鋼鐵材料的強度可靠性分析在壓力容器檢驗中的應用

張 泉，蔡金橋，李宗強

（遼河石油勘探局有限公司物資分公司，遼寧 盤錦 124010）

在壓力容器檢驗中，我們總是會發現一些問題，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，鋼材的強度變軟，即便是同一鋼材在相同的溫度和熱處理方面也會有不同的明顯變化。另外，表面的承載力和靜承載也是完全不同的，這么多的設計參數隨著不同變量的出現也應該有相對應的模型設計，包括運算方式的啟用，可以對描述對象有比較好的準確結果。這樣所得出來的結論相對來說更加符合實際。這種運用概率計算的統計方式我們可以完全運用在壓力容器中進行強度校驗，同時對于企業來說也能夠降低成本，給企業帶來經濟效益的同時也對壓力容器的安全有了全新的認知。

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，可以應用到機械生產和加工企業，而且現在來說對于相關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、高負荷等離子焊接工藝等手段[2]。焊接相對來說空間是有限的，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單直接的操作，相對來說生產企業要根據企業的施工需要，來判定哪些方法比較適合自己的施工作業，從節省成本的角度來考慮，既要保證焊接質量，還要考慮到相關支出，這也是最基本的施工要求。

1.2 焊接材料的選擇

壓力容器的復雜性也決定了使用材料的特質來決定[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，由于強度和硬度的要求，對鋼材本身的要求也比較高，不銹鋼復合鋼材在一定的化驗或者說化工方面存在一定的差異性，我們在進行材料選擇的同時也可以根據鋼材本身的強度和耐高溫以及抗腐蝕的特點來考慮。相對于耐熱性比較好的材料來說，對于焊接技術而言要符合相關的設計要求。抗腐蝕性方面不同型號的鋼材所表現出來的結果也不同，對于鋼材具有一定的拉伸性和強度要求。由于焊接金屬之間的膨脹系數不同，所以焊接的時候產生的應力作用也不同，尤其是一些碳素鋼和合金鋼的焊接會起到不同的抗拉力情況，實際操作的時候應該考慮到各個材料本身的性能和具體作用，隨著時間的長短和溫度的變化能否滿足多個要求。這都是在實際使用時應該考慮的問題。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研究的因素

2.1 環境因素

影響壓力容器的環境因素主要是：低溫壓力容器的所在位置以及周邊的環境。除此以外，還可能會涉及到周邊的消防、通風、安全出口等環境因素。在分析環境因素對壓力容器安全與改進方面的影響時，可以采用模糊理論方法，借助模糊數學實現對環境因素影響程度的定量評價，為低溫壓力容器可靠性的程度進行量化研究提供基礎。

2.2 人為因素

在進行低溫壓力容器的設計、制造、檢驗、使用、維保等方面的工作時，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的很重要因素。在對人為因素進行分析的時候，可以借助認知的基礎條件，結合人員可靠性分析方法，對影響人員的人機交互界面質量、人為差錯的訓練水平等內容進行研究，還可以對人為差錯辨識、規避差錯的措施等進行深入的分析。相關人員的技術操作和專業知識程度也對壓力容器的質量和安全性能產生一定的影響，專業技術水平過硬，壓力容器的生產質量就會越來越好，相反，相關人員素質水平過低，則安全性和質量層面的性價比就會大打折扣，所以說相對高素質高技能的人士操作為進行低溫壓力容器安全和改進創造更好的條件。

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，最初設計的時候要考慮到不同材料之間對于抗腐蝕性的適應能力，如果有些材料抗腐蝕性比較差就應該采取相應措施來解決。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生概率。焊接的同時，可以使用氬弧焊打底，既能夠保證焊接的質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嚴格檢查的過程，不要因為焊接質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辦法就是使用一些更好材料作為防腐蝕材料的構成，比如說不銹鋼、復合鋼板等材料。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容器進行熱處理，包括一些焊接熱處理的性能改善，熱處理之后應該按照相關標準返修，保證容器可以長久使用，做到及時維護[4]。

2.4 壓力容器的質量控制

（1）嚴格審核設計文件。將要被制作的壓力容器總圖上一定要有“特種設備設計許可”印章，才能被審核通過；圖紙標題欄里要有設計人、審核人和校審人員的簽名，還要有“過程強度計劃書”，并填寫工藝審圖記錄等文件才能最終被制作，缺一不可，這是加強對鋼制壓力容器質量控制的首要條件。

（2）加強材料控制。加強對鋼制壓力容器質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格符合材料標準，具有材料的質量合格書，其中的機械性能和化學成分都要在標準范圍內；其次對材料的質量證明書有懷疑的，要對材料進行嚴格的復驗，一旦結果不合格，要立即退貨，嚴禁不合格的材料被運用；再次經過檢驗合格的加工材料，要填寫到“材料入庫通知單”內，然后進行標記，標記內容有材料編號、厚度和材料牌號；最后在制作過程中，如果有受壓材料代用，要先取得設計單位的批準，并在竣工圖上做記錄，嚴格控制加工材料的質量。

式中μr、μS和σr、σS分別為強度和應力的均值和標準離差。

令y=r-S，則y也是正態分布，其均值和標準離差分別為：

β稱為可靠性系數，即，當μr、σr、μS、σS確定后，即可計算出可靠性系數β，而β與R的一一對應關系可查有關資料中的正態函數表，即由β可查出該容器可繼續使用的可靠度R（或允許破壞概率F）。

3 隨機參數的估計與分析

應力參數。

筒體以周向應力為計算基礎，以材料的屈服強度為工作極限，由壓力容器的應力計算公式，其應力。

式中，P——設計壓力，MPa。

R2——圓筒平均半徑，mm。

δe——有效厚度，mm。

σt——在設計溫度下的計算應力，MPa。

應用基本函數法，應力的均值和標準差分別為：

式中，設計壓力P——取設計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量出一組（20～50點）數據，則可計算出其均值μδe和標準差σδe。

圓筒平均半徑R2——實測出一組（20～50處）外圓周長，換算為外徑數據，則可計算出外徑均值和標準差。按照平均半徑=（外徑—壁厚）/2，計算出平均半徑的均值μR2和標準差σR2。

4 工程實例

某在用鋼制壓力容器殼體材料：16MnR，設計壓力P=8±0.5MPa，溫度：常溫，殼體內徑：φ1000mm，原名義壁厚：28mm，焊縫系數：1.0。經檢查殼體內壁發生均勻腐蝕，取下一檢驗周期的腐蝕裕量為2mm。現對該容器是否可以在下一周期繼續使用進行可靠性分析。

4.1 壁厚測量數據計算（單位:mm）

計算結果為：

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

4.2 筒體外圓周長測量數據計算（單位mm）

將其換算為一組筒體外徑數據后，計算結果為：

按照公式：平均半徑=（外徑—壁厚）/2，進一步計算出：

μR2=516.49mm，σR2=0.61mm。

4.3 設計壓力

取μP=8MPa，σp=0.5/3=0.167MPa。

4.4 強度極限

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

計算μS、σS計算β

4.5 查正態函數

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 結論意見

若按常規設計方法進行強度校核，計算厚度應為：

式中［σ］t取值為16MnR常溫下的抗拉強度許用應力，該容器筒體壁厚由于均勻腐蝕現已減薄到25.07mm，小于計算厚度，若根據常規設計結果，應當立即停止使用。而現在按可靠性分析方法進行校核，可知其可繼續使用一個周期的可靠度高于99.9999999%。

5 結語

可靠性設計具有很多設計方面的優點，這些優點可以很好的輔助設計人員進行相關的優勢設計，對于可靠性的強度分析也是很有幫助的。根據可靠性分析的特點，結合了一些常規性設計的有點來說，可靠性的分析方法對于壓力容器的實驗也可以得到很好的應用。對于強度的校驗分析也很有幫助。這種方法可以能在預設的被允許破壞的概率下更好的計算出壓力容器的壁厚厚度，同時也可以在損耗的狀態下其可以繼續使用的可靠強度，包括能耗狀態下的繼續使用可靠度。也可以為相關人員做決定的時候會有可靠的依據作為參考。壓力容器的強度在進行校驗之前，需要按照與壓力容器檢驗有關的相關說明進行詳細的檢查和測定，在不違背相關法律法規的前提下才可以進行高強度的校驗分析，文章對于壓力容器的使用和鑄造焊接工藝進行了分析，對于可靠性的分析方法應用和范圍內的壓力容器計算也提供了參考依據。對于進行熱處理的工藝和相關科學計算方法也都需要嚴謹認真的對待，相關工藝流程的參考標準也都有了實例，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行相關工作進展。