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高压容器设计、运用与防腐技术前沿 【摘要】近代以来，化工及石油化工的蓬勃发展使化工容器出现了大型化、高参数(高压、高温、低温)及选用高强材料的趋向，因而高压容器在设计、运用与防腐管理等方面都出现了一系列的新问题，如最优化、运用前景、腐蚀与防腐等。这些问题按常规的容器设计与维护思维方法是无法解决的，这些工程问题的出现大大推动了容器设计与维护理论的发展。 一、化工容器的设计准则发展 为防止化工容器发生上述各种形式的失效，近代化工容器设计的重要特点就是必须考虑采用相应的设计准则。目前在化工容器已被采用的设计准则有如下几种： 1.弹性失效设计准则 这是为防止容器总体部位发生屈服变形，因而将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下，保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效。 2.塑性失效设计准则 容器某处(如厚壁筒的内壁)弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个壁厚进入全域屈服的状态称为塑性失效状态，若材料符合理想塑性假设，此时载荷不需继续增加，其变形会无限制地发展下去，故称此载荷为极限载荷。将极限载荷作为设计的依据并加以限制，以防止发生总体塑性变形，称为极限设计。这种“极限设计”的准则即为塑性失效设计准则。 3.爆破失效设计准则 非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力，对于容器(主要是厚壁的)在整体屈服后仍有继续增强的承载能力，直到容器达到爆破时的载荷才为最大载荷。若以容器爆破作为失效状态，以爆破压力作为设计的依据并加以限制，以防止发生爆破，这就是容器的爆破失效设计准则。 4.弹塑性失效设计准则 如果容器的某一局部区域，一部分材料发生了屈服，而其他大部分区域仍为弹性状态，而弹性部分又能约束着塑性区的塑性流动变形，结构处于这种弹塑性状态可以认为并不一定意味着失效。只有当容器某一局部弹塑性区域内的塑性区中的应力超过了由“安定性原理”确定的许用值时才认为结构丧失了“安定”而发生了弹塑性失效。因此安定性原理便是弹塑性失效的设计准则，亦称为安定性准则。 5.疲劳失效设计准则 为防止容器发生疲劳失效，只有将容器应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在由低周疲劳设计曲线确定的许用应力幅之内时才能保证在规定的循环周次内不发生疲劳失效，这就是疲劳失效设计准则。 6.断裂失效设计准则 由于压力容器中难于避免裂纹，包括制造裂纹和使用中产生或扩展的裂纹(如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等)，为防止因严重缺陷而导致发生低应力脆断，可按断裂力学原理来限制缺陷的尺寸或对材料提出必须达到的韧性指标，这便是防脆断设计。防脆断设计并不意味着允许新制造的容器可以存在裂纹，而是对容器使用若干年后的一种安全性估计。对于新制造的容器，设计时是假定容器内产生了一个相当大的可以检测到的裂纹，通过断裂力学方法可以对材料的韧性(主要是指断裂韧性)提出必须保证达到某一要求以使容器不会发生低应力脆断。而对于在役的容器如果检测出裂纹，也可以用断裂力学方法来评价这一裂纹是否足够安全，这就是压力容器的缺陷评定。这些都是基于断裂失效设计准则的方法。 7.蠕变失效设计准则 设计时将高温容器筒体的蠕变变形量(或按蠕变方程计算出的相应的应力)限制在某一允许的范围之内，便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效，这就是蠕变失效设计准则。 8.失稳失效设计准则 外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核，这就是失稳失效的设计准则。 二、高压容器的材料选用 （一）选材原则与主要性能指标 超高压容器工作条件比较苛刻，除了承受高压之外，还常常伴有交变载荷或冲击载荷，有时还伴有高温和介质腐蚀作用。因此，为了确保超高压容器的安全，正确选用结构材料是非常重要的。超高压容器结构材料的选择，除应满足一般压力容器选材的要求外还应特别注意材料强度与塑性的合理匹配，断裂韧性、疲劳强度、可锻性、硫磷含量等。 （二）强度与塑性 选择超高压容器材料时，不能只从强度方面考虑，认为材料强度愈高愈好，材料强度提高后，往往会使塑性和韧性降低，导致产生脆断的危险。因此，提高强度要有个极限，一般使屈强比在0.8～0.9的范围内，有时甚至要降低强度以满足塑性、韧性的要求，使材料有足够的韧性储备，以便于吸收局部的高峰值应力和抵抗冲击性载荷。 (三) 断裂韧性 超高压容器在制造加工和使用过程中，不可避免地会产生一些缺陷，由于缺陷的存在，难以预料的低应力脆断倾向便会增加，为了避免容器低应力脆断的发生，必须要求材料有较高的断裂韧性。根据对强度及断裂韧性的试验，发现不同的冶炼方法对材料强度的影响较小，而对断裂韧性却有较大的影响。在空气中冶炼的钢，其断裂韧性最差，而真空冶炼加电渣重溶或真空自耗电极重溶的钢其断裂韧性最高，因此选择材料时必须注意钢材的冶炼方法。通常