压力容器的破裂形式与预防措施

-30-技术交流石油与化工设备2010年第13卷压力容器的破裂形式与预防措施冯丽锋1，宋欣1，陈宝旭1，马晨昊2（1.辽阳市锅炉压力容器检验研究所，辽宁辽阳111000）（2.辽宁华标压力容器有限公司，辽宁辽阳111000）[摘要]对压力容器的几种破裂形式：韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变破裂等进行了介绍，提出了相应的预防措施。[关键词]压力容器；破裂形式；预防措施作者简介：冯丽锋（1977—），女，工程师，在辽阳市锅炉压力容器检验研究所工作。压力容器的破裂事故会造成严重后果。防止压力容器发生破裂事故，应了解其破裂机理。根据压力容器的破裂特点，压力容器的破裂形式可分为韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变破裂等。1韧性破裂韧性破裂系指承压特种设备的器壁承受过高的应力，达到了器壁材料的强度极限，而发生断裂破裂。这种破坏形式称为韧性破裂。1.1韧性破裂的特征1.1.1器壁有明显的塑性变形由于容器筒体器壁受力时，其环向应力比轴向应力大l倍，所以，明显的塑性变形主要表现在承压特种设备直径增大、壁厚减薄，而轴向增长较小，从而产生“腰鼓形”的变形。当容器发生韧性破裂时，圆周长的昀大增长率和容积变形率达10%-20%。1.1.2韧性破裂的断口为切断型撕裂，一般呈暗灰色纤维状，断口不平齐，且与主应力方向成45o交角。韧性破裂时不产生碎片。1.1.3韧性破裂时的爆破压力接近理论爆破压力，爆破口的大小随承压特种设备破裂时膨胀能量大小而异，释放的能量越大，爆破口越大。1.1.4韧性破裂时，承压特种设备器壁的应力值很高。1.1.5断口的电镜分析断口的微观形貌为韧窝花样，韧窝的实质是一些大小不等的圆形、椭圆形凹坑，是材料微区塑性变形后在异相点处形成空洞、长大聚集、互相连接并昀后导致断裂的痕迹。宏观形貌是显微窝坑的概貌。韧窝几乎都为金相中的二次相界面、非金属夹杂物、位错堆积区或晶界处等，因此非金属夹杂物愈多，愈易形成显微空洞和韧窝。1.2发生韧性破裂的原因承压特种设备的韧性破裂只有在器壁整个截面上材料都处于屈服状态下才会发生，所以，发生韧性破裂的主要原因是：(1)盛装液化气体的压力容器充装过量；(2)使用中的压力容器超温超压运行；(3)压力容器壳体选材不当；(4)压力容器安装不符合安全要求；(5)维护保养不当。1.3韧性破裂的预防在设计制造压力容器时，要选用有足够强度和厚度的材料，以保证承压特种设备在规定的工作压力下安全使用。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。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。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承压特种设备的腐蚀，若发现承压特种设备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。2脆性破裂并非所有的压力容器在破裂时都经过显著的塑性变形，有些容器在破裂后经检查并没有发现可见的塑性变形现象，而且器壁的平均应力远低于材料的强度极限。这种破裂现象和脆性材料的破裂相似，故称为脆性破裂，有时也称为低应力破裂。2.1脆性破裂特征压力容器发生脆性破裂时，在破裂形状、断口形式等方面都具有一些与韧性破裂正好相反的-31-第5期冯丽锋等压力容器的破裂形式与预防措施特征：(1)容器器壁几乎没有塑性变形；(2)在应力低于材料的屈服强度时破裂；(3)容器常常裂成碎块；(4)断口呈金属光泽的结晶状，平直；(5)在温度较低的情况下发生；(6)破裂前无预兆，危害性大，难以预防。2.2产生脆性破裂的原因产生脆性破裂的原因，主要是材料的韧性差，特别是在低温时下降很快。另外承压部件存在缺陷时，在此区域应力增强，易产生应力集中。2.3脆性破裂的预防防止压力容器产生脆性破裂昀基本的措施是减少或消除构件的缺陷，要求材料具有很好的韧性。设计时选用在低温下仍保持较好韧性的材料；并注意设计结构的合理性，在制造时采取严格的工艺措施减小应力集中；在使用中加强检验，及早发现并消除缺陷。3疲劳破裂疲劳破裂是压力容器常见的一种破裂形式。据英国的一个联合调查组统计，在运行期间发生破裂事故的压力容器有近90％是由裂纹引起的，在由裂纹引起的事故中，疲劳裂纹约占40％。可见压力容器的疲劳破裂是绝不能忽视的。压力容器的疲劳破裂，绝大多数属于金属的低周疲劳，即承受较高的交变应力，而应力交变的次数并不太高。一般情况下，压力容器的承压部件在长期反复交变载荷作用下，在应力集中处产生微裂纹，随着交变载荷的继续作用，裂纹逐渐扩大，导致破裂。3.1疲劳破裂的特征(1)容器没有明显的塑性变形；(2)破裂总是产生在应力集中的地方；(3)只产生开裂，不产生碎片；(4)从裂纹的形成、扩展到破裂有一个较为缓慢的发展过程；(5)破裂总是经过长期的反复载荷作用后发生，应力低于抗拉强度；(6)断面呈两个区域，即裂纹的形成和扩展区与脆断区。3.2疲劳破裂的预防压力容器的疲劳破裂既然是由于反复的交变载荷以及过高的局部应力引起的，为此要防止发生这类事故，除了在运行中应尽量避免不必要的频繁加压和卸压、过分的压力波动和悬殊的温度变化等因素外，主要还应在设计时采用合理的结构。一方面要避免产生应力集中，使容器器壁的个别部位的局部应力不致于超过材料的屈服强度，另一方面，如果容器上确实难以避免地要出现较高的局部应力，则应做疲劳分析和疲劳设计。在制造时还要按正确的工艺进行，确保制造质量。4腐蚀破裂腐蚀破裂系指承压特种设备材料在腐蚀性介质作用下，引起承压特种设备器壁由厚变薄或材料组织结构改变、机械性能降低，使承压特种设备承载能力不足而发生的破裂，这种破裂形式称为腐蚀破裂。压力容器的腐蚀破裂都是应力腐蚀，因为压力容器一般都承受较大的拉伸应力，而它的结构也常难以避免存在程度不同的应力集中处，如设备的开孔、焊缝等，且容器的工作介质又常常是具有腐蚀性的。压力容器的应力腐蚀破裂是指容器壳体受到腐蚀介质的腐蚀而产生的一种破裂形式，是在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生的。腐蚀使金属材料的有效截面积减小和表面形成缺口，产生应力集中；而应力则可加速腐蚀的进行，使表面缺口向深处扩展，昀后导致断裂。因此，应力腐蚀可使压力容器在应力低于它的强度极限时破裂。应力腐蚀是一种相当危险的破裂形式，因为它经常是在未被发现的情况下突然断裂而发生损坏。4.1腐蚀断裂的特征(1)引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破裂发生。应力既可由载荷引起，也可由焊接、装配或热处理引起的残余应力引起；(2)纯金属不发生应力腐蚀，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中都会产生应力腐蚀裂纹，极少量的合金或杂质都会使材料产生应力腐蚀。各种工程实用材料几乎都有应力腐蚀敏感性；(3)产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系，即当二者是某种特定组合时才会发生应力腐蚀；(4)应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展等阶段。失稳扩展即造成应力腐蚀破裂。影响应力腐蚀断裂的因素很多，例如介质的种类、介质浓度、环境温度、构件所处的应力状态、金属材料的成分与组织。设备的防腐蚀措施是各式各样的，需要根据不同的设备条件和不同的工作介质采用不同的方法。4.2腐蚀断裂的预防(1)选择合适的抗腐蚀材料；(2)采取必要的保护措施，使承压部件与腐蚀介质隔离；(3)进行合（下转41页）-41-第5期孙云波等低温不锈钢管线的应力分析与施工◆参考文献[1]宋岢岢.压力管道设计及工程实例［M］.北京：化学工业出版社，2007.[2]蔡尔辅.石油化工管道设计［M］.北京：化学工业出版社，2002.[3]ASMEB31.3，ProcessPiping［S］.收稿日期：2010-03-26：修回日期：2010-04-08（上接31页）理设计，避免高应力区；(4)制造时制定合理的工艺，消除残余应力；(5)使用中加强管理，定期检查维修。5蠕变破裂蠕变是指金属材料在应力和高温的双重作用下，产生的缓慢而连续的塑性变形。当承压部件长期在金属蠕变的高温下工作，壁厚会减小，材料的强度有所降低，严重时会导致压力容器高温部件发生蠕变破裂。产生蠕变破裂的原因主要是未选用抗蠕变性能好的合金钢来制造高温部件、结构设计不合理而使局部区域过热、制造时改变了材料的组织而降低了材料的抗蠕变性能以及由于操作或维护不当，使承压部件局部过热。材料发生蠕变破裂时，一般都有明显的塑性变形，断口表面形成一层氧化膜。预防压力容器高温承压部件蠕变破裂主要有以下几个方面：(1)设计时根据使用温度选用合适的材料；(2)合理设计结构，避免局部高温；(3)制定正确的加工工艺，避免因加工而降低材料的抗蠕变性能；(4)在使用中防止容器局部过热，经常维护保养，清除积垢、结碳，可有效防止蠕变破裂事故的发生。压力容器在运行和使用过程中，要受到反复升压、卸压等疲劳荷载的影响，又经常受外部环境的影响，还要受到腐蚀性介质的腐蚀，或在高温深冷等工艺条件下工作，其力学性能会随之发生较大变化，容器制造过程中的一些缺陷也会随之扩展增大。对压力容器进行定期的全面的技术检验，是及早发现容器存在的缺陷，消除隐患，保证压力容器安全运行，避免发生事故的行之有效的措施。收稿日期：2010-03-18；修回日期：2010-04-26◆参考文献[1]方立．压力容器安全知识问答[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2008.[2]陈风棉．压力容器安全技术[M]．北京：化学工业出版社，2004．图3CaesarⅡ计算结果