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      幾種常見壓力容器的失效形式

      2016-10-21 16:19:57馬輝宋娜郭廣棟
      科技與企業(yè) 2016年4期
      關(guān)鍵詞:失效壓力容器

      馬輝 宋娜 郭廣棟

      【摘要】介紹壓力容器失效形式,重點介紹儲罐、換熱器、塔等幾種常見的壓力容器的失效機理,分析原因并提出相應(yīng)的修復(fù)措施及設(shè)計準(zhǔn)則。

      【關(guān)鍵詞】壓力容器;失效;應(yīng)力腐蝕;設(shè)計準(zhǔn)則

      1、引言

      壓力容器是承載壓力的密閉設(shè)備,廣泛應(yīng)用在石化、能源、核電、軍工等各個領(lǐng)域,由于介質(zhì)腐蝕性、載荷壓力、材料缺陷等各種原因,壓力容器易發(fā)生各種形式的失效,導(dǎo)致生產(chǎn)停產(chǎn)、設(shè)備損壞、介質(zhì)泄露,甚至?xí)?dǎo)致爆炸,造成災(zāi)難性事故。因此,了解壓力容器失效形式,找出引起失效的因素并提出預(yù)防措施,具有重大現(xiàn)實意義。

      本文針對幾種在工業(yè)生產(chǎn)中常用的壓力容器,具體介紹其普遍發(fā)生的失效形式,分析產(chǎn)生失效的原因并給出相應(yīng)的預(yù)防措施,以求設(shè)備安全運行。

      2、儲罐失效

      儲罐的失效形式主要有表面損傷失效、斷裂失效、泄露失效等。

      2.1表面損傷失效

      磨損、接觸疲勞、腐蝕等均可造成表面損傷,由于儲存的氣體或液體中大多含有氫、硫、氯離子等,儲罐最容易發(fā)生的是應(yīng)力腐蝕引起開裂。常見的液化石油氣儲罐,介質(zhì)中含有水和硫化氫,形成具有腐蝕條件的濕硫化氫環(huán)境,在焊縫及附近的影響區(qū),存在焊接殘余應(yīng)力和冷加工殘余應(yīng)力,同時殼體又受到工作壓力,此時低合金高強度鋼將會導(dǎo)致氫致開裂型應(yīng)力腐蝕,形成微裂紋,在外加拉伸及殘余拉伸應(yīng)力作用下,最終擴展成裂紋導(dǎo)致破壞。為防止應(yīng)力腐蝕發(fā)生,首先應(yīng)合理選材 。Ni、Mn、Si、S、P等元素有利于應(yīng)力腐蝕的發(fā)生,設(shè)計中要限制其含量。其次要降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度,消除焊接殘余應(yīng)力。在容器焊后進(jìn)行熱處理,可以殘余應(yīng)力,降低淬硬組織硬度,提高抗腐蝕性。此外還應(yīng)按要求對儲罐及時進(jìn)行全面檢查,掌握設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的程度,及時消除隱患。

      2.2斷裂失效

      韌性斷裂失效是因儲罐承受的壓力超過材料的屈服極限,材料發(fā)生屈服或全面屈服,當(dāng)壓力超過材料的強度極限時,則發(fā)生斷裂。最經(jīng)常導(dǎo)致儲罐韌性斷裂失效的原因是過量充裝,因此應(yīng)嚴(yán)格按照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》,裝填量不得大于0.95。

      脆性斷裂失效是指儲罐在正常壓力范圍內(nèi),無塑性變形的情況下突然發(fā)生的破裂稱為脆性斷裂失效。脆性斷裂在較低應(yīng)力時發(fā)生,安全閥不會動作,因此后果比韌性斷裂嚴(yán)重。脆性斷裂主要是由材料脆性和缺陷導(dǎo)致,即低溫、長期在高溫下運行使材料脆化,材料原始缺陷和焊接缺陷等。因此在選材時保證材料無夾渣、分層,焊后退火熱處理消除儲罐的殘余應(yīng)力,并定期對儲罐進(jìn)行檢驗,重點對裂紋性缺陷進(jìn)行檢驗和無損探傷。

      2.3泄露失效

      儲罐盛裝的多是易燃易爆、受熱膨脹和腐蝕性強的介質(zhì),一旦泄漏,極易與空氣混合形成爆炸性混合物,容易發(fā)生爆炸燃燒,造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。導(dǎo)致泄露的原因可能多種:儲罐原材料存在缺陷;焊接質(zhì)量不符合要求;罐壁、罐底受到腐蝕變?。贿^量盛裝或超壓;閥門法蘭密封墊片老化;高溫烘烤使罐體內(nèi)部產(chǎn)生高壓;機械碰撞使容器損壞;人為操作失誤等等。為防止泄露,必須保證罐體的耐壓強度,消除焊接等質(zhì)量缺陷,設(shè)備材料具有一定的防腐性能,防止應(yīng)力腐蝕等造成的器壁變薄,管道盡量采用無縫鋼管,罐體定期進(jìn)行檢測、維修。

      3、換熱器失效

      換熱器主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度,是提高能源利用率的主要設(shè)備之一,其中列管式換熱器采用最廣泛,其常見失效形式主要為結(jié)垢和泄漏。

      3.1結(jié)垢

      結(jié)垢會導(dǎo)致傳熱效率下降,過水?dāng)嗝鏈p小,水力阻抗增加,動力消耗增多,造成能源浪費[1]。造成的垢下腐蝕會導(dǎo)致泄漏,給安全生產(chǎn)帶來隱患,嚴(yán)重時會導(dǎo)致事故的發(fā)生,同時也縮短了設(shè)備的使用壽命。

      影響結(jié)垢的因素有操作參數(shù)(流體速度,換熱面溫度,流體溫度),流體性質(zhì),換熱器參數(shù)(材料,換熱器表面構(gòu)造,換熱器構(gòu)型)。流體速度的提高可以引起沉積物脫卸速率的增加;換熱面溫度對化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢及負(fù)溶解性鹽類的析出結(jié)垢有顯著的影響;換熱面污垢熱阻一般隨流體主體溫度增加而增大。因此,針對操作參數(shù),可通過采取提高流速,控制水溫的措施來緩解垢污的沉積。溫度,壓力和流速等均不可波動太大,否則會加劇結(jié)垢腐蝕,降低傳熱效果,縮短使用壽命,甚至造成損壞。

      3.2泄露

      管束與管板之間的連接方式有焊接及脹接。脹接不存在溫度變化和嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕,比較理想,但由于對管束端部表面質(zhì)量、硬度、管板的機加工精度、脹管經(jīng)驗要求很高,因此大多數(shù)換熱器管束都采用焊接方式,但該方式管子與管板間存在著一定的間隙(死區(qū)),在間隙內(nèi)流體不流動,容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,焊縫處很容易產(chǎn)生間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕。如果采用脹焊結(jié)合,既可降低對管孔的加工精度、管束的表面光潔度、硬度等參數(shù)的要求,又消除了間隙,從而消除間隙腐蝕與應(yīng)力腐蝕,實現(xiàn)減少泄漏的機率的目的[2]。

      管束及殼體的泄漏主要是由于在運行過程中流體及結(jié)垢的腐蝕造成的。同時,振動也是造成管束磨損、開斷、以及導(dǎo)致管板與管子連接處產(chǎn)生間隙,從而造成泄漏的重要原因。針對管束和殼體的腐蝕,我們應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)谋pB(yǎng)措施確保裝置的正常運行。保養(yǎng)方法主要是定期檢查和清洗垢污。對于振動,可采取加緩沖器,降低管內(nèi)流體速度,增加支撐等方法解決。

      4、壓力管道失效

      壓力管道主要失效形式主要有振動和腐蝕。

      4.1管道振動

      一般的生產(chǎn)線是由動、靜設(shè)備通過管道串聯(lián)來完成工藝流程的。在壓力和流速的作用下,管道壁上會承受流體動壓力。在生產(chǎn)中,非定常的管流會引起管道的振動。動力設(shè)備、流體輸送機械操作振動和外部環(huán)境的激勵使管道產(chǎn)生隨機振動。管線若長期受到振動會產(chǎn)生疲勞破壞,尤其是在應(yīng)力集中處。疲勞破壞可進(jìn)而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄,引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為消除管道振動,可以在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊,在管道的固定支撐的部位放置緩沖器,縮短支承點距離,在動設(shè)備進(jìn)出口設(shè)置緩沖器,盡量減少使用彎頭等。

      4.2管道腐蝕

      管道腐蝕又主要分為外壁腐蝕及應(yīng)力腐蝕兩種。外壁腐蝕主要是由于管道在大氣環(huán)境或有害介質(zhì)的環(huán)境中,天長日久產(chǎn)生的外管壁均勻腐蝕和局部腐蝕。管道的保溫,通常采用玻璃纖維棉或珍珠巖等保溫保冷材料,外包鍍鋅板或鋁板,因管道相鄰設(shè)備或管道的滴漏現(xiàn)象,造成腐蝕性介質(zhì)對防護(hù)金屬板的腐蝕破壞,并在保溫層內(nèi)積存;另外由于防護(hù)金屬板的接縫有縫隙,使雨水將保溫材料的可溶性物質(zhì)溶解。當(dāng)這些腐蝕性介質(zhì)和可溶性目有腐蝕性的溶解物質(zhì)在保溫層中積聚后,不斷受熱濃縮,加劇了對管道的腐蝕,甚至引發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋。它往往發(fā)生于管道的上下側(cè)和易積液部位,腐蝕最嚴(yán)重處位于管道的底部[3]。

      應(yīng)力腐蝕裂紋及斷裂是管道在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下發(fā)生的破壞。管道應(yīng)力腐蝕破壞主要發(fā)生于主蒸汽管線、旁路管線及輸送含有氯化物介質(zhì)的奧氏體不銹鋼管道。應(yīng)力腐蝕裂紋多發(fā)生于管道的縱、環(huán)焊縫及熱影響區(qū),伴有嚴(yán)重的孔蝕及其它一般性腐蝕。腐蝕性介質(zhì)、溫度因素和應(yīng)力集中是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要根源。為盡可能消除應(yīng)力腐蝕,可采用退火消除材料的內(nèi)部拉應(yīng)力,控制焊縫化學(xué)成分,控制應(yīng)力水平,定期檢查。

      5、結(jié)束語

      本文介紹了幾種壓力容器失效形式,分析引起失效的因素并提出相應(yīng)的設(shè)備預(yù)防失效措施,為減少安全事故、提高設(shè)備安全可靠性、保證企業(yè)經(jīng)濟效益提供了一些經(jīng)驗參考。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 趙本興。換熱器結(jié)垢原因分析及阻垢防腐蝕措施的設(shè)計[J]。全面腐蝕控制,1997

      [2]李立國。淺議大型靜設(shè)備的泄漏檢修[J]。 科技致富向?qū)В?010

      [3] 喬禎遴。在役壓力管道的失效與安全使用[J]。石油化工設(shè)備技術(shù),1999

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