脆性破裂防护在压力容器脆性破裂与设计实践分析

郑萍

(新疆克拉玛依金龙镇科达石化科技有限公司,新疆,克拉玛依,834003)

脆性破裂防护在压力容器脆性破裂与设计实践分析

郑萍

(新疆克拉玛依金龙镇科达石化科技有限公司,新疆,克拉玛依,834003)

压力容器用途十分广泛,然而如果使用不当,可能会带来不可估计的损失。本文就压力容量脆性破裂特征、原因进行了分析,并着重有实践的角度,对压力容器设计进行了论述。

脆性破裂;压力容器;设计;实践

1 容器脆性破裂的特征

1.1 压力容器器壁没有明显的伸长变形 脆性破裂的压力容器一般都没有明显的伸长变形,许多在水压试验时脆裂的压力容器,其试验压力与容积增量的关系在破裂前基本还是线性关系,即压力容器的容积变形还是处于弹性状态。

1.2 压力容器裂口齐平、断口呈金属光泽的结晶状 压力容器脆性断裂一般是正应力引起的解理断裂,所以裂口齐平,并与主应力方向垂直。压力容器脆断的纵缝,裂口与器壁表面垂直,环向脆断时,裂口与容器的中心线相垂直。又因为脆断往往是晶界断裂,所以断口形貌呈闪烁金属光泽的结晶状。

1.3 压力容器常破裂成碎块 由于脆性破裂的容器材料韧性较差,而且脆断的过程又是裂纹迅速扩展的过程,破裂往往都是在一瞬间发生,压力容器内的压力难以通过一个小裂口释放,所以脆性破裂的压力容器常裂成碎块,且常有碎片飞出。

1.4 压力容器的破裂事故多数在温度较低的情况下发生由于金属材料的断裂韧性随着温度的降低而下降,所以脆性断裂一般都发生在温度较低的情况下。新制成的或定期检验的压力容器,进行水压试验时常因水温低于容器的使用温度而发生脆性破裂。

2 容器发生脆性破裂的原因分析

2.1 在容器的设计、制造上,因应力集中于焊缝处引起 因此,在设计和制造晨,要尽量减少焊接结构本身的应力集中,还要注意使焊缝尽量远离其它应力集中的区域,否则,焊缝导致容器发生脆性破裂。

2.2 焊缝之间间距没有设计于合理范围之内 焊缝的间的距离不规范,设计制造不合理,比如焊缝重叠或相距太近,使局部应力相互迭加,导致容器发生脆性破裂。

2.3 外形结构不连续或者过度处设计不合理 如封头、法兰与筒体等处的联接部位,在设计时未做强调或者在制造工艺上过于粗糙或者工艺达不到设计要求等。这种部位容易在压力过大时导到局部应力增加,导致脆性破裂。

2.4 使用的材料韧性不足 因容器本身采用了过大的刚性结构,在受压过大时就可能产生强大的附加应力导致容器脆性破裂。

2.5 在使用过程中外部支承力有改变 客观地讲,容器在使用中,因外部因素变化,如地基下沉、储藏量的变化或者其他外力致容器外部支承力改变,导致脆性破裂。

2.6 对已经制成或者正用使用中的容器 因生产或者设计缺陷前期未能发现,在使用才发现的这种问题也可能致容器在使用中发生脆性破裂。与此同时,容器在使用管理上不当也可能导致容器的脆性破裂。

3 压力容器的设计

3.1 设计参数计算分析

3.1.1 确定容器类别 容器类别主要是根据工作压力的大小、介质的危害性和容器破坏时的危害性来划分。本例稳压罐为低压(＜1.6MPa)且介质无毒不易燃,则应划为第Ⅰ类容器。

3.1.2 确定设计压力 本研究对象最高工作压力为 1. 4MPa,设计压力一般取值为最高工作压力的 1.05～1.10倍。我们取 1.10为设计上限,故设计压力 Pc=1.10x1.4=1. 54MPa。

3.1.3 确定设计温度 一般在考虑工作温度的基础上,再结合容器环境温度而设计。比如,本研究对象为稳压罐,在常温下工作,考虑运行地点在新疆,结合气象资料,冬季气温最低可达—30℃,夏季可能达到最高气温为 40℃。本例取设计温度为 200℃即可。

3.1.4 确定几何容积 按实际容积设计即可。主要是确定容器直径和高度。

3.1.5 确定壁厚附加量 容器壁厚附加量主要考虑介质的腐蚀裕度 C1,其次应考虑钢板的负偏差 C2和制造过程的减薄量 C3。由所选定受压元件的材质、工作介质对受压元件的腐蚀率、容器使用环境和用户期待的使用寿命来确定,实际上应先选定受压元件的材质,再确定腐蚀裕量。

3.1.6 确定焊缝系数 焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系数。根据稳压罐的特点,结合实际,本例焊缝系数取 1,即焊接接头应进行 100%的无损检测。

3.1.7 主要受压元件材质的确定 材质的确定在满足安全和使用条件的前提下,还要考虑工艺性和经济性。比较常用的材料有Q235-B(Q235-C)16MnR和 0Cr18Ni9这几种材料。就本例来说,其使用压力、温度和介质都符合 Q235-B的条件,唯有厚度还未知,若超过了 20mm则只能使用16MnR,本例就暂定使用 Q235-B。完成了这些技术特性表,我们已得到容器外形,设计初步完成,接下来完善配置各种管口的法兰和接管即可。

3.2 压力试验 容器制成以后在投入生产之前应进行压力试验。压力试验的目的在于检查容器的宏观强度和致密性。本例根据容器的特点选用液压试验,试验的环境温度和水温不低于材料的无塑性转变温度,且不低于 5℃。对于设计温度 t≥200℃的压力容器,液压试验的压力按规定的 Pt及试验温度下材料的许用应用与设计温度下材料的许用应力之比进行换算确定。由于压力试验只能反映容器的宏观缺陷,且试验是在常温下短时间内进行的,因此不能依靠这个试验来判断一个容器是否能安全操作,必要时,要经过验证性的液压试验。

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1003-3467(2010)10-0019-01压力容器(pressure vessel)是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。