河南化工 ２０１０年５月第２７卷第５期（下） ＨＥＮＡＮ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ・ｌ９・ 脆性破裂防护在压力容器脆性破裂与设计实践分析 郑萍 （新疆克拉玛依金龙镇科达石化科技有限公司，新疆，克拉玛依，８３４００３） （摘要】压力容器用途十分广泛，然而如果使用不当，可能会带来不可估计的损失。本文就压力容量脆性破裂特征、原因 进行了分析，并着重有实践的角度，对压力容器设计进行了论述。 【关键词】脆性破裂；压力容器；设计；实践 【中图分类号】Ｘ９３３ 【文献标识码】 Ａ 【文章编号】 １００３—３４６７（２０１０）１０—００１９—０１ 压力容器（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅ１）是指盛装气体或者液体，承载 一２．４ 使用的材料韧性不足 因容器本身采用了过大的刚性 结构，在受压过大时就可能产生强大的附加应力导致容器脆 性破裂。 定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分 离容器均属压力容器。 １ 容器脆性破裂的特征 ２．５ 在使用过程中外部支承力有改变脆性破裂的压力 客观地讲，容器在 １．１ 压力容器器壁没有明显的伸长变形使用中，因外部因素变化，如地基下沉、储藏量的变化或者其 他外力致容器外部支承力改变，导致脆性破裂。 ２．６ 对已经制成或者正用使用中的容器因生产或者设计 缺陷前期未能发现，在使用才发现的这种问题也可能致容器 容器一般都没有明显的伸长变形，许多在水压试验时脆裂的 压力容器，其试验压力与容积增量的关系在破裂前基本还是 线性关系，即压力容器的容积变形还是处于弹性状态。 １．２ 压力容器裂口齐平、断口呈金属光泽的结晶状压力 在使用中发生脆性破裂。与此同时，容器在使用管理上不当 也可能导致容器的脆性破裂。 ３ 压力容器的设计 容器脆性断裂一般是正应力引起的解理断裂，所以裂口齐 平，并与主应力方向垂直。压力容器脆断的纵缝，裂口与器 壁表面垂直，环向脆断时，裂口与容器的中心线相垂直。又 ３．１ 设计参数计算分析 因为脆断往往是晶界断裂，所以断口形貌呈闪烁金属光泽的 结晶状。 １．３ 压力容器常破裂成碎块 由于脆性破裂的容器材料韧 性较差，而且脆断的过程又是裂纹迅速扩展的过程，破裂往 往都是在一瞬间发生，压力容器内的压力难以通过一个小裂 口释放，所以脆性破裂的压力容器常裂成碎块，且常有碎片 飞出。 ３．１．１ 确定容器类别容器类别主要是根据工作压力的大 小、介质的危害性和容器破坏时的危害性来划分。本例稳压 罐为低压（＜１．６ＭＰａ）且介质无毒不易燃，则应划为第１类 容器。 ３．１．２ 确定设计压力 本研究对象最高工作压力为１． ４ＭＰａ，设计压力一般取值为最高工作压力的１．０５～１．１０倍。 我们取１．１０为设计上限，故设计压力Ｐｃ＝１．１０ｘ１．４＝１． ５４ＭＰａ。 １．４ 压力容器的破裂事故多数在温度较低的情况下发生 由于金属材料的断裂韧性随着温度的降低而下降，所以脆性 断裂一般都发生在温度较低的情况下。新制成的或定期检 ３．１．３ 确定设计温度一般在考虑工作温度的基础上，再 结合容器环境温度而设计。比如，本研究对象为稳压罐，在 验的压力容器，进行水压试验时常因水温低于容器的使用温 度而发生脆性破裂。 ２ 容器发生脆性破裂的原因分析 常温下工作，考虑运行地点在新疆，结合气象资料，冬季气温 最低可达一３０℃，夏季可能达到最高气温为４０￣Ｃ。本例取设 计温度为２００℃即可。 ２．１ 在容器的设计、制造上，因应力集中于焊缝处引起因 ３．１．４ 确定几何容积容器直径和高度。 ３．１．５ 确定壁厚附加量按实际容积设计即可。主要是确定 容器壁厚附加量主要考虑介质的 此，在设计和制造晨，要尽量减少焊接结构本身的应力集中， 还要注意使焊缝尽量远离其它应力集中的区域，否则，焊缝 导致容器发生脆性破裂。 ２．２ 焊缝之间间距没有设计于合理范围之内 焊缝的间的 距离不规范，设计制造不合理，比如焊缝重叠或相距太近，使 局部应力相互迭加，导致容器发生脆性破裂。 ２．３ 外形结构不连续或者过度处设计不合理如封头、法 兰与筒体等处的联接部位，在设计时未做强调或者在制造工 艺上过于粗糙或者工艺达不到设计要求等。这种部位容易 在压力过大时导到局部应力增加，导致脆性破裂。 腐蚀裕度ｃ１，其次应考虑钢板的负偏差ｃ２和制造过程的减 薄量Ｃ３。由所选定受压元件的材质、工作介质对受压元件 的腐蚀率、容器使用环境和用户期待的使用寿命来确定，实 际上应先选定受压元件的材质，再确定腐蚀裕量。 ３．１．６ 确定焊缝系数焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系 数。根据稳压罐的特点，结合实际，本例焊缝系数取１，即焊 接接头应进行１００％的无损检测。 ３．１．７ 主要受压元件材质的确定材质的确定在满足安全 河南化工 ・２０・ ＨＥＮＡＮ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１０年５月第２７卷第５期（下） 化工过程动态仿真与优化系统开发技术 张凤德 （河北沧州大化ＴＤＩ有限责任公司，河北，沧州，０６１０００） 【摘要】作者在多年工程实践基础上，借鉴经典化工流程模拟理论和技术，开发成功通用化工过程动态仿真与优化系统 （Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ＆Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ系统）并在工业应用中取得良好效果。 【关键词】化工过程；流程模拟；超实时动态仿真 【中图分类号】Ｖ４４８．２５＋３ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１００３—３４６７（２ＯＬＯ）１０—００２０—０２ １ 概述 动计算；压力平衡计算；化学反应动力学或化学平衡计算；严 近年来，稳态化工流程模拟系统在化工装置的优化设 谨、正确的自由度分析；全部方程同时求解。 计、优化操作中的应用已取得了十分瞩目的成果。然而，稳 只有符合以上标准者方可称为真正的机理模型，方可用 态模拟所用的模型假设过多，其模拟优化结果较为抽象，且 于构造具有优化功能的模拟系统。而对于如此复杂的模型， 无法描述装置在开停车和异常工况下以及控制系统的行为， 欲实现超实时动态模拟（仿真）需解决许多基本技术问题。 亦无法指出实现优化的具体操作步骤，故其适用范围受到诸 在ＤＳＯ系统中，数学模型的建立与求解借鉴了稳态流 多限制。只有采用动态流程模拟才能全面、细致、切合实际 程模拟的联立模块法思路［２］，并进一步发展为“跟踪逼近 地描述化工过程的规律。目前，使用机理模型建立并使用通 法”ｌ３ Ｊ，因而取得了快速精确的效果。 用化工动态流程模拟系统的公开报导较为少见，某些文献仅 ２ 系统构成 从概念上进行了研究探讨［１］。本文介绍的通用化工动态流 ２．１ 开发工具与运行环境ＤＳＯ系统采用全３２位Ｃ＋＋ 程模拟优化系统（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ＆Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ， 语言进行程序设计，语句总量约为１００００行源程序。硬件环 ＤＳＯ）完全依据机理模型开发并在科研和实际生产中应用近 境为５８６以上微机，３２Ｍ以上扩展内存。对于中小规模的化 两年，经过不断完善，取得良好实际效果。 工流程，使用５８６微机即可达到超实时模拟计算速度。 ＤＳＯ系统的组织继承了经典稳态流程模拟系统的数据 ２．２ 系统结构 ＤＳＯ系统是由以下各部分组成的：大型 结构和重要算法与概念［２］，并结合动态模拟的特点进行了 化工基础物性数据库；基础物性预测和估算体系；化工热力 补充和修改。其实现的关键在于机理数学模型及求解算法。 学基本计算；流程拓扑结构自动识别与输入及调用顺序编 此处机理模型意指具有以下特点的系统：确定的组分，统一 排；内存管理及主调用模块；单元过程动态模拟及控制系统 的基础物性数据；统一的热力学计算体系；质量衡算微分方 模拟；管网流量分配、压力分布计算子系统代数、微分方程组 程；能量衡算微分方程；相平衡和闪蒸的迭代计算；传递与流 数值求解及最优化算法；过程数据输入、输出子系统。 夺・－４－・夺・｛”夺・夺・孛－夺－夺・夺・夺・夺・・争・夺・夺・夺・牵・夺・牵・－４＞・夺・孛・｛ ・・｝・｛ ・｛，・夺・夺・夺・牵・争・夺・寺・夺・夺・夺・夺・夺・争・ 和使用条件的前提下，还要考虑工艺性和经济性。比较常用 进行换算确定。由于压力试验只能反映容器的宏观缺陷，且 的材料有Ｑ２３５一Ｂ（Ｑ２３５一Ｃ）１６ＭｎＲ和０Ｃｒｌ８Ｎｉ９这几种材 试验是在常温下短时间内进行的，因此不能依靠这个试验来 料。就本例来说，其使用压力、温度和介质都符合Ｑ２３５一Ｂ 判断一个容器是否能安全操作，必要时，要经过验证性的液 的条件，唯有厚度还未知，若超过了２０ｒａｍ则只能使用 压试验。 １６ＭｎＲ，本例就暂定使用Ｑ２３５一Ｂ。完成了这些技术特性 参考文献 表，我们已得到容器外形，设计初步完成，接下来完善配置各 ［１］余国琮．化工容器及设备１９８９，０５ 种管口的法兰和接管即可。 ［２］那忠庆．硫化氢腐蚀介质条件下压力容器的设计［Ｊ］．油气 ３．２ 压力试验容器制成以后在投入生产之前应进行压力 田地面工程，２０１０，（０１）：３２—３３ 试验。压力试验的目的在于检查容器的宏观强度和致密性。 ［３］ 胡宗文，王元清，石永久，陈宏．应力集中对钢结构厚板脆 本例根据容器的特点选用液压试验，试验的环境温度和水温 性破坏的影响分析［Ｊ］．低温建筑技术，２０１０，（ｏ１）：１—４ 不低于材料的无塑性转变温度，且不低于５℃。对于设计温 ［４］ 吉桂明．压力容器的技术诊断和运行可靠性［Ｊ］．热能动力 度ｔ￣＞２００℃的压力容器，液压试验的压力按规定的Ｐｔ及试验 工程，２０１０，（Ｏ１）：１６ 温度下材料的许用应用与设计温度下材料的许用应力之比 作者简介：张凤德（１９６８．９～），男，河北沧州人，大学本科，工程师。