壓力容器設(shè)計(jì)使用壽命探討

彭春紅 謝天袖

摘要：在壓力容器中，其設(shè)計(jì)壽命與使用壽命并不完全等同，其設(shè)計(jì)壽命的合理選取需要設(shè)計(jì)者有一定的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)壓力容器介質(zhì)的腐蝕速率，需對(duì)材料的磨損沖蝕與材料特性進(jìn)行充分考慮，制定出最佳的壓力容器使用年限。本文主要對(duì)影響壓力容器設(shè)計(jì)使用壽命的因素進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的對(duì)策，以期為設(shè)計(jì)者提供有效參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器;設(shè)計(jì)使用壽命;腐蝕;疲勞

隨著國(guó)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)壽命提出了更高的要求，以適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展需要。因此，在設(shè)計(jì)壓力容器的過程中，要對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的強(qiáng)度計(jì)算，確保其結(jié)構(gòu)合理，還需考慮設(shè)計(jì)使用壽命，防止壓力容器出現(xiàn)安全問題。

1.壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命概況

《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》明確規(guī)定：壓力容器的設(shè)計(jì)總圖上，應(yīng)當(dāng)注明壓力容器設(shè)計(jì)使用年限，但是很多工程公司和相關(guān)設(shè)計(jì)單位并沒有落實(shí)這一規(guī)定。這其中主要有四個(gè)方面的原因：第一，很多設(shè)計(jì)者沒有完全了解設(shè)計(jì)使用壽命的影響因素。第二，了解到相關(guān)影響因素的設(shè)計(jì)者卻缺乏準(zhǔn)確的計(jì)算與預(yù)估。第三，設(shè)計(jì)者擔(dān)心用戶不接受在設(shè)計(jì)圖樣上注明的設(shè)計(jì)使用壽命。第四，設(shè)計(jì)者無法區(qū)分實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)使用壽命，很難給出該壓力容器的最佳預(yù)期值。

2.壓力容器設(shè)計(jì)使用壽命的影響因素

2.1 金屬材料的力學(xué)性能

隨著時(shí)間的推移，制作容器的金屬材料會(huì)受到溫度與應(yīng)力的影響而出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，使得壓力容器在運(yùn)作的過程中受到嚴(yán)重的影響。而金屬材料具有力學(xué)性能，但是其耐高溫蠕變與斷裂等的程度則決定著壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命。因此，要獲得較佳的壓力容器設(shè)計(jì)使用壽命，可以通過選擇在高溫工況下耐蠕變和斷裂的材料來提高壓力容器的疲勞壽命。需要注意的是，并不是全部金屬材料都會(huì)在介質(zhì)中出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是金屬材料在腐蝕介質(zhì)與拉應(yīng)力的共同作用下而出現(xiàn)，具有一定的特殊性。而要出現(xiàn)這一現(xiàn)象，要同時(shí)具備3個(gè)條件。首先，材料應(yīng)該對(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感。其次，要有金屬材料相對(duì)應(yīng)的腐蝕介質(zhì)。最后，要發(fā)生拉伸應(yīng)力。

2.2 材料的腐蝕速率與腐蝕裕量

腐蝕速率表示單位時(shí)間腐蝕程度的平均值，即在單位時(shí)間內(nèi)，容器介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕程度與容器介質(zhì)在流動(dòng)時(shí)對(duì)金屬材料磨損沖蝕程度之和。而在有關(guān)規(guī)定中，明確提出腐蝕裕量應(yīng)該由壓力容器的預(yù)期壽命與介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕速率來確定，壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命就是腐蝕裕量與腐蝕速率之間的比值。要獲得更佳的設(shè)計(jì)使用壽命，則需要根據(jù)均勻的腐蝕速率來計(jì)算出合理的腐蝕裕量。如果均勻腐蝕速率太大，而壓力容器的設(shè)計(jì)壽命選擇太長(zhǎng)，會(huì)使得計(jì)算出來的腐蝕裕量太大，則加工難度加大，還會(huì)增加成本。因此，需要采取有效對(duì)策來抵抗壓力容器在設(shè)計(jì)使用壽命期間的磨損沖蝕與局部腐蝕。

2.3 交變載荷作用

在壓力容器的運(yùn)行過程中，如果受到高溫作用和較大的壓力波動(dòng)，則會(huì)使得壓力容器出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。由于交變應(yīng)力作用與晶間的滑移、錯(cuò)位，壓力容器的局部峰值應(yīng)力區(qū)會(huì)出現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象。而這種現(xiàn)象會(huì)在載荷循環(huán)的不斷作用下呈現(xiàn)出擴(kuò)展的趨勢(shì)，最終會(huì)使得整個(gè)截面失去承載能力而出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。壓力容器在不斷運(yùn)作的過程中，已經(jīng)處于疲勞狀態(tài)，再加上周期性的載荷作用，其疲勞損傷在很大程度上影響著設(shè)備壽命。

3.對(duì)策分析

3.1 防范對(duì)策分析

在壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命方面，設(shè)計(jì)者應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)新規(guī)程的相關(guān)要求來進(jìn)行全面考慮，這也是每個(gè)壓力容器設(shè)計(jì)者必須要遵守的最基本的設(shè)計(jì)原則。因此，壓力容器的設(shè)計(jì)者應(yīng)該給予設(shè)計(jì)使用壽命足夠的重視，根據(jù)新規(guī)定來重新考慮，并且注重容器的其他設(shè)計(jì)方面，綜合起來提高壓力容器的安全可靠性，防止安全隱患的發(fā)生。

首先，壓力容器的設(shè)計(jì)者在考慮容器材料耐腐蝕能力的前提下，要確定其最大腐蝕速度與容器內(nèi)外部的壓力差，從而計(jì)算該壓力容器的最大耐腐蝕承受度。因此，在最大腐蝕速率與容器材料的最大耐腐蝕承受度確定好之后，則可以計(jì)算出壓力容器的安全使用年限。

其次，設(shè)計(jì)者在考慮壓力容器外部環(huán)境的前提下，以壓力容器的安全使用年限為目的，在最惡劣的使用環(huán)境中對(duì)壓力容器進(jìn)行模擬，從而獲得最佳的壓力容器使用壽命。

然后，在考慮壓力容器疲勞工況的前提下，主要有3種判據(jù)來免除疲勞分析。

第一就是使用經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，在這個(gè)前提下不需要將其作為計(jì)算用。

第二，計(jì)算各種工況的循環(huán)總次數(shù)。其中，各種工況循環(huán)次數(shù)包括設(shè)備啟動(dòng)與停止的過程中壓力容器的壓力循環(huán)設(shè)計(jì)次數(shù)、壓力容器中產(chǎn)生壓力波動(dòng)的范圍超過設(shè)計(jì)壓力20%的循環(huán)設(shè)計(jì)次數(shù)、任意2個(gè)相鄰點(diǎn)間壓力容器中金屬溫差產(chǎn)生波動(dòng)的有效次數(shù)等。要獲得循環(huán)的總次數(shù)，則應(yīng)該將有效次數(shù)相加。其中，有效次數(shù)是金屬溫差產(chǎn)生的波動(dòng)的循環(huán)次數(shù)與有關(guān)系數(shù)的乘積。在容器材料熱膨脹系數(shù)存在差異（包括焊縫）的情況下，如兩種容器材料的熱膨脹平均系數(shù)分別為α1與α2，工作時(shí)的溫度總波動(dòng)范圍為△T，當(dāng)0.00034<（α1-α2）△T時(shí)，那么應(yīng)該對(duì)總循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

第三，設(shè)計(jì)者在考慮其他因素的時(shí)候且同時(shí)滿足以下條件時(shí)，需要計(jì)算總循環(huán)次數(shù)。

a）設(shè)備啟動(dòng)與停止的過程中壓力容器的壓力循環(huán)次數(shù)在不超過JB4732附錄C的疲勞曲線中，對(duì)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行一定的考慮，Sa查得的循環(huán)次數(shù)取三倍的壓力容器材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm。其中，Sa是該疲勞曲線中相應(yīng)的應(yīng)力幅值。

b）在壓力容器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容器的預(yù)計(jì)壓力循環(huán)范圍至多達(dá)到（p/3）（Sa/Sm）。其中，p是指設(shè)計(jì)壓力，而Sa就是與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)疲勞曲線中，與規(guī)定的顯著壓力波動(dòng)次數(shù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)縱坐標(biāo)值，Sm則是基于設(shè)計(jì)溫度的壓力容器材料的相應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。在疲勞曲線中給出循環(huán)數(shù)最大值時(shí)，如果規(guī)定的顯著壓力波動(dòng)次數(shù)超過這個(gè)值，則可以獲得對(duì)應(yīng)曲線上循環(huán)次數(shù)最大值，也就是Sa。規(guī)定的顯著壓力波動(dòng)意味著壓力波動(dòng)的范圍超過（p/3）（Sa/Sm），S值有新規(guī)定。當(dāng)規(guī)定的總工作循環(huán)次數(shù)不超過106，則S值可以取設(shè)計(jì)疲勞曲線上106循環(huán)次數(shù)相對(duì)應(yīng)的Sa值。相反，S值應(yīng)該取該曲線循環(huán)次數(shù)最大值相對(duì)應(yīng)的Sa值。

c）在壓力容器啟動(dòng)、停止以及正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，每2個(gè)相鄰點(diǎn)之間的限定溫度不應(yīng)該超過Sa/2Ea。其中，Sa是規(guī)定的設(shè)備啟動(dòng)與停止過程中產(chǎn)生的循環(huán)次數(shù)下，設(shè)計(jì)疲勞曲線中相關(guān)的縱坐標(biāo)值。E和a則分別是在這2點(diǎn)平均溫度之下的彈性模量與熱膨脹系數(shù)。

d）在壓力容器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，每2個(gè)相鄰點(diǎn)之間的限定溫度不應(yīng)該超過Sa/2Ea。其中，Sa是設(shè)計(jì)疲勞曲線中和規(guī)定的顯著溫度差波動(dòng)總循環(huán)次數(shù)的相關(guān)縱坐標(biāo)值。當(dāng)總代數(shù)值大于S/2Ea時(shí)產(chǎn)生的溫度差波動(dòng)就是顯著溫度差波動(dòng)，S含義同上。

e）如果容器材料的熱膨脹系數(shù)并不相同，彈性模量也不同，則其相應(yīng)組件在壓力容器正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生的溫度波動(dòng)的代數(shù)總值至多達(dá)到Sa/[E1a1-E2a2]。其中，Sa是規(guī)定的顯著溫度產(chǎn)生的波動(dòng)次數(shù)在相應(yīng)疲勞曲線中的值，而a1與a2則表示兩種結(jié)構(gòu)材料在評(píng)價(jià)溫度之下的相應(yīng)熱膨脹系數(shù)，E1和E2為彈性模量。在整個(gè)變化范圍之內(nèi)，超過Sa/[E1a1-E2a2]的溫度波動(dòng)就是顯著溫度波動(dòng)。

f）而由此形成的應(yīng)力范圍則為機(jī)械載荷的波動(dòng)范圍至多達(dá)到Sa，此時(shí)的機(jī)械載荷不包括壓力包括管線反力。其中，Sa是規(guī)定的顯著荷載產(chǎn)生的波動(dòng)總次數(shù)在相應(yīng)疲勞曲線中的最大值。當(dāng)規(guī)定總次數(shù)大于106時(shí)，則Sa取與106循環(huán)次數(shù)相對(duì)應(yīng)的幅值。

而根據(jù)JB4732規(guī)范來取不作疲勞設(shè)計(jì)允許次數(shù)的數(shù)值，即為1000次，將這個(gè)次數(shù)值除以上面已經(jīng)計(jì)算得到的循環(huán)總次數(shù)，其最后獲得的數(shù)值就是在考慮疲勞作用工況的前提下，壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命。也就是說，在這種情況下，壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命=1000/壓力容器的總循環(huán)次數(shù)。

第二、第三僅適用于容器整體部件，不適用于帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管及廢整體結(jié)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化策略分析

3.2.1 材料的擇優(yōu)選用

要保證壓力容器合理的設(shè)計(jì)使用壽命，則需要對(duì)容器材料進(jìn)行擇優(yōu)選用。因此，容器材料要有較高的耐蝕能力與高溫性能，良好的焊接性能。在這些性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，要對(duì)容器材料的經(jīng)濟(jì)性與使用安全性進(jìn)行優(yōu)化，并且權(quán)衡其中的利弊，避免設(shè)計(jì)的盲目性而引起壓力容器的制造成本增加。

3.2.2 根據(jù)實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待

在壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，要具體情況具體分析。如果壓力容器的應(yīng)力形式不同，那么會(huì)出現(xiàn)不同的失效模式。而且即使應(yīng)力相同，一旦分布存在差異，失效的表現(xiàn)也會(huì)不同。在壓力容器中，存在大量負(fù)荷，而且種類很多。但是這些負(fù)荷表現(xiàn)為三類，即初次應(yīng)力、二次應(yīng)力與峰值應(yīng)力。這3種應(yīng)力在不同的容器中，在不同的情況下會(huì)出現(xiàn)同時(shí)存在或者個(gè)別存在的現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)壓力容器的具體情況來對(duì)其進(jìn)行分析。

4.結(jié)束語

壓力容器是特種設(shè)備，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的過程中，要對(duì)各種影響因素進(jìn)行全面考慮，并且遵循安全第一、預(yù)防為主的原則，對(duì)國(guó)家的相關(guān)規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面了解，從而提高容器設(shè)計(jì)的質(zhì)量與容器使用的安全性可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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