壓力容器設(shè)計制造中脆性斷裂問題的控制策略

杭俊

摘要：在壓力容器的設(shè)計和制造過程中，相關(guān)企業(yè)應(yīng)對脆性斷裂問題進(jìn)行全面的分析，研究新的制造方法，明確實(shí)際生產(chǎn)要求，制定完善的質(zhì)量管理方案，避免發(fā)生斷裂事故，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文就壓力容器設(shè)計制造中脆性斷裂問題的控制策略開展探究與分析。

關(guān)鍵詞：壓力容器;脆性斷裂;控制策略

在壓力容器的設(shè)計和制造過程中，經(jīng)常會發(fā)生脆性斷裂，這嚴(yán)重影響了容器的制造質(zhì)量和使用安全。因此，在未來的開發(fā)過程中，應(yīng)根據(jù)壓力容器設(shè)計制造的要求，建立完善的脆性斷裂分析機(jī)制，創(chuàng)新設(shè)計制造形式，確保采用合理的控制方法，處理和解決相關(guān)問題，提高壓力容器的制造效果，達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量管理目的。

一、壓力容器脆性斷裂產(chǎn)生條件分析

（一）壓力容器存在缺口

由于缺口處應(yīng)力作用下的問題，壓力容器容易出現(xiàn)脆性斷裂。對于一些壓力容器，最大應(yīng)力和最大切應(yīng)力將導(dǎo)致其受到一定的影響，在最大切應(yīng)力的情況下，壓力容器容易出現(xiàn)變形，在塑性變形期間，裂紋中的能量被吸收，裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致出現(xiàn)脆性斷裂。因此，切應(yīng)力的大小與容器裂紋區(qū)域在應(yīng)力作用下的軟硬程度有關(guān)。在比值小的情況下，塑性變形會減少，在比值大的情況下，塑性變形很容易發(fā)生脆性斷裂。因此，應(yīng)該壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（二）環(huán)境與介質(zhì)因素影響

通常用于壓力容器的材料是高強(qiáng)度鋼，這種材料在氫氣作用下容易出現(xiàn)脆化，危險系數(shù)極高。一般來說，氫脆化高強(qiáng)度鋼的溫度在零下101攝氏度到100攝氏度之間，在一些特殊媒介的影響下，許多材料將出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕和嚴(yán)重的脆性斷裂[1]。同時，壓力容器的脆性斷裂與玻璃和聚合物的強(qiáng)度直接相關(guān)。例如，PMMA 的抗拉強(qiáng)度在接觸酒精后會逐漸減少，這將導(dǎo)致壓力容器在應(yīng)力的影響下出現(xiàn)脆性斷裂，嚴(yán)重影響其使用價值。

二、壓力容器脆性斷裂的評價措施

（一）缺口沖擊試驗(yàn)

脆性可以通過缺口沖擊試驗(yàn)分析法進(jìn)行分析。根據(jù)能量標(biāo)準(zhǔn)和斷裂標(biāo)準(zhǔn)，合理分析試驗(yàn)期過程中的溫度等因素，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計情況，明確相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，合理研究材料的切口韌性，獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果，保證材料滿足實(shí)際發(fā)展需要。如圖1為缺口沖擊試驗(yàn)機(jī)。

（二）爆炸脹裂試驗(yàn)

可對壓力容器進(jìn)行爆炸脹裂試驗(yàn)，明確斷裂后結(jié)構(gòu)的脹裂情況。在試驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度范圍，主要是因?yàn)樵跉鉁厣仙那闆r下，會出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。因此，應(yīng)合理控制相關(guān)問題，以便通過先進(jìn)的試驗(yàn)方法確定壓力容器設(shè)計和制造結(jié)構(gòu)的類型，確保在嚴(yán)格的管理和控制之下進(jìn)行生產(chǎn)。

三、壓力容器脆性斷裂的控制措施

（一）完善設(shè)計方案

為保證結(jié)構(gòu)材料的合理性，采用科學(xué)的方法選用容器材料，提高焊接材料的強(qiáng)度，保證其性能符合有關(guān)規(guī)定。在綜合分析過程中，應(yīng)對結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，明確造價因素和事故因素，探討技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。在此期間，可以購買性能良好的切口韌性材料，以確保結(jié)構(gòu)材料的使用價值得到提高。在購買焊接材料時，應(yīng)保證焊接條的質(zhì)量符合有關(guān)規(guī)定，可以使用低氫型焊接條，對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接[2]。同時，要分析焊條與金屬之間的兼容性，及時發(fā)現(xiàn)切口韌性問題，采取有效措施解決問題，以提高材料的質(zhì)量。為保證壓力容器生產(chǎn)使用的原料材料符合有關(guān)規(guī)定，企業(yè)可采用試驗(yàn)方法對原料材料進(jìn)行評定，確定原料切口韌性，滿足設(shè)計和生產(chǎn)要求。

（二）合理使用焊接技術(shù)

為避免壓力容器出現(xiàn)脆性斷裂情況，可采用埋弧焊技術(shù)進(jìn)行焊接，通過多層次的焊接，改善切口的韌性，以提高結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量[3]。此外，也可采用氣體保護(hù)焊接技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，主要是將氬氣或氫氣與二氧化碳融合，以更好地焊接結(jié)構(gòu)和提高壓力容器的抗脆性斷裂能力，以滿足當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)要求。

（三）加強(qiáng)殘余應(yīng)力的控制

作業(yè)人員應(yīng)采取有效措施消除殘余應(yīng)力，確保容器的制造水平得到提高。 一般情況下，焊接的殘余應(yīng)力會降低壓力容器的抗脆性斷裂能力，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在容器制造過程中有很多方法可以消除殘余應(yīng)力，如機(jī)械應(yīng)力釋放、溫度拉伸等。如果制造商要使用焊接后的余熱來消除殘余應(yīng)力，則應(yīng)仔細(xì)分析焊接結(jié)構(gòu)的切口韌性，以確保消除殘余應(yīng)力的效果，避免影響切口韌性。例如，使用CR-M 焊條對金屬進(jìn)行焊接處理，可以有效地增強(qiáng)接口的韌性，達(dá)到良好的處理效果。但在熱處理75kg/m2高強(qiáng)度鋼期間，切口韌性將會降低，殘余應(yīng)力消除效果不能得到保證。

四、結(jié)束語

總而言之，在壓力容器的制造過程中，經(jīng)常會發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了其制造效率，不能保證實(shí)際工作效果。因此，在今后的發(fā)展中，相關(guān)制造企業(yè)應(yīng)采用科學(xué)的試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，優(yōu)化設(shè)計方案，采用適宜的焊接技術(shù)，逐步提高壓力容器的抗脆斷能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鋒濤.壓力容器設(shè)計制造中脆性斷裂問題的控制策略探索[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017，（23）：72-74.

[2]陳思宇，張文華.承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)分析[J].中國設(shè)備工程，2017，（5）：133-134.

[3]李俊林，王軍，劉文彬， 等.基于斷裂力學(xué)與腐蝕機(jī)理的低溫壓力容器的選材研究[J].化學(xué)工程師，2015，29（10）：34-36，43.

[4]張依妮. 壓力容器設(shè)計制造中脆性斷裂問題的控制研究[J]. 化工管理， 2015， 000（027）：127.

[5]管思語， 曹玉. 壓力容器設(shè)計制造中脆性斷裂問題的控制探究[J]. 工程技術(shù)：全文版， 2016（11）：00235-00235.

（作者單位：江蘇洪流化工機(jī)械有限公司）