化工压力容器的破裂形式与预防

1、Word文档 化工压力容器的破裂形式与预防 压力容器的裂开事故可能造成严峻的后果，要防止压力容器发生这类事故，必需了解它的破坏机理。依据压力容器的裂开特点，可将压力容器的裂开形式分为韧性裂开、脆性裂开、疲惫裂开、腐蚀裂开和蠕变裂开等。 韧性破坏系指承压特种设备器壁承受过高的应力达到了器壁材料的强度极限，而发生断裂破坏。这种破坏形式称为韧性破坏。 1.1 韧性破坏的特征 由于容器筒体器壁受力时，其环向应力比轴向应力大1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”变形。当容器发生韧性破坏时，圆周长的最大增长率和容积变形率达10%20%。 断口

2、的微观形貌为韧窝花样，韧窝的实质就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、相互连接并最终导致断裂的痕迹。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、位错积累区或晶界处等，因此非金属夹杂物愈多，愈易形成显微空洞和韧窝。 1.2 发生韧性破坏的缘由 承压特种设备的韧性破坏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，发生韧性破坏的主要缘由： 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平安要求。 5）维护保养不当。 1.3 韧性破坏的预防

3、 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平安使用。 压力容器应按核定的工艺参数运行，平安附件应安装齐全、正确，并保证灵敏牢靠。 使用中加强巡回检查，严格根据工艺参数进行操作，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，实行有效措施防止腐蚀性介质及大气对承压特种设备的腐蚀，若发觉承压特种设备器壁被严峻腐蚀以致变薄或运行中器壁产生明显塑性变形时，应马上停止使用。 并不是全部的压力容器械在裂开时都经过显著的塑性变形，有些容器在裂开后经检查并没有发觉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。这种裂开现象和脆性

4、材料的裂开相像，故称为脆性裂开，有时也称为低应力裂开。 2.1 脆性裂开特征 压力容器发生脆性裂开时，在裂开外形、断口形式等方面都具有一些与韧性裂开正好相反的特征： 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坏； 3）容器经常裂成碎块； 4）断口呈金属光泽的结晶状，平直； 5）在温度较低的状况下发生； 6）破坏前无预兆，危害性大，难以预防。 2.2 产生脆性破坏的缘由 产生脆性破坏的缘由主要是材料的韧性差，特殊是在低温时下降很快。此外承压部件存在缺陷时，在此区域应力增加，易产生应力集中。 2.3 脆性裂开的预防 防止压力容器产生脆性裂开最基本的措施是削减或消退构件的缺陷，

5、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；并留意设计的结构合理，在制造时实行严格的工艺措施减小应力集中；在使用中加强检验，及早发觉并消退缺陷。 疲惫裂开是压力容器常见的一种裂开形式。据英国的一个联合调查组统计，在运行期间发生破坏事故的压力容器有近90%是由裂纹引起的，而在由裂纹引起的事故中，疲惫裂纹约占40%。可见压力容器的疲惫裂开是肯定不能忽视的。压力容器的疲惫裂开，绝大多数属于金属的低周疲惫，即承受较高的交变应力，而应力交变的次数并不是太高。一般状况下，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，随着交变载荷的连续作用，裂纹渐渐扩大，导致裂开。

6、 3.1 疲惫裂开的特征 1）容器没有明显的塑性变形； 2）破坏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、扩展到破坏有一个较为缓慢的进展过程； 5）破坏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 疲惫裂开的预防 压力容器的疲惫裂开既然是由于反复的交变载荷以及过高的局部应力引起的，那么要防止它发生这类事故，除了在运行中尽量避开那些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，主要还在于设计时采纳合理的结构。一方面要避开产生应力集中，使容器器壁的个别部位的局部应力不致于超过材料

7、的屈服强度。另一方面，假如容器上的确难以避开地要消失较高的局部应力，则应做疲惫分析和疲惫设计。此外在制造时要按正确的工艺进行，确保质量。 腐蚀裂开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转变、机械性能降低，使承压特种设备承载力量不够而发生的破坏，这种破坏形式称为腐蚀裂开。 压力容器的腐蚀裂开都是应力腐蚀，由于压力容器一般都承受较大的拉伸应力，而它的结构也经常难以避开地有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经常是带腐蚀性的。压力容器的应力腐蚀裂开是指容器壳体由于受到腐蚀介质的腐蚀而产生的一种裂开形式。是在腐蚀介质和拉伸应力的共同

8、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，最终导致断裂。所以应力腐蚀可使压力容器在应力低于它的强度极限时破坏。应力腐蚀是种相当危急的裂开形式，由于它经常是在未被发觉的状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需是拉应力，且应力可大可小，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破坏。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。 2）纯金属不发生应力腐蚀，但几乎全部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。各种工程有用材料几乎都有应

9、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裂开。 影响应力腐蚀断裂的因素许多，比如介质的种类、介质浓度、环境温度、构件所处的应力状态、金属所用材料的成分与组织。设备的防腐蚀措施是各式各样的，需要依据不同的设备条件和不同的工作介质采纳不同的方法。 4.2 腐蚀断裂的预防 1）选择合适的抗腐蚀材料； 2）实行必要的爱护措施，使承压部件与腐蚀介质隔离； 3）进行合理设计，避开高应力区； 4）制造时制定合理的工艺，消退残余应

10、力； 5）使用中加强管理，定期检查修理。 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，严峻时会导致压力容器高温部件发生蠕变裂开。产生蠕变裂开的缘由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、制造时转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。材料发生蠕变裂开时，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裂开主要从以下几个方面来考虑： 1）设计时依据使用温度选用合适的材料； 2）合理设计结构，避开局部高温； 3）制定正确的加工工艺，避开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。常常维护保养，清除积垢、结碳，可有效防止蠕变破坏事故的发生。 压力容器在运行和使用过程