第五章壓力容器2

壓力容器

pressurevessel4壓力容器的制造安全技術Contents5壓力容器的破壞形式和原因

化工容器與一般壓力容器相比較有哪些異同點?為什么壓力容器的安全問題特別重要?

壓力容器整體應力不太復雜，但局部應力卻很復雜.如開孔處、轉交處、及不連續(xù)處等。壓力容器的使用條件比較苛刻，有酸堿、有高溫低溫、壓力交易超載、有的由于頻繁開停工、和壓力波動，容易產生低周疲勞。中、高強度鋼，焊接制造中較易產生原始裂紋。介質有毒、有腐蝕性、可以燃燒、爆炸，不允許泄漏，更不允許破裂。

從容器的安全、制造、使用等方面說明對化工容器機械設計有哪些基本要求？安全性與經濟性；要考慮非正常工況的苛刻條件。材料：高強度、良好塑性、韌性、可焊性、低溫韌性、耐腐蝕性。制造：焊縫質量、焊接結構等。使用：不超載。

（1）強度失效（2）剛度失效（3）失穩(wěn)失效（4）泄漏失效失效形式1.1壓力容器基本失效形式1.壓力容器破壞形式和原因失去安全性和可靠性a.韌性斷裂—韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產生的應力達到或接近所用材料的強度極限而發(fā)生的斷裂。（1）強度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效，包括（a）韌性斷裂、（b）脆性斷裂、（c）疲勞斷裂、（d）蠕變斷裂、（e）腐蝕斷裂等。特征原因斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達10～20%，斷口處厚度顯著減??；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近。壁厚過薄和內壓過高壁厚未經設計計算和壁厚因腐蝕而減薄操作失誤、液體受熱膨脹、化學反應失控等。韌性斷裂和脆性斷裂嚴格按照規(guī)范設計、選材，配備相應的安全附件，且運輸、安裝、使用、檢修遵循有關的規(guī)定韌性斷裂可以避免斷裂時容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大應力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。由于脆性斷裂時容器的實際應力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會動作，其后果要比韌性斷裂嚴重得多。特征b.脆性斷裂——脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中的應力值遠低于材料的強度極限時發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應力狀態(tài)下發(fā)生，故又稱為低應力脆斷。脆性斷裂原因材料脆性和缺陷。a.材料選用不當、焊接與熱處理不當使材料脆化；低溫、長期在高溫下運行、應變時效等也會使材料脆化；b.壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產生的缺陷，也會導致脆性斷裂發(fā)生。

交變載荷—指大小和（或）方向都隨時間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括—壓力波動、開車停車；加熱或冷卻時溫度變化引起的熱應力變化；振動或容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷。需要指出—原材料或制造過程中產生的裂紋，也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致壓力容器疲勞。c.疲勞斷裂—在交變載荷作用下，經一定循環(huán)次數(shù)后產生裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。失效形式——“未爆先漏”，破壞需要有一定時間。疲勞破壞—包括裂紋萌生、擴展和最后斷裂三個階段。裂紋源——往往位于接管根部、焊接接頭等高應力區(qū)或有缺陷的部位。裂紋擴展區(qū)——是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴展過程中留下的痕跡。瞬時斷裂區(qū)——裂紋擴展到一定程度時的快速斷裂區(qū)。疲勞斷口—裂紋源、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)組成。特征:疲勞斷裂時容器的總體應力值較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯征兆，是突發(fā)性破壞，接近脆斷，危險性很大。從變形看—具有韌性斷裂特征從應力看—具有脆性斷裂特征d.蠕變斷裂—壓力容器在高溫下長期受載，隨時間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成壁厚明顯減薄與鼓脹變形，最終導致壓力容器斷裂。均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂晶間腐蝕和應力腐蝕引起的斷裂e.腐蝕斷裂——韌性斷裂特征／脆性斷裂特征。（2）剛度失效——由于構件過度的彈性變形引起的失效。

（3）失穩(wěn)失效——在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。

（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害:可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，造成環(huán)境污染等。交互失效——多種因素作用下同時發(fā)生多種形式的失效。(二)、交互失效形式例如：→腐蝕疲勞腐蝕介質交變應力→蠕變疲勞高溫交變應力（1）焊接缺陷（2）成型組裝缺陷制造缺陷2.1壓力容器的制造缺陷2.壓力容器的制造安全壓力容器是典型的焊接結構，主要的制造方法就是焊接，焊接質量直接關系到設備的質量。2.2常用焊接方法及其焊接工藝①手工電弧焊它是以外部涂有涂料的焊條作電極和填充金屬，電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒。

特點:設備簡單，工藝靈活，對工作場地無特殊要求可以全方位施焊。因為焊條、藥皮品種齊全，所以對鋼材的適應性強（幾乎所有的鋼種C鋼、低合、不銹、耐熱）。可以應用于維修及裝配中的短縫的焊接，特別是可以用于難以達到的部位的焊接。2.2常用焊接方法及其焊接工藝②埋弧自動焊③氣體保護焊

壓力容器等焊接結構的重要焊接方法之一，它的焊縫質量優(yōu)良，因為埋弧焊的電弧是在焊劑下的一個封閉空間燃燒，并且焊縫在焊劑的保護下冷卻，可以充分地進行冶金反應，不用換焊條、熔深大。它的自動化程度比較高，生產效率高、質量好，比較適合于大規(guī)模的現(xiàn)代化生產。但它只能俯焊。

包括熔化極和非熔化極；保護性氣體主要有惰性氣體和二氧化碳。2.3常見焊接缺陷的成因

及其防止方法(1)焊縫表面缺陷

①咬邊由于焊接參數(shù)選擇不當，或操作方法不正確，沿焊趾的母材部位產生的溝槽或凹陷。

危害：減少母材的有效截面積、在咬邊處可能引起應力集中強度減弱、應力集中防止：電流適中，運條得當

②焊瘤成因：金屬因自重下墜危害：應力集中防止：電流適中，運條快，鈍邊、間隙規(guī)范

③內凹成因：金屬因自重下墜危害：應力集中防止：控制熔池溫度，鈍邊、間隙規(guī)范

④溢流成因：焊接參數(shù)選擇不當坡口清理不干凈，電弧熱損失在氧化皮上，使母材未熔化。危害：未熔合，未焊透；

⑤弧坑成因：熄弧時焊條未停留，或電流過大危害：強度嚴重減弱，坑內常有氣孔、夾渣或裂紋

①氣孔(2)焊縫內部缺陷成因：焊縫中吸入了過多的氣體。危害：使焊縫有效工作面積減少，降低抵抗外載能力，特別對彎曲和沖擊韌性影響較大。防止：注意電弧保護、焊條焊劑烘干、坡口清理

②夾渣成因：冷卻過快，電流小等危害：引起的應力集中比氣孔嚴重，危害更大防止：邊緣清理干凈、焊速適當

③未焊透成因：坡口角度小，鈍邊太大；焊條偏離焊道中心。危害：工作面積減小，尖角易產生應力集中，引起裂紋。防止：電流不可過小，速度不可過快（來不及熔化）。

④未熔合成因：⒈電流小、速度快、熱量不足；⒉坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，一部分熱量損失在熔化雜物上，剩余熱量不足以熔化坡口或焊道金屬。⒊焊條或焊絲的擺動角度偏離正常位置，熔化金屬流動而覆蓋到電弧作用較弱的未熔化部分，容易產生未熔合。危害：因為間隙很小，可視為片狀缺陷，類似于裂紋。易造成應力集中，是危險性較大的缺陷縱向裂紋按裂紋存在的方向分橫向裂紋（3）裂紋分類：

星形裂紋按裂紋存在的形態(tài)分網狀裂紋條狀裂紋焊道裂紋熱影響區(qū)裂紋按裂紋存在的位置分弧坑裂紋

根部裂紋其他位置裂紋

熱裂紋生產過程出現(xiàn)的裂紋冷裂紋再熱裂紋（4）裂紋形成的原因及防止措施熱裂紋形成及防止

常見的熱裂紋有兩種：結晶裂紋、液化裂紋結晶裂紋是焊接熔池初次結晶過程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結晶晶界的開裂。而液化裂紋是緊靠熔合線的母材晶界被局部重熔，在收縮力的作用下而產生的裂紋。低熔點共晶物的多少取決于焊縫金屬中C、S等元素的含量。一是焊縫金屬所經受的應變增加速度大于低熔點共晶物凝固的速度；另外，初生晶體的長大方向和殘留低熔點共晶體的相對位置的影響。關鍵的措施就是：a.應嚴格控制焊縫金屬中C、S、P和其它易形成低熔點共晶體的合金成分的含量，這些元素和雜質的含量越低，焊縫金屬的抗裂紋能力越大。當焊縫中C>0.15%,S>0.04%就可能有裂紋出現(xiàn)，如果母材中含碳量很高，就要控制焊接材料的成分，以使混合后的碳含量降下來。b.改變焊縫橫截面的形狀也就改變了焊接熔池的結晶方向，使之有利于將低熔點共晶體推向不易產生裂紋的位置。液化裂紋產生的原因：焊接時緊靠熔合線的母材區(qū)域被加熱到接近鋼熔點的高溫，此時母材晶體本身未發(fā)生熔化，而晶界的低熔點共晶物則已完全熔化。當焊接熔池冷卻時，焊縫應變速度較高。如果這些低熔點共晶物未完全重新凝固之前，接合區(qū)就已受到較大應變，則在這些晶界上就會出現(xiàn)裂紋。晶間液層的熔點越低，