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压力容器的破坏机理及综合预防措施探析

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  • 发布时间:2014-11-02
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压力容器是工业生产中常用设备.又是比较容易发生破坏事故的- 种设备.其尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能良好地实现原定的功能 .或在继续使用中失去可靠性和安全性.需要立即停用进行维修或更换 .这就称为压力容器的失效。从安全出发,对于压力容器.最应关心的失效形式是破裂失效 因此,要保证压力容器安全运行 .最重要的是防止其在使用过程中发生破断碎裂。压力容器的破裂失效按破坏形式分类 ,通常分为以下几种,即:韧性破裂 、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂、蠕变破裂等。

1 压力容器的韧性破裂1.1 韧性破裂的机理金属材料的韧性断裂是显微空洞形成和长大的过程 金属材料特别是塑性较好的碳钢及低合金钢在发生韧性断裂时总是先发生大量的塑性变形。断裂首先是在塑性变形严重的地方形成显微空洞(微孔)。

夹杂物是显微空洞成核的位置 在拉力作用下 ,大量的塑性变形使脆性夹杂物断裂.或使夹杂物与基体界面脱开而形成空洞≌洞-经形成.即开始长大和聚集 .聚集的结果是形成裂纹 ,最后导致断裂。

压力容器在韧性破裂前先产生大量的容积变形.这种现象对防止某些容器发生破裂事故也是有利的。例如 ,液化气体的气瓶会由于器内介质温度增加使压力急剧升高 .容积的大量变形则有利于缓解容器内压力的激增,有时还会避免容器的破裂。对与-些器壁因严重腐蚀而减薄了的气瓶或其它容器.有时也会在冲装气体或进行耐压试验过程中因压力表突然停止不动而被发现1.2 韧性破裂发生的原因1.2.1 液化气体压力容器充装过量1.2.2 压力容器在使用中超压1.2-3 压力容器维护不良以致壁厚减薄1.3 韧性破裂的特征1-3.1 破裂压力容器器壁有明显的伸长变形1.3-2 压力容器断口呈暗灰色纤维状.断口不齐平133 压力容器韧性断裂-般不产生碎片,而只是在中部裂开-个形状为x”的口1I4 压力容器韧性破裂的预防方法正确设计和规范操作压力容器 .设置超压泄放装置.并正确选用和维护.以及保护设备完好状态是预防压力容器发生韧性破裂的重要措施 此外.加强对在用压力容器的检查维护工作 .及时发现容器可能表现出来的爆破预兆 .如宏观变形等.则常成以预先避免事故的发生2 压力容器的脆性破裂2.1 脆性破裂的机理发生脆性破裂的破坏事故的必须条件有四个:-是.压力容器本身结构中存在着残余应力:二是 ,压力容器和其焊接的接头中有应力集中:三是,材料韧性较差;四是,在压力容器的制造过程中有不符合设计的冷加工变形。大部分化肥、化工、炼油用的低温压力容器所受的载荷基本是属于静载荷范围.而制造这些容器所选用的钢材为具有体心立方品格的铁素体钢 其断裂机理有剪切断裂和解理断裂两种 随温度的降低,在水平应力的作用下.由剪切断裂逐步转变为解理断裂。

材料的韧性也随之降低2.2 脆性破裂发生的原因2.2.1 容器的设计和制造方面存在缺陷2.2.2 材料脆性2.23 焊接区和焊缝处有缺陷2.2.4 容器存在较高的附加应力2-3 脆性破裂的特征2.3.1 容器破裂时外观没有明显的预兆和塑性变形 .破裂之前没有或者只有局部极小的塑性变形2.3.2 断口宏观分析呈金属晶粒状并附有光泽.断口平直且与主应力方向垂直2.3.3 破裂通常为瞬间发生,常有许多碎片飞出。破坏-旦发生,裂纹便以极高的速度扩展2.3.4 破坏时的名义工作应力较低.通常低于或接近于材料的屈服极限2.3.5 破坏-般在较低温度下发生.且在此温度下材料的韧性很差2.3.6 破裂总是在缺陷处或几何形状突变处首先发生2.4 力容器脆性破裂的预防措施2,4.1 在容器的设计和制造方面:减少容器结构及焊缝处应力集中;制造容器的材料在使用条件下要有较好的韧性:消除残余应力 :加强对容器的检验2.4.2 在使用和管理方面:防止容器的使用温度低于它的设计温度,因为金属材料的断裂韧性随着温度的降低而降低:开停容器时要防止压力或温度的急剧变化.因为金属材料的断裂韧性会因加载速度过大而降低 .运行中容器在温度突变的情况下发生脆性破裂的亦有先例2.4.3 运行中的容器要按《容规》的规定进行定期检验,及时发现超标缺陷并眷消除.就可防止其扩展后产生脆性破裂3 压力容器的疲劳破裂3.1 疲劳破裂的机理疲劳破裂按机理分为低循环疲劳(低周疲劳)和低应力高循环疲劳(高周疲劳)疲劳裂纹的扩展也可以分为两个阶段。第-阶段,压力容器的裂纹通常是从金属表面上的驻留滑移带或非金属夹杂物等处开始 .沿最大切应力方向(和主应力方向近似 45o)的晶面向内扩展 ,由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻碍作用.裂纹的方向逐渐转向和主应力垂直.这-阶段的扩展速度是很慢的 裂纹扩展方向和主应力方向相垂直的-段为扩展的第二阶段.这-阶段扩展的途径是穿晶的,扩展的速率也较快3.2 疲劳破裂发生的原因3.2.1 容器承受交变循环载荷3.2.2 过高的局部应力3.2.3 高强度低合金钢的广泛应用和特厚材料的应用增加.材料本身和焊缝处往往较容易形成各种缺陷3-3 疲劳破裂的特征3.3.1 容器破坏时无明显的塑性变形3.3.2 疲劳断裂的断口形貌与脆性断裂不同由断口宏观分析可见 ,疲劳裂纹产生、扩展和最后断裂区域各具特色.前二者比较光滑,后者比较粗糙。

3.3.3 从产生开裂的部位来看.-般都是在结构局部应力较高或存在材料缺陷处(包括焊缝及其热影响区)的地区,疲劳裂纹穿透器壁.也称为未爆先漏”.尤其是在容器壁的接管处极为常见作者简介:沈石华(1973-),女,汉族,1997年毕业于宁夏广播电视大学化工机械专业(大专),后于2011年毕业于宁夏大学电气工程及其自动化专业(本科)化工设备机械工程师,现主要从事压力容器设计。

科技信息 0科教前沿O SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 2013年 第 5期3.3-4 从裂纹的形状 、扩展直到最后断裂,发展缓慢 ,不像脆性破裂那么迅速.而且破成许多碎片.疲劳破裂只是-般的开裂.出现初始裂纹源.使容器泄露而失效3.3.5 疲劳破裂通常是在操作温度、压力大幅度波动且频繁启动、停车的情况下发生的3-4 力容器疲劳破裂的预防措施针对以上疲劳破裂的发生原因.预防疲劳破裂的关键首先是应严格进行容器的制造和检验.减少附加的应力集中.避免焊接或安装过程中的先天或后天性裂纹或缺陷:其次.减少频繁开停车、压力或温度波动、外加强迫振动、周期性外载荷等,维持设备的稳定运行 ,以抑制或延缓裂纹扩展破裂。对于新设计的容器.则通过选择塑性应变能力好的抗疲劳材料 .设计时采用不会造成局部高应力集中地抗疲劳结构:按照容器分析设计规范进行疲劳分析或基于断裂力学的抗疲劳断裂设计方法等4 压力容器的腐蚀破裂4.1 腐蚀破裂的机理4.1.1 均匀腐蚀4.1.2 点腐蚀4.1.3 晶间腐蚀 r4.1.4 应力腐蚀 。

4.1.5 疲劳腐蚀 -4.2 腐蚀破裂发生的原因4.2.1 高温、易产生局部过热区、处理 CO、CO。烃类介质的设备 ,易发生渗碳腐蚀4.2.2 高压、水分多 、露点高条件下的合金材料易产生应力腐蚀4.2.3 氢与硫共存、腐蚀条件恶劣.易发生硫化氢引起的应力腐蚀4.2.4 高温、高压、碳含量高的铁碳合金设备 易发生氢脆4.2.5 高温氯化物溶液下的奥氏体不锈钢设备.较高的冷作残余应力及振动应力、高温、高压的氯化物水溶液是发生氯离子引起的奥氏不锈钢应力腐蚀破裂的必要条件4.2.6 CO、CO 或 COCO H20或 COCO N 混合气体中加水,均会引起应力腐蚀4.3 腐蚀破裂的特征腐蚀破裂的主要特征有:渗碳腐蚀的不锈钢金属表面呈孔蚀状。

且在焊接部分和热影响区腐蚀特别严重:由氢脆而破裂的容器的金属表面及断口上有鼓泡现象:发生碱脆断裂的容器.其断口与主拉应力方向基本上垂直.且粘附有磁性氧化铁物质:发生硫化氢腐蚀容器的器壁上有-层银灰色、多孔、松散的易剥落层.这就是腐蚀生成的--硫化铁:发生氯脆的设备表面有腐蚀坑存在.其裂纹通常是穿晶型的。

并且带分支.类似于河流花样形状4.4 压力容器腐蚀破裂的预防措施压力容器腐蚀破裂的类型有很多.因而预防其发生的措施也有所不同 现仅针对经常发生且发生后后果极为严重的应力腐蚀破裂提出以下预防措施:4.4.1 基于应力腐蚀的选择性 .对于特定的介质.选择对该介质应力腐蚀不敏感的材料是首要措施.这种选择 ,首先看其可能性.其次看其经济性。通常加缓蚀剂等.改变环境介质的条件来避免应力腐蚀破裂(上接第 38页)全求解区域控制方程转化为:pahA 1 0 )豢3 结论4.4.2在结构设计和制造过程中应尽量避免zad,应力集中.减少参与应力的存在。 ;4.4.3 防止氢脆发生.可以通过降低材料脆性敏感性.减少或消除拉应力,杜绝或减少氢环境等几个方面采取防护措施。

5 压力容器的蠕变破裂5.1 腐蚀破裂的机理蠕变破裂的机理是:金属材料设备长时间在高温高压条件下运行.会引起材料的组织和性能退化。热应力作用下。器壁会发生缓慢的塑性变形.压力容器的体积就会渐渐地增大,随着使用时间的延长.材料塑性的恶化,断裂的韧度就会下降,低应力脆断的危险性增加。在严重的时候会在低应力状态下发生蠕变破裂。大多数金属材料的蠕变破裂温度是它本身熔化温度的25%-35%之间.发生蠕变的温度为 300-350oC。

5.2 蠕变破裂发生的原因5.2.1 蠕变破裂常见于生产设备的受热部件设备不能正常运行时.例如器壁超温运行.炉管因结垢导致局部过热等 .都是蠕变破裂的常见原因5.2.2 选择的材料不合理 如有些材料在常温的时候塑性比较好但在高温的时候塑性就极差5.2.3 结构不合理.操作不当.导致设备运行时出现局部区域过热5.3 蠕变破裂的特征5.3.1 蠕变破裂有明显的变形.它的变形量与材料在高温下的塑性有关5.3.2 蠕变破裂的断口无金属光泽.呈粗糙颗粒状.表面有高温氧化层或腐蚀物。高温作用发生金相组织变化.呈石墨化倾向时.破裂有明显的脆性断口特征5.33 由于受到长时间的高温和热应力的共同作用.发生蠕变破裂时的应力远远低于压力容器材料正常操作温度下的抗拉强度5.3.4 高温容器若再遇到交变载荷.则产生另-类容器破坏问题.即蠕变疲劳破坏5.4 压力容器蠕变破裂的预防措施按相关规定和要求设计压力容器.规范操作程序和保证稳定运行是避免发生容器蠕变破裂的重要措施 此外 .限制容器器壁温度或选用满足高温力学性能要求的材料也可避免或减少容器蠕变破裂的发生6 结束语总之,引起压力容器破裂的原因是多方面的.包括操作、设计 、制造和维修等。通过对容器各种破裂形式的内在机理和外部特征的了解,探究诱发该种形式破裂的原因,针对性地提出预防事故发生的措施。

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