钢制压力容器与管道腐蚀裕量的可靠性设计VIP

钢制压力容器与管道腐蚀 裕量的可靠性设计 刘小宁 (武汉工交职业学院, 武汉? 430015) 摘? 要: 从分析介质和环境对钢材的最大腐蚀深度入手, 应用可靠性设计方法, 通过数学模型、参数估 计, 建立了腐蚀裕量与腐蚀速率及变异系数、设计年限、可靠度之间的定量关系, 得到了确定腐蚀裕量 的计算公式, 并列举了实际算例。结果表明, 钢制压力容器与压力管道的最大腐蚀深度属于?型极大 值分布。 关键词: 钢制压力容器; 压力管道; 腐蚀裕量;?型极大值分布; 可靠度 中图分类号: TH49; U177? ? 文献标识码: B? ? 文章编号: 1004- 8901( 2004)05- 0025- 03 Reliability Design of Corrosion Allowance for Steel Pressure Vessel and Piping L IU Xiao?ning ( Wuhan Polytechnic College of Industry and Communication, Wuhan, 430015, China) Abstract: Starting from the maximal corrosion depth of steel due to medium and environment, using the reliability design method, through the mathematic model, parameter evaluation, the quantative relation among the corrosion allowance, corrosion rate, coefficient of variation, durable years and reliability was established, calculating formula determining the corrosion allowance was obtained and the actual calculating ex? ample was listed. The result indicates that the max im corrosive depth of steel pressure vessel and pressure piping belongs to type maximum distri ? bution. Key words: steel pressure vessel; pressure piping; corrosion allowance; ? type maximum distribution; reliability ? ? 腐蚀是指在介质及环境的综合作用下, 金属 材质和介质元素发生化学或电化学反应而引起的 损伤。由于钢制压力容器与压力管道的工作介质 具有腐蚀性, 因此, 人们十分关注容器及管道在 腐蚀介质及环境作用下的安全性问题。 目前, 工程上通常采用设置腐蚀裕量的方法 来保证容器与管道的安全性 1。如果要求容器 与管道的使用年限为 NF, 若介质及环境对钢材 的腐蚀速率为 dC2, 则相应的腐蚀裕量 C2为2: ?C2= NF dC2( 1) 设置腐蚀裕量的防腐蚀设计方法, 对防止容 器与管道出现安全事故起到了十分积极的作用; 但笔者认为有如下几个问题值得讨论:! 由于影 响介质腐蚀速率的因素过多, 因此他是一个变 量, 而文献 2 将其视作定量, 未考虑腐蚀速率 变异系数对腐蚀裕量的影响; 腐蚀大体上可分 为均匀腐蚀和局部腐蚀, 虽然他们的腐蚀机理不 一样, 但能否采用同样的公式确定腐蚀裕量;# 腐蚀裕量的大小与其可靠度有何关系。 笔者从分析介质与环境对钢材的最大腐蚀深 度入手, 应用可靠性设计方法, 得到了确定腐蚀 裕量的公式。 1? 数学模型 1. 1? 基本假设 为了讨论方便, 对钢制压力容器与管道作如 下假设:! 介质及环境对钢材厚度的腐蚀深度与 时间成正比; 容器与管道的应力水平对腐蚀速 率及变异系数的影响可以忽略不计。 1. 2? 最大腐蚀深度的分布规律 在工程上, 人们十分关心在一定时间内介质 作者简介: 刘小宁( 1963 年- ) , 男, 湖北武汉人, 1983 年毕业于 华东理工大学化工机械专业, 高级讲师, 从事教学及压力容器可 靠性课题的研究。 25 2004年 10 月? ? ? ? ? ? Chemical Fertilizer Design 第 42 卷? 第 5 期化肥设计Oct. 2004 及环境对钢材最大腐蚀深度的分布规律, 这也是 确定腐蚀裕量的重要基础工作。 在 20 世纪 50 年代, Aziz 研究铅合金腐蚀及 Eldredge 研究土中埋设管道的腐蚀时, 发现最大 腐蚀( 孔蚀) 深度符合 ?型极大值分布 3, 4; 蒋晓 东等在研究长期暴露在大气中的压力管道的腐蚀 时, 发现最大腐蚀深度也服从 ? 型极大值分 布5。对于压力容器与压力管道, 大量的实验数 据表明, 其腐蚀最大深度也符合 ? 型极大值分 布6。 笔者分析认为, 尽管均匀腐蚀和局部腐蚀的 机理不一样, 但从宏观方面来看, 其表现为腐蚀 速率不一样, 由于本研究以最大腐蚀深度为研究 对象, 因此, 本文的研究方法是偏于安全的。根 据以上分析可认为: 介质及环境对压力容器与压 力管道腐蚀的最大深度服从?型极大值分布。 假设在一定时间内最大腐蚀深度为 x, 其均 值为 ?x, 标准差为 ?x, 则 x 的分布概率密度函 数为: ?f ( x )= 1 exp - x - k R(2) 可靠度函数为: ?R = exp - exp(- x - k )(3) 式中, x 为最大腐蚀深度, mm; 为尺度参数; k 为位置参数。 1. 3? 参数分析 ?型极大值分布的数学期望值 E ( x )、方差 D( x )与 及k 的关系为: ?E( x ) k+ 0. 577 2 (4) ?D( x) 1. 644 9 2(5) 由矩法公式可知: ?E( x )= ?x, D( x )= ?2x(6) 把式(6)代入式(4)、式(5)可得: ?k= ?x- 0. 450 1?x(7) ? = 0. 779 7?x(8) 1. 4? 腐蚀裕量的确定 根据假设, 最大腐蚀速率 vx为一定值, 在 设计年限 NF内, 最大腐蚀深度 x 的分布参数 为: 均值 ? ? ? ?x= vx% NF(9) 变异系数 ? ? ? Cx= ?x/ ?x(10) 由式(7) 式(10)可得: ? ? k= vx% NF- 0. 450 1vx% NF% Cx(11) = 0. 7797vx% NF% Cx(12) 由于腐蚀裕量的可靠度指的是最大腐蚀深度 x 不超过腐蚀裕量 C2的概率, 如果要求的可靠 度为 Ra, 由式(3)可得腐蚀裕量的计算公式为: C2= - ln( - lnRa)+ k = vx% NF1- Cx 0. 779 7ln( - lnRa) + ? 0. 450 1 (13) 由于影响腐蚀速率的因素很多, 因此笔者认 为可取腐蚀裕量的可靠度 Ra为 95% , 由式( 13) 可得: C2= vx% NF( 1+ 1. 865 8Cx)(14) 如果已知介质及环境对容器与管道钢材的腐 蚀速率及变异系数, 容器与管道的设计年限 NF, 在95%的可靠度下, 可以采用式( 14)计算腐蚀裕 量 C2。 2? 参数估计 由于有关手册未提供腐蚀速率的变异系数, 因此可通过试验的方法加以确定。设定时间为 T 时, 已测得容器与管道的 N 个最大腐蚀深度 数据xi, 则最大腐蚀深度 x 的点估计为: x * = ! N i = 1xi Sx= 1 N - 1 ! N i = 1( x * - xi) 2 (15) 因测得的数据有限, 将其用于设计还需进行 最大似然分析 7。笔者分析认为, 在 90% 的把 握(置信度)下, 最大腐蚀深度的分布参数为: ?= x * + t0.90, N- 1 Sx/N - 1(16) ?x= SxN / x 2 0.90, N- 1(17) Cx= ?x/ ?x(18) vx= ?x/ T(19) 式中, T 为试验时间, a; vx为腐蚀速率, mm/ a; Cx为腐蚀速率的变异系数; t0.90, N- 1为 90% 置 信度下的 t 分布系数, 经查 t0. 90, 19= 1. 328 7; x 2 0.90, N- 1为 90%置信度下的x 2 分布系数, 经查 x 2 0.90, 19= 11. 651 7。 把式( 16) 式( 19)代入式(14) 中, 即可得腐 蚀裕量 C2之值。 26 化肥设计? ? ? ? ? ? 2004 年第 42 卷 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 3? 算例 已测得使用 10 年的压力管道最大腐蚀深度 数据见表 1, 该管道由强度决定的最小壁厚为 3. 00 mm, 现欲重新设计管道, 要求设计寿命为 13 年, 试确定管道壁厚 5。 表 1?管道最大腐蚀深度数据 序号xi/ mm序号xi/ mm序号xi/ mm序号xi/ mm 10. 6061. 10111. 22161. 50 20. 8071. 10121. 25171. 50 30. 9081. 20131. 30181. 70 41. 0091. 20141. 40192. 00 51. 00101. 20151. 50202. 00 ? ? 由表 1 及式( 15) 可知:x * = 1. 273 5 mm, Sx= 0. 359 4; 在 90% 的把握下, 分布参数可由 式(16) 式( 19) 可得:?x= 1. 383 0 mm,?x= 0. 470 9, Cx= ?x/ ?x= 0. 340 5,vx= ?x/ T = 0. 138 30 mm/ a。在 95% 的可靠度下, 腐蚀裕量 由式( 14)求得: C2= 2. 94 mm; 由强度及腐蚀裕 量确定的管壁厚度为( 3. 00+ 2. 94) = 5. 94 mm, 应取管道的厚度为 6 mm。 4? 结语 ( 1) 通过以上分析可以认为, 介质及环境对 钢制压力容器与压力管道的最大腐蚀深度服从? 型极大值分布。 ( 2) 初步建立了腐蚀裕量与腐蚀速率及变异 系数、设计年限、可靠度之间的定量关系; 认为 腐蚀裕量的允许可靠度不应低于 95% 。 ( 3) 当采用有限组试验数据分析腐蚀深度及 变异系数时, 应进行最大似然分析, 笔者建议取 置信度不低于 90%。 参考文献: 1 钢制压力容器 S . GB150& 1998. 2 钢制压力容器标准释义 S . GB150& 1998. 3 牟致忠. 可靠性设计 M . 北京: 机械工业出版社, 1993. 4 肖德辉. 可靠性工程 M . 北京: 宇航出版社, 1985. 5 蒋晓东, 黄雪坤, 潘缉悌, 等. 概率统计在压力管道腐蚀剩余 寿命评估中应用 J . 石油化工设备, 1996, 25( 3) : 20 23. 6 曹楚南. 腐蚀试验数据的统计分析 M . 北京: 化学工业出 版社, 1985. 7 化学工程手册(编辑委员会. 化工应用数学 M . 北京: 化 学工业出版社, 1983. 收稿日期: 2004 - 04 - 26 ( 上接第 21 页) 4? 推广轻钢住宅工作的建议 ( 1) 应有计划地建造一批试验工程, 以便引 进该项生产技术。如果没有一定的建造量, 就不 可能编制完成国内的轻钢结构技术规范。虽然一 般情况下我们强调必须执行强制性规范, 但是技 术标准和规范就其性质来说, 永远都是落后于技 术自身的发展。因此, 在国内规范不完善的情况 下, 建造试验工程不仅是应当的, 而且是必须 的。目前北新建材等国内大型建材企业已经开始 进军这一领域, 投资建立了轻钢结构住宅生产 线, 对此国家应适当予以扶持。 ( 2) 在建造试验工程并取得经验的基础上, 应不失时机地编制相应的轻钢结构住宅技术标准 和规范。由于与国外标准体系、技术环境的差 异, 标准管理方式和部门分工的不同, 要把国外 轻钢结构住宅标准嫁接到中国技术标准体系中, 具有相当的难度。目前建设部住宅产业化促进中 心正在组织各有关部门编制行业技术标准低层 轻钢结构住宅技术要求(, 该标准发布后, 将结 束轻钢结构住宅在我国无技术标准可依的局面。 ( 3) 由于轻钢结构住宅是国外许多发达国家 普遍采用的成熟技术, 其优良的技术性能和产业 化生产方式, 符合住宅产业现代化的方向。因 此, 一旦有了技术标准, 就应将这种技术体系纳 入专业学校的教学内容中, 并对在职工程技术人 员和技术工人进行培训, 企业和社会的建筑科研 院所也应投入力量进行深入研究和开发, 使这一 体系在我国日臻完善, 并使我国企业由此获得进 军国际市场的实力与