压力容器脆性破裂特征原因及其预防措施

压力容器脆性破裂特征原因及其预防措施

摘要：本文压力容器事故分析，着重介绍压力容器脆性破坏的特征，分析破裂原因，最后提出预防措施。

关键词：压力容器; 脆性破裂; 特征原因; 预防措施

压力容器（以下简称容器）在制造厂做耐压试验时或在使用中有时会发生脆性破裂（也称应力破裂），产生脆性破裂后果要比韧性破裂严重。所以容器事故分析很重要。下面谈谈它的特征，发生原因及其预防措施。

1 容器脆性破裂的特征

容器发生脆性破裂时，在破坏形状，断口形貌等方面具有一些与韧性破裂正好相反的特征，具体特征如下：

1.1容器没有明显的伸长变形，其内征也没有增大。

1.2裂口齐平，断口呈金属光泽的结晶状。

1.3容器常常破裂成若干碎块。

1.4破裂时的名义应力（正应力）较低。

1.5脆性破裂多数在温度较低的情况下发生。

1.6脆性破裂常用于高强度钢制造的容器。

2 容器发生脆性破裂的原因分析

2.1在容器的设计、制造方面：

2.1.1未使焊缝尽量远离应力集中处

国内外多次脆性破裂和疲劳破裂的破裂事例已经证实，焊缝及其热影响区往往是这两类破裂的起源。因此，在容器的结构设计与制造中，不仅要尽量减少焊接结构本身的应力集中，还要注意使焊缝尽量远离其它应力集中的区域，否则，焊缝本身的残余应力和其它部位的残余应力相互迭加，造成更为复杂，恶劣的应力状态，从而导致容器发生脆性破裂。

2.1.2焊缝之间未保持一定的间距

焊缝的重叠或相距太近，使局部应力相互迭加，使焊缝区域的金属材料过热（甚至过烧），因此，不仅造成了焊接应力的迭加，而且改变了焊缝的金相组织，甚至产生焊接裂纹，从而导致容器发生脆性破裂。

2.1.3结构不连续处未园滑过渡

容器常常会有些结构不连续的地方，如封头、法兰与筒体的联接处，在这些地方往往由于未园滑过渡而引起应力集中并产生较高的局部应力，最后导致脆性破裂或疲劳破裂。

2.1.4采用了刚性过大的结构

容器采用了刚性过大的结构，其受内压变形时就要受到约束或其它原因产生较大的附加应力或因焊接结构的刚性太大产生了巨大的焊接内应力，从而引起容器的脆性破裂。

2.1.5容器的支承采用了静不定结构

实际上，容器的弯曲度，局部不园度总是不可避免地客观存在的，再加上各个支座的地基下沉不一定均匀，因而影响了支座反力的分布，造成了各支座受力不均，如采用多支承结构（即静不定支承结构），其中必有一个支座受力特别大，造成容器局部被压瘪或局部应力过大而产生裂纹，从而导致脆性破裂。

2.1.6产生了过大的局部应力

容器的支承如未经必要的强度计算，则在支承处的局部应力有时可能会过大，于是就可能被压瘪，以致产生裂纹，从而引起容器的脆性破裂。

2.1.7对已经制成的新容器，制造厂未检查出存在的裂纹等缺陷，在使用中又发生了扩展，从而造成容器的脆性破裂。

2.2在容器的使用管理方面：

未进行容器的定期检验并消除超标缺陷，容器上有的裂纹是在制造（焊接）中产生的，当时未发现，在使用中发生了扩展，由于未进行定期检验，无法发现

此裂纹并消除之，从而导致容器的脆性破裂；容器在使用中也可能产生新裂纹，同时此裂纹也可能发生扩展，如未进行定期检验，也就无法发现并消除之，最后导致容器的脆性破裂。

3 容器脆性破裂的预防措施

3.1在容器的设计、制造方面：

3.1.1减少容器结构及焊缝的应力集中

裂纹（包括缺陷）是造成脆性断裂的主要因素，而应力集中往往又是产生裂纹的主要原因，因此，减少容器结构及焊缝的应力集中是防止容器产生脆性破裂的主要措施之一。如减少容器结构形状的不连续，使焊缝布置合理，各焊缝之间保持一定的间距，凡超标缺陷均及时消除，确保容器的设计、制造（焊接）符合规定要求，均可达到减少应力集中的目的。

3.1.2制造容器的材料在使用条件下要有较好的韧性

材料的韧性差是造成容器脆性破裂的另一个主要因素，因此要防止容器的脆性破裂，必须保证其在使用条件下材料的韧性。所以，设计容器时要根据它的使用条件（首先是温度条件）选用在使用温度下仍保持有较好韧性的材料。另外，材料的韧性不但与它的化学成份有关，而且还与它的金相组织有关，所以在制造容器时的焊接不当（如发生过烧）或热处理不当（如加热温度偏低）也会降低材料的韧性。因此，要保证材料具有较好的韧性，确保其焊接质量及采用正确的热处理工艺并严格控制执行也是很重要的。

3.1.3消除残余应力

容器残余应力的存在也是产生脆性破裂的又一个主要因素，国外有些报导指出，在某些情况下，仅焊缝本身的残余应力就会达到材料的屈服强度，更多的情况是焊接残余应力与冷加工成型引起的残余应力及薄膜应力的迭加而促使容器破坏的。有些容器虽然名义应力并不太大，但因存在较大的残余应力，这两者互相迭加往往就足以使裂纹附近的应力强度因子大于材料的断裂韧性，最后导致容器发生脆性破裂，所以焊接较厚容器时要在焊后进行消除残余应力的热处理，也是防止容器发生脆性破裂的一项重要措施。

3.1.4加强对容器的检验

容器制造过程中的检验，应严格按《容规》及规定的探伤标准进行，发现并消除超标缺陷，防止容器在水压试验时或在运行中发生脆性破裂。

3.2在使用管理方面

3.2.1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。

3.2.2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而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。

3.2.3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尽快消除，就可防止其扩展后产生脆性破裂。

参考文献：

[1]GB150-1998,钢制压力容器[S].

[2]TSG R7001-2004,在用压力容器定期检验规则[S].

[3]压力容器安全技术监察规程[S].