壓力容器設(shè)計制造中脆性斷裂問題的控制研究

張依妮(中油遼河工程有限公司,遼寧 盤錦 124010)

1 壓力容器重大脆斷事故分析

鋼材料在承受較大壓力時，自身結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生形變，而是突然間出現(xiàn)斷裂，這種情況被稱之為脆斷。脆斷事故發(fā)生的原因有很多，容器在工作狀態(tài)下會承載較大壓力，一旦超出能力范圍便會發(fā)生危險，容器在瞬間暴漲，內(nèi)部承裝的原料也會隨之涌出。高壓狀態(tài)下天然氣噴射摩擦很大，很容易起火，因此常常會造成火災(zāi)。美國在上世紀(jì)發(fā)生過一次大型脆斷事故，發(fā)生地點(diǎn)在天然氣生產(chǎn)基地，壓力容易承裝的其他超出額定范圍，但當(dāng)時并沒有被工作人員發(fā)現(xiàn)，仍然繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。容易并沒有預(yù)兆表發(fā)生了爆炸，氣體與液體同時涌出，伴隨著巨大的爆破聲音，隨后便有火光傳出。此次事故中共135人遇難，為該天然氣生產(chǎn)企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失。除此之外發(fā)生在西班牙天然氣儲藏容器脆斷帶來的損失也不容小視，容器在對密閉性進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在三處開裂區(qū)域，在水壓力作用下發(fā)生了爆炸。通過對多起事故進(jìn)行調(diào)查，科研人員找出了引發(fā)事故的具體原因，對壓力容易設(shè)計工作起到促進(jìn)工作，同時也可避免脆斷現(xiàn)象的發(fā)生。

2 壓力容器脆性斷裂一般特征

優(yōu)化設(shè)計方案首先要明確脆斷產(chǎn)生的原因，并對發(fā)生故障的容易進(jìn)行調(diào)查，將斷裂表面情況記錄在工作報告中。通過工作人員的觀察以及測量，將壓力容易脆斷特征總結(jié)如下。首先是表面情況，脆斷處呈平直形式，與容器壁之間很少存在傾斜角度，臨近斷裂處容器壁規(guī)格也并沒有發(fā)生改變，仍呈現(xiàn)出原有的厚度。觀察脆斷處的鋼板厚度變化雖然物異常，但通過儀器測量可發(fā)現(xiàn)厚度減少了約3%。其次溫度變化的測量，主要是針對使用現(xiàn)場溫度變化的觀察，結(jié)合以往調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)脆斷現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在氣候溫度較為寒冷的季節(jié)，這與材料熱脹冷縮的物理性質(zhì)密不可分。再次是壓力容器應(yīng)對脆斷的能力，金屬材料自身會帶有一定應(yīng)力，用來平衡壓力造成的表面擴(kuò)張，但發(fā)生脆斷時應(yīng)力必然會出現(xiàn)減小。鋼材料發(fā)生脆斷的幾率較大，與其他種類金屬材料比較時可發(fā)現(xiàn)鋼不容易彎曲，內(nèi)部應(yīng)力大小也有所區(qū)別。最后是對斷裂產(chǎn)生原因進(jìn)行科學(xué)判斷，多數(shù)脆斷是在焊接區(qū)域發(fā)生的，因此技術(shù)人員認(rèn)為故障與焊接處理有著必然聯(lián)系。

3 壓力容器用鋼抵抗脆斷能力評定方法分析

壓力容器制作所用原料多數(shù)為金屬鋼，普通的剛才應(yīng)用在其中后很容易發(fā)生脆斷，選擇過程中要嚴(yán)格按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，要具備一定的韌性。在對壓力容器進(jìn)行檢測時可通過改變溫度來進(jìn)行，上述分析中表面壓力容器脆斷與使用階段室溫有著必然聯(lián)系，降低溫度后對容易內(nèi)部壓力進(jìn)行測試。通過這種方法能夠發(fā)現(xiàn)容器中設(shè)計中存在的不合理部分，除此之外在設(shè)計制作過程中還要加強(qiáng)技術(shù)控制，確保容器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)才可投入到使用中。

4 預(yù)防和控制脆斷的措施

4.1 設(shè)計措施

設(shè)計優(yōu)化時避免壓力容器使用過程中發(fā)生脆斷的有效措施。在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時要盡量減少需要焊接的制作部分，盡可能選擇整體化結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性也能夠得到提升。材料選擇部分要對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，可促進(jìn)制度方案更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。除此之外還要體現(xiàn)出成本的節(jié)約性，以低造價高標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計理念。設(shè)計方案制定完成后要進(jìn)行試驗(yàn)，通過計算機(jī)設(shè)備模擬使用中承載的壓力，達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后可進(jìn)入制造階段。設(shè)計時可引入先進(jìn)技術(shù)，在傳統(tǒng)制作流程中做出突破，將安全質(zhì)量放在首要位置。對于新型材辯或尚無或熟經(jīng)驗(yàn)的特殊材料，應(yīng)通過焊接試驗(yàn)評定、缺口韌性評定抗裂與止裂性能評定加以確定。從前面對壓力容器脆斷分析看，結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力集中過高是造成脆斷的重要原因。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要避免結(jié)構(gòu)不連續(xù)、降低峰值應(yīng)力達(dá)到控制臆斷的目的。

4.2 制造措施

一是對于自動焊如埋弧焊要采用多層焊工藝獲得良好的缺口韌性，當(dāng)施行兩道焊工藝時.必須采用特殊焊劑和焊絲使焊縫金屬獲得滿意的缺口韌性；采用氣體保護(hù)焊，要通過采用氫氣保護(hù)焊接，使焊縫提高抗脆斷能力。二是要控制和消除焊后殘余應(yīng)力。焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能夠降低結(jié)構(gòu)斷裂應(yīng)力，致使結(jié)構(gòu)在較低應(yīng)力水平下發(fā)生脆斷。消除殘余應(yīng)力方法很多，如機(jī)械應(yīng)力釋放法，當(dāng)必須使用焊后熱處理消除殘余應(yīng)力時，還要考慮焊后熱處理對焊件缺口韌性的影響。如Cr—M系焊縫金屬經(jīng)熱處理可提高其缺口韌性，70—80kg／mm級高強(qiáng)鋼經(jīng)熱處理可能會削弱其缺口韌性。對于低溫鋼系的焊縫金屬，焊后熱處理對其缺口韌性影響不明顯。

5 結(jié)語

壓力容器在天然氣以及其他行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但脆斷故障也時有發(fā)生。本文提出的設(shè)計與制造措施可為使用階段提供安全保障，相信通過技術(shù)人員的努力，壓力容器在制作工藝方面可做出突破，向更安全穩(wěn)定的層面發(fā)展。工作人員也要明確設(shè)計階段的技術(shù)重點(diǎn)，將故障發(fā)生的可能性降到最低，使壓力容器更具有使用價值。

[1]劉友英,朱大勝,李沖.我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史[J].科技信息,2013(09).

[2]胡志肖.淺析降低壓力容器應(yīng)力集中的措施[J].中國科技信息,2013(02).