化工容器設計與防腐

1、化工容器設計、運用與防腐技術前沿化工容器設計、運用與防腐技術前沿 2021-7-211目錄 一、一、化化工工容容器器的的設設計計準準則則發(fā)發(fā)展展 二、二、高高壓壓容容器器的的材材料料選選用用 三、三、高高壓壓容容器器優(yōu)優(yōu)化化模模型型的的建建立立 四、四、近近代代優(yōu)優(yōu)化化設設計計方方法法的的應應用用 五、五、高高壓壓容容器器的的前前沿沿應應用用 六、六、高高壓壓容容器器的的腐腐蝕蝕與與防防腐腐 七、七、總總結結2021-7-212概論 近代以來，化工及石油化工的蓬勃發(fā)展使化工容器出現(xiàn)了大型化、高參數(shù)(高壓、高溫、低溫)及選用高強材料的趨向，因而高壓容器在設計、運用與防腐管理等方面都出現(xiàn)了一系列的

2、新問題，如最優(yōu)化設計、運用前景、腐蝕與防腐等。這些問題按常規(guī)的容器設計與維護思維方法是無法解決的，這些工程問題的出現(xiàn)大大推動了容器設計與維護理論的發(fā)展。2021-7-213一、化工容器的設計準則發(fā)展一、化工容器的設計準則發(fā)展 為防止化工容器發(fā)生上述各種形式的失效，近代化工容器設計的重要特點就是必須考慮采用相應的設計準則。目前在化工容器已被采用的設計準則有如下幾種：2021-7-214 (1)彈性失效設計準則。這是為防止容器總體部位發(fā)生屈服變形，因而將總體部位的最大設計應力限制在材料的屈服點以下，保證容器的總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會發(fā)生彈性失效。 (2) 塑性失效設計準則 容器某處(如厚壁筒

3、的內壁)彈性失效后并不意味著容器失去承載能力。將容器總體部位進入整體屈服時的狀態(tài)或局部區(qū)域沿整個壁厚進入全域屈服的狀失效狀態(tài)，若材料符合理想塑性假設，此態(tài)稱為塑性時載荷不需繼續(xù)增加，其變形會無限制地發(fā)展下去，故稱此載荷為極限載荷。將極限載荷作為設計的依據(jù)并加以限制，以防止發(fā)生總體塑性變形，稱為極限設計。這種“極限設計”的準則即為塑性失效設計準則。2021-7-2152021-7-216圖一：強度應力圖 (3) 爆破失效設計準則 非理想塑性材料在屈服后尚有增強的能力，對于容器(主要是厚壁的)在整體屈服后仍有繼續(xù)增強的承載能力，直到容器達到爆破時的載荷才為最大載荷。若以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破

4、壓力作為設計的依據(jù)并加以限制，以防止發(fā)生爆破，這就是容器的爆破失效設計準則。2021-7-217 (4) 彈塑性失效設計準則 如果容器的某一局部區(qū)域，一部分材料發(fā)生了屈服，而其他大部分區(qū)域仍為彈性狀態(tài)，而彈性部分又能約束著塑性區(qū)的塑性流動變形，結構處于這種彈塑性狀態(tài)可以認為并不一定意味著失效。只有當容器某一局部彈塑性區(qū)域內的塑性區(qū)中的應力超過某一確定的許用值時才認為結構發(fā)生了彈塑性失效。 (5) 疲勞失效設計準則 為防止容器發(fā)生疲勞失效，只有將容器應力集中部位的最大交變應力的應力幅限制在由低周疲勞設計曲線確定的許用應力幅之內時才能保證在規(guī)定的循環(huán)周次內不發(fā)生疲勞失效，這就是疲勞失效設計準則。2

5、021-7-218 (6) 蠕變失效設計準則 設計時將高溫容器筒體的蠕變變形量限制在某一允許的范圍之內，便可保證高溫容器在規(guī)定的使用期內不發(fā)生蠕變失效，這就是蠕變失效設計準則。 (7) 失穩(wěn)失效設計準則 外壓容器的失穩(wěn)皺折需按照穩(wěn)定性理論進行穩(wěn)定性校核，這就是失穩(wěn)失效的設計準則。2021-7-219二、高壓容器的材料選用二、高壓容器的材料選用 （一）選材原則與主要性能指標 超高壓容器工作條件比較苛刻，除了承受高壓之外，還常常伴有交變載荷或沖擊載荷，有時還伴有高溫和介質腐蝕作用。因此，為了確保超高壓容器的安全，正確選用結構材料是非常重要的。超高壓容器結構材料的選擇，除應滿足一般壓力容器選材的要求

6、外還應特別注意材料強度與塑性的合理匹配，斷裂韌性、疲勞強度、可鍛性、硫磷含量等。 （二）強度與塑性 選擇超高壓容器材料時，不能只從強度方面考慮，認為材料強度愈高愈好，材料強度提高后，往往會使塑性和韌性降低，導致產生脆斷的危險。因此，提高強度要有個極限，一般使屈強比在0.80.9的范圍內，有時甚至要降低強度以滿足塑性、韌性的要求，使材料有足夠的韌性儲備，以便于吸收局部的高峰值應力和抵抗沖擊性載荷。2021-7-2110 (三) 斷裂韌性 超高壓容器在制造加工和使用過程中，不可避免地會產生一些缺陷，由于缺陷的存在，難以預料的低應力脆斷傾向便會增加，為了避免容器低應力脆斷的發(fā)生，必須要求材料有較高的

7、斷裂韌性。（四）疲勞強度 在超高壓容器設計中，器壁應力水平較高，選擇疲勞強度高的材料變得十分重要。鋼材中非金屬夾雜物以及磷、硫的存在，會大幅度地降低材料的疲勞強度。因此，選擇材料時，必須盡可能地減少夾雜物的含量，而采用真空冶煉則是減少夾雜物含量最有效的手段。2021-7-2111 （五）磷、硫等含量 鋼材中磷、硫含量對鋼材的韌性及各向異性也有顯著的影響。在高強度鋼中，夾雜物的數(shù)量越多，各向異性程度亦越大。此外，鋼中存在的化學成分的偏析也是構成各向異性的一個因素。因此，超高壓容器鍛件中的磷、硫含量應嚴格控制，均應0.015%。鋼中的氣體(如氫、氧、氮等)、有害雜質(如銅、鈦等)及有微量元素(如砷

8、、錫、銻、鉛、鉍等)也應嚴格控制，盡可能減少。 2021-7-2112三、三、高壓容器優(yōu)化模型的建立 數(shù)學模型的建立是高壓容器優(yōu)化設計過程中首要解決的問題，它對優(yōu)化問題的研究起著至關重要的作用。優(yōu)化設計數(shù)學模型建立的首要內容是把最能反映設計要求的量作為目標函數(shù)，把全部限制作為約束條件，即建立如下數(shù)學模型：2021-7-2113 (1)根據(jù)高壓容器簡體結構特點，高壓容器筒體的質量主要取決于筒體的內徑、長度及厚度，故選取簡體內徑、筒體長度L、筒體厚度、封頭壁厚作為設計變量(單位均為mm)，即：2021-7-2114 (2) 目標函數(shù)的確定 以高壓容器筒體的質量最小作為優(yōu)化目標，即: 式中，為筒體外

9、徑，mm；為封頭外徑，mm；為壓力容器材料體積質量，2021-7-2115 (3)約束函數(shù)的確定 約束函數(shù)應全面考慮壓力容器設計的要求和限制條件來確定，其主要內容如下： 1)容積的限制由筒體、封頭內徑和筒體長度所確定的容器殼體體積為: 2021-7-2116 其必須滿足容器所要求的全容積V，由此得到等式約束方程：2)除容積的限制條件,還應滿足強度條件、剛度條件、壓力實驗條件、容器長度優(yōu)化條件等，查閱資料可得這些設計準則公式，在此不一一贅述。2021-7-2117四、四、最新最新優(yōu)化設計方法的應用優(yōu)化設計方法的應用 (一) 數(shù)值分析法 現(xiàn)代壓力容器的分析設計、疲勞設計等等，其中必然要涉及到對容器

10、各種特殊部位的詳細應力分析，現(xiàn)成的理論解必竟是有限的，大部分情況將必須依靠現(xiàn)代的數(shù)值計算方法并借助電子計算機來完成。 最常用的數(shù)值計算方法是有限元素法。有限元素法是將連續(xù)的結構體離散為有限個單元，單元與單元之間僅靠節(jié)點相連，以此種有限數(shù)量的單元組合體來代替原有的連續(xù)體。然后對這種單元組合體建立起在外載荷作用下的支配方程，這是個大型聯(lián)立方程組，可編成計算機程序，由計算機完成全部計算。這可以用來解決桿系、板、殼、軸對稱與非軸對稱結構的節(jié)點位移、應變與應力的計算。只要單元選取合適，單元劃分愈細，數(shù)值解就愈能逼近真實。2021-7-2118 (二) 計算機輔助設計 將容器設計的標準計算方法編制成計算機

11、程序代替人工設計并用計算機完成繪圖，這就是現(xiàn)代的計算機輔助設計(CAD)。由計算機完成繪圖工作，顯然這可以大大提高設計工作的效率。用計算機代替人工繪圖是采用編制好的化工容器及化工設備繪圖軟件，根據(jù)設計人員的指令進行總圖與零部件圖的繪制。2021-7-2119 (三) 優(yōu)化設計程序 壓力容器的優(yōu)化設計就是有進行綜合決策功能的設計。設計時有三方面的參數(shù)需作處理：（1）結構的獨立設計參數(shù)(即設計參量)，如材料性能、設備尺寸、設計壓力與溫度等；（2）結構狀態(tài)參數(shù)(中間變量)，如應力、形變、壓力降等，這些需經計算分析后才能獲得；（3）結構性能參數(shù)，如成本、利潤、重量、容積、效率、功率或精度等，這些是設計

12、追求優(yōu)化的目標，因而稱為目標函數(shù)。優(yōu)化設計是通過優(yōu)化方法反復迭代演算，終結時得到能符合優(yōu)化目標的明確的最優(yōu)結果。顯然優(yōu)化設計必須依靠計算機進行，核心問題是選擇適當?shù)膬?yōu)化方法。2021-7-2120五五、高壓容器的前沿應用、高壓容器的前沿應用（what?） 1. 廣泛應用于化工、石油、機械、動力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部門。它是生產過程中必不可少的核心設備，是一個國家裝備制造水平的重要標志。如化工生產中的反應裝置、換熱裝置、分離裝置的外殼、氣液貯罐、核動力反應堆的壓力殼、電廠鍋爐系統(tǒng)中的汽包等都是壓力容器。 2.病毒滅活與安全衛(wèi)生 200300Mpa超高壓能破壞病毒膜結構內部的非共價鍵結

13、合。使膜衣殼蛋白亞單位之間解體，空間結構變化，生物活性改變，從而使病毒顆粒喪失感染性。但超高壓不破壞共價鍵，因此抗原的單個亞單位未被破壞，保持了免疫原性不變。用此方法可以獲得沒有傳染性而免疫原性不變的完整的病毒顆粒。3.冷凍食品與食物儲存將高水份食品加壓200MPa后，冷凍到-20,然后迅速降壓，瞬間產生大量極細微的冰結晶，分布于冷凍食品中，避免了組織變性破壞。特別是對于水果蔬菜，用超高壓方法速凍更有意義。這種高壓速凍的方法同樣可用于某些生物制品的冷藏2021-7-2121六六、高壓容器的腐蝕、高壓容器的腐蝕類型類型2021-7-2122常見腐蝕化工設備常見腐蝕化工設備2021-7-2123腐

14、蝕返回類型腐蝕返回類型七、七、高壓容器的防腐高壓容器的防腐 1.選擇合適的主體材料 根據(jù)化工壓力容器承受的壓力、溫度、介質情況以及實際用途，在加工制作壓力容器時，應選擇合適的主體材料，可在金屬材料中適當加入一些合金元素，或者用多種材料做成耐蝕合金，例如，在鋼材料中添加鎳元素，加工成不銹鋼材料，可有效提高化工壓力容器的防腐蝕性，減緩金屬材料發(fā)生腐蝕?；毫θ萜鞑牧线x擇和介質腐蝕性有著密切關系，在很大程度上，介質毒性和易燃程度對于選材也有著重要影響。2021-7-2124 2.電化學保護 電化學保護可采用外加電流法和犧牲陽極保護法，外加電流法是指將保護金屬材料作為陰極，附加電極作為陽極，對化工壓

15、力容器外加直流電，保護陰極金屬材料，這個方法可有效防止河水、土壤中的壓力容器發(fā)生腐蝕；犧牲陽極保護法是指將比電極電勢低的合金或金屬作為陽極，被保護金屬做陰極，在實際應用中，合金、鋅和鋁等可作為犧牲陽極材料，用于保護石油管路、工業(yè)金屬構件等。2021-7-2125 3.表面覆蓋保護層 對化工壓力容器表面覆蓋一層保護層，將周圍介質和金屬材料有效隔離，例如，在化工壓力容器表面覆蓋搪瓷、涂刷油漆等物質，避免水或者空氣直接和鋼鐵制品相接觸，或者在壓力容器表面鍍上Ni、cr、Sn、Zn等金屬，通過這種表面覆蓋法，在壓力容器表面形成一層氧化物薄膜。這方面可以加大新元素在腐蝕防腐的研究。2021-7-2126 4.加強維護管理 化工壓力容器防腐蝕有很多種方法，不同腐蝕類型，采用不同的防腐蝕措施，每種防腐蝕方法有其特殊的應用范圍和條件。為了進一步提高化工壓力容器的抗腐蝕性能，應做好日常的維護管理，化工企業(yè)在日常生產運營中，應嚴格按照化工壓力容器的相關法律法規(guī)，結合壓力容器的操作使用規(guī)范，定期進行取樣檢查，全面了解壓力容器的腐蝕狀況和缺陷情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時進行維護處理，避免壓力容