鋼鐵材料的強(qiáng)度可靠性分析在壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用

張 泉，蔡金橋，李宗強(qiáng)

（遼河石油勘探局有限公司物資分公司，遼寧 盤錦 124010）

在壓力容器檢驗(yàn)中，我們總是會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題，比如：鋼材的生銹和腐蝕，基本剛才由于工藝或者天氣原因生銹，鋼材的強(qiáng)度變軟，即便是同一鋼材在相同的溫度和熱處理方面也會(huì)有不同的明顯變化。另外，表面的承載力和靜承載也是完全不同的，這么多的設(shè)計(jì)參數(shù)隨著不同變量的出現(xiàn)也應(yīng)該有相對(duì)應(yīng)的模型設(shè)計(jì)，包括運(yùn)算方式的啟用，可以對(duì)描述對(duì)象有比較好的準(zhǔn)確結(jié)果。這樣所得出來的結(jié)論相對(duì)來說更加符合實(shí)際。這種運(yùn)用概率計(jì)算的統(tǒng)計(jì)方式我們可以完全運(yùn)用在壓力容器中進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于企業(yè)來說也能夠降低成本，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也對(duì)壓力容器的安全有了全新的認(rèn)知。

1 鋼制壓力容器焊接工藝

1.1 焊接方法

鋼材制品的壓力容器在使用范圍來說非常廣泛，可以應(yīng)用到機(jī)械生產(chǎn)和加工企業(yè)，而且現(xiàn)在來說對(duì)于相關(guān)的焊接工藝和方法也都比較成熟，焊接方法也分很多種，比較常用的來說有：氣焊、電焊焊接、高負(fù)荷等離子焊接工藝等手段[2]。焊接相對(duì)來說空間是有限的，直接焊縫和雙面焊縫的方式也都有，這其中焊條電焊的方法比較簡(jiǎn)單直接的操作，相對(duì)來說生產(chǎn)企業(yè)要根據(jù)企業(yè)的施工需要，來判定哪些方法比較適合自己的施工作業(yè)，從節(jié)省成本的角度來考慮，既要保證焊接質(zhì)量，還要考慮到相關(guān)支出，這也是最基本的施工要求。

1.2 焊接材料的選擇

壓力容器的復(fù)雜性也決定了使用材料的特質(zhì)來決定[3]。比如說不銹鋼板是用不銹鋼和碳鋼合金材料組成的，抗腐蝕性非常強(qiáng)，由于強(qiáng)度和硬度的要求，對(duì)鋼材本身的要求也比較高，不銹鋼復(fù)合鋼材在一定的化驗(yàn)或者說化工方面存在一定的差異性，我們?cè)谶M(jìn)行材料選擇的同時(shí)也可以根據(jù)鋼材本身的強(qiáng)度和耐高溫以及抗腐蝕的特點(diǎn)來考慮。相對(duì)于耐熱性比較好的材料來說，對(duì)于焊接技術(shù)而言要符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。抗腐蝕性方面不同型號(hào)的鋼材所表現(xiàn)出來的結(jié)果也不同，對(duì)于鋼材具有一定的拉伸性和強(qiáng)度要求。由于焊接金屬之間的膨脹系數(shù)不同，所以焊接的時(shí)候產(chǎn)生的應(yīng)力作用也不同，尤其是一些碳素鋼和合金鋼的焊接會(huì)起到不同的抗拉力情況，實(shí)際操作的時(shí)候應(yīng)該考慮到各個(gè)材料本身的性能和具體作用，隨著時(shí)間的長短和溫度的變化能否滿足多個(gè)要求。這都是在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該考慮的問題。材料適合哪種焊接工藝就使用哪種，不能隨意更改。

2 影響鋼制低溫壓力容器安全與改進(jìn)研究的因素

2.1 環(huán)境因素

影響壓力容器的環(huán)境因素主要是：低溫壓力容器的所在位置以及周邊的環(huán)境。除此以外，還可能會(huì)涉及到周邊的消防、通風(fēng)、安全出口等環(huán)境因素。在分析環(huán)境因素對(duì)壓力容器安全與改進(jìn)方面的影響時(shí)，可以采用模糊理論方法，借助模糊數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因素影響程度的定量評(píng)價(jià)，為低溫壓力容器可靠性的程度進(jìn)行量化研究提供基礎(chǔ)。

2.2 人為因素

在進(jìn)行低溫壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用、維保等方面的工作時(shí)，都需要有人員參與才能順暢的完成工作。因此，人為因素也是影響低溫壓力容器安全以及改進(jìn)的很重要因素。在對(duì)人為因素進(jìn)行分析的時(shí)候，可以借助認(rèn)知的基礎(chǔ)條件，結(jié)合人員可靠性分析方法，對(duì)影響人員的人機(jī)交互界面質(zhì)量、人為差錯(cuò)的訓(xùn)練水平等內(nèi)容進(jìn)行研究，還可以對(duì)人為差錯(cuò)辨識(shí)、規(guī)避差錯(cuò)的措施等進(jìn)行深入的分析。相關(guān)人員的技術(shù)操作和專業(yè)知識(shí)程度也對(duì)壓力容器的質(zhì)量和安全性能產(chǎn)生一定的影響，專業(yè)技術(shù)水平過硬，壓力容器的生產(chǎn)質(zhì)量就會(huì)越來越好，相反，相關(guān)人員素質(zhì)水平過低，則安全性和質(zhì)量層面的性價(jià)比就會(huì)大打折扣，所以說相對(duì)高素質(zhì)高技能的人士操作為進(jìn)行低溫壓力容器安全和改進(jìn)創(chuàng)造更好的條件。

2.3 防腐措施控制

壓力容器的很多制造材料都具有一定的抗腐蝕性，最初設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到不同材料之間對(duì)于抗腐蝕性的適應(yīng)能力，如果有些材料抗腐蝕性比較差就應(yīng)該采取相應(yīng)措施來解決。為了更好的提高材料抗腐蝕性能，可以在材料的制造過程中假如一些緩蝕劑，能夠大大的減少材料本身對(duì)金屬制品帶來的腐蝕性，可以延長壓力容器的使用壽命，并且減少一些安全事故的發(fā)生概率。焊接的同時(shí)，可以使用氬弧焊打底，既能夠保證焊接的質(zhì)量還可以保證其使用壽命的增加，并且在焊接過程中都要有一個(gè)嚴(yán)格檢查的過程，不要因?yàn)楹附淤|(zhì)量過快而帶來一些腐蝕速率的加快。那就得不償失了。化工壓力容器防止腐蝕的另外一個(gè)辦法就是使用一些更好材料作為防腐蝕材料的構(gòu)成，比如說不銹鋼、復(fù)合鋼板等材料。包括一些涂抹防腐涂料的使用，可以很好的延長壓力容器的使用壽命，相對(duì)來說減少化工容器的腐蝕度，有效的阻擋腐蝕電流。也可以更好的保證壓力容器的使用安全。有些特殊的工況需要對(duì)容器進(jìn)行熱處理，包括一些焊接熱處理的性能改善，熱處理之后應(yīng)該按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)返修，保證容器可以長久使用，做到及時(shí)維護(hù)[4]。

2.4 壓力容器的質(zhì)量控制

（1）嚴(yán)格審核設(shè)計(jì)文件。將要被制作的壓力容器總圖上一定要有“特種設(shè)備設(shè)計(jì)許可”印章，才能被審核通過；圖紙標(biāo)題欄里要有設(shè)計(jì)人、審核人和校審人員的簽名，還要有“過程強(qiáng)度計(jì)劃書”，并填寫工藝審圖記錄等文件才能最終被制作，缺一不可，這是加強(qiáng)對(duì)鋼制壓力容器質(zhì)量控制的首要條件。

（2）加強(qiáng)材料控制。加強(qiáng)對(duì)鋼制壓力容器質(zhì)量的控制首先要求制作壓力容器的鋼板、管件、鍛件和焊接材料等要嚴(yán)格符合材料標(biāo)準(zhǔn)，具有材料的質(zhì)量合格書，其中的機(jī)械性能和化學(xué)成分都要在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；其次對(duì)材料的質(zhì)量證明書有懷疑的，要對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格的復(fù)驗(yàn)，一旦結(jié)果不合格，要立即退貨，嚴(yán)禁不合格的材料被運(yùn)用；再次經(jīng)過檢驗(yàn)合格的加工材料，要填寫到“材料入庫通知單”內(nèi)，然后進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記內(nèi)容有材料編號(hào)、厚度和材料牌號(hào)；最后在制作過程中，如果有受壓材料代用，要先取得設(shè)計(jì)單位的批準(zhǔn)，并在竣工圖上做記錄，嚴(yán)格控制加工材料的質(zhì)量。

式中μr、μS和σr、σS分別為強(qiáng)度和應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)離差。

令y=r-S，則y也是正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)離差分別為：

β稱為可靠性系數(shù)，即，當(dāng)μr、σr、μS、σS確定后，即可計(jì)算出可靠性系數(shù)β，而β與R的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系可查有關(guān)資料中的正態(tài)函數(shù)表，即由β可查出該容器可繼續(xù)使用的可靠度R（或允許破壞概率F）。

3 隨機(jī)參數(shù)的估計(jì)與分析

應(yīng)力參數(shù)。

筒體以周向應(yīng)力為計(jì)算基礎(chǔ)，以材料的屈服強(qiáng)度為工作極限，由壓力容器的應(yīng)力計(jì)算公式，其應(yīng)力。

式中，P——設(shè)計(jì)壓力，MPa。

R2——圓筒平均半徑，mm。

δe——有效厚度，mm。

σt——在設(shè)計(jì)溫度下的計(jì)算應(yīng)力，MPa。

應(yīng)用基本函數(shù)法，應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：

式中，設(shè)計(jì)壓力P——取設(shè)計(jì)溫度下容器頂部最高壓力為：μP，取壓力偏差的1/3為σP。

有效壁厚δe——將筒體腐蝕表面清理干凈并打磨出金屬光澤后測(cè)量出一組（20～50點(diǎn)）數(shù)據(jù)，則可計(jì)算出其均值μδe和標(biāo)準(zhǔn)差σδe。

圓筒平均半徑R2——實(shí)測(cè)出一組（20～50處）外圓周長，換算為外徑數(shù)據(jù)，則可計(jì)算出外徑均值和標(biāo)準(zhǔn)差。按照平均半徑=（外徑—壁厚）/2，計(jì)算出平均半徑的均值μR2和標(biāo)準(zhǔn)差σR2。

4 工程實(shí)例

某在用鋼制壓力容器殼體材料：16MnR，設(shè)計(jì)壓力P=8±0.5MPa，溫度：常溫，殼體內(nèi)徑：φ1000mm，原名義壁厚：28mm，焊縫系數(shù)：1.0。經(jīng)檢查殼體內(nèi)壁發(fā)生均勻腐蝕，取下一檢驗(yàn)周期的腐蝕裕量為2mm。現(xiàn)對(duì)該容器是否可以在下一周期繼續(xù)使用進(jìn)行可靠性分析。

4.1 壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算（單位:mm）

計(jì)算結(jié)果為：

考慮到下一檢驗(yàn)周期的腐蝕裕量，則選取μδe=25.07-2=23.07mm，σδe=0.39mm。

4.2 筒體外圓周長測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算（單位mm）

將其換算為一組筒體外徑數(shù)據(jù)后，計(jì)算結(jié)果為：

按照公式：平均半徑=（外徑—壁厚）/2，進(jìn)一步計(jì)算出：

μR2=516.49mm，σR2=0.61mm。

4.3 設(shè)計(jì)壓力

取μP=8MPa，σp=0.5/3=0.167MPa。

4.4 強(qiáng)度極限

選取材料屈服極限作為強(qiáng)度工作極限，則：μr=325MPa，σr=0.07×325=22.75MPa。

計(jì)算μS、σS計(jì)算β

4.5 查正態(tài)函數(shù)

由β=6.27查出可靠度R=0.999999999，即允許破壞概率F為10～9以下。

4.6 結(jié)論意見

若按常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行強(qiáng)度校核，計(jì)算厚度應(yīng)為：

式中［σ］t取值為16MnR常溫下的抗拉強(qiáng)度許用應(yīng)力，該容器筒體壁厚由于均勻腐蝕現(xiàn)已減薄到25.07mm，小于計(jì)算厚度，若根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)當(dāng)立即停止使用。而現(xiàn)在按可靠性分析方法進(jìn)行校核，可知其可繼續(xù)使用一個(gè)周期的可靠度高于99.9999999%。

5 結(jié)語

可靠性設(shè)計(jì)具有很多設(shè)計(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)可以很好的輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)，對(duì)于可靠性的強(qiáng)度分析也是很有幫助的。根據(jù)可靠性分析的特點(diǎn)，結(jié)合了一些常規(guī)性設(shè)計(jì)的有點(diǎn)來說，可靠性的分析方法對(duì)于壓力容器的實(shí)驗(yàn)也可以得到很好的應(yīng)用。對(duì)于強(qiáng)度的校驗(yàn)分析也很有幫助。這種方法可以能在預(yù)設(shè)的被允許破壞的概率下更好的計(jì)算出壓力容器的壁厚厚度，同時(shí)也可以在損耗的狀態(tài)下其可以繼續(xù)使用的可靠強(qiáng)度，包括能耗狀態(tài)下的繼續(xù)使用可靠度。也可以為相關(guān)人員做決定的時(shí)候會(huì)有可靠的依據(jù)作為參考。壓力容器的強(qiáng)度在進(jìn)行校驗(yàn)之前，需要按照與壓力容器檢驗(yàn)有關(guān)的相關(guān)說明進(jìn)行詳細(xì)的檢查和測(cè)定，在不違背相關(guān)法律法規(guī)的前提下才可以進(jìn)行高強(qiáng)度的校驗(yàn)分析，文章對(duì)于壓力容器的使用和鑄造焊接工藝進(jìn)行了分析，對(duì)于可靠性的分析方法應(yīng)用和范圍內(nèi)的壓力容器計(jì)算也提供了參考依據(jù)。對(duì)于進(jìn)行熱處理的工藝和相關(guān)科學(xué)計(jì)算方法也都需要嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的對(duì)待，相關(guān)工藝流程的參考標(biāo)準(zhǔn)也都有了實(shí)例，一定要在采取安全措施保證處理措施到位的情況下才可以進(jìn)行相關(guān)工作進(jìn)展。