锅炉、与压力容器安全对策(五)

续前
     （61）钢的可焊性（Weldabipity of steel）
    　　钢的可焊性是指钢材是否具有在规定的焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头的性能。制造锅炉与压力容器的焊接部件，材料必须具有良好的可焊性，以防产生焊接裂纹等严重缺陷。钢的可焊性主要决定于它的化学组成。其中影响最大的是含碳量。钢的含碳量越高，可焊性越差。钢中的其它合金元素成分大部分也不利于它的焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。含碳量小于0.3%的碳钢（普通碳钢，优质碳钢）和含碳量小于0.2%的普通低合金钢，一般都具有良好的可焊性。合金钢，特别是高强度合金钢，由于加入较多的合金元素，可焊性不仅与它的含碳量有关，还与其它合金元素的含量多少有关。根据化学组成确定合金钢的可焊性，目前通用的指标是碳当量。所谓碳当量，是指钢中的含碳量与其它合金元素含量折算成相当的碳含量（根据各种元素对焊接性能的影响与碳的影响相比较进行折算）的总和。一般认为，碳当量小于0.45%的合金钢，可焊性良好。
    　　（62）对接焊、搭焊与角焊（Butt weld、 lap weld and filled weld）
    　　对接焊是将两焊接构件相互对齐，在它们的对接接缝中进行焊接。厚的焊件从两面施焊，称双面对接焊，薄的焊件可采用单面对接焊。锅炉压力容器的承压部件，如筒体的纵缝、环缝、球体或封头的拼接缝以及凸形封头与筒体的接缝，一般都采用对接焊。对接焊能基本保持焊件结构形状的连续性，承载时应力分布比较均匀，所以应尽量采用。
    　　搭焊是将两焊接构件在接头处叠合（搭接），在焊件的端部或侧面施焊。搭焊的构件承载时接头的作用力不在同一直线或弧线上，使焊缝产生附加的剪力和弯矩。搭焊只用于一些不能对接焊的结构，如筒体或封头开孔周围的补强板等，其它情况一般不宜采用。
    　　角焊是两焊件成直角或一定角度组对，在其连接边缘施焊。部件采用角焊连接时，由于结构形状不连续，产生较大的不连续应力，应力集中现象严重。在一些小型锅炉或容器中，筒体与管板、筒体与平封头等必须采用角焊时，应采用全焊透结构。
    　　（63）焊接缺陷（Weld defect）
    　　焊接缺陷泛指存在于构件的焊缝及其附近，因焊接而产生的一切缺陷。常见的焊接缺陷有裂纹、未焊透或未熔合、夹渣、气孔、咬边以及其它的焊接表面缺陷。其中以焊接裂纹为最严重的缺陷，锅炉和压力容器的脆性破裂事故有很多是由焊接裂纹引起的，裂纹还会加速锅炉压力容器的疲劳破裂与应力腐蚀破裂。未焊透或未溶合，性质同裂纹缺陷相同，也是一种不允许存在的缺陷。它不仅降低焊接接头的强度与塑性，而且往往是壳体开裂的起始点。焊缝咬边虽然不会明显减少焊缝的承载截面积，削弱它的静力强度，但其根部应力集中现象比较严重，也是一种脆性破裂的根源。锅炉压力容器的承压部件不允许深度大于0.5mm或连续长度超过100mm的焊缝咬边。气孔和夹渣一般属于体积型缺陷，它减弱了焊缝的承载截面积，但缺陷的端部一般不会是尖锐的缺口。气孔和夹渣缺陷较多或较大时也会影响焊件的疲劳强度。锅炉压力容器的焊缝中允许有少量的气孔或夹渣缺陷。
    　　（64）焊缝错边与角变形（Offset and angular misalignment）
    　　焊缝错边是指对接焊缝中的两块接板的板没有对齐而产生的位置偏移。它虽然也可能产生在球体或圆筒体的纵接缝上，但更多的是见于筒体的环接缝口两个对接的筒节的直径偏差会产生整个接缝错边；任一节筒节的截面不圆也可以产生局部的接缝错边。接缝角变形是指对接的板边虽已对齐，但两对接板的中心线不连续，因而在外形上形成棱角。这种缺陷多产生在球体或圆筒体的纵接缝上。角变形是卷板时板边没有压成弧形，或曲率半径存在偏差而造成的。焊缝错边与角变形是锅炉压力容器在组装过程中较常见的缺陷。由于这种缺陷造成承压壳体的几何形状不连续，轻的可以降低部件的疲劳强度或疲劳寿命，严重的错边和角变形也可以直接造成压力容器的脆性断裂。在组装焊接的部件中，要求完全没有错边或角变形缺陷是难以实现的，但应该控制在一定的范围内。在锅炉和压力容器的有关规范或标准中，都规定有允许的最大偏差。
    　　（65）消除应力热处理（Stress relif heat treatment）
    　　消除应力热处理就是把构件加热到能消除应力的温度范围内（碳钢为600~650℃），使材料具有良好的延性。在这种情况下，存在构件内的残余应力就会使材料产生塑性变形从而达到应力释放的目的。消除应力热处理不但可以有效地消除焊接时产生的高残余拉伸应力，改善构件因冷作而引起的硬化现象，还可以消灭或减小焊缝附近的局部脆化，使它的韧性和塑性提高到接近材料的水平。焊接压力容器是否需要进行消除应力的热处理，主要取决于它的残余应力大小以及工作介质是否具有应力腐蚀的特性。一般来说，焊件越厚，焊接残余应力就越大，所以器壁较厚的容器，应进行消除应力热处理。合金钢焊制的容器，因金属的可焊性稍差，也应在焊后进行热处理。泠成形的凸形封头或冷卷的厚圆筒，也应经过消除应力热处理。工作介质对容器材料能产生应力腐蚀时，残余应力的存在会大大加剧应力腐蚀的进程，因此这样的容器也必须进行热处理。
    　　（66）安全泄压装置（Relief safety feature）
    　　安全泄压装置是装设在锅炉压力容器上，用以防止设备运行时压力超过规定最大负荷的一种保护性装置。它具有这样的性能，当承压设备或系统在正常工作压力下运行时，它保持严密不漏，而一当压力超过规定，它就立即自动地把系统内部的气体迅速排出，使设备内的压力始终保持在最高许用压力范围以内。安全泄压装置还有自动报警的功能。因为当它开放泄压时，由于气体流速较高而发出较大的音响，成为设备压力异常的讯号。锅炉以及在运行过程中器内压力有可能升高的容器，都应单独装设安全泄压装置。但如果一个连续的压力系统中有多台压力容器，它们的许用压力相同，而且气体在每个容器中又不会自行升高时，则可以在整个系统（连接管道或其中的一个容器上）内装设一个安全泄压装置。安全泄压装置的类型有阀型（安全阀）、断裂型（爆破片、爆破帽）、熔化型（易熔塞）和组合型（阀型与断裂型组合使用）等几种。
    　　（67）压力容器安全泄放量（Safety dicharge quantity）
    　　压力容器安全泄放量是指压力容器在超压时，为保证它的压力不再继续升高，在单位时间内所必须排放的气量。它的单位中kg/h。压力容器装设的安全泄压装置，其排气能力（排量）应根据容器的安全泄放量来选定，即安全泄压装置的排量必须不小于容器的安全泄放量。各种压力容器的安全泄放量是按它的最大产气（或输入气体）能力来确定的。例如，锅炉的安全泄放量就等于它的蒸发量；一般的气体或水蒸气贮罐，安全泄放量就是它在单位时间内由产生气体压力的设备（如压缩机、锅炉等）所能输入的最大气量（按进气管径及压力考虑）；周围环境有发生火灾可能的液化气体贮罐，安全泄放量按容器周围发生火灾的情况下罐内液体的吸热蒸发量考虑；而器内有发生分解、放热等化学反应的容器，安全泄放量就是它在单位时间内所能产生的最大气量。
    　　（68）安全阀（Relief valve safety valve）
    　　安全阀是锅炉压力容器最常用的一种安全泄压装置。它是通过阀的自动开启排放气体来降低容器内的压力的。安全阀由三个主要部分构成，即阀座，阀瓣和加载机构。工作时阀座和容器连通，阀瓣（常常带有阀杆）紧扣在阀座上，并利用砣上面的加载机构的压力来保持密封。加载机构的载荷大小是可调节的。当容器内的压力在规定的工作压力范围以内时，内压作用于阀瓣上的力小于加载机构施加在它上面的力，两者之差构成阀瓣与阀座之间的密封力，使阀瓣紧压阀座，容器内的气体无法排出。而当器内的压力超过规定的工作压力时，内压作用在阀瓣上的力就大于加载机构施加之力，于是阀瓣离开阀座，安全阀开启，容器内的气体即通过阀座排出。待器内压力下降以后，阀瓣又紧压着阀座，容器又保持密封状态。与其它类型的安全泄压装置相比较，安全阀的特点是它仅仅泄放容器内高于规定的部分压力，而一当器内压力降回至正常操作压力时，它即自动关闭，容器又继续运行，可以避免容器因超压排出全部气体而中断生产。由于这个原因，安全阀被广泛用于各种压力容器中。安全阀的缺点是：密封性能较差，在正常工作压力下也难免有微量泄漏；由于开闭机构的滞后作用，它不能用于压力急剧升高的反应容器；当介质是一些不洁净的气体时，阀座有被粘结或堵塞的可能。按整体结构及加载机构的形式，安全阀有杠杆式、弹簧式与脉冲式三种。
    　　（69）杠杆式安全阀（lever safety valve）
    　　杠杆式安全阀利用重锤和杠杆作加载机构。杠杆的作用是可以使用重量小的重锤通过杠杆原理获得较大的载荷（即施加在阀瓣上的作用力），以减小安全阀的自重和体积。还可以通过移动重锤在杠杆上的位置，来调整校正安全阀的整定压力。杠杆式安全阀结构简单，调整容易而又比较准确，加载机构的作用力不因阀瓣的开启而增加，又适宜用于温度较高的场合下，因此过去用得比较普遍，特别是用在锅炉或工作温度较高的压力容器上。但它也存在不少的缺点：结构比较笨重，重锤与阀体的尺寸很不相称，用于压力较高场合下就受到限制。它的加载机构（在长的杠杆上悬挂着重锤）常因振动而造成阀的泄漏。由于对振动比较敏感，杠杆式安全阀不宜用于移动式容器，如火车罐车，汽车罐车等。特别是可燃液化气体罐车更不能使用。这种结构的安全阀，目前国内尚无批量生产，只有少量的产品与锅炉配套供应。
    　　（70）弹簧式安全阀（Spring loaded safety valve）
    　　弹簧式安全阀的加载机构是一个螺旋圈形弹簧，利用压缩弹簧的弹力来平衡作用在阀瓣上的力。通过调节弹簧压紧螺母（调整螺母），可以增加或降低弹簧的弹力，从而能按需要校正安全阀的整定压力。弹簧式安全阀结构轻便紧凑，灵敏度也比较高，安装的方位不受严格限制，而且对振动的敏感性差，可以用于移动式压力容器。这种安全阀的缺点是所加的载荷会随着阀的开启而发生变化。因为阀瓣开启升高，弹簧的压缩量即增大，作用在阀瓣上的力也跟着增加，这不利于安全阀的迅速开启。另外，阀上的螺旋形弹簧用于温度较高的场合时，会因长期受高温的作用而致弹力减小，甚至消失。这样，高温容器使用的安全阀就得考虑弹簧的隔热或散热问题，至使它的结构变得复杂起来。目前国内压力容器上使用的安全阀绝大部分是弹簧式安全阀。
    　　（71）脉冲式安全阀（Pilot operated safety valve）
    　　脉冲式安全阀也称先导式安全阀，由主阀和辅阀组合构成，通过辅阀的先导作用驱动主阀动作。主阀和辅阀分别用管道与容器相连。辅阀是一个小型的杠杆式或弹簧式安全阀。当容器内的压力超过规定的工作压力时，辅阀首先开启，排出的气体进入主阀的活塞室，活塞在气体的压力作用下，通过阀杆将主阀的阀瓣顶开，大量气体即从主阀排出。在器内压力降回至工作压力以后，辅阀关闭，主阀活塞室内的气体压力降低，主阀随即闭合，容器连续运行。脉冲式安全阀结构复杂，但它的排量很大，启闭的延迟作用较小，一般用于电站锅炉或安全泄放量很大的压力容器。
    　　（72）微启式安全阀与全启式安全阀（Low lift safety valve and full bore safety valve）
    　　根据安全阀阀瓣最大开启高度的大小，安全阀又有微启式与全启式之分。全启式是指它的阀瓣开启高度已经使阀的帘面积（即阀瓣与阀座间的环形面积）大于或等于阀的流道截面积，即已经完全开启。因为阀的间隙面积为πd h（d为阀孔直径，h为阀瓣最大开启高度），而阀的流道面积为πd2/4，因此要达到阀的帘面积不小于阀的流道面积的条件便是h≥d/4也就是全启式安全阀的最大开启高度应不小于阀孔直径的1/4。要使安全阀的开启高度达到孔径的1/4以上，必须在阀的封闭机构中有帮助阀瓣升高的辅助结构。它可以通过两种途径，一是增加气体压力所直接作用的面积，二是利用气流转向对阀瓣产生反作用力。所以全启式安全阀的封闭结构比较复杂，在阀座及阀瓣上都增设调节圈，以实现上述两种作用。微启式的封闭机构就比较简单，制造、维修和调整都比较方便，但它的开启高度一般都小于d/20。所以它的排气能力就要比全启式安全阀小得多，因而只宜用于排量不大、要求不高的场合。目前，大多数压力容器及锅炉所用的安全阀都是全启式安全阀。
    　　（73）全封闭、半封闭与敝开式安全阀（Clossed、half clossed and open type saf—ety valve）
    　　安全阀和各种类按照气体排放的方式又可以分为全封闭式、半封闭式与敝开式三种。全封闭式安全阀排出的气体全部通过排气管排至室外安全地带，整个阀各连接处密封良好，介质不会通过各连接处的间隙向周围泄漏。这种安全阀主要用于有毒、易燃气体的容器上。半封闭式安全阀各连接处的间隙不太严密，主要是防止尘土等杂物进入阀内阀开启排气时，气体也可能有一部分从阀盖与阀杆之间的间隙中漏出，多用于不会污染环境的气体。敝开式安全阀的阀盖是敝开的，弹簧室与大气相通，目的是降低弹簧腔内的温度。多用于蒸气及高温气体容器。
    　　（74）安全阀排量（Flow capacity of safety valve）
    　　安全阀排量是指它完全开启时，在排放压力下，单位时间内所能排出的气体流量。一般称为安全阀的额定排量，单位是kg/h。额定排量是安全阀的一个重要参数，它不但决定于气体的温度、压力等工艺参数，还和安全阀的结构型式和完善程度有关。锅炉压力容器选定或校核安全阀规格时，常常要对安全阀的排量进行计算，以便与容器的安全泄放量进行对比。对于一般的安全阀（指出口侧为大气压力或压力不太大的密闭系统），其排量可以按下式计算：

       式中，P为安全阀的绝对排放压力；T为排气的绝对温度（K）；M为分子量；A为安全阀的最小流通面积。
    　　全启式安全阀，A=πd2/4；微启式安全阀，A=πdh。流通面积的单位是mm，C为流量系数，一般的安全阀，C=0.6~0.8；X是气体特性系数，是气体绝热指数的函数，常用的双原子气体，X=27。Z是气体在压力P和温度T下的压缩系数，一般中低压常用气体，可取Z=1。
    　　（75）爆破片（Rupture disc）
    　　爆破片又称防爆片，爆破膜。是一种断裂型的安全泄压装置。当容器内的压力超过正常工作压力时，爆破片上的膜片即断裂，器内的气体即通过这破裂孔而泄放。与安全阀相比较，爆破片的优点是密封性能良好，气体一般不会渗漏；泄压反应较快，达到爆破压力后膜片立即破裂，气体即可大量排出；对介质中所含的污物不太敏感，气体中即使含有少量的粘稠物或粉状晶体一般不会影响它的动作与排放。但是由于它是利用膜片的断裂来泄压的，所以泄压以后即不能继续使用，器内的气体被全部排放，容器也被迫停止运行。因此爆破片只是在不宜装设安全阀的压力容器中使用。包括工作介质为不洁净气体的容器（因为用安全阀有可能发生堵塞或粘结），器内物料化学反应，压力急剧升高的反应容器（安全阀有滞后作用，不能迅速排放）以及介质为剧毒气体的容器（安全阀密封性能差，有可能使剧毒气体渗漏）。爆破片不宜用作液化气体贮罐的安全泄压装置。根据失效时的受力状态和基本结构型式，爆破片可以分为剪切型、弯曲型、拉伸型和压缩型等四种。
    　　（76）剪切型爆破片（Shearing type rupture disc）
    　　剪切型爆破片又称切破式爆破片。是指膜片承受压力时周边受剪切而破裂的一种爆破片。这种爆破片的膜片中间较厚，而周边较薄，目的是防止膜片承压时阁下较大的弯曲变形，保持它的周边受较大的剪切载荷而沿边缘破裂。膜片一般是用不锈钢、铜、镍、铝等延性好的材料制造。剪切型爆破片的特点是：全面积排放，阻力小，排量系数大；在相同条件下，膜片较厚，较易于加工制造；膜片的动作压力（爆破压力）受周边条件（夹持边缘的锋利程度等）的影响很大，因而不够稳定；膜片切破后常被整体冲出，易阻塞排气管道。剪切式爆破片是早期广泛使用的一种爆破片，由于上述原因，特别是动作压力不易控制，目前在压力容器中已很少采用。
    　　（77）弯曲型爆破片（Bending type ruptupe disc）
    　　弯曲型爆破片，又称碎裂式爆破片，它是利用膜片碎裂而排气的，即当膜片在较高的压力载荷下产生的弯曲应力，达到材料的抗弯强度极限时即碎裂。膜片常用铸铁、硬塑料、石墨等脆性材料制造，为平板型。周边有夹紧式和自由嵌入式两种。弯曲型爆破片的特点是：破裂时无明显的塑性变形，故动作反应最快；膜片比较厚，容易按需要的尺寸制造加工；在动载荷与脉动载荷下膜片不易疲劳；爆破片的动作压力受材料强度及装配误差的影响，波动很大，最不稳定；膜片强度低，常因安装不慎而破裂；膜片破裂后碎片飞出，影响排气管路的畅通。弯曲型爆破片也是用得较早的一种型式。目前，在一些常压或较低压力下操作、而又有发生化学反应爆炸可能的容器中仍在使用。
    　　（78）拉伸型爆破片（Tensile type rupture dise）
    　　拉伸型爆破片又称正拱型爆破片，是指承压过高时受塑性拉伸而致破裂的膜片。早期的膜片都是平型，承压以后即发生塑性变形而向外凸起，成为球面型。随着压力的增大，膜片的变形不断增加，厚度逐渐减薄，到压力达到一定值后，膜片即被拉断。由于平型膜片在安装使用后随容器的压力波动而不断变形，对它的动作压力产生一定影响，所以近年来制造的膜片都经过液压预拱面凸型。预拱成型压力一般都大于容器的正常操作压力。安装以后，在正常操作压力下，膜片的形状一般不会改变，这样可以使其动作压力较为稳定。拉伸型爆破片的膜片是用延性良好的材料，如不锈钢、镍、铜等箔材制成。拉伸型爆破片的特点是：无碎片飞出，阻力也不大；膜片的动作压力较剪切型和弯曲型都稳定；膜片在较高的拉伸应力长期作用下，寿命较短，尤其是受脉动载荷时。这种膜片还常受成型箔材厚度规格的限制，难以按需要制取任意动作压力的膜片。为了解决这个难题，近年来又在普遍拉伸型爆破片的基础上，发展出一种型孔式拉伸爆破片。它的膜片是在预拱成凸型后再在上面开一圈小孔，膜片凹侧则贴有一层含氟塑料，以保持在正常工作压力下的密封和变形。这种膜片承压时，小孔之间的孔桥材料即产生较大的拉伸应力，并在压力到到规定值后而断裂。调节孔桥间的宽度即可得到任意的动作压力，不受箔材规格的限制。但加工工艺复杂，并要求有较高的精度。
    　　（79）压缩型爆破片（Compressive type rupture dise）
    　　压缩型爆破片又称失稳型、反拱型爆破片。此种膜片在工作时凸面承受压力，爆破片是在弹性失稳的条件下，膜片翻转而破裂排气的。压缩型爆破片的膜片也是经预拱成型的球面薄片，但安装的方向正好与普通拉伸型相反。在压力作用下，凸形膜片会突然发生失稳，于是整个膜片向外翻转，被装设在其上的刀具切破，或整片脱落弹出。膜片的制造材料与拉伸型的相同。压缩型爆破片的优点是：在几何尺寸一定的情况下，失稳翻转的压力（临界压力）只与比较稳定的材料弹性模数E有关，因此膜片在工作压力下所产生的压缩应力一般小于材料的屈服强度，对疲劳、蠕变不敏感，因而膜片寿命较长；可能通过调整变形的相对高度来调整动作压力，因而膜片的厚度能按箔材的成品规格选用。这种爆破片的缺点是受切破工具等的影响，排量系数较小；对加工组装精度的要求较高，如要求膜片表面无凹凸点，必须紧固良好，无松脱现象。压缩型爆破片是一种很有发展价值的新型爆破片。
    　　（80）爆破帽（Rupture cap）
    　　爆破帽也是一种断裂型的安全泄压装置。由于它的外形似“帽”，故名。爆破帽的样式较多，但基本结构与作用原理是一样的。它的主要元件就是一个一端封闭、中间具有一薄弱断面的厚壁短管，用可拆联接的方式装在容器上。当容器内的压力超过规定，致使它的薄弱断面上的拉伸应力达到材料的强度极限时，爆破帽即从薄弱断面处断裂。气体即可由管孔中排出。为了防止爆破帽断裂后飞出伤人，在它的外面常装有保护装置。爆破帽的特点是结构简单，制造也比较容易，而且爆破压力误差较小，比较易于控制。但它一般只适用于超高压容器，因为这些容器的安全泄压装置不需要有太大的泄放面积。而且爆破压力较高，爆破帽的薄弱断面可以保持有较大的厚度，使它易于加工制造。