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移动式压力容器及充装介质基本知识主编：王曙湖南省特种设备检测中心•第一章基础知识•第一节基本概念•分子与原子•一、一切物质都是由一种极其微小的粒子所构成，这种微粒叫做分子。分子是能够独立存在并保持原物质性质（化学性质）的最小微粒，而组成分子的更小的微粒，我们叫它原子。一些气体分子由单个原子组成，我们叫它单原子分子，如氦、氖、氩等惰性气体；有些物质如氢、氧、氯、一氧化碳等气体，它们的分子由两个原子所组成，我们叫它双原子分子；还有些物质如二氧化碳、二氧化硫、丙烷、丙烯等气体，它们的分子是由两个以上的原子所组成，我们称它为多原子分子。•在化学里，把性质相同的同一类的原子叫做元素，元素就是同种原子的总称。采用一定的符号来表示各种元素，这叫做元素符号。用元素符号来表示物质分子组成的式子，叫做分子式。例如，氩的分子式是Ar，氮的分子式是N2，二氧化碳的分子式是CO2，甲烷的分子式是CH4，丙烷的分子式是C3H8。•二、压强（压力）•气体分子不停地在作无规则的运动，在运动中，分子之间一方面互相碰撞，另一方面无数个气体分子又不停地和罐体内壁碰撞，从而形成了气体作用于罐壁的压强。因此可以说气体的压强（压力）是气体的大量分子对罐壁撞击的结果。•压强（压力）的大小，以均匀分布并作用在单位面积上的力来衡量。如用A表示受力面积，F表示均匀且垂直作用于该面积上的力、即压力，则计算压强的量的方程式为：•P=F/A•在物理学中，“压力”与“压强”是两种不同的物理量，可是在工程技术及日常生活中，却常把压强称为压力，因此，本书以后提到的压力，实际上就是压强。•压强（压力）的法定计量单位名称是帕（斯卡），单位符号是Pa，它与力和单位面积的法定计量单位的关系如下：•1Pa=1N/m2•在工程中，Pa显得太小而很少使用，常用kPa或Mpa，与原国内常用压力单位的换算关系为：1kgf（公斤力）=0.1Mpa。•三、温度•温度是衡量物体冷热程度的物理量。它是对物质分子运动平均动能的度量。摄氏温标把冰熔点定为0度，水沸点定为100度，两点之间等分100格，每格称为1摄氏度，以符号℃表示。•四、质量•质量是表示物质多少的一个物理量。单位名称千克，单位符号kg。重量是质量的同义词，人们习惯把质量叫做重量。•五、体积•在法定计算单位中，体积是用“立方米”来表示，单位符号m³。•水容积：罐体内腔的实际容积；•充装系数：标准规定的罐体单位水容积允许充装的气体最大重量；•气相空间：罐内介质处于气—液两相平衡共存状态时，气相部分所占的空间；•满液：罐内气相空间为零时的状态。•六、比容和密度•比容是均用物质的单位质量所占有空间的量度，其公式为：υ=V/m•式中：υ—比容，m3/kg；•m—物质的质量，kg；•V—单位质量为m的物质所具有的体积，m3•单位体积中所容得物质的量叫密度，以符号ρ表示，它是比容的倒数：ρ=m/V。•液体的密度常和比重相通用。比重是单位体积中所容得物质重量，也就是物体的重量与其体积的比值。在工程技术中，比重是指液体单位体积重量与同体积水的重量之比。•密度是液化气体充装量计算中广泛使用的一种物理量。气体密度对温度、压力的变化都很敏感，而液体的密度受温度影响明显，受压力的影响却不大，特别是在低压下，其压力的影响可忽略不计。•第二节物质的状态•一、状态与相•物质的集聚状态有气体、液体和固体三种，被称为物质的三态。例如，水就有水蒸气、•水、冰这三态。气体没有固定的形状，在不受膨胀限制的情况下，具有无限膨胀的性质。液体的体积大致是一定的，但没有固定的形状。固体在无外力影响时，有固定的形态体积。•在某种条件下，物质可有两种以上的状态共存。这时，各状态间能在较长时间内保持清晰的界面，界面以内自成体系，这种物理上的清晰界面跟其他部分相区别的均匀体系称为“相”，我们常把气体、液体、固体简称为气相、液相、固相。•二、状态的变化•物质的三态中的任何一种聚集状态，都只能在一定的条件下（温度、压力等）存在，一旦条件发生变化，物质分子间的相互位置就会发生变化，即表现为相变。1.汽化：液体变为气态的过程。汽化一般有两种方式：•（1）蒸发：在液体表面发生的汽化现象。这是由于同一时间内从液面逸出的分子数，多于由液面外进入液体的分子数所致。在任何温度下都能进行。但因蒸发时，液体从其周围吸收热量，所以温度越高，蒸发越快。此外，液体的表面积越大，也能使蒸发速度加快。在相同条件下，各种液体蒸发的速度不同。(2)沸腾：在液体表面和内部同时汽化的现象。是剧烈的汽化过程，液体沸腾时的温度叫沸点。2.液化：气体变为液态的过程。3.凝固：液体变为固态的过程，开始凝固的温度叫凝固点。4.熔化：固体变为液态的过程，开始熔化时的温度叫熔点。5.升华：固态物质不经过液态而直接转变为气态的现象，如干冰气化过程。•在密闭的容器内，逸出液面的气体分子无法溢出容器，只能聚留在液面上方的气相空间里，这些气体分子在其自由运动中碰撞到液面时，会发生凝结，其结果是返回液体里去。其返回的分子数随液面上方气相空间的蒸气密度的增大而增多，而蒸气密度的逐渐加大，又会促使液体的蒸发速度减缓。当逸出液面的分子数与返回液体的分子数相等时，就达到了动态平衡。也就是说，气、液二相处于相对稳定的平衡共存状态，我们称之为饱和状态。在饱和状态下的液体叫饱和液体，其密度叫饱和蒸气密度，其压力叫饱和蒸汽压。对充装液化气体的罐体而言，不论罐体的容积大小，只要罐内存在气液两相，罐内的压力就是液化气体所处于温度下的饱和蒸汽压。温度越高，液面上的饱和蒸汽密度或压力就越大。•三、气体的临界温度•只有当气体的温度降低到一定温度以下，才能将其等温地压缩成为液体，这一温度称为气体的临界温度。在临界温度以上，不论压强多大，也不能把气体压缩成液体。氦、氢、氧、氮、天然气等较难液化的气体，临界温度很低，因此在常温下无法压缩成液体。•第三节气体分类•罐体内充装的介质是气体，对罐体的技术要求应随所装气体的性质而定。按工业气体的组分，将气体分为工业纯气和工业混合气两大类。•一、工业纯气•工业纯气是按其物理特性和瓶内状态，仍以临界温度为基准进行分类。工业纯气分为四组：•1.永久气体•临界温度小于-10℃的气体。该组气体在充装和在允许的工作温度下储存和使用时，其全过程均为气态。•永久气体中还可分成两组：•（1）不燃（包括氧化性）和不燃有毒气体；•（2）可燃和可燃有毒气体。2.高压液化气体•临界温度大于或等于-10℃，而小于或等于70℃的气体。•该组气体在充装时为液态。在允许的工作温度下储存和使用时，气体在容器内的状态会随着环境温度的变化而变化。即低于或等于临界温度时，介质为气液两态共存，高于临界温度时为气态。•高压液化气体可分为三个组：（1）不燃（包括氧化性）和不燃有毒气体；（2）可燃和可燃有毒气体；（3）化学不稳定性气体。3.低压液化气体•临界温度大于70℃，60℃时的饱和蒸汽压大于0.1MPa的气体。该组气体在气体充装、储运和使用过程中，容器内气体为气液两相共存状态，液态密度随环境温度而变，蒸气压力为饱和蒸汽压。低压液化气体可分三个小组：•（1）不燃和不燃有毒气体；•（2）化学性质稳定的可燃有毒气体；•（3）化学性质不稳定的气体•4.低温液体•通过制冷过程将气体液化装入专用的储存容器、低温焊接气瓶或具有移动能力的低温罐车中，用于储存或运输，如液氧、液氩、液氮、液化天然气等。•二、工业混合气•工业混合气包括自然合成和人工配制的混合气，按其容器内的状态分为气态混合气和液•态混合气两组。•1.气态混合气，分为两组：•（1）不燃混合气体，包括稀有气体混合气及空气混合气；•（2）可燃混合气体，其中包括城市煤气、水煤气以及气态可燃气体的混合气。•2.液态混合气，下分两组：•（1）不燃混合气体，其中包括制冷剂、环氧乙烷和氟氯烷的混合气。•（2）可燃混合气体，其中包括液化石油气以及丙烷、丁烷、丙烯、丁烯的混合气。•第四节气体的危险性•工业气体的危险性系指易燃烧、易爆、有毒、腐蚀以及可能发生的分解、氧化、聚合倾向等性质。•燃烧性•液化气体的特点是沸点低，极易气化，因而突然泄压时造成的闪蒸（即瞬间的迅速气化）是一般气体所没有的特殊现象。一般情况下，闪蒸量约为泄漏量的20%至30%，已蒸发气体自然地向大气扩散。这种闪蒸现象对于可燃的液化气体来说特别危险，因为迅速蒸发使气体来不及扩散而滞留在一定的空间范围里与空气混合形成了爆炸性气体，这就意味着已具备发生爆炸的先决条件，因此可燃性液化气体的燃烧危险性远比易燃液体大得多。•通常比空气轻的气体在接近地面的大气中垂直扩散大于水平扩散；而比空气重的气体在大气中则容易沉降，因而主要是水平扩散。水平扩散的结果会使气体在下风向沿地面大范围的空间里分散，如果是毒性或可燃性气体，后果是不堪设想的。•燃烧是一种同时伴有发光、发热的激烈的氧化反应。燃烧必须同时具备可燃物、助燃物、导致燃烧的能源这三个条件，缺少其中任何一个条件燃烧便不能发生。•空气本身就是一种助燃的氧化剂，这一条件随时随地都将存在。可燃物就是可燃气体本身。所以，关键的问题是要控制好点火源和防止容器中可燃气体的泄露。•对于可燃性气体的火灾危险性，一般认为：（1）可燃性气体与空气混合时的爆炸下限越低，则危险程度越高；（2）可燃性气体与空气混合时的爆炸范围（即爆炸上下限幅度）越宽，则危险程度越高；（3）可燃性气体燃点越低，则危险程度越高；（4）可燃性气体的比重相对于空气比重越大，则危险程度越高；（5）可燃性气体在空气中的最小引燃能量越小，则危险程度越高。•如果以上述观点作比较，永久气体危险程度最高的是氢气，液化气体中环氧乙烷是危险程度最高的。•从气体的燃烧性来看，可分不燃、助燃（氧化）、可燃、易燃、自燃五种类别。其中，不燃和助燃（氧化性）列为不燃气体范围。可燃、易燃、自燃列为可燃气体范围。一般来说，爆炸下限大于10%，为可燃气体；爆炸下限小于10%或爆炸上下限之差大于20%的，为易燃气体。•毒性•有一部分气体属于毒性气体（不燃有毒气体和可燃有毒气体）。一般来说，凡作用于人体并产生有毒作用的物质，都叫毒物。毒物气体属于工业毒物的一种。毒物侵入人体后，与人体组织发生化学或物理化学作用，并在一定条件下，破坏人体的正常生理机能，引起某些器官和系统发生暂时性或永久性的病变，这叫中毒。•毒性气体的容器在充装、储运、使用过程中，其主要危害是由于气体泄漏造成人体慢性中毒，或由于容器发生事故，导致气体外泄所引起的人体急性中毒。•工业毒物侵入人体的途径有三个，即：呼吸道、皮肤和消化道。而毒性气体中毒，一般是经呼吸道进入人体。GB5044-85《职业病接触毒物危害程度分级》根据毒物的毒性程度分为四级，其最高允许浓度分别为：•1.极度危害（Ⅰ）0.1mg/m3；•2.高度危害（Ⅱ）0.1至1.0mg/m3；•3.中度危害（Ⅲ）1.0至10mg/m3；•4.轻度危害（Ⅳ）≥10mg/m3。•三、腐蚀性•凡是能使人体、金属或其它物质发生腐蚀作用的气体，均被称为腐蚀性气体。工业气体多数属于非腐蚀性介质，但由于工业气体往往不纯，结果本来属于非腐蚀性的变成了腐蚀性、甚至是强腐蚀性气体。许多气体介质无水时，对钢材没有腐蚀性，一旦含水量超过一定量时，钢会受到强烈腐蚀，对这类介质，气体生产单位必须严格控制水的含量，容器定期检验单位在检验这一类产品时，应彻底干燥除水。•许多充装站为了降低成本在液化石油气中添加二甲醚，二甲醚对密封胶圈有强烈的溶胀腐蚀作用，已因此产生泄漏引发多起事故。•四、爆炸性•物质从一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生巨大声响的现象，称为爆炸。爆炸也可视为气体或蒸汽在瞬间剧烈膨胀的现象。爆炸可分为物理性爆炸和化学性爆炸。易燃易爆气体的危险特性主要是化学性爆炸，即由于气体发生极迅速的化学反应而产生高温、高压所引起的爆炸。•非易燃易爆气体特别是低温液体的主要危险性为物理性爆炸。低温容器如真空绝热层损坏，真空度不够等原因造成绝热性能达不到要求，罐内低温液体迅速汽化，如安全阀损坏或泄放量不够，储罐就可能超压产生物理性爆炸