压力容器与安全工程 (3)教材

第三章压力容器缺陷与破坏形式王江云中国石油大学压力容器安全管理工程6/17/20241第三章压力容器缺陷与破坏形式

主要内容第一节、压力容器制造缺陷的主要类型第二节、压力容器使用过程中产生的缺陷第三节、压力容器的破坏形式与预防6/17/20242第一节压力容器制造缺陷的主要类型一、焊接裂纹在应力和应变下金属的线性局部破裂，焊接裂纹。按其在焊缝出产生的部位的不同分为纵向焊缝、横向焊缝、根部裂纹、弧坑裂纹、热影响区裂纹、显微裂纹按产生于不同温度和时间分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹。6/17/20243一、焊接裂纹

焊接裂纹类型6/17/20244一、焊接裂纹

1、热裂纹焊缝开始结晶凝固到相变之前这一段时间和温度区间所产生的裂纹，也叫高温裂纹。沿晶间开裂的，晶间裂纹。纵向裂纹，横向裂纹，根部裂纹，弧坑裂纹产生原因焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象，偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质，它们的结晶过程中以液态间层存在，由于熔点低往往最后结晶凝固，而凝固后的强度也极低。凝固过程中，焊缝收缩变形受到周围金属的限制，并产生拉伸应力。拉伸应力足够大时，会将液态间层拉开或在其凝固不久拉断它，形成裂纹母材的晶界上也存在低熔点共晶和杂质。6/17/20245一、焊接裂纹

2、冷裂纹焊接接头冷却至300℃以下产生的裂纹；产生原因：焊接接头形成淬硬组织扩散氢的存在和富集较大的焊接应力6/17/20246一、焊接裂纹

3、再热裂纹指一些含有钒、铬、钼、硼等合金元素的低合金高强度钢、耐热钢，经受焊接热循环后，在再次受加热过程中（如消除应力退火，多层多道焊接机高温下工作等）产生的裂纹。——消除应力裂纹，经常发生在500℃产生于焊接热影响区的粗晶区，具有晶界断裂的性质，多发生于应力集中部位。产生与高温蠕变有关。6/17/20247上节课内容回顾压力容器安全设计设计参数压力容器结构安全设计压力容器材料的选择：压力容器的压力试验：工作压力与设计压力、计算压力设计温度许用应力与安全系数焊接接头系数壁厚附加量结构不连续处应平滑过渡；引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开；避免高应力集中；避免采用刚性过大的焊接结构。压力试验所用介质及要求；试验压力的确定与金属材料的基本性能和焊接性能有关金属材料的基本性能和焊接性能6/17/20248上节课内容回顾压力容器制造缺陷焊接裂纹热裂纹冷裂纹：再热裂纹热裂纹冷裂纹再热裂纹焊缝开始结晶凝固到相变之前这一段时间和温度区间所产生的裂纹，也叫高温裂纹。沿晶间开裂的，晶间裂纹。指一些含有钒、铬、钼、硼等合金元素的低合金高强度钢、耐热钢，经受焊接热循环后，在再次受加热过程中（如消除应力退火，多层多道焊接机高温下工作等）产生的裂纹。——消除应力裂纹，经常发生在500℃焊接接头冷却至300℃以下产生的裂纹；6/17/20249二、未焊透和未熔合

未焊透——母材之间未被电弧热溶化而留下来的空隙。产生原因——坡口角度小、间隙过大或钝边过大、双面焊接时背面清根不彻底、焊接能量过小或焊接速度过快。后果——产生较为严重应力集中，是脆性破坏和疲劳破坏的根源。6/17/202410二、未焊透和未熔合

未融合——焊缝金属和母材之间及各层焊缝金属之间彼此没有完全熔合在一起的现象。产生原因——焊接能量过小，焊条、焊丝或焊炬火焰偏于坡口一侧，电焊条偏心使电弧偏于一侧，母材或前一层焊缝未充分溶化就被填充金属所覆盖，母材坡口或前一层焊缝表面有锈或污物，或焊接时由于温度不够而未能将其溶化而盖上填充金属焊接速度过快。6/17/202411三、夹渣夹渣——夹杂在焊缝中的非金属杂质产生原因坡口过小，焊接电流过小，熔渣粘度多、大，使熔渣浮不到熔池表面；焊条药皮在焊接时成块脱落未溶化；多层多道焊时，每到焊缝的熔渣未清除干净；后果引起的应力集中对焊缝的疲劳强度有较为明显的影响。6/17/202412四、气孔

气孔——焊接熔池结晶时，在焊缝中形成的空洞产生原因由于金属在高温液态时一方面溶解了较多的气体（氢氮），另一方面进行冶金反应时产生了相当多的气体（一氧化碳，蒸汽），随着温度的降低和结晶过程的发展，这些气体都有从金属中溢出的趋势，并溢出相当部分。但焊缝冷却的快，来不及溢出的形成了气孔。氢气孔和一氧化碳气孔占多数；6/17/202413五、表面缺陷

1、咬边——沿着焊趾，在母材部分形成的凹陷或沟槽。产生原因：电弧热量太高，运条速度太小；后果：减小了母材的有效截面积，降低结构的承载能力2、弧坑——焊缝收尾处未填满产生的下陷。产生原因：熄弧太快，未填满熔池，或薄板焊接时电流过大。运条速度太小；后果：减小了焊缝的有效截面积，弧坑长带有弧坑裂纹和弧坑缩孔3、电弧擦伤——焊条和焊把与非施焊的焊件接触，或地线与焊件接触不良，而在焊件表面留下擦伤。后果：由于冷却，引起淬硬，有脆化作用，在易淬火钢或低温钢中，可能发生脆性破坏的起源点；不锈钢有电弧擦伤时，会降低抗腐蚀性能4、焊缝不符合要求——焊缝外形尺寸与设计要求或有关标准规定的尺寸不相符。产生原因：熄焊接坡口角度不当或装配间隙不均匀、焊接规范选择不当、损伤不当；6/17/202414六、组织缺陷1、过热、过烧和疏松过热——金属在高温下表面变黑起氧化皮，内部晶粒粗大而变脆的现象。过烧——金属在高温下不仅晶粒变得粗大，而且晶间被氧化，使晶粒间的连接受到破坏的现象。疏松——若被氧化的金属粗大晶粒之间还有夹杂物存在。产生原因：气焊火焰功率过大，焊接速度太慢，火焰在某局部停留时间过长，采用氧气火焰或焊丝成分不合格，焊接场所风力过大；后果：严重降低钢材的强度和塑性，对焊件安全影响极大。6/17/202415六、组织缺陷2、淬硬性马氏体组织马氏体——淬火时形成的一种硬而脆的组织，当高温下的奥氏体急冷至200℃以下，完全变成一种过冷奥氏体组织即马氏体。后果：马氏体组织塑性和韧性很差，而且在形成马氏体过程中，金属体积显著膨胀，形成很高的组织应力，极易导致裂纹的出现。消除方法：预热和焊后加热是预防马氏体的有效措施，焊后热处理可以有效地消除马氏体。6/17/202416六、组织缺陷3、奥氏体不锈钢晶间腐蚀奥氏体不锈钢晶间腐蚀——奥氏体不锈钢在450~850℃范围内停留一段时间后，由于碳化铬的析出，造成晶间贫铬，是晶间严重丧失抗腐蚀性能，产生晶间腐蚀。焊接时，会使奥氏体不锈钢的某一区域加热到上述温度，并停留一段时间，如果焊条选择及焊接工艺不当，焊接接头就有可能产生晶间腐蚀倾向，在接触腐蚀性介质时会产生严重的晶间腐蚀。后果：晶间腐蚀从根本破坏了金属晶粒间的连接，从而导致金属力学性能的全面降低，马氏体组织塑性和韧性很差，而且在形成马氏体过程中，金属体积显著膨胀，形成很高的组织应力，极易导致裂纹的出现。6/17/202417本节课内容回顾压力容器制造缺陷焊接裂纹未焊透和未熔合夹渣气孔表面缺陷：组织缺陷热裂纹冷裂纹再热裂纹坡口过小，焊接电流过小，熔渣粘度多大，使熔渣浮不到熔池表面焊条药皮在焊接时成块脱落未溶化多层多道焊时，每到焊缝的熔渣未清除干净过热、过烧和疏松淬硬性马氏体组织奥氏体不锈钢的晶间腐蚀咬边、弧坑、电弧擦伤、焊缝尺寸不符合要求6/17/202418TheEnd6/17/202419上节课内容回顾压力容器制造缺陷焊接裂纹未焊透和未熔合夹渣气孔表面缺陷：组织缺陷热裂纹冷裂纹再热裂纹坡口过小，焊接电流过小，熔渣粘度多大，使熔渣浮不到熔池表面焊条药皮在焊接时成块脱落未溶化多层多道焊时，每到焊缝的熔渣未清除干净过热、过烧和疏松淬硬性马氏体组织奥氏体不锈钢的晶间腐蚀咬边、弧坑、电弧擦伤、焊缝尺寸不符合要求6/17/202420第二节压力容器使用过程中产生的缺陷一、腐蚀二、裂纹6/17/202421一、腐蚀

腐蚀是压力容器使用过程中最容易产生的一种缺陷。产生部位局部腐蚀（点蚀、凹坑腐蚀、晶间腐蚀）均匀腐蚀（均匀的产生与部件表面的各个部位）腐蚀机理化学腐蚀——金属与所接触的气体或液体介质发生的化学反应所造成的腐蚀。电化学腐蚀——金属与电解质相互作用使金属阳极部位损伤的现象。腐蚀介质氧腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀、蒸汽腐蚀6/17/202422一、腐蚀

1、大气腐蚀定义：湿气腐蚀，即在空气潮湿及器壁不洁的条件下，空气中的氧通过器壁上的水膜与金属发生的电化学腐蚀。潮湿环境及易于积存水分或湿气的部位，并与季节、地区及部件在大气中的裸露程度有关支座，人孔，法兰及其它活动连接、胀口、铆缝等易于出现“跑、冒、滴、漏”之处。2、氧腐蚀定义：溶入水中的氧与盛水容器金属壁面作用所发生的电化学腐蚀。水压试验未完全放掉水，可能产生严重的氧腐蚀。局部腐蚀，被腐蚀点呈点状，严重时形成深孔或穿孔。6/17/2024233、酸碱等腐蚀介质引起的腐蚀相应的耐腐蚀措施失效而造成的腐蚀涂层或镀层破换遭到腐蚀金属或非金属衬里在温度及压力变化时，膨胀系数不同使衬里产生凸起或开裂等缺陷，并由此造成工作介质渗漏到衬里与外壳之间，使外壳产生腐蚀。4、应力腐蚀腐蚀介质和拉伸应力共同作用下金属产生的腐蚀，属于电化学腐蚀应力腐蚀常常导致突发性的脆性破坏，造成严重的后果6/17/2024245、疲劳腐蚀交变拉伸应力与腐蚀性介质共同作用引起的腐蚀与应力腐蚀的区别在于应力是否呈周期性变化产生于承受交变载荷与盛装腐蚀性介质的容器中，焊缝、开孔及结构不连续等高应力部位。

6、氢脆和氢腐蚀氢在钢材中富集而使钢材变脆的现象氢脆及氢腐蚀是钢材内部性能及组织变化的缺陷，难以检查发现。防范措施（1）严格控制压力容器用钢的氢含量（2）选用耐氢的材料制造加氢容器（3）焊后及时进行消氢处理（4）控制含氢介质的腐蚀产氢过程6/17/202425二、裂纹

裂纹是导致压力容器爆炸或爆破，并造成极其严重后果的一种危险性缺陷。按产生原因可分为：原材料裂纹焊接裂纹过载裂纹疲劳裂纹热应力裂纹热疲劳裂纹蠕变裂纹腐蚀裂纹横裂纹纵裂纹6/17/202426上节课内容回顾压力容器制造缺陷焊接裂纹未焊透和未熔合夹渣气孔表面缺陷：咬边、弧坑、电弧擦伤、焊缝尺寸不符合要求组织缺陷：过热过烧和疏松，淬硬性马氏体，奥氏体不锈钢的晶间腐蚀热裂纹冷裂纹再热裂纹6/17/202427上节课内容回顾压力容器使用中产生的缺陷腐蚀：大气腐蚀、氧腐蚀、酸碱腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、氢脆和氢腐蚀裂纹：原材料裂纹、焊接裂纹、过载裂纹、疲劳裂纹、热应力裂纹、热疲劳裂纹、蠕变裂纹、腐蚀裂纹。6/17/202428第三节压力容器的破坏形式与预防设计结构不合理、制造质量不良、使用维护不当或其他原因一、延性破裂二、脆性破裂三、疲劳破裂四、腐蚀破裂五、蠕变破裂6/17/202429一、延性破裂

定义：压力容器在内部压力的作用下，器壁上产生的应力达到器壁材料的强度极限而发生的断裂破坏。主要原因：盛装液化气体介质的容器充装过量。使用中的压力容器超温、超压运行。容器壳体选材不当或容器安装不符合要求。维护保养不当。6/17/202430一、延性破裂

主要特征器壁上有明显的伸长变形；断口成暗灰色纤维状；容器一般不是碎裂；容器实际爆破压力接近计算爆破压力。防范措施足够的强度和厚度按规定工艺参数工作，附件齐全禁止超温、超压、超负荷运行，防止过量充装加强维护保养，防止腐蚀。6/17/202431一、延性破裂

事例——过量灌装引发容器破坏过量灌装，容器顶部出现环状裂口。6/17/202432二、脆性破裂

定义：压力容器采用强度高而韧性差的材料时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象，也称为低应力脆断。主要原因：低温、材料韧性差；容器本身存在的缺陷，造成局部压力过高所致。6/17/202433二、脆性破裂主要特征器壁上没有明显的伸长变形；裂口齐平，断口呈金属光泽的结晶状；容器常破裂成碎块；容器破裂事故多发生在温度较低的情况下。防范措施应选择具有良好塑性的材料，减少或消除构件的缺陷；避免或防止压力容器的应力集中导致的裂纹；提高焊接质量，消除残余应力；定期对容器进行检查。6/17/202434案例一、事故概况及经过

1979年12月18日14点7分，某市煤气公司液化气站的102号400立方米液化石油气球罐发生破裂，大量液化石油气喷出，顺风向北扩散，遇明火发生燃烧，引起球罐爆炸。由于该球罐爆炸燃烧，大火烧了19个小时，致使五个400立方米的球罐，四个450立方米卧罐和8000多只液化石油气钢瓶(其中空瓶3000多只)爆炸或烧毁，罐区相邻的厂房、建筑物、机动车及设备等被烧毁或受到不同程度的损坏，400米远相邻的苗圃、住宅建筑及拖拉机、车辆也受到损坏，直接经济损失约6270000元，死36人，重伤50人。

该球罐自投用后两年零两个月使用期间，球罐经常处于较低容量，只有三次达到额定容量，第三次封装后四天，即在18日破裂。

该球罐投用后，一直没有进行过检查，破裂前，安全阀正常，排污阀正常关闭。球罐的主体材质为15MnVR，内径9200毫米，壁厚25毫米，容积400立方米，用于贮存液化石油气。6/17/202435二、事故原因分析

1．根据断口特征和断裂力学的估算，该球罐的破裂是属于低应力的脆性断裂，主断裂源在上环焊缝的内壁焊趾上，长约65毫米。

2．经宏观及无损检验，上、下环焊缝焊接质量很差，焊缝表面及内部存在很多咬边、错边、裂纹、熔合不良、夹渣及气孔等缺陷。

3．事故发生前在上下环焊缝内壁焊趾的一些部位已存在纵向裂纹，这些裂纹与焊接缺陷(如咬边)有关。

4．球罐投入使用后，从未进行检验，制造、安装中的先天性缺陷未及时发现和消除，使裂纹扩展、当球罐内压力稍有波动便造成低应力脆性断裂。

国务院1980年曾以国发99号文批转《关于吉林市煤气公司液化石油气厂恶性爆炸火灾事故》时指出：这次事故暴露出来的压力容器组装质量差、使用管理混乱，领导干部不重视安全生产，不认真执行安全规章制度，不懂业务，不注意技术管理以及对设备长期不检验等问题，在不少企业、事业单位中都不同程度的存在，应当引起各级领导的严重注意。

6/17/202436三、防止同类事故的措施

1．在球罐设计、制造、安装中要把住质量关，特别是要保证焊接质量。

2．球罐投用后，使用单位的领导要提高安全意识，重视球罐的安全。

3．要建立健全必要的规章制度，提高管理人员和操作人员的素质。6/17/202437三、疲劳破裂

定义：压力容器器壁在反复加热和卸载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换形式，突然发生，具有很大的破坏性。主要原因：存在较高的应力集中；存在交变载荷。6/17/202438三、疲劳破裂

主要特征器壁上没有明显的塑性变形；防范措施制造质量应符合要求，避免先天性缺陷，减少过高的局部应力；防止外来载荷源影响，减少压力容器本体交变载荷；尽量减少外压、泄压的次数，操作中防止温度压力波动过大；对无法避免的外来载荷、无法减少开停次数的压力容器，制造前应做疲劳设计，以保证压力容器不致发生疲劳破裂。6/17/202439四、腐蚀破裂

定义：压力容器在腐蚀介质作用下，引起容器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。主要形式：均匀腐蚀；孔蚀；晶间腐蚀；应力腐蚀；氢损伤6/17/202440四、腐蚀破裂

1、均匀腐蚀在接触腐蚀介质的全表面或大部分表面均匀进行的腐蚀。最为常见，化学或电化学腐蚀2、孔蚀点腐蚀，金属表面上产生针状、点状、小孔状态的局部腐蚀形态，包括局限在个别点上的深坑腐蚀及面积较大的密集斑点腐蚀。通常孔深度大于孔径整体腐蚀量较小，却能导致压力容器腐蚀穿漏，隐蔽性强；6/17/202441四、腐蚀破裂

3、晶间腐蚀沿着金属晶粒间的分界线向内部扩散的腐蚀。晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在引起的。4、应力腐蚀腐蚀使金属的有效面积减少和表面形式形成缺口，产生应力集中；应力加速腐蚀的进展，是表面缺口向深处（或晶间）扩展，最后导致断裂；危险，无先兆，裂纹大体向垂直于拉应力方向发展，裂纹形态有晶间形、空晶形或两者兼有的混合形；6/17/202442四、腐蚀破裂

5、氢损伤定义：由于氢渗进金属内部而造成金属性能恶化的现象。形式：氢鼓包、氢脆、脱碳、氢腐蚀产生原因：压力容器维护保养不当；选材不当或未采取有效防腐措施；结构不合理，或焊接不符合规范要求；介质中杂质的影响。6/17/202443四、腐蚀破裂

氢损伤防范措施根据介质选用合适厚度的防腐蚀材料的容器；对奥氏体不锈钢容器应严格控制氯离子含量，并避免在不锈钢敏感温度下使用，防止破坏不锈钢表面的钝化膜和防止晶间腐蚀；选择有腐蚀隔离措施的容器以避免腐蚀介质对壳体的腐蚀；选用结构合理、设计制造质量符合国家标准和要求的容器；使用中采取适当的工艺措施降低腐蚀速度。6/17/202444五、蠕变破裂

定义：压力容器的壁温高于某一限度时，即使应力低于屈服极限，容器材料也会发生缓慢塑性变形，这种塑性变形经长期积累，最终会导致压力容器的破坏。特点：发生在容器温度达到或超过了材料熔点25~35%，碳素钢界限为350~400℃。部分低合金钢的蠕变温度界限大于450℃；蠕变破坏是高温和拉应力长期作用的结果，通常有明显的塑性变形，其变形量大小决定与材料的塑性。破坏时的应力值低于材料在使用温度下的强度极限。6/17/202445五、蠕变破裂

产生原因：长期高温下运行，即使低于材料的屈服极限，也能发生缓慢的塑性变形；选材不当，结构不合理，或由于结垢、结碳、结疤等影响传热，造成局部过热；防范措施：选用满足高温力学性能要求的合金钢材料、设计结构合理、制造质量符合标准的压力容器，并使用防止容器局部过热，经常维护保养，消除积垢、结碳、可有效防止容器破坏事故的发生。6/17/202446延性破裂脆性破裂疲劳破裂腐蚀破裂蠕变破裂原因液化气体充装过量；超温超压运行；选材不当或容器安装不符合要求；维护保养不当。低温、材料韧性差；容器本身存在的缺陷，造成局部压力过高所致。存在较高的应力集中；存在交变载荷。维护保养不当；选材不当或未采取有效防腐措施；介质中杂质的影响。长期高温下运行，缓慢产生塑性变形；局部过热；特点有明显的伸长变形；断口成暗灰色纤维状；一般不是碎裂；容器实际爆破压力接近计算爆破压力。无明显的伸长变形；裂口齐平，断口呈金属光泽的结晶状；破裂成碎块；事故发生时温度较低。器壁上没有明显的塑性变形；氢鼓包、氢脆、脱碳、氢腐蚀有明显的塑性变形，其变形量大小决定于材料的塑性。破坏时的应力值低于材料在使用温度下的强度极限。防范足够的强度和厚度；按规定工艺参数工作，附件齐全；禁止超温、超压、超负荷运行，防止过量充装；加强维护保养，防止腐蚀。塑性的材料，减少或消除构件的缺陷；避免或防止压力容器的应力集中导致的裂纹；提高焊接质量，消除残余应力；定期对容器进行检查。减少过高的局部应力；减少交变载荷；尽量减少外压、泄压的次数，操作中防止温度压力波动过大；制造前应做疲劳设计，以保证压力容器不致发生疲劳破裂。防腐蚀材料；奥氏体不锈钢容器应严格控制氯离子含量，并避免在不锈钢敏感温度下使用，防止破坏不锈钢表面的钝化膜和防止晶间腐蚀；避免腐蚀介质对壳体的腐蚀；降低腐蚀速度。选用满足高温力学性能要求的合金钢材料、设计结构合理、制造质量符合标准的压力容器，并使用防止容器局部过热，经常维护保养，消除积垢、结碳、可有效防止容器破坏事故的发生。6/17/202447案例一、事故概况及经过

1979年8月6日6时50分，吉林省某县某制药厂浸煮罐发生爆炸。爆炸后，罐体及上部无折边封头随罐体飞出260米，下部锥体封头打入另一罐的底部，使邻