化工壓力容器的破裂形式與預防

1、Word文檔 化工壓力容器的破裂形式與預防 壓力容器的裂開事故可能造成嚴峻的后果，要防止壓力容器發(fā)生這類事故，必需了解它的破壞機理。依據(jù)壓力容器的裂開特點，可將壓力容器的裂開形式分為韌性裂開、脆性裂開、疲憊裂開、腐蝕裂開和蠕變裂開等。 韌性破壞系指承壓特種設備器壁承受過高的應力達到了器壁材料的強度極限，而發(fā)生斷裂破壞。這種破壞形式稱為韌性破壞。 1.1 韌性破壞的特征 由于容器筒體器壁受力時，其環(huán)向應力比軸向應力大1倍，所以，明顯的塑性變形主要表現(xiàn)在承壓特種設備直徑增大、壁厚減薄，而軸向增長較小，從而產(chǎn)生“腰鼓形”變形。當容器發(fā)生韌性破壞時，圓周長的最大增長率和容積變形率達10%20%。 斷口

2、的微觀形貌為韌窩花樣，韌窩的實質就是一些大小不等的圓形、橢圓形凹坑，是材料微區(qū)塑性變形后在異相點處形成空洞、長大聚集、相互連接并最終導致斷裂的痕跡。宏觀形貌是顯微窩坑的概貌。韌窩幾乎都為金相中的二次相界面、非金屬夾雜物、位錯積累區(qū)或晶界處等，因此非金屬夾雜物愈多，愈易形成顯微空洞和韌窩。 1.2 發(fā)生韌性破壞的緣由 承壓特種設備的韌性破壞只有在器壁整個截面上材料都處于屈服狀態(tài)下才會發(fā)生，所以，發(fā)生韌性破壞的主要緣由： 1）盛裝液化氣體的壓力容器充裝過量。 2）使用中的壓力容器超溫超壓運行。 3）壓力容器殼體選材不當。 4）壓力容器安裝不符合平安要求。 5）維護保養(yǎng)不當。 1.3 韌性破壞的預防

3、 在設計制造壓力容器時，要選用有足夠強度和厚度的材料，以保證承壓特種設備在規(guī)定的工作壓力下平安使用。 壓力容器應按核定的工藝參數(shù)運行，平安附件應安裝齊全、正確，并保證靈敏牢靠。 使用中加強巡回檢查，嚴格根據(jù)工藝參數(shù)進行操作，嚴禁壓力容器超溫、超壓、超負荷運行，防止過量充裝。 加強維護保養(yǎng)工作，實行有效措施防止腐蝕性介質及大氣對承壓特種設備的腐蝕，若發(fā)覺承壓特種設備器壁被嚴峻腐蝕以致變薄或運行中器壁產(chǎn)生明顯塑性變形時，應馬上停止使用。 并不是全部的壓力容器械在裂開時都經(jīng)過顯著的塑性變形，有些容器在裂開后經(jīng)檢查并沒有發(fā)覺可見的塑性變形現(xiàn)象，而且器壁的平均應力遠低于材料的強度極限。這種裂開現(xiàn)象和脆性

4、材料的裂開相像，故稱為脆性裂開，有時也稱為低應力裂開。 2.1 脆性裂開特征 壓力容器發(fā)生脆性裂開時，在裂開外形、斷口形式等方面都具有一些與韌性裂開正好相反的特征： 1）容器器壁幾乎沒有塑性變形； 2）在應力低于材料的屈服強度時破壞； 3）容器經(jīng)常裂成碎塊； 4）斷口呈金屬光澤的結晶狀，平直； 5）在溫度較低的狀況下發(fā)生； 6）破壞前無預兆，危害性大，難以預防。 2.2 產(chǎn)生脆性破壞的緣由 產(chǎn)生脆性破壞的緣由主要是材料的韌性差，特殊是在低溫時下降很快。此外承壓部件存在缺陷時，在此區(qū)域應力增加，易產(chǎn)生應力集中。 2.3 脆性裂開的預防 防止壓力容器產(chǎn)生脆性裂開最基本的措施是削減或消退構件的缺陷，

5、要求材料具有很好的韌性。設計時選用在低溫下仍保持較好韌性的材料；并留意設計的結構合理，在制造時實行嚴格的工藝措施減小應力集中；在使用中加強檢驗，及早發(fā)覺并消退缺陷。 疲憊裂開是壓力容器常見的一種裂開形式。據(jù)英國的一個聯(lián)合調查組統(tǒng)計，在運行期間發(fā)生破壞事故的壓力容器有近90%是由裂紋引起的，而在由裂紋引起的事故中，疲憊裂紋約占40%?？梢妷毫θ萜鞯钠v裂開是肯定不能忽視的。壓力容器的疲憊裂開，絕大多數(shù)屬于金屬的低周疲憊，即承受較高的交變應力，而應力交變的次數(shù)并不是太高。一般狀況下，壓力容器的承壓部件在長期反復交變載荷作用下，在應力集中處產(chǎn)生微裂紋，隨著交變載荷的連續(xù)作用，裂紋漸漸擴大，導致裂開。

6、 3.1 疲憊裂開的特征 1）容器沒有明顯的塑性變形； 2）破壞總是產(chǎn)生在應力集中的地方； 3）只產(chǎn)生開裂，不產(chǎn)生碎片； 4）從裂紋的形成、擴展到破壞有一個較為緩慢的進展過程； 5）破壞總是經(jīng)過長期的反復載荷作用后發(fā)生，應力低于抗拉強度； 6）斷面呈兩個區(qū)域，即裂紋的形成和擴展區(qū)與脆斷區(qū)。 3.2 疲憊裂開的預防 壓力容器的疲憊裂開既然是由于反復的交變載荷以及過高的局部應力引起的，那么要防止它發(fā)生這類事故，除了在運行中盡量避開那些不必要的頻繁加壓和卸壓、過分的壓力波動和懸殊的溫度變化等因素外，主要還在于設計時采納合理的結構。一方面要避開產(chǎn)生應力集中，使容器器壁的個別部位的局部應力不致于超過材料

7、的屈服強度。另一方面，假如容器上的確難以避開地要消失較高的局部應力，則應做疲憊分析和疲憊設計。此外在制造時要按正確的工藝進行，確保質量。 腐蝕裂開系指承壓特種設備材料在腐蝕性介質作用下，引起承壓特種設備器壁由厚變薄或材料組織結構轉變、機械性能降低，使承壓特種設備承載力量不夠而發(fā)生的破壞，這種破壞形式稱為腐蝕裂開。 壓力容器的腐蝕裂開都是應力腐蝕，由于壓力容器一般都承受較大的拉伸應力，而它的結構也經(jīng)常難以避開地有程度不同的應力集中處，如設備的開孔、焊縫等，且容器的工作介質又經(jīng)常是帶腐蝕性的。壓力容器的應力腐蝕裂開是指容器殼體由于受到腐蝕介質的腐蝕而產(chǎn)生的一種裂開形式。是在腐蝕介質和拉伸應力的共同

8、作用下產(chǎn)生的。腐蝕使金屬材料的有效截面積減小和表面形成缺口，產(chǎn)生應力集中；而應力則可加速腐蝕的進行，使表面缺口向深處擴展，最終導致斷裂。所以應力腐蝕可使壓力容器在應力低于它的強度極限時破壞。應力腐蝕是種相當危急的裂開形式，由于它經(jīng)常是在未被發(fā)覺的狀況下突然斷裂而發(fā)生損壞。 4.1 腐蝕斷裂的特征 1）引起應力腐蝕的應力必需是拉應力，且應力可大可小，極低的應力水平也可能導致應力腐蝕破壞。應力既可由載荷引起，也可由焊接、裝配或熱處理引起的殘余應力。 2）純金屬不發(fā)生應力腐蝕，但幾乎全部的合金在特定的腐蝕環(huán)境中都會產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。極少量的合金或雜質都會使材料產(chǎn)生應力腐蝕。各種工程有用材料幾乎都有應

9、力腐蝕敏感性。 3）產(chǎn)生應力腐蝕的材料和腐蝕性介質之間有選擇性和匹配關系，即當二者是某種特定組合時才會發(fā)生應力腐蝕。 4）應力腐蝕是一個電化學腐蝕過程，包括應力腐蝕裂紋萌生、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展等階段，失穩(wěn)擴展即造成應力腐蝕裂開。 影響應力腐蝕斷裂的因素許多，比如介質的種類、介質濃度、環(huán)境溫度、構件所處的應力狀態(tài)、金屬所用材料的成分與組織。設備的防腐蝕措施是各式各樣的，需要依據(jù)不同的設備條件和不同的工作介質采納不同的方法。 4.2 腐蝕斷裂的預防 1）選擇合適的抗腐蝕材料； 2）實行必要的愛護措施，使承壓部件與腐蝕介質隔離； 3）進行合理設計，避開高應力區(qū)； 4）制造時制定合理的工藝，消退殘余應

10、力； 5）使用中加強管理，定期檢查修理。 蠕變是指金屬材料在應力和高溫的雙重作用下產(chǎn)生的緩慢而連續(xù)的塑性變形。當承壓部件長期在金屬蠕變的高溫下工作，壁厚會減小，材料的強度有所降低，嚴峻時會導致壓力容器高溫部件發(fā)生蠕變裂開。產(chǎn)生蠕變裂開的緣由主要是未選用抗蠕變性能好的合金鋼來制造高溫部件、結構設計不合理而使局部區(qū)域過熱、制造時轉變了材料的組織而降低了材料的抗蠕變性能以及由于操作或維護不當，使承壓部件局部過熱。材料發(fā)生蠕變裂開時，一般都有明顯的塑性變形，斷口表面形成一層氧化膜。 預防壓力容器高溫承壓部件蠕變裂開主要從以下幾個方面來考慮： 1）設計時依據(jù)使用溫度選用合適的材料； 2）合理設計結構，避開局部高溫； 3）制定正確的加工工藝，避開因加工而降低材料的抗蠕變性能； 4）在使用中防止容器局部過熱。常常維護保養(yǎng)，清除積垢、結碳，可有效防止蠕變破壞事故的發(fā)生。 壓力容器在運行和使用過程