第四章 压力容器破坏形式

1第四章破裂形式•设计结构不合理、制造质量差、使用维护不当或其他原因而发生破裂，并且破裂事故的形式多样，而且很多是在规定的使用期限(寿命期)内发生。•了解、掌握各种破裂形式的破坏机理、产生原因、主要特征等，掌握它发生破裂的规律•压力容器的破裂形式，通常分为延性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂、压力冲击破裂、蠕变破裂等形式。2第一节延性破裂延性破裂内部压力作用下，器壁上产生的应力达到器壁材料的强度极限，从而发生断裂破坏的一种形式。这种形式的破坏属于韧性断裂，因此，该形式的破坏也称作韧性破坏。一、机理压力容器的金属材料在外力作用下引起变形和破坏的过程大致分为三个阶段。即弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。①弹性变形阶段是指当对材料施加的外力不超过材料固有的弹性极限值时，一旦外力消失，材料仍能回复到原来的状态而不产生明显的残余变形。②弹塑性变形阶段是指当对材料施加的外力超过了材料同有的弹性极限值，材料开始屈服变形后仍继续施加外力并超过材料的屈服极限，材料将产生很大的塑性变形。外载荷消失后材料不再恢复原状，塑性变形仍将保留。③断裂阶段是指材料发生塑性变形后，如施加外力继续增加，当应力超过了材料的强度极限后。材料将发生断裂。3•①器壁有明显的塑性变形。表现在容器直径增大、容积增大、壁厚减薄，而轴向增长较小，产生“腰鼓形变形。当容器发生韧性破坏时，圆剧长的最大增长率和容积变形率可达10％～20％。•②韧性破坏的断口为切断撕裂。一般呈暗灰色纤维状，断口不平齐，且与主应力方向成45°交角。不产生碎片。第一节延性破裂二、特征4③破坏时的爆破压力接近理论爆破压力。爆破口的大小随容器破坏时膨胀能量大小而异，释放的能量越大，爆破口越大。•④韧性破坏时，容器器壁的应力值一般达到或接近材料的强度极限。第一节延性破裂二、特征5•容器的韧性破坏只有在器壁整个截面上的材料都处于屈服状态下才会发生，原因如下。①盛装液化气体介质的容器充装过量。对盛装液化气体介质的容器，应按规定的充装系数充装，即留有一定的气相空间，这是因为液化气体随环境温度的增高，其饱和蒸气压显著增大。每升高1℃，瓶内压力增加将超过1MPa。②使用中的压力容器超温超压运行。若操作人员违反操作规程、操作失误、安全装置(如安全阀、压力表等)不全或失灵造成容器超温超压；因投料不当，造成反应速度过快，引起温度压力急剧增高。③容器壳体选材不当或容器安装不符合安全要求。若压力容器壳体材料选用的强度较低，或压力容器安装错误，压力来源处的压力高于压力容器的设计压力或最高工作压力，而又无可靠的减压装置，则可能导致破坏。④维护保养不当。因维护保养不当，压力容器器壁发生大面积腐蚀，壁厚减薄，在正常工作压力下器壁一次薄膜应力超过材料的屈服极限，造成受压部件整体屈服而发生破裂。第一节延性破裂•三、原因6①在设计制造压力容器时，要选用有足够强度和厚度的材料，以保证压力容器在规定的工作压力下安全使用。②压力容器应按核定的工艺参数运行，安全附件应安装齐全、正确，并保证灵敏可靠。③使用中加强巡回检查，严格按照工艺参数进行操作，严禁压力容器超温、超压、超负荷运行，防止过量充装。④加强维护保养工作，采取有效措施防止腐蚀性介质及大气对压力容器的腐蚀。若发现压力容器器壁被严重腐蚀以致变薄，或运行中器壁产生明显塑性变形时。应立即停止使用。第一节延性破裂•四、事故预防7•脆性破裂指压力容器在破裂时没有显著的塑性变形，•破裂时器壁的压力也远远小于材料的强度极限，•有的甚至还低于材料的屈服极限，这种破坏与脆性材料的破裂很相似，放称为脆性破裂。•破坏是在较低的应力状态下发生的，所以又称为低应力破坏。第二节脆性破裂8①钢在低温下其冲击韧性显著降低，表明温度低时钢对缺口的敏感性增大，这种现象称为钢的冷脆性。钢由韧性状态转变为低温脆性状态极易产生断裂，这种现象称为低温脆性断裂。②低碳钢在300℃左右会出现一个强度升高、塑性降低的区域，这种现象称为材料的蓝脆性。若在压力容器制造和使用时，正好在蓝脆温度范围内经受变形应力，就有可能产生蓝脆，导致断裂事故的产生。③某些钢材长期停留在400～500℃温度范围内以后冷却至室温，其冲击值有明显下降，这利，现象称为钢的热脆性。此时压力容器经受变形应力，也有可能导致脆性断裂。第二节脆性破裂•一、机理9①压力容器发生脆性破坏时无明显外观变化和外观预兆。破坏后的容器器壁无明显的伸长变形，壁厚一般也无减薄。②脆性破坏的断口齐平，呈金属光泽的结晶状(这是因为脆断往往是晶断裂)，并与最大主应力方向垂直。容器纵向脆断时裂口与器壁表面垂直，环向脆断时裂口与容器中心线相垂直。③发生脆性时，断裂速度极快，可高达1800m／s，其材料韧性又差，故脆性破坏的容器常裂成碎并飞出。压力容器发生脆性破坏的后果较韧性破坏严重得多。④厚壁容器和较低温度的容器最易发生脆性破坏。且断裂时名义应力很低，常低于材料的屈服极限。这种破坏可在正常操作压力或水压试验压力下发生。第二节脆性破裂二、特征10①温度因为钢在低温下或在某一特定温度范围内其冲击韧性将急剧下降。②裂纹性缺陷压力容器受压元件一旦产生裂纹，其尖端前缘产生很高的应力峰值，且应力状态也发生变化，变为三向拉伸应力。在这个区域，实际的应力要比按常规方式计算的数值高得多，材料的实际强度比无裂纹的理想材料的强度低得多。所以即使材料具有较高的冲击韧性，但当裂纹性缺陷的尺寸达到一定值时，仍可能发生脆性断裂。第二节脆性破裂•三、原因11①提高容器制造质量特别的是焊接质量，是防止容器脆性破坏的重要措施。因为容器结构尺寸的突变、不连续以及焊缝中裂纹性缺陷的存在②容器材料在使用条件下，应有较好的韧性。材料的韧性差是造成脆性破裂的另一主要因素。选择材料，金相组织有关。焊接及热处理工艺；使用过程③加强压力容器的维护保养和定期检验工作，及时消除检验中发现的裂纹性缺陷，确保容器安全运行。第二节脆性破裂•四、事故预防12•疲劳破裂指压力容器器壁在反复加压和卸压过程中受到交变载荷的长期作用。•没有经过明显的塑性变形而导致容器断裂的一种破坏形式。•疲劳断裂是突然发生的。•因此具有很大的危险性。据有关资料统计，压力容器在运行中的破坏事故有75％以上是由疲劳引起的。第三节疲劳破裂13①低压力高周疲劳，材料循环周次在105次以上，而相应的应力值在材料的弹性范围以内，可以承受周次的交变载荷作用而不会产生疲劳破坏。但当外载超过这个弹性范围内的应力值极限后，材料就易发生断裂。②高应力低周疲劳，材料承受的应力水平较高，交变应力幅度较大，但交变周次较少，当容器材料在较高应力水平下承受交变周次超过了102～105次后，材料就易发生断裂。容器内介质压力的波动也是一种载荷，若交变载荷变化较大、开停车次数较多，容器就容易发生疲劳破坏。第三节疲劳破裂一、机理14①容器破坏时没有明显的塑性变形缺陷微裂纹交变应力微裂纹扩展为疲劳裂纹突然断裂。过程中:总体应力水平较低截面上弹性范围内不会明显的变形没有明显增大大部分壁厚也无变薄。②疲劳断裂与脆性破坏的断口形貌不同，疲劳断口存在两个明显的区域，一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最终断裂区。裂纹扩展较为缓慢，裂纹扩展的弧形纹路疲劳裂纹的策源点策源点往往产生在应力集中的地方，特别是容器的接管处。第三节疲劳破裂二、特征15③容器的疲劳破坏一般是疲劳裂纹穿透器壁面泄漏失效。不像韧性劈裂时形成撕裂。也不像脆性破裂时产生碎片。④疲劳破裂总是在经过多次的反复加压和泄压以后发生。因为压力容器开停车一次可视为一个循环周次，在运行过程中容器内介质压力的波动也是载荷，若交变载荷变化较大，开停车次数较多，容器就容易发生疲劳破坏。第三节疲劳破裂二、特征16①内部因素即压力容器存在着局部高应力区(如压力容器的接管、开孔、转角以及其他几何形状不连续处应力集中峰值应力会超过材料的屈服极限产生很大的应力变化幅扩展开裂②外部因素即压力容器存在着反复交变载荷，这种交变载荷的形式不是对称循环型，而是变化幅较大的非对称循环载荷。例如，间隙式操作的容器，器内压力、温度波动较大；周围环境对压力容器造成的强迫振动；外界风、雨、雪、地震对容器造成的周期性外载荷等，都会导致疲劳破坏。第三节疲劳破裂三、原因17①压力容器的制造质量应符合要求，避免先天性缺陷。以减少过高的局部应力。②在压力容器安装中应注意防止外来载荷源影响，以减少压力容器本体的交变载荷。③在运行中要注意操作正确性，尽量减少升压、卸压的次数，操作中要防止温度压力波动过大。④对无法避免外来载荷、无法减少开停次数的压力容器，制造前应作疲劳设计，以保证压力容器不致发生疲劳破裂。第三节疲劳破裂四、事故预防18•腐蚀破裂指压力容器材料在腐蚀性介质作用下，引起容器壁由厚变薄或材料组织结构改变、力学性能降低，使压力容器承载能力不够而发生的破坏形式。•压力容器金属腐蚀情况比较复杂，同一种材料在不同的介质中有不同的腐蚀规律；不同材料在同一种介质中的腐蚀规律也各不相同；即使同一种材料在同一种介质中，因其内部或外部条件(如材料金相组织、介质的温度浓度和压力等)的变化。往往也表现出不同的腐蚀规律。因此，只有了解腐蚀规律，才能正确地判断各种腐蚀的危害程度，以便采取有效的防止措施。第四节腐蚀破裂一、分类19第四节腐蚀破裂分类201.均匀腐蚀金属的均匀腐蚀是指在金属整个暴露表面上或者是大部分面积上产生程度基本相同的化学或电化学腐蚀。均匀腐蚀也称全面腐蚀，遭受全面腐蚀的容器是以金属的厚度逐渐变薄的形式导致最后破坏。工程威胁不大—进行估计—腐蚀裕度—与环境、介质、温度、压力等方面有关—定时检测—否则事故。2.局部腐蚀局部腐蚀是指材料表面的区域性腐蚀。这是一种危害性较大—并经常在突然间导致事故。（1)电偶腐蚀只要有两种电极电位不同的金属相互接触或用导体连通，在电解质存在的情况下就有电流通过。通常是电极电位较高的金属腐蚀速度降低甚至停止，电极电位较低的金属腐蚀速度增大。前者为阴级，后者为阳极。(2)孔蚀指金属表面产生小孔的一种局部腐蚀。孔腐蚀一般容易在静止的介质中发生，通常沿重力方向发展。第四节腐蚀破裂二、形态21(3)选择性腐蚀当金属合金材料与某种特定的腐蚀性介质接触时，介质与金属合金材料中的某一元素或某一组分发生反应，使其被脱离出去，这种腐蚀称为选择性腐蚀。选择性腐蚀一般在不锈钢、有色金属和铸铁等材料中发生。(4)磨损腐蚀指由于腐蚀性介质与金属之间的相对运动，而使腐蚀过程加速的现象，又称为冲刷腐蚀。如冷凝器管壁的磨损腐蚀，腐蚀流体既对金属表面的氧化物产生机械冲刷破坏，又与不断露出的金属新鲜表面发生剧烈的化学或电化学腐蚀，故腐蚀速度较快。(5)缝隙腐蚀暴露于电解质溶液中的金属表面上的缝隙和其他隐蔽区域内常常发生强烈的局部腐蚀。这种腐蚀与孔洞、垫片底面、搭接缝、表面沉积物、螺母和铆钉帽下的缝隙内积存少量的静止溶液有关。一些经表面钝化致密氧化物的金属(如不锈钢、铝、钛等)容易产生缝隙腐蚀。第四节腐蚀破裂2.局部腐蚀223.晶间腐蚀•金属的腐蚀局限在晶界或晶界附近，而晶粒本身的腐蚀较小的一种腐蚀形态称之为晶间腐蚀。晶粒脱落，材料的强度和伸长率显著下降，原有金属光泽，故危害很大。•奥氏体不锈钢经常发生晶间腐蚀。这种腐蚀往往发生在不锈钢由高温缓慢冷却或在敏感温度范围内(450～850℃)，晶粒中铬离子与过饱和的碳化合成碳化铬，在晶界析出，由于铬的扩散速度较慢，这样生成碳化铬所需的铬必然要从晶界附近获取，造成晶界附近区域含铬量降低，即“贫铬”现缘，从而降低了不锈钢的耐蚀性能，导致晶间腐蚀。•由于焊接过程中热影响区正处于敏感温度范围，所以易造成晶间腐蚀。因此在对不锈钢容器施焊时，应严格控制焊接电流、返修次数，以减小热输入量。第四节腐蚀破裂二、形态234.断裂腐蚀断裂腐蚀主要有应力腐蚀和疲劳腐蚀，它是材料在腐蚀性介质和应力共同作用下产生的，两者缺一不可。其中，应力可以是静载拉伸应力，也可以是交变应力。(1)应力腐蚀金属在拉应力和特定的腐蚀性介质共同作用下发生的断裂破坏。这是一种极危险的腐蚀形态，