摘要：压力容器在设计时事先考虑全寿命过程中可能的主要失效模式和损伤机理产生的风险对设备安全性与寿命的影响，通过合理选材，改进结构设计、优化制造工艺等措施，在设计、制造早期控制和降低压力容器在使用过程中的风险，并结合从工艺流程上采取的措施，使其安全服役到预定的设计寿命。
关键词：失效模式和损伤机理；控制；预防
压力容器事故的主要原因是受压元件的失效。由于压力容器本身具有的爆炸能量，以及所含介质外泄可能导致的次生灾害，都会危害容器附近的人员和设施，因此在各行各业使用的压力容器本身就具有一定的风险。压力容器破坏的原因可以从内因和外因两方面分析，外因指介质的压力，温度和腐蚀特征等。内因是指结构材料的内在缺陷。为了防止事故的发生，提高设备的利用率，必须从设计，选材，制造工艺，安装，使用和检验各环节加以控制。在《固定式压力容器安全技术监察规程》中引入设计阶段的风险评估要求，对高参数，高危险性的Ⅲ类压力容器开始进入基于失效模式的设计和风险控制的尝试性工作，目的在于在设计阶段全面分析压力容器可能出现的失效模式，更可靠地进行设计，保障压力容器的的本质安全，对于压力容器安全管理人员和作业人员进行安全控制具有重要的辅助作用。
1.风险评估———容器的失效与破坏
1.1容器的失效模式
压力容器由于载荷或温度过高而失去正常工作能力称为失效。其表现形式一般有三种情况:(1)强度不足。即在确定的压力或其他载荷下，容器发生过量塑性变形或破裂。(2)刚度不足。即容器不是因强度不足而发生过量塑性变形或破裂，而是由于弹性变形大而导致运输安装困难或丧失正常工作能力。(3)失稳。即在压应力的作用下，容器形状突然改变而不能工作。
1.1容器在使用中的失效模式
除了传统设计考虑的失效模式外，容器在使用中的失效模式有二类，其一是泄漏，可能由器壁减薄、焊缝(角焊缝)缺陷、法兰连接密封结构失效等引起;其二是开裂，可能有冷裂纹、再热裂纹、应力腐蚀开裂等。
1.3容器的破坏型式
压力容器的失效不一定就是破坏，压力容器的破坏则是各失效类型中为数较多的一种方式。按压力容器的破坏型式及机理，通常分为延性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏，疲劳破坏和蠕变破坏五种。腐蚀破坏包括均匀腐蚀和断裂腐蚀。应力腐蚀是断裂腐蚀中的一种。本容器的主要破坏型式为前三种。
1.4容器破坏产生的危害
由于储罐内介质为丙烷，是易燃易爆的液化气体，在空气中爆炸下限为2.37%，其爆炸上限为9.5%，当容器发生破裂或介质外漏时就会很容易引起爆炸，产生灾难性后果。这主要表现其一是冲击灾害，主要指爆炸碎片及爆炸时的冲击波对建筑物、设备及人员的伤害;其二是火灾，易燃易爆物料的喷出遇明火或静电火花作用引起燃烧爆炸，称二次爆炸。
2.失效分析及预防措施
2.1常规设计对失效的控制
常规设计法，以弹性失效为准则，以薄膜应力为基础，限定最大薄膜应力强度不超过规定的许用应力值。GB150 在总体上采用的是常规设计法，不区分应力性质及危险程度，采用区分载荷和结构给出不同的系数。
2.1.1 强度失效的型式
(1)过度变形失效:指容器在总体上或局部区域发生了不可恢复的明显的塑性变形，如总体上大范围鼓胀，或局部鼓胀，不能再保障使用的安全性。
(2)延性断裂:容器发生了有充分塑性变形的破裂失效。在断裂前产生显著的塑性变形，延性断裂只有在器壁整个截面上材料处于屈服状态下才会发生。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.1.2过度变形失效产生的原因
(1)容器的壁厚过薄。器壁大面积使壁厚尖薄，在正常的工作压力下器壁一次薄膜应力超过材料屈服极限，使受压部件整体屈服而弹性失效。
(2)由于不正常操作容器过量超装(介质装量系数 ＞0.95)，使气相空间缩小，在环境温度升高时，压力急剧增大，导致壳体膨胀变形过大，弹性失效，引发破裂(爆炸)。
(3)过度变形包括刚度失效，如法兰的刚度不足而引起扭转位移与转角过大，或法兰盘翘曲而导致密封破坏。
(4)不可预见的自然环境温度升高，超过设计温度，如:气候变暖、周围发生火灾等，使设备内压力增大，导致壳体弹性失效，引发破裂(爆炸)。
(5)不可预见的高于地震设防烈度 8 度(本设备所采用的标准鞍座的地震设防烈度 为8 度)的自然灾害引起的设备倾覆:由地震引起的倾覆力矩使螺栓拉应力过大，螺栓变形、变细最终拉断失效;由地震里引起的地脚螺栓剪应力过大使螺栓断裂;由于地震载荷引起的水平地震力在支座腹板与筋板组合截面内产生的压应力超过鞍座材料的许用应力值导致设备倒塌、变形破裂。
2.1.3过度变形失效预防措施
(1)为防止大气氧化腐蚀(均匀腐蚀)，在容器的设计中取足够的腐蚀裕量，并确定经济的使用寿命，设备表面防腐处理。(2)在设备在用期间或检验时重点进行测厚检查。(3)严格控制介质的充装量，介质装量系数≤0.9。(4)在设计中选用压力和刚性足够的带颈对焊管法兰，选用金属缠绕垫片和高强度专用级螺栓组合． 安装螺栓对称安装，使法兰均匀受力，预紧力不超过允许范围。(5)在突发事件发生时，应使设备降温，如:用水喷淋等;得到国家地震预测报警后，可将罐内物料排空转移，停止使用。
2.2脆性破坏
(1)脆性破坏的特征 容器在脆性破坏时没有明显的塑性变形，且根据破坏时的受载情况计算，器壁的薄膜应力低于材料的屈服极限，因而危害更大。其断口的形貌平直，有金属光泽。(2)脆性破坏产生的原因 低温的影响使材料韧性降低和结构件存在缺口等应力集中。对压力容器脆性破坏来说，裂纹性缺陷影响甚至比温度影响更大。当结构件内部裂纹缺陷的尺寸达到一定值后，即使材料具有较高的冲击韧性，仍可能发生脆性断裂。(3)脆性破坏的预防 提高焊接质量是防止脆性破坏的重要措施。无论是容器在水压试验中和使用时发生脆性破坏，其断裂部位往往是以焊接接头处开始。这是因为脆性破坏直接与缺口的存在和材料韧性的降低相关，而焊接接头很容易具备这两个条件。一方面是焊接接头内部总是存在微裂纹;另一方面，在焊接接头的热影响区总存在不同的金相组织，从而使焊接接头的断裂韧性比母材差。因此，提高焊接质量对于防止容器脆断尤为重要。
2.3提高焊接质量的主要措施有
(1)设计合理的焊接结构。不仅要尽量设法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，以避免焊缝本身和其它部位的应力集中相互迭加，造成更为复杂的应力状态。(2)制定合理的焊接工艺。如焊前预热、焊后缓冷、焊后消除应力热处理等。(3)对压力容器进行定期检验。主要是对焊缝的检验，采用表面探伤和超声检测，检验重点是有否存在裂纹。
3.结论
液化石油气储罐在设计时应当充分考虑在使用过程中可能出现的各种失效模式，通过采取各种预防措施，达到风险控制的有效的效果。
参考文献
［1］国家质量监督检验检疫总局.TSGR0004－2009固定式压力容器安全技术监察规程［S］．北京:新华出版社，2009．
［2］陈钢，宋继红．固定式压力容器安全技术监察规程释义［M］．北京:新华出版社，2009:244 －249．
［3］国家技术监督局，GB150－1998 钢制压力容器［S］．北京:中国标准出版社，1998．5．
论文作者:赵成柱
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/24
标签：应力论文; 容器论文; 脆性论文; 压力容器论文; 塑性论文; 裂纹论文; 螺栓论文; 《基层建设》2017年第31期论文;