壓力容器設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，自身結構并沒有發生形變，而是突然間出現斷裂，這種情況被稱之為脆斷。脆斷事故發生的原因有很多，容器在工作狀態下會承載較大壓力，一旦超出能力范圍便會發生危險，容器在瞬間暴漲，內部承裝的原料也會隨之涌出。高壓狀態下天然氣噴射摩擦很大，很容易起火，因此常常會造成火災。美國在上世紀發生過一次大型脆斷事故，發生地點在天然氣生產基地，壓力容易承裝的其他超出額定范圍，但當時并沒有被工作人員發現，仍然繼續進行生產作業。容易并沒有預兆表發生了爆炸，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，為該天然氣生產企業帶來了巨大經濟損失。除此之外發生在西班牙天然氣儲藏容器脆斷帶來的損失也不容小視，容器在對密閉性進行測試時發現內部存在三處開裂區域，在水壓力作用下發生了爆炸。通過對多起事故進行調查，科研人員找出了引發事故的具體原因，對壓力容易設計工作起到促進工作，同時也可避免脆斷現象的發生。

2 壓力容器脆性斷裂一般特征

優化設計方案首先要明確脆斷產生的原因，并對發生故障的容易進行調查，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格也并沒有發生改變，仍呈現出原有的厚度。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現厚度減少了約3%。其次溫度變化的測量，主要是針對使用現場溫度變化的觀察，結合以往調查結果進行分析，技術人員發現脆斷現象多數發生在氣候溫度較為寒冷的季節，這與材料熱脹冷縮的物理性質密不可分。再次是壓力容器應對脆斷的能力，金屬材料自身會帶有一定應力，用來平衡壓力造成的表面擴張，但發生脆斷時應力必然會出現減小。鋼材料發生脆斷的幾率較大，與其他種類金屬材料比較時可發現鋼不容易彎曲，內部應力大小也有所區別。最后是對斷裂產生原因進行科學判斷，多數脆斷是在焊接區域發生的，因此技術人員認為故障與焊接處理有著必然聯系。

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為金屬鋼，普通的剛才應用在其中后很容易發生脆斷，選擇過程中要嚴格按照質量標準來進行，要具備一定的韌性。在對壓力容器進行檢測時可通過改變溫度來進行，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系，降低溫度后對容易內部壓力進行測試。通過這種方法能夠發現容器中設計中存在的不合理部分，除此之外在設計制作過程中還要加強技術控制，確保容器各項指標達到規定標準才可投入到使用中。

4 預防和控制脆斷的措施

4.1 設計措施

設計優化時避免壓力容器使用過程中發生脆斷的有效措施。在對結構進行設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構，穩定性也能夠得到提升。材料選擇部分要對強度標準進行計算，可促進制度方案更科學嚴謹。除此之外還要體現出成本的節約性，以低造價高標準為設計理念。設計方案制定完成后要進行試驗，通過計算機設備模擬使用中承載的壓力，達到規定標準后可進入制造階段。設計時可引入先進技術，在傳統制作流程中做出突破，將安全質量放在首要位置。對于新型材辯或尚無或熟經驗的特殊材料，應通過焊接試驗評定、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，結構不連續，應力集中過高是造成脆斷的重要原因。因此在結構設計中，要避免結構不連續、降低峰值應力達到控制臆斷的目的。

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；采用氣體保護焊，要通過采用氫氣保護焊接，使焊縫提高抗脆斷能力。二是要控制和消除焊后殘余應力。焊接過程中產生的殘余應力能夠降低結構斷裂應力，致使結構在較低應力水平下發生脆斷。消除殘余應力方法很多，如機械應力釋放法，當必須使用焊后熱處理消除殘余應力時，還要考慮焊后熱處理對焊件缺口韌性的影響。如Cr—M系焊縫金屬經熱處理可提高其缺口韌性，70—80kg／mm級高強鋼經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 結語

壓力容器在天然氣以及其他行業生產中應用廣泛，但脆斷故障也時有發生。本文提出的設計與制造措施可為使用階段提供安全保障，相信通過技術人員的努力，壓力容器在制作工藝方面可做出突破，向更安全穩定的層面發展。工作人員也要明確設計階段的技術重點，將故障發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.我國壓力容器標準的發展歷史[J].科技信息,2013(09).

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