731—2000《钢制卧式容器》、JB4746—2001《钢制压力容器用封头》及《压力容器安全技术监察规程》、《压力容器使用登记管理规则》等。
下面简要介绍美国的ASME规范和中国主要的压力容器标准和管理规范。
1.《ASME锅炉及压力容器规范》
该标准自1915年问世以来,经过近一个世纪的发展和扩充,目前共有11卷、20多个分册。
内容包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等。
该规范篇幅庞大、内容丰富,并每3年更新一次版本,每2年进行一次增补,它是目前世界上公认的技术内容最完善、应用最广泛、最具权威性的压力容器标准,也是世界上唯一的一部自成体系、无需旁求,封闭型的成套标准。
其中与压力容器密切相关的是第Ⅷ篇《压力容器》,该篇又分为Ⅷ-1《压力容器建造规范》、Ⅷ-2《压力容器建造另一规范》和Ⅷ-3《高压容器建造另一规范》。
ASMEⅧ-1为常规设计标准,ASMEⅧ-2为分析设计标准,ASMEⅧ-3为高压容器设计标准。
2.GB150—1998《钢制压力容器》
GB150—1998是中国压力容器方面一部最重要的国家标准,该标准的基本思路与ASMEⅧ-1相同,属于常规设计的标准。
由全国压力容器标准化委员会编制,国家技术监督局颁布实施。
标准由正文、附录和提示性附录三部分组成,其中正文和附录是强制性的,提示性附录是推荐的。
主要内容包括:
本标准的适用范围、引用标准、总论、常用材料、圆筒和封头的设计计算、外压圆筒和球壳、容器的开孔及补强、法兰、制造、检验与验收,超压泄放装置、低温容器及非圆形截面的容器,密封结构、焊接结构、产品焊接试板的力学性能检验、钢材的高温性能及其他相关技术规定。
该标准的适用范围是:
设计压力0.1MPa~35MPa,容器真空度≥0.02MPa;设计温度可根据钢材的使用温度来确定,可从-196℃至钢材的蠕变限用温度。
不适用直接火焰加热的容器,核能装置中的容器,泵、压缩机、涡轮机、液压缸等旋转或往复运动的机械设备中自成体系或作为部件的受压器室,经常搬运的容器,设计压力低于0.15MPa或真空度低于0.02MPa的容器,要求做疲劳分析的容器,内直径小于150mm的容器以及由其他行业管辖的容器。
2.JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》
该标准是我国第一部压力容器分析设计的行业标准,其基本思路与ASMEⅧ-2相同。
对有分析设计要求的压力容器,该标准是强制性的规范。
标准有正文11章;附录11个,其中6个为补充件、5个为参考件。
该标准与GB150同时实施,在满足各自要求的前提下,设计者可任选其一使用,但不得混合使用。
与GB150相比,JB4732适用的压力范围扩大了,可达100MPa;设计温度的上限控制在钢材强度不受蠕变制约的温度以下;即碳素钢与碳锰钢375℃,锰钼铌钢400℃,铬钼钢475℃,奥氏体不锈钢425℃。
该标准在同等条件下比用GB150设计的容器壁厚小一些,但计算的工作量较大且对选材、制造、检验及验收等方面要求也较高,所以大多用于大型的、结构复杂的、操作条件苛刻或需要做疲劳分析的压力容器的设计。
4.GB151—1999《管壳式换热器》
GB151—1999是管壳式换热器的国家标准,是管壳式换热器设计、制造、检验与验收、安装、试车和维护的基本依据。
由全国压力容器标准化委员会编制,国家技术监督局颁布实施。
该标准由正文和附录两部分组成。
正文包括总论、材料、设计、制造、检验与验收、安装、试车和维护等内容。
附录部分有3个补充件和6个参考件,补充件是强制性的,参考件是推荐的;附录的内容包括低温管壳式换热器、换热管与管板接头的焊接工艺评定,管板与圆筒、管箱的连接,管束的振动及壁温计算等内容。
5.JB4710—2000《钢制塔式容器》
JB4710—2000是压力容器方面的行业标准,是塔式容器设计、制造、检验与验收的直接依据。
该标准由正文和附录两部分组成。
主要内容包括:
本标准的适用范围、所引用的各单项标准、塔设备的结构、塔设备设计和选材的一般规定、塔设备强度及稳定性校核计算的方法,塔设备的制造、检验与验收等内容。
6.《压力容器安全技术监察规程》
从前面所介绍的几个标准可见,中国压力容器方面的标准基本上是以设计为主体内容的,但实践表明,保证压力容器的安全可靠运行仅靠设计和制造方面的标准和规范是远不够的。
为此中国在1981年由当时的国家劳动总局颁发了《压力容器安全监察规程》,1990年由当时的国家劳动部对此法规进行了修订并更名为《压力容器安全技术监察规程》,1999年当时的国家质量技术监督局再次进行修订,颁发了新版的《压力容器安全技术监察规程》,并与2000年1月1日起正式实施。
该规范是压力容器安全管理的一个技术法规,同时也是政府对压力容器实施技术监督和管理的依据。
由法定的压力容器安全监察机构(目前是国家质量监督检验检疫总局),根据压力容器产品所使用的标准及技术规范,来控制和监督压力容器的设计、制造、安装、改造、使用、检验及修理等各个环节。
它是压力容器安全技术的一个最低标准,凡是压力容器部颁标准、企业标准都不得低于《压力容器安全技术监察规程》所规定的技术标准。
《压力容器安全技术监察规程》包括:
压力容器安全技术管理的一般规定;材料的使用及容器设计方面的相关要求;制造与现场组焊、无损检测与压力试验的有关规定和要求;容器的使用、管理、定期检验;容器安全附件的使用及安装等内容。
三、压力容器的质量保证体系
压力容器是一种特殊的设备,在设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造等每一个环节质量的优劣,都将直接影响到整台设备的质量和运行的安全性,实践中由于容器质量不合格引发的事故也时有发生。
因此保证压力容器的质量是石化企业安全生产的前提。
(一)压力容器质量保证的概念
一台压力容器从设计、制造、投入运行到退役也是一个很漫长的过程,工业生产要求容器在整个服役过程中都能满意地运行而不出事故。
为了达到这一目的所采取的有计划的、系统的措施统称为“质量保证”。
质量保证是一种系统工程,在实践中各国都逐步形成了自己的质量保证体系。
如前面已介绍的美国机械工程师协会(ASME)编写的《锅炉及压力容器规范》,该规范卷页浩繁、内容全面,自成体系。
英国于1982年在英国机械工程师学会中设立了“压力容器质量保证管理委员会”,并发布了有关文件、其后英国政府发布了质量保证法案。
我国也有自己的压力容器“质量保证体系”。
压力容器的质量保证主要包括设计、材料、制造及制造过程中的检验、在役检验与监控等几个方面。
(二)我国压力容器的质量保证体系和安全监督
我国压力容器的质量保证,无论是国家标准GB150还是行业标准JB4732在主体上都是以设计规范为主,同时规定在材料、制造、检验等方面必须遵守的各单项的部颁标准或国家标准,但这些单项标准的具体内容并不编入设计规范,而只在需要遵守的地方列出标准号和标准名称。
如GB6654《压力容器用碳素钢和低合金钢钢板》、JB3964《压力容器焊接工艺评定》、JB4746《钢制压力容器用封头》、JB4730《压力容器无损检测》等。
它不同于美国的ASME规范,把容器质量保证的所有内容都编在同一个规范中。
这种质量保证体系是在多年来的生产实践中逐步形成的,这是因为我国各工业部门在生产发展中都制订了各自的标准和技术规范,这些标准和规范可以专对压力容器的某些方面,也可以跨行业使用。
所以没有必要再把所有关于压力容器质量保证的内容编在同一个规范中,而只要给出应该遵循的标准号和名称即可。
然而只有规范和标准还不能保证安全生产,还必须有政府主管部门的安全监督。
所以我国原劳动部颁发了《压力容器安全技术监察规程》。
综上所述,以GB150—1998《钢制压力容器》、JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》为主,辅以与其相关的各单项标准,再加上政府主管部门颁发的《压力容器安全技术监察规程》,就形成了我国自己的“压力容器质量保证体系”。
(三)压力容器质量保证的内容
1.设计和材料的质量保证
设计是压力容器诞生的第一步,也是质量保证的第一环节。
所以在设计时应当充分考虑到以后各环节中可能产生的问题和为保证质量所要采取的措施。
材料选择是重要的设计环节,要求设计者在对容器的各个部位进行应力分析的基础上,全面了解材料的化学成分、力学性能、热处理方法,冶炼与扎制方法、供货状态、检验验收及抽样复验等有关性能和标准规范,进而作出合理的选择。
一般而言,一台压力容器的设计文件包括设计计算书、施工图、技术要求等三部分,这些都与材料选用、制造、检验等质量保证的各环节形成为统一的整体。
2.制造的质量保证
制造是压力容器由图纸转化为实物的过程,是质量保证中最重要的环节。
尤其是对材料验收、焊接方法、焊后热处理、焊接区的力学性能分析、制造过程中的检验等要严格把关。
具体要求如下:
(1)对设计的控制。
制造单位应制订和执行管理制度或相应的程序文件,以保证用于生产的设计文件正确、完整、符合有关法规、规章和标准的规定。
其控制环节一般包括:
设计单位资格的核查,设计图样的核查,法规和标准选用的核查,设计更改的控制等。
(2)对材料和采购质量的控制。
制造单位应明确材料和采购控制的范围,采购除材料外,还应包括受压元件、安全附件及与安全密切相关的仪器仪表等的外购和外协件。
制造单位应制订和执行材料和采购质量控制的管理制度或相应的程序文件,以保证所用材料、外购件和外协件都是符合规定的合格品,防止混淆和错用。
材料控制环节一般包括:
选用、采购、验收、复验、入库、存放、保管、代用、发放、标记移植等。
采购控制环节一般包括:
对供货方的评定和选择、采购文件、采购产品的验收等。
(3)对制造工艺质量的控制。
制造单位应明确制造工艺质量控制的范围,制订和执行工艺质量的管理制度或相应的程序文件,以保证工艺流程合理,工艺文件正确、完整,工艺实施过程受控,产品标识唯一。
其控制环节一般包括:
图样的工艺审查,工艺流程,通用工艺、专用工艺的编制、审批、使用,工装、模具的设计、使用和维护,产品标识,标记移值及可追溯性,工艺实施过程控制的记录,表面处理和防护等。
(4)对焊接质量的控制。
制造单位应制订和执行焊接质量的管理制度或相应的程序文件,以保证所有受压元件以及受压元件与非受压元件连接的焊接接头的质量都能满足法规、规章、标准和图样的要求。
其控制环节一般包括:
焊接材料的控制和管理,焊接工艺评定及其工艺文件的编制、审批、使用,焊工资格和管理,焊工标记,产品焊接试板,焊接设备,焊接接头组对或组装质量,施焊过程控制和记录,焊缝返修质量控制和记录等。
(5)对热处理质量的控制。
制造单位应制订和执行热处理质量的管理制度或相应的程序文件,以保证压力容器及其受压元件的热处理质量满足法规、规章、标准和图样的要求。
其控制环节一般包括:
热处理工艺文件的编制、审批、使用,热处理设备、设施以及测温仪表的控制,热处理实施过程的控制,热处理工艺参数记录、报告或确认,外协的热处理质量控制等。
(6)对检验质量的控制。
制造单位应制订和执行检验质量控制的管理制度或相应的程序文件,以保证未经检验或检验不合格的产品不准用于压力容器生产,上道工序检验不合格不准转入下道工序,不合格的压力容器半成品和成品不准出厂,所用的检验和试验设备、仪器、仪表、量器具处于完好状态并能满足生产需要。
其控制环节一般包括:
检验规程的编制、审批和使用,进货检验,过程检验,最终检验,监督检验的配合,检验状态标识,检验和试验的设备、仪器、仪表、量器具的定期校准和标识,检验记录,联营、合作或协作的产品、受压元件的检验质量控制,产品档案及出厂文件等。
(7)对无损检测质量的控制。
制造单位应制订和执行无损检测质量控制的管理制度或相应的程序文件,以保证压力容器的材料和焊接接头的无损检测质量满足法规、规章、标准和图样的要求。
其控制环节一般包括:
通用和专用工艺的编制、审批和使用,检测人员的资格和管理,无损检测设备、设施和器材的控制,焊缝无损检测部位的可追溯性,无损检测实施过程的控制,无损检测记录、报告和射线底片的质量控制及保管等。
(8)对理化试验的控制。
制造单位应制订和执行理化试验控制的管理制度或相应的程序文件,以保证受压元件材料和焊接接头的理化试验满足法规、规章和标准的要求。
其控制环节一般包括:
试验规程的编制、审批和使用,试验人员的管理,试验设备和器材,试样的取样、加工和检测,试验的操作,试样的保管,试验的记录、报告及保管,外协的理化试验的质量控制等。
3.使用中的检验与监控的质量保证
使用中的检验与监控也是压力容器质量保证的重要环节。
实践证明,压力容器的爆炸事故有相当一部分是由于裂纹或其他缺陷的扩展所引起的。
裂纹的扩展是有过程的,在投入运行前检查合格的容器,在服役一段时间以后定期检验时往往发现了裂纹,这并不等于容器就不安全了,但必须慎重对待,消除裂纹或进行安全评定,只要缺陷处于允许的安全范围内仍可继续使用,然而保留了裂纹缺陷的容器,在以后的服役期间就更要加强检查和监督。
在役检验的方法以射线检验和超声检验为主,辅以磁粉或着色检验以检测表面裂纹。
一般都是在年度大检修时进行,或根据有关规程逐年轮流检查。
本章小结:
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