脆性破裂防護在壓力容器脆性破裂與設計實踐分析

鄭萍

(新疆克拉瑪依金龍鎮科達石化科技有限公司,新疆,克拉瑪依,834003)

脆性破裂防護在壓力容器脆性破裂與設計實踐分析

鄭萍

(新疆克拉瑪依金龍鎮科達石化科技有限公司,新疆,克拉瑪依,834003)

壓力容器用途十分廣泛,然而如果使用不當,可能會帶來不可估計的損失。本文就壓力容量脆性破裂特征、原因進行了分析,并著重有實踐的角度,對壓力容器設計進行了論述。

脆性破裂;壓力容器;設計;實踐

1 容器脆性破裂的特征

1.1 壓力容器器壁沒有明顯的伸長變形 脆性破裂的壓力容器一般都沒有明顯的伸長變形,許多在水壓試驗時脆裂的壓力容器,其試驗壓力與容積增量的關系在破裂前基本還是線性關系,即壓力容器的容積變形還是處于彈性狀態。

1.2 壓力容器裂口齊平、斷口呈金屬光澤的結晶狀 壓力容器脆性斷裂一般是正應力引起的解理斷裂,所以裂口齊平,并與主應力方向垂直。壓力容器脆斷的縱縫,裂口與器壁表面垂直,環向脆斷時,裂口與容器的中心線相垂直。又因為脆斷往往是晶界斷裂,所以斷口形貌呈閃爍金屬光澤的結晶狀。

1.3 壓力容器常破裂成碎塊 由于脆性破裂的容器材料韌性較差,而且脆斷的過程又是裂紋迅速擴展的過程,破裂往往都是在一瞬間發生,壓力容器內的壓力難以通過一個小裂口釋放,所以脆性破裂的壓力容器常裂成碎塊,且常有碎片飛出。

1.4 壓力容器的破裂事故多數在溫度較低的情況下發生由于金屬材料的斷裂韌性隨著溫度的降低而下降,所以脆性斷裂一般都發生在溫度較低的情況下。新制成的或定期檢驗的壓力容器,進行水壓試驗時常因水溫低于容器的使用溫度而發生脆性破裂。

2 容器發生脆性破裂的原因分析

2.1 在容器的設計、制造上,因應力集中于焊縫處引起 因此,在設計和制造晨,要盡量減少焊接結構本身的應力集中,還要注意使焊縫盡量遠離其它應力集中的區域,否則,焊縫導致容器發生脆性破裂。

2.2 焊縫之間間距沒有設計于合理范圍之內 焊縫的間的距離不規范,設計制造不合理,比如焊縫重疊或相距太近,使局部應力相互迭加,導致容器發生脆性破裂。

2.3 外形結構不連續或者過度處設計不合理 如封頭、法蘭與筒體等處的聯接部位,在設計時未做強調或者在制造工藝上過于粗糙或者工藝達不到設計要求等。這種部位容易在壓力過大時導到局部應力增加,導致脆性破裂。

2.4 使用的材料韌性不足 因容器本身采用了過大的剛性結構,在受壓過大時就可能產生強大的附加應力導致容器脆性破裂。

2.5 在使用過程中外部支承力有改變 客觀地講,容器在使用中,因外部因素變化,如地基下沉、儲藏量的變化或者其他外力致容器外部支承力改變,導致脆性破裂。

2.6 對已經制成或者正用使用中的容器 因生產或者設計缺陷前期未能發現,在使用才發現的這種問題也可能致容器在使用中發生脆性破裂。與此同時,容器在使用管理上不當也可能導致容器的脆性破裂。

3 壓力容器的設計

3.1 設計參數計算分析

3.1.1 確定容器類別 容器類別主要是根據工作壓力的大小、介質的危害性和容器破壞時的危害性來劃分。本例穩壓罐為低壓(＜1.6MPa)且介質無毒不易燃,則應劃為第Ⅰ類容器。

3.1.2 確定設計壓力 本研究對象最高工作壓力為 1. 4MPa,設計壓力一般取值為最高工作壓力的 1.05～1.10倍。我們取 1.10為設計上限,故設計壓力 Pc=1.10x1.4=1. 54MPa。

3.1.3 確定設計溫度 一般在考慮工作溫度的基礎上,再結合容器環境溫度而設計。比如,本研究對象為穩壓罐,在常溫下工作,考慮運行地點在新疆,結合氣象資料,冬季氣溫最低可達—30℃,夏季可能達到最高氣溫為 40℃。本例取設計溫度為 200℃即可。

3.1.4 確定幾何容積 按實際容積設計即可。主要是確定容器直徑和高度。

3.1.5 確定壁厚附加量 容器壁厚附加量主要考慮介質的腐蝕裕度 C1,其次應考慮鋼板的負偏差 C2和制造過程的減薄量 C3。由所選定受壓元件的材質、工作介質對受壓元件的腐蝕率、容器使用環境和用戶期待的使用壽命來確定,實際上應先選定受壓元件的材質,再確定腐蝕裕量。

3.1.6 確定焊縫系數 焊縫系數的標準叫法叫焊接接頭系數。根據穩壓罐的特點,結合實際,本例焊縫系數取 1,即焊接接頭應進行 100%的無損檢測。

3.1.7 主要受壓元件材質的確定 材質的確定在滿足安全和使用條件的前提下,還要考慮工藝性和經濟性。比較常用的材料有Q235-B(Q235-C)16MnR和 0Cr18Ni9這幾種材料。就本例來說,其使用壓力、溫度和介質都符合 Q235-B的條件,唯有厚度還未知,若超過了 20mm則只能使用16MnR,本例就暫定使用 Q235-B。完成了這些技術特性表,我們已得到容器外形,設計初步完成,接下來完善配置各種管口的法蘭和接管即可。

3.2 壓力試驗 容器制成以后在投入生產之前應進行壓力試驗。壓力試驗的目的在于檢查容器的宏觀強度和致密性。本例根據容器的特點選用液壓試驗,試驗的環境溫度和水溫不低于材料的無塑性轉變溫度,且不低于 5℃。對于設計溫度 t≥200℃的壓力容器,液壓試驗的壓力按規定的 Pt及試驗溫度下材料的許用應用與設計溫度下材料的許用應力之比進行換算確定。由于壓力試驗只能反映容器的宏觀缺陷,且試驗是在常溫下短時間內進行的,因此不能依靠這個試驗來判斷一個容器是否能安全操作,必要時,要經過驗證性的液壓試驗。

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X933

A

1003-3467(2010)10-0019-01壓力容器(pressure vessel)是指盛裝氣體或者液體,承載一定壓力的密閉設備。貯運容器、反應容器、換熱容器和分離容器均屬壓力容器。