化工压力容器可靠性设计.doc

1、化工压力容器可靠性设计【摘要】在现阶段的化工企业的生产中，压力容器被广泛的应用，并且给企业带来了极为丰厚的经济利润的回报。然而，由于压力容器的特点和工作环境的特殊性，使得压力容器在工作过程中存在极大的安全问题，这给我国的经济的发展、人民的生命财产安全以及化工企业的生存发展都带来了极为不利的影响。 【关键词】化工，压力容器，可靠性设计，探析 中图分类号： TH49 文献标识码： A 文章编号： 一.前言 化工事业的发展对我国的经济的发展起着举足轻重的作用，化工压力容器更是现阶段化工企业生存发展的重要的设备保证。然而，由于我国当前的压力容器某些方面的技术尚不成熟以及设计人员等的主观方面的问题，使得

2、我国的压力容器的安全性能不高，为了经济建设的发展和人民生命财产安全，就必须加大化工压力容器的安全、可靠性能的研究，不断的推进化工压力容器的设计方式的改进，促进我国化工事业的发展。笔者结合多年的理论研究和实际工作经验，对化工压力容器的可靠性的设计提出自己见解。 二.化工压力容器的概述及可靠性设计原理简述 1.化工压力容器的概述 化工压力容器是指化学工业生产和试验装置中的承受压力的容器。按其外径与内径的比值 K 的大小而分为薄壁容器（K1.2）和厚壁容器（K1.2） 。薄壁容器的受力可按二向（维）应力状态分析，厚壁容器因受力复杂，至少需按三向应力状态分析。按其承受压力的高低可分为低压容器（0.1p

3、1.6MPa） ，中压容器（1.6p10MPa） 、高压容器（10p100MPa）和超高压容器（100MPa） 。按其工艺过程则可分为反应容器、换热容器、分离容器、贮运容器等。按其受压特点则可分为内压容器和外压容器。高压容器按其结构制造特点又可分为热套式、多层包扎式和绕带式压力容器。 2.可靠性设计原理简述 假定压力容器的应力 s、强度 r 都为随机变量，服从正态分布，将应力与强度的分布密度分别记为 f(s)与 g(r)，均值分别为 s、r，标准差分别为 s、r。由应力一强度干涉模型(图 1)。设计对象强度应力的概率为：p(rs0)，即为可靠度，用 R 表示， ， 是失效概率的函数，可从正态概

4、率积分表中查得， 越大，结构越可靠。强度和应力之差y=r-s 为可靠性随机变量，亦服从正态分布，由正态分布函数特征性知其均值、标准差、 值分别为 可靠性设计就是根据应力和强度的统计特征，使设计出的平均强度满足可靠性要求，即 三.化工压力容器的设计要求 1.保证完成工艺生产：化工压力容器必须能承担工艺过程所要求的压力、温度、介质及具备工艺生产所要求的规格（直径、长度、容积）和结构（开孔接管、密封等） 。 2.生产时安全可靠：化工生产的物料往往具有强烈的腐蚀性、毒性、易燃易爆，工作时内部储存着一定的能量，一旦发生破坏，容器内部储存的能量将在极短的时间释放出来，具有极大的摧毁力,因而必须安全可靠。

5、3.预定的使用寿命：影响化工压力容器使用寿命的主要因素是化工介质的腐蚀，它会使容器壳体壁厚减薄、甚至烂穿，因此在设计容器时必须考虑附加腐蚀裕量来保证满足使用年限的要求。 4.制造、检验、安装、操作和维修方便：提出这一要求的目的，一方面是基于安全性的考虑，因为结构简单、易于制造和检验的设备，其质量就容易得到保证，即使存在某些超标缺陷也能够准确地发现，便于及时予以消除；另一方面，这样做的目的也是为了满足某些特殊的使用要求，如对于顶盖需要经常装拆的试验容器，要尽量采用快拆的密封结构，避免使用螺栓连接；又如对于有清洗、维修内件要求的容器，需设置必要的人孔或手孔。 四.压力容器的点蚀及控制 1.压力容器

6、的点蚀基本特征：金属在介质中表面上个别点或微小区域内，出现蚀孔或麻点且随时间推移不断向纵深发展形成小孔状腐蚀坑。2.发生条件：容器内具有易钝化的金属，存在侵蚀性阴离子（例如Cl-）与氧化剂。 3.设计中对压力容器点蚀的控制：针对点蚀腐蚀，一般来讲加缓蚀剂为重要控制手段。缓蚀剂可以是无机缓蚀剂也可是有机缓蚀剂，可依据实际设计需要选取合适的缓蚀剂。选取含 Cr、Mo、N 元素的材料可有效提高抗点蚀能力。 五.压力容器的晶间腐蚀和控制 主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在而产生。 1.晶间腐蚀的特性：晶粒和晶界区的组织不同决定了其电化学性质不同，适当的环境下晶粒和晶界的差

7、异才能显露出来。 2.控制措施：一是采取用超低碳钢，降低 N、C、P 等含量；二是添加少量稳定化元素 Ti 或 Nb。 六.压力容器的应力腐蚀（SCC）及其控制 1.SCC 的基本特征研：研究 SCC 的特征可以从宏观和微观两个方向分别入手。 一是宏观特征：SCC 基本无可塑性变形；腐蚀部位具有局限性，并呈树枝状裂纹；主裂纹与导致裂纹的拉应力方向呈垂直状态；应力大小可影响裂纹和断口形态。二是微观特征：形式多样，可有穿晶、沿晶或混合型；其一般是由表面向内部逐步发展；腐蚀断面可有多种花纹。 2.SCC 产生条件：一是 SCC 的产生必须具备一定拉应力。此拉应力主要来源于容器组装时期残留的拉应力，容

8、器工作时所承受的热应力和工作应力，以及腐蚀发生后腐蚀产物膨胀所产生的应力。二是 SCC 的产生必须要有特定的介质。一些介质可以引起金属产生应力腐蚀断裂。介质条件可以随局部未知的浓缩变化而变化。三是不同材质的金属，对腐蚀的敏感性不同。一般情况下，纯金属材料比合金材料发生 SCC 的概率更小，不同组织具有不同敏感性，铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢不易“氯脆” 。 3.设计中对 SCC 的控制：一是碱脆及其控制。锅炉钢易发生碱脆，在设计中可选用适当的碳钢，如宜用含 C 约 0.20%的镇静钢，资料显示加入 Al、Ti（0.20.7%） 、Cr、稀土（0.2%）等可有效减弱 SCC，同时组装时应尽量降低焊

9、接残余应力。二是硝脆及其控制：硝脆一般发生于沿晶断裂，腐蚀电位在活化与钝化区间地带，含碳量和热处理可以影响 SCC敏感性。为了达到控制硝脆的目的，可以从选材和温度浓度两方面入手。选材时应尽量选取含 C 约 0.2%的镇静钢，尽量减少钢材中 S、P 等含量。尽量降低浓度和温度，提高 pH 值。三是氯脆及其控制：设计中要选择合适的材料，适当选材、焊接完成后要及时进行热处理、喷丸等表面处理，必要时加入适量的缓蚀剂。 七.预防压力容器破裂问题的技术探讨 化学压力容器的破裂形式主要有五种，即：1.韧性破裂 2.脆性破坏3.疲劳破坏 4.腐蚀破裂 5.蠕变破坏。现根据五种化学压力容器的破裂形式，有针对性的

10、提出解决措施。 1.韧性破裂预防措施 韧性破坏的产生主要是由于材料所受应力过大，超过了容器的极限强度，因此在设计生产容器时，要确保所用材料具有足够厚度和强度，以满足实际工作需要、同时严格按照容器的工作参数进行操作，避免容器超工作参数运行情况的发生，同时应注重日常养护维修工作，保证容器各监测仪器的灵敏可靠度，使其真正发挥险前预警作用，同时若发现容器有明显塑性变形的情况下，应立即停止使用。 2.脆性破裂的预防措施 容器发生脆性破坏主要是由于材料的韧性太低造成的。因此在设计时应选用韧性良好的材料、同时制造焊接时应严格执行 NB-T47015-2011压力容器焊接规程 ，尽量消除容器内部缺陷的产生。在

11、实际使用中要加强监测，发现问题及时消除。 3.疲劳破裂的预防措施 疲劳破裂的产生是由于长期受到重复应力的作用，使得应力集中，在薄弱面产生裂缝引起的。因此在实际使用中应避免不必要的加压和卸载操作、同时在设计制造时要保证质量，使其能够发挥应有的功能。 4.腐蚀破裂预防措施 造成腐蚀破裂的原因是由于腐蚀介质与容器器壁接触发生反应，因此在实际使用中可以采取措施，避免介质与承压部件的接触，同时加强日常防护，将隐患消除与萌芽之中。 5.蠕变破裂的预防措施 蠕变破裂通常是在高温与应力共同作用的结果。在设计时要选择合适的材料，设计合理受力结构，满足高温与应力作用的要求、同时在使用中应尽量避免容器局部产生高温、

12、同时经常养护维修，防止蠕变破裂事故的发生。 八.结束语 加强化工压力容器可靠性的设计具有重要的意义，它关系到我国经济的发展、化工科学的进步、化工企业的生存发展以及人民生命财产的安全。当前我国的化工压力容器的安全可靠性能还比较低，当然这是各种因素综合作用的结果，作为一名化工设计人员，我们有责任也有义务通过自己的努力，采取各种措施来加强化工容器的安全。 参考文献： 1魏安安，裴峻峰，刘雪东.我国在用化工容器安全现状及延寿技术进展J.化工机械.2005：32（6）：323 2陈风棉.压力容器安全技术M.北京：化学工业出版社，2004. 3郑丽华郝俊文陈珏化工设备机械工学课程设计的改革与探索(被引用 2 次)期刊论文化工高等教育-2005 年 3 期 4阮鑫张利锋阮霄羽申知瑕付双宏化工设备多层焊弧波裂纹及其扩延规律研究期刊论文新技术新工艺ISTIC-2008 年 7 期 5姜建凯.化工压力容器的破裂形式与预防B.河北化工，2009. 6张兴春提高乙烯工厂热电机组经济指标的措施探讨期刊论文石油化工设备技术ISTIC-2012 年 2 期