《力学教材》-《力学教材》-19 船用压力容器破坏分析

问题与思考

压力容器（PressureVessel），是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。压力容器的用途极为广泛，它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。其中以在化学工业与石油化学工业中用最多，仅在石油化学工业中应用的压力容器就占全部压力容器总数的50%左右。压力容器在化工与石油化工领城，主要用于传热、传质、反应等工艺过程，以及贮存、运输有压力的气体或液化气体；在其他工业与民用领域亦有广泛的应用，如空气压缩机。各类专用压缩机及制冷压缩机的辅机(冷却器、缓冲器、油水分离器、贮气罐、蒸发器、液体冷却剂贮罐等)均属压力容器。船舶工业的船用有很多压力容器，比如船用锅炉、存储罐、各种气瓶以及系统控制系统的气瓶等等。因为船用压力容器的运用特征及其内部介质的化学技术特性，船用压力容器对船舶来说既是必需的动力设备，又是容易产生爆炸危险的受压设备。所以，船舶工业的船用压力容器设备是不容忽视的。1船用压力容器破坏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。1.1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。当压力容器发生延性破裂时，具有固有的特征。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；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；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；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。1船用压力容器破坏1.2脆性破裂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。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；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；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；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。1船用压力容器破坏1.3疲劳破裂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。（1）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。1船用压力容器破坏1.4腐蚀破裂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。2薄壁容器的强度计算

压力容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器。所谓厚壁与薄壁并不是按容器厚度的大小来划分，而是一种相对概念，通常根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，K＞1.2为厚壁容器，K≤1.2为薄壁容器（或Dm≥t，Dm为平均直径、t为壁厚）。工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。2.1薄壁容器的应力分析

薄壁容器的厚度远小于筒体的直径，可认为在圆筒内部压力作用下，筒壁内只产生拉应力，不产生弯曲应力，且这些拉应力沿厚度均匀分布，如图所示。以内压薄壁容器的应力分析图中所示的圆筒形容器，当承受内部压力作用以后，器壁上的“环向纤维”和“纵向纤维”均有伸长，可以证明这两个方向都受到拉力的作用。

圆筒在圆周方向均匀膨胀，导致壁内圆周方向产生拉应力，该拉应力称为切向应力σt；圆筒的两端板承受轴向压力，导致容器在轴向产生拉伸变形，该拉应力称为轴向应力σx。薄壁容器压力计算的最大特点为壁内应力沿壁厚均匀分布。2薄壁容器的强度计算（1）轴向应力

假想用任一截面mm将容器截开，如图所示，取左段来分析。把该段容器及气体作为一个整体，筒壁横截面上的拉应力为σx，列平衡方程：可求得轴向应力σx为:

2薄壁容器的强度计算（2）切向应力

假想用两平行截面取长为l的一段，再沿直径平面将圆筒纵向切开成为上下两部分，取下部分来分析，如图所示。列平衡方程可求得切向应力σt为：通过比较，可以得出圆筒形薄壁容器的切向应力σt比轴向应力σx的大1倍。实践证明，圆筒形薄壁容器的破坏一般都是纵向破裂。2薄壁容器的强度计算2.2薄壁容器的强度准则（1）内压薄壁圆筒强度计算公式

实际设计中还须考虑三个因素的影响：

如圆筒内径为Di，则D=Di+t；考虑焊接接头的影响，系数φ的影响，将许用应力[σ]t

用焊接接头系数φ加以校正，采用φ[σ]t来进行计算；压力p为名义载荷，在计算过程中应考虑实际因素的影响，采用计算载荷pc来进行计算。

解出t，得到内压圆筒的厚度计算式：式中：

t为圆筒的理论计算厚度，mm；

Di为圆筒内径，mm；

pc为筒体的计算压力，MPa[σ]t

为钢板在设计温度下的许用应力，MPa；φ为焊接接头系数。应用第三强度理论有：2薄壁容器的强度计算（2）薄壁球壳强度计算公式

利用上述推导方法，可以得到球壳壁厚设计计算公式：能力拓展（1）设计筒形薄壁容器时应当遵循的原则

从前面分析得知，σt>σx，故通常在设计薄壁圆筒时，应遵守下列两项原则：a.纵向焊缝的强度必须高于横向焊缝的强度；b.在圆筒上开有椭圆孔时，孔的长轴必须与圆筒轴线垂直。由于孔的存在会引起应力集中，考虑到σt>σx，又考虑到椭圆孔长轴端部引起的应力集中较大，因此把椭圆孔的长轴安排在与应力σx平行的方向（即平行于圆筒轴线方向），这样可以