压力容器如何防止应力腐蚀

1、化工设备与管道w w w . t c e d . c o m第47卷第3期2010年6月化 工 设 备 与 管 道PROCE S S EQUIPME NT &PIPIN G Vol. 47 No. 3J un. 2010压力容器在设计制造过程中如何防止或避免应力腐蚀开裂李清1, 陈吉圣2(1. 大连市化工设计院有限公司, 辽宁大连 116023; 2. 林德工程(大连 有限公司, 辽宁大连 116100 摘 要:通过对应力腐蚀的特点及影响因素、裂纹形态的分析, 提出避免应力腐蚀开裂的防控措施, 为压力容器设计人员和制造单位提供参考。关键词:应力腐蚀; 应力集中; 应力腐蚀开裂中图分类号

2、:T Q 050. 9+6文献标识码:A 文章编号:1009-3281(2010 03-0006-03How to Pro tec t or Av oid Crack Du e to St res s Corros io n inManufact ure of Pres su re Ves selLI Qing 1, CHEN J i-s he ng2(1. Dalian Chem ical Design Institute C o. , Ltd, Dalian 116023, China; 2. L inde Engineering (Dalian C o. , L td, Dalian 1

3、16100, ChinaAbs tract : Throug h the ana ly sis of t he cha racterist ics, the influence factors a nd the cra ck shape of s tres s corrosion, som e prev ent ion m ethods were proposed, which can be referenced by pressure ves sel designers and m a nufacturers. Keywords: stress corrosion; s tres s con

4、cent rat ion; cra cking due st ress corrosion收稿日期:2010-01-21作者简介:李清(1965 , 男, 辽宁省大连市人, 工程师。主要从事压力容器设计、校对、审核工作。随着石油、化工行业的迅速发展, 使得压力容器在这些行业中的应用越来越广泛。由于新材料、新工艺的不断出现, 国家或行业标准和规范的逐步更新、完善, 有效地保证了压力容器产品在使用过程中能够安全、可靠地运行。但是, 由于环境因素或结构的不合理等, 有些地方的石油、化工企业的压力容器, 在使用过程中出现了由应力腐蚀导致应力腐蚀开裂的现象, 造成了设备的毁坏和财产的损失。因此, 如何防

5、止或消除应力腐蚀开裂, 从而避免给企业造成巨大经济损失, 就显得尤其重要。1 应力腐蚀的特点(1 合金比纯金属更容易产生应力腐蚀; (2 拉应力是必要条件, 包括残余应力和外加应力等;(3 应力腐蚀环境是特定的;(4 产生应力腐蚀断裂时, 宏观上是脆性的; (5 一定的温度;(6 应力腐蚀断裂可分为裂纹的成核和扩展两个过程, 总的断裂时间取决于具体环境和应力大小, 短的几分钟, 长的达到几年。2 影响应力腐蚀的基本因素大多数的合金, 包括钢、铝、钛、铜和镍基合金,都会遇到应力腐蚀问题。但是, 并非每种合金, 每种环境都会产生应力腐蚀, 而必须在应力、材料(合金 和环境的特定组合下才能产生。2.

6、 1 产生应力腐蚀的应力产生应力腐蚀的有效应力是拉伸应力。它是工程应力、残余应力和装配应力的叠加。在许多情况下, 仅残余应力就足以产生应力腐蚀。残余应力在许多制造和装配过程中都会产生, 如:焊接、扭转、冲压、铆接、过载的螺纹连接、过盈配合、不适当的热处理、制造中强行装配、结构设计不连续等。另外, 使用过程中还有加热速度的不均匀和热梯度的产生, 也会引起残余应力。应力腐蚀可在极低的载荷应力(如屈服强度的5%10%或更低的应力水平 产生。化工设备与管道w w w . t c e d . c o m2. 2 应力集中产生应力腐蚀, 首先要有应力集中源, 这就是表面裂纹或类裂纹缺陷。缺陷产生的原因很多

7、, 如:材料在制造过程中产生的裂纹; 在加工过程中的机械损伤缺口; 错误的热处理产生的裂纹; 焊接过程中产生的裂纹等等。有些零件或材料表面看起来无缺陷, 其实被氧化膜所覆盖。产生应力腐蚀开裂的过程是, 氧化膜因机械或化学物质的作用而破坏, 产生点蚀, 造成应力集中, 在应力和腐蚀介质的共同作用下, 形成裂纹, 此后便是裂纹的扩展, 直到最后的裂纹破裂。2. 3 腐蚀环境2. 3. 1 腐蚀剂能使一些碳钢和低合金钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢等产生应力腐蚀的腐蚀剂,如:无水液氨、湿H 2S 、醋酸、酸性硫化物、氯化物、N aCl 水溶液、热浓碱、海水等。这些腐蚀剂在整体溶液中往往是

8、微量组分或特定离子, 例如:百万分之几的氯化物水溶液就能使奥氏体不锈钢产生应力腐蚀开裂。一般说来, 腐蚀剂的浓度越高, 应力腐蚀就越严重。2. 3. 2 温度应力腐蚀开裂程度随温度的升高而加剧。有些材料如:铝合金、镁合金, 在常温下就容易产生应力腐蚀开裂。另一些材料必须在沸腾的温度下才能产生应力腐蚀开裂。而大多数对应力腐蚀开裂敏感的材料, 一般发生应力腐蚀开裂的温度在120以下。对于奥氏体不锈钢, 除去对一些敏感材料外, 温度在50以下时, 对应力腐蚀开裂不敏感。也有一些材料, 在温度升高到某值以后, 反而没有应力腐蚀开裂的发生。2. 4 冶金因素影响应力腐蚀开裂的冶金因素, 有化学成分、晶粒

9、方向、尺寸、形状、沉淀相的成分和分布、轧制方向、回火温度、位错的相互作用和相变程度等。化学成分能显著改变给定合金材料的应力腐蚀开裂敏感性, 如:M g 含量超过4%的Al-M g 合金, 对应力腐蚀开裂敏感; 而Mg 含量少于4%的铝合金, 在所有的热处理状态下, 抗应力腐蚀开裂的能力都很强。钢中含碳量的不同, 对应力腐蚀开裂的影响不同。一般地, 含碳量低, 对应力腐蚀开裂较为敏感; 含碳量高, 较为抗应力腐蚀开裂。3 裂纹的形态应力腐蚀裂纹是沿晶或穿晶的。一般地, 同一类合金材料, 其应力腐蚀裂纹的形式是一样的, 如:碳钢、铜合金、镍合金、铝合金等, 其裂纹是沿晶界开裂; 奥氏体不锈钢、镁合

10、金等主要是穿晶开裂; 而钛合金的开裂, 两种情况都存在。沿晶开裂的必要条件是合金中存在晶界沉淀物, 或者在紧靠晶粒周围有一个合金元素富集层或合金元素的贫乏区。穿晶开裂的裂纹具有沿某些结晶平面发展的金相特征。应力腐蚀裂纹的另一典型特征是具有容易分叉和大的二次裂纹。4 应力腐蚀开裂的控制4. 1 避免应力集中产生应力腐蚀的重要原因是有应力集中, 所以在设计和制造过程中, 应注意避免设备或零部件结构的不连续、突起, 在焊接或机加工过程中, 防止造成设备或零部件表面的划伤、表面裂纹及其他的一些不应有的缺陷, 以便避免应力集中。4. 1. 1 消除缝隙焊接、铆接、螺栓连接以及其他原因形成的缝隙, 是引起

11、应力腐蚀的主要原因之一。在缝隙里由于闭塞电池的原理, 溶液的化学性质和电化学性质起了显著变化。在有拉伸应力存在时, 会引起应力腐蚀开裂。缝隙中腐蚀产物的增加, 导致缝隙的不断扩大、开裂。所以, 在焊接时, 尽可能采用连续焊, 焊缝表面要圆滑过渡, 避免焊缝缺陷。焊接后, 有时需要进行必要的热处理。铆接和螺栓连接时, 要保证基本密封面的缝隙尽可能小。4. 1. 2 防止点腐蚀应力腐蚀开裂往往是从点蚀开始。由于腐蚀的作用, 在表面缺陷处形成小孔, 因此, 在有应力存在时, 便产生应力集中。在应力与腐蚀介质的共同作用下, 向纵深发展, 形成裂纹, 最终导致破坏, 所以必须予以防止。4. 1. 3 装

12、配应力由于结构设计不合理或由于形态奇异的关系, 很可能在某一部位形成应力集中。所以在设计时要注意采用合理的结构; 在制造安装时, 注意避免装配应力的发生。4. 1. 4 其他在有可能受到震动的部位, 应避免采用铆接连接; 避免锻件暴露横截面(断面 , 可将横断面保护起来, 对模锻件应尽量避免流线外露。(下转第18页化工设备与管道w w w . t c e d . c o m所示的报警螺杆及其安全联锁装置, 总体思路是报警螺杆需在所有D 形螺栓连接到位后方可旋入报警螺孔中, 反之卸压时, 压力未回零前, 报警螺杆无法旋出, 同时D 形螺栓也应无法松开。另外联锁装置中还包含有D 形螺栓的防松功能,

13、 详细结构这里不再具体介绍。除此之外, 螺栓孔的低位处可开一两个排水孔以防止连接螺栓积水而锈蚀。至于法兰、顶盖及D 形螺栓的零部件的受力分析及强度设计可参考G B 150及文献5, 7类似结构的分析说明。当然, 本结构中还另设置了图1所示的套箍, 该套箍可用厚板拼焊而成。其作用是为改善端部法兰处的受力状态, 能适当减小法兰锻件的厚度, 并便于安装开盖支座等。2 D 形螺栓过滤器快开盲板结构特点上述D 形螺栓过滤器快开盲板结构有如下特点:(1 具有抗剪螺栓连接结构的一般特点, 即连接安全可靠, 结构紧凑, 质量轻。由于顶盖置于端部法兰腔体内, 其直径和厚度均可以减小很多。其结构零件总体质量可比具

14、有同样内部空间的其他过滤器快开盲板结构减小25%40%, 且内径越大越明显。若采用凸形封头设计则厚度更薄、更省材。(2 结构装拆迅速。尽管旋转D 形螺栓的过程并非一次性完成, 需逐个进行, 但只需用小扳手旋转180°即可实现端部法兰与顶盖的连接和分离。对类似天然气过滤器盲板这种启闭不是太频繁的场合的应用应是较适合的。但螺栓连接部位也要注意防尘、防水等, 以避免长期使用锈蚀, 影响开启。(3 密封可靠。采用径向和轴向双“O ”形橡胶圈密封组件设计, 径向“O ”形圈为过盈配合, 轴向则具有自紧作用, 密封托环底部与法兰腔内凸缘处沿周向设置小弹簧实现轴向“O ”形圈初始预紧, 密封组件在

15、门盖的启闭过程中都不用从各自位置中取出, 操作简单。(4 加工方便。端部法兰和顶盖接触处的螺纹孔为一次性定位加工而成, D 形螺栓结构简单, 加工方便。3 结束语本文提出了新型D 形螺栓双“O ”形环密封过滤器快开盲板结构, 并对其进行了分析研究, 采用的是D 形螺栓连接顶盖和高颈法兰, 密封组件为径向和轴向布置的双“O ”形橡胶圈密封。该结构密封可靠, 结构紧凑, 加工装拆方便。可作为各种尺寸和压力使用的天然气过滤器盲板设备以及其他场合的顶盖密封装置。参考文献1 涂文锋, 胡兆吉, 裘雪玲, 等. 齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定J . 化工装备技术, 2005, 26(3 :40

16、-43.2 石秀兵, 王理成, 忻佳瑜, 等. 新型快开盲板的密封结构研究与有限元分析J . 上海煤气, 2007(3 :11-13. 3 陈平, 钱才富. 新型高压密封D 形轴向抗剪螺栓联接技术J. 压力容器, 2003, 20(4 :14-16. 4 陈平, 钱才富. D 形轴向抗剪螺栓压力容器端盖密封装置:中国, ZL02156886. 3P. 2006-11-01.5 陈平, 郝天才, 何卉, 等. 新型快开式D 形螺栓C 形环密封结构及强度分析J . 石油化工设备, 2008, 37(4 :22-26. 6 徐红波, 喻九阳, 常跃, 等. O 形密封圈的非线性有限元分析J . 武汉工程职业技术学院学报, 2006, 18(4 :21-24.7 陈平, 毛志伟, 段成红. 新型快拆式D 形螺栓n 形环密封结构强度分析J. 化工机械, 2008, 35(2 :76-79.(上接第7页4. 2 残余应力的消除和调整一般的机器或设备的零部件, 在电镀、铸造、加工、焊接后, 均会产生残余应力, 加重应力腐蚀的程度。4. 2. 1 热处理法消除一般将设备或零部件置于较高温度下数小时或数日, 进行长时间的保温, 然后进行缓冷。这种方法强调在一定的温度下进行, 虽然可以基本保证消除残