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可靠性分析在压力容器检验的应用

2020/11/09 阅读:

摘要:钢铁材料本身具有一定的韧性,在很多生产制造企业都有着广泛的用途,无论是初级加工的钢铁还是最后合成的材料,在一定的强度和压力容器使用中都有着不同的作用发挥,相对于母材、精钢和一些特种钢材料对于使用的要求也极大不同,本文简单论述了钢铁压力容器制造工艺的过程和质量控制,对影响钢制压力容器安全与改进的方法进行了研究,说明可靠性分析方法的应用[1]。

关键词:压力容器;压力容器可靠度腐蚀检验;压力容器焊接工艺;防腐措施控制;质量控制

在压力容器检验中,我们总是会发现一些问题,比如:钢材的生锈和腐蚀,基本刚才由于工艺或者天气原因生锈,钢材的强度变软,即便是同一钢材在相同的温度和热处理方面也会有不同的明显变化。另外,表面的承载力和静承载也是完全不同的,这么多的设计参数随着不同变量的出现也应该有相对应的模型设计,包括运算方式的启用,可以对描述对象有比较好的准确结果。这样所得出来的结论相对来说更加符合实际。这种运用概率计算的统计方式我们可以完全运用在压力容器中进行强度校验,同时对于企业来说也能够降低成本,给企业带来经济效益的同时也对压力容器的安全有了全新的认知。

1钢制压力容器焊接工艺

1.1焊接方法

钢材制品的压力容器在使用范围来说非常广泛,可以应用到机械生产和加工企业,而且现在来说对于相关的焊接工艺和方法也都比较成熟,焊接方法也分很多种,比较常用的来说有:气焊、电焊焊接、高负荷等离子焊接工艺等手段[2]。焊接相对来说空间是有限的,直接焊缝和双面焊缝的方式也都有,这其中焊条电焊的方法比较简单直接的操作,相对来说生产企业要根据企业的施工需要,来判定哪些方法比较适合自己的施工作业,从节省成本的角度来考虑,既要保证焊接质量,还要考虑到相关支出,这也是最基本的施工要求。

1.2焊接材料的选择

压力容器的复杂性也决定了使用材料的特质来决定[3]。比如说不锈钢板是用不锈钢和碳钢合金材料组成的,抗腐蚀性非常强,由于强度和硬度的要求,对钢材本身的要求也比较高,不锈钢复合钢材在一定的化验或者说化工方面存在一定的差异性,我们在进行材料选择的同时也可以根据钢材本身的强度和耐高温以及抗腐蚀的特点来考虑。相对于耐热性比较好的材料来说,对于焊接技术而言要符合相关的设计要求。抗腐蚀性方面不同型号的钢材所表现出来的结果也不同,对于钢材具有一定的拉伸性和强度要求。由于焊接金属之间的膨胀系数不同,所以焊接的时候产生的应力作用也不同,尤其是一些碳素钢和合金钢的焊接会起到不同的抗拉力情况,实际操作的时候应该考虑到各个材料本身的性能和具体作用,随着时间的长短和温度的变化能否满足多个要求。这都是在实际使用时应该考虑的问题。材料适合哪种焊接工艺就使用哪种,不能随意更改。

2影响钢制低温压力容器安全与改进研究的因素

2.1环境因素

影响压力容器的环境因素主要是:低温压力容器的所在位置以及周边的环境。除此以外,还可能会涉及到周边的消防、通风、安全出口等环境因素。在分析环境因素对压力容器安全与改进方面的影响时,可以采用模糊理论方法,借助模糊数学实现对环境因素影响程度的定量评价,为低温压力容器可靠性的程度进行量化研究提供基础。

2.2人为因素

在进行低温压力容器的设计、制造、检验、使用、维保等方面的工作时,都需要有人员参与才能顺畅的完成工作。因此,人为因素也是影响低温压力容器安全以及改进的很重要因素。在对人为因素进行分析的时候,可以借助认知的基础条件,结合人员可靠性分析方法,对影响人员的人机交互界面质量、人为差错的训练水平等内容进行研究,还可以对人为差错辨识、规避差错的措施等进行深入的分析。相关人员的技术操作和专业知识程度也对压力容器的质量和安全性能产生一定的影响,专业技术水平过硬,压力容器的生产质量就会越来越好,相反,相关人员素质水平过低,则安全性和质量层面的性价比就会大打折扣,所以说相对高素质高技能的人士操作为进行低温压力容器安全和改进创造更好的条件。

2.3防腐措施控制

压力容器的很多制造材料都具有一定的抗腐蚀性,最初设计的时候要考虑到不同材料之间对于抗腐蚀性的适应能力,如果有些材料抗腐蚀性比较差就应该采取相应措施来解决。为了更好的提高材料抗腐蚀性能,可以在材料的制造过程中假如一些缓蚀剂,能够大大的减少材料本身对金属制品带来的腐蚀性,可以延长压力容器的使用寿命,并且减少一些安全事故的发生概率。焊接的同时,可以使用氩弧焊打底,既能够保证焊接的质量还可以保证其使用寿命的增加,并且在焊接过程中都要有一个严格检查的过程,不要因为焊接质量过快而带来一些腐蚀速率的加快。那就得不偿失了。化工压力容器防止腐蚀的另外一个办法就是使用一些更好材料作为防腐蚀材料的构成,比如说不锈钢、复合钢板等材料。包括一些涂抹防腐涂料的使用,可以很好的延长压力容器的使用寿命,相对来说减少化工容器的腐蚀度,有效的阻挡腐蚀电流。也可以更好的保证压力容器的使用安全。有些特殊的工况需要对容器进行热处理,包括一些焊接热处理的性能改善,热处理之后应该按照相关标准返修,保证容器可以长久使用,做到及时维护[4]。

2.4压力容器的质量控制

(1)严格审核设计文件。将要被制作的压力容器总图上一定要有“特种设备设计许可”印章,才能被审核通过;图纸标题栏里要有设计人、审核人和校审人员的签名,还要有“过程强度计划书”,并填写工艺审图记录等文件才能最终被制作,缺一不可,这是加强对钢制压力容器质量控制的首要条件。(2)加强材料控制。加强对钢制压力容器质量的控制首先要求制作压力容器的钢板、管件、锻件和焊接材料等要严格符合材料标准,具有材料的质量合格书,其中的机械性能和化学成分都要在标准范围内;其次对材料的质量证明书有怀疑的,要对材料进行严格的复验,一旦结果不合格,要立即退货,严禁不合格的材料被运用;再次经过检验合格的加工材料,要填写到“材料入库通知单”内,然后进行标记,标记内容有材料编号、厚度和材料牌号;最后在制作过程中,如果有受压材料代用,要先取得设计单位的批准,并在竣工图上做记录,严格控制加工材料的质量。式中μr、μS和σr、σS分别为强度和应力的均值和标准离差。令y=r-S,则y也是正态分布,其均值和标准离差分别为:β称为可靠性系数,即,当μr、σr、μS、σS确定后,即可计算出可靠性系数β,而β与R的一一对应关系可查有关资料中的正态函数表,即由β可查出该容器可继续使用的可靠度R(或允许破坏概率F)。

3随机参数的估计与分析

应力参数。筒体以周向应力为计算基础,以材料的屈服强度为工作极限,由压力容器的应力计算公式,其应力。式中,P——设计压力,MPa。R2——圆筒平均半径,mm。δe——有效厚度,mm。σt——在设计温度下的计算应力,MPa。应用基本函数法,应力的均值和标准差分别为:式中,设计压力P——取设计温度下容器顶部最高压力为:μP,取压力偏差的1/3为σP。有效壁厚δe——将筒体腐蚀表面清理干净并打磨出金属光泽后测量出一组(20~50点)数据,则可计算出其均值μδe和标准差σδe。圆筒平均半径R2——实测出一组(20~50处)外圆周长,换算为外径数据,则可计算出外径均值和标准差。按照平均半径=(外径—壁厚)/2,计算出平均半径的均值μR2和标准差σR2。

4工程实例

某在用钢制压力容器壳体材料:16MnR,设计压力P=8±0.5MPa,温度:常温,壳体内径:φ1000mm,原名义壁厚:28mm,焊缝系数:1.0。经检查壳体内壁发生均匀腐蚀,取下一检验周期的腐蚀裕量为2mm。现对该容器是否可以在下一周期继续使用进行可靠性分析。

4.1壁厚测量数据计算(单位:mm)

计算结果为:考虑到下一检验周期的腐蚀裕量,则选取μδe=25.07-2=23.07mm,σδe=0.39mm。

4.2筒体外圆周长测量数据计算(单位mm)

将其换算为一组筒体外径数据后,计算结果为:按照公式:平均半径=(外径—壁厚)/2,进一步计算出:μR2=516.49mm,σR2=0.61mm。

4.3设计压力

取μP=8MPa,σp=0.5/3=0.167MPa。

4.4强度极限

选取材料屈服极限作为强度工作极限,则:μr=325MPa,σr=0.07×325=22.75MPa。计算μS、σS计算β

4.5查正态函数

由β=6.27查出可靠度R=0.999999999,即允许破坏概率F为10~9以下。

4.6结论意见

若按常规设计方法进行强度校核,计算厚度应为:式中[σ]t取值为16MnR常温下的抗拉强度许用应力,该容器筒体壁厚由于均匀腐蚀现已减薄到25.07mm,小于计算厚度,若根据常规设计结果,应当立即停止使用。而现在按可靠性分析方法进行校核,可知其可继续使用一个周期的可靠度高于99.9999999%。

5结语

可靠性设计具有很多设计方面的优点,这些优点可以很好的辅助设计人员进行相关的优势设计,对于可靠性的强度分析也是很有帮助的。根据可靠性分析的特点,结合了一些常规性设计的有点来说,可靠性的分析方法对于压力容器的实验也可以得到很好的应用。对于强度的校验分析也很有帮助。这种方法可以能在预设的被允许破坏的概率下更好的计算出压力容器的壁厚厚度,同时也可以在损耗的状态下其可以继续使用的可靠强度,包括能耗状态下的继续使用可靠度。也可以为相关人员做决定的时候会有可靠的依据作为参考。压力容器的强度在进行校验之前,需要按照与压力容器检验有关的相关说明进行详细的检查和测定,在不违背相关法律法规的前提下才可以进行高强度的校验分析,文章对于压力容器的使用和铸造焊接工艺进行了分析,对于可靠性的分析方法应用和范围内的压力容器计算也提供了参考依据。对于进行热处理的工艺和相关科学计算方法也都需要严谨认真的对待,相关工艺流程的参考标准也都有了实例,一定要在采取安全措施保证处理措施到位的情况下才可以进行相关工作进展。

参考文献

[1]国家技术监督局.钢制压力容器.北京:中国标准出版社,1998.

[2]应锦春.现代设计方法.中国科学技术出版社,1990.

[3]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB150.4-2011压力容器第4部分:制造、检验和验收.中国标准出版社,2011。

[4]国家能源局.NB/T47015-2011.压力容器焊接规程.中国标准出版社,2011。

作者:张泉 蔡金桥 李宗强 单位:辽河石油勘探局有限公司物资分公司

可靠性分析在压力容器检验的应用

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