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压力容器设计制造中脆性断裂问题研究

1压力容器重大脆断事故分析

钢材料在承受较大压力时,自身结构并没有发生形变,而是突然间出现断裂,这种情况被称之为脆断。脆断事故发生的原因有很多,容器在工作状态下会承载较大压力,一旦超出能力范围便会发生危险,容器在瞬间暴涨,内部承装的原料也会随之涌出。高压状态下天然气喷射摩擦很大,很容易起火,因此常常会造成火灾。美国在上世纪发生过一次大型脆断事故,发生地点在天然气生产基地,压力容易承装的其他超出额定范围,但当时并没有被工作人员发现,仍然继续进行生产作业。容易并没有预兆表发生了爆炸,气体与液体同时涌出,伴随着巨大的爆破声音,随后便有火光传出。此次事故中共135人遇难,为该天然气生产企业带来了巨大经济损失。除此之外发生在西班牙天然气储藏容器脆断带来的损失也不容小视,容器在对密闭性进行测试时发现内部存在三处开裂区域,在水压力作用下发生了爆炸。通过对多起事故进行调查,科研人员找出了引发事故的具体原因,对压力容易设计工作起到促进工作,同时也可避免脆断现象的发生。

2压力容器脆性断裂一般特征

优化设计方案首先要明确脆断产生的原因,并对发生故障的容易进行调查,将断裂表面情况记录在工作报告中。通过工作人员的观察以及测量,将压力容易脆断特征总结如下。首先是表面情况,脆断处呈平直形式,与容器壁之间很少存在倾斜角度,临近断裂处容器壁规格也并没有发生改变,仍呈现出原有的厚度。观察脆断处的钢板厚度变化虽然物异常,但通过仪器测量可发现厚度减少了约3%。其次温度变化的测量,主要是针对使用现场温度变化的观察,结合以往调查结果进行分析,技术人员发现脆断现象多数发生在气候温度较为寒冷的季节,这与材料热胀冷缩的物理性质密不可分。再次是压力容器应对脆断的能力,金属材料自身会带有一定应力,用来平衡压力造成的表面扩张,但发生脆断时应力必然会出现减小。钢材料发生脆断的几率较大,与其他种类金属材料比较时可发现钢不容易弯曲,内部应力大小也有所区别。最后是对断裂产生原因进行科学判断,多数脆断是在焊接区域发生的,因此技术人员认为故障与焊接处理有着必然联系。

3压力容器用钢抵抗脆断能力评定方法分析

压力容器制作所用原料多数为金属钢,普通的刚才应用在其中后很容易发生脆断,选择过程中要严格按照质量标准来进行,要具备一定的韧性。在对压力容器进行检测时可通过改变温度来进行,上述分析中表面压力容器脆断与使用阶段室温有着必然联系,降低温度后对容易内部压力进行测试。通过这种方法能够发现容器中设计中存在的不合理部分,除此之外在设计制作过程中还要加强技术控制,确保容器各项指标达到规定标准才可投入到使用中。

4预防和控制脆断的措施

4.1设计措施

设计优化时避免压力容器使用过程中发生脆断的有效措施。在对结构进行设计时要尽量减少需要焊接的制作部分,尽可能选择整体化结构,稳定性也能够得到提升。材料选择部分要对强度标准进行计算,可促进制度方案更科学严谨。除此之外还要体现出成本的节约性,以低造价高标准为设计理念。设计方案制定完成后要进行试验,通过计算机设备模拟使用中承载的压力,达到规定标准后可进入制造阶段。设计时可引入先进技术,在传统制作流程中做出突破,将安全质量放在首要位置。对于新型材辩或尚无或熟经验的特殊材料,应通过焊接试验评定、缺口韧性评定抗裂与止裂性能评定加以确定。从前面对压力容器脆断分析看,结构不连续,应力集中过高是造成脆断的重要原因。因此在结构设计中,要避免结构不连续、降低峰值应力达到控制臆断的目的。

4.2制造措施

一是对于自动焊如埋弧焊要采用多层焊工艺获得良好的缺口韧性,当施行两道焊工艺时.必须采用特殊焊剂和焊丝使焊缝金属获得满意的缺口韧性;采用气体保护焊,要通过采用氢气保护焊接,使焊缝提高抗脆断能力。二是要控制和消除焊后残余应力。焊接过程中产生的残余应力能够降低结构断裂应力,致使结构在较低应力水平下发生脆断。消除残余应力方法很多,如机械应力释放法,当必须使用焊后热处理消除残余应力时,还要考虑焊后热处理对焊件缺口韧性的影响。如Cr—M系焊缝金属经热处理可提高其缺口韧性,70—80kg/mm级高强钢经热处理可能会削弱其缺口韧性。对于低温钢系的焊缝金属,焊后热处理对其缺口韧性影响不明显。

5结语

压力容器在天然气以及其他行业生产中应用广泛,但脆断故障也时有发生。本文提出的设计与制造措施可为使用阶段提供安全保障,相信通过技术人员的努力,压力容器在制作工艺方面可做出突破,向更安全稳定的层面发展。工作人员也要明确设计阶段的技术重点,将故障发生的可能性降到最低,使压力容器更具有使用价值。

作者:张依妮 单位:中油辽河工程有限公司


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