壓力容器與管道安全評價4.1壓力容器的破壞形式和

1、第一節(jié) 壓力容器的破壞形式和原因分析,一、概述二、破壞形式和原因分析,一、概述,壓力容器或其承壓部件的失效 定義： 壓力容器及其承壓部件在使用過程中，其尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而完全失去或不能良好地實現(xiàn)原定的功能或在繼續(xù)使用中失去可靠性和安全性，因而需要立即停用進行修理或掉換，稱為壓力容器或其承壓部件的失效。,保證壓力容器安全，最重要的是防止其在使用過程中發(fā)生破斷碎裂。,壓力容器的破裂失效按混合方法分類，通常分為以

2、下幾種形式，即： (1)韌性破裂； (2)脆性破裂； (3)疲勞破裂； (4)腐蝕破裂； (5)蠕變破裂 (6)其他,二、破裂形式和原因分析,1、韌性破裂,韌性破裂,(1)韌(延)性破裂的原因,主要原因是容器超壓。發(fā)生過程： 往往是容器受到超過正常工作內(nèi)壓的作用，在器壁截面上產(chǎn)生的總體薄膜拉伸應力使材料發(fā)生明顯塑性變形。

3、 當壓力繼續(xù)升高，應力超過材料的抗拉強度時，容器就會發(fā)生破裂。,（2）破裂特征,1）外形特征 容器的周長明顯升長，容器明顯增大，中間部分有鼓漲和壁厚明顯減薄。2）斷口特征 端口通常可分為纖維區(qū)、放射紋區(qū)和人字紋區(qū)、剪切唇等三部分。 其顯微特征表現(xiàn)為韌窩花樣——圓形或橢圓形窩坑。,（3）預防措施,1）正確設計和規(guī)范操作壓力容器2）設置超壓泄放裝置3）正確選用和維護4

4、）保護設備完好狀態(tài)5）加強在用壓力容器的檢查維護工作6）及時發(fā)生容器可能表現(xiàn)出來的爆破預兆常常可以預先避免事故的發(fā)生,2、脆性破裂,（1）定義 容器不發(fā)生或未發(fā)生充分塑性變形下就破壞的破裂類型稱為脆性破裂。 （2）脆性破裂發(fā)生的原因 既有外部原因又有內(nèi)部因素 外部原因:包括應力狀態(tài)、加載速率、環(huán)境條件等,內(nèi)部因素:材料自身的韌性(受顯微組織、晶粒度、夾雜物及有害元素等影響)、容器結(jié)構(gòu)和

5、材料內(nèi)存在的超標缺陷等。 1)材料脆性 容器在制造過程中由于工藝條件的不良改變引起材料韌性降低，對缺口敏感性增大。,2)容器材料或結(jié)構(gòu)部件存在嚴重缺陷 A.容器材料可能存在原始缺陷，如鋼材中氣孔、白點、非金屬夾雜物等。 B.容器殼體或其他承壓部件在制造過程中，可能在部件的表面或內(nèi)部產(chǎn)生各種類似裂紋的缺陷。3)容器存在較高的附加應力,原因： 同時具備三個條件：高應力場；受外界環(huán)境影響

6、而具有脆性傾向的材料；存在脆裂的引發(fā)源 容器結(jié)構(gòu)設計不合理 安裝質(zhì)量不良結(jié)果：在容器局部結(jié)構(gòu)處存在很高的附加應力或殘余拉力。,(3)脆性破裂的特征,脆性破裂的特征,脆性破裂的特征,上圖是英國湯姆森公司發(fā)生脆性斷裂的氨合成塔,在發(fā)生斷裂前外觀沒有明顯的預兆和塑性變形； 斷裂時器壁內(nèi)的應力較低； 破壞的容器常斷裂成碎塊飛出(4)預防脆性破裂的措施 1)設計措施：,采取低應力場設計方法，

7、或采用綜合考慮材料性能、缺陷的幾何尺寸和應力場影響的斷裂力學設計方法。 2) 在工程上： 合理選材，在役期間實施定期的檢查，是避免容器不發(fā)生突然脆性破裂的有效措施。,3、疲勞破裂,(1)產(chǎn)生原因 壓力容器常在交變載荷下運行，經(jīng)過長期作用后，容器的承壓部件發(fā)生了破裂或泄漏。 破裂按機理分為： 高應力低循環(huán)疲勞和低應力高循環(huán)疲勞。,(2)壓力容器疲勞破裂的特征 1

8、)常發(fā)生在結(jié)構(gòu)局部應力較高或存在材料缺陷處(包括焊縫及其熱影響區(qū))，疲勞裂紋穿透器壁，也稱為“未爆先漏”。 2)疲勞破裂的斷口形貌與脆性斷口不同 (3)疲勞破裂的預防,首先是應嚴格容器的制造和檢驗——減少附加的應力集中，避免焊接或安裝過程中的先天或后天性裂紋或缺陷； 其次，減少頻繁開停車、壓力或溫度波動、外加強迫振動、周期性外載荷等——維持設備的穩(wěn)定運行，以抑制或延緩裂紋擴展破裂；,對于新設計的容器——選

9、擇塑變能力好的抗疲勞材料，采用不造成局部高應力集中等的抗疲勞結(jié)構(gòu)； 按容器分析設計規(guī)范進行疲勞分析或基于斷裂力學的抗疲勞斷裂設計方法等 。,4、應力腐蝕破裂定義： 容器材料在特定腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，并在拉應力作用下，經(jīng)過一定時間后發(fā)生開裂和破斷的現(xiàn)象。 應力腐蝕破裂是應力與環(huán)境對一定材料綜合作用的結(jié)果。,應力腐蝕破裂與上述的脆性破裂、疲勞破裂成為當前工程斷裂事故的三種主要型式。(1)應力

10、腐蝕破裂發(fā)生的條件 1)特定腐蝕介質(zhì)與材料的組合。 2)拉應力的存在。 3)材料純度和組織狀態(tài)的影響。,(2)應力腐蝕破裂的特征 宏觀形態(tài)具有脆性破裂的特征，斷口可見到腐蝕產(chǎn)物。斷口形貌與脆性破裂有區(qū)別： 斷口存在兩個區(qū)域，一是腐蝕裂紋擴展區(qū)，通常無金屬光澤，呈深暗色，往往有腐蝕產(chǎn)物覆蓋。,二是快速斷裂區(qū)，斷口可以含有纖維狀、放射紋和人字紋狀以及剪切唇等三個區(qū)，主斷口垂直方向有裂紋分叉

11、，呈樹枝狀，這是它與非應力腐蝕的明顯區(qū)別。 應力腐蝕斷口的顯微形貌可以是穿晶也可以是沿晶開裂，與腐蝕介質(zhì)和材料組織狀態(tài)有關(guān)。,(3)預防應力腐蝕破裂的措施,幾個措施： 首選措施——對于特定的介質(zhì)，選擇對該介質(zhì)應力腐蝕不敏感的材料，一看其可能性，二視其經(jīng)濟； 其次——加緩蝕劑等，改變環(huán)境介質(zhì)的條件；,設計制造——在結(jié)構(gòu)設計和制造過程中避免或減小應力集中，減少殘余應力等的存在。 防

12、止氫脆發(fā)生——可以通過降低材料的氫脆敏感性，減少或消除拉應力，杜絕或減少氫環(huán)境等。6、蠕變破裂,定義： 在高溫下工作的壓力容器，當操作溫度超過一定極限，材料在應力的作用下發(fā)生緩慢的塑性變形，這種塑性變形經(jīng)過長期的累積后，所導致的材料破裂。 主要機理：如下圖所示,蠕變破裂,（1）破裂發(fā)生條件 材料發(fā)生蠕變的溫度為300～350℃，合金鋼為400～450℃ （2）典型特點 有明顯的塑性變形

13、和蠕變小裂紋； 斷口無金屬光澤，呈粗糙顆粒狀，表面有高溫氧化層或腐蝕物；,高溫作用發(fā)生金相組織變化，石墨化傾向時，破裂有明顯的脆性斷口特征； 高溫容器若再遇有交變載荷，則產(chǎn)生另一類容器破裂問題，即蠕變疲勞破裂。（3）防治措施 按規(guī)定要求設計壓力容器，規(guī)范操作程序和保證穩(wěn)定運行是避免發(fā)生容器蠕變破裂的重要措施。,限制容器器壁溫度； 選用滿足高溫機械性能要求的材料； 按規(guī)定設計