第三章 压力容器破坏形式(万明)(2)

第三章压力容器破坏形式压力容器常会由于设计结构不合理，制造质量差，使用维护不当或其他原因而发生破裂，并且破裂事故的形式多样，且很多是在使用限期内发生。

发生事故时，往往不仅容器本身遭到破坏，而且还会危及周围设施和职工的生命与健康，因此我们必须从各方面采取积极可靠的措施来保证安全运行，防止事故的发生。

第一节延性破裂延性破裂是压力容器在内部压力作用下，器壁上产生的应力达到器壁材料的强度极限，从而发生断裂的一种形式。

这种形式属韧性破裂，因此，该形式的破坏也称韧性破坏。

（一）机理压力容器的金属材料在外力作用下引起变形和破坏分为三个阶段（1）弹性变形阶段指当对材料施加的外力不超过材料固有的弹性极限值时，一旦外力消失，材料仍能回复到原来的状态而不产生明显的残余变形。

（2）弹塑性变形指对材料施加的外力超过材料固有的弹性极限值，材料将产生很大的塑性变形，外载荷消失后材料不再恢复原状，塑性变形仍将保留。

（3）断裂阶段指材料发生塑性变形后，如施加外力继续增加，当应力超过了材料的强度极限后，材料将发生断裂。

（二）特点及预防发生延性破裂的容器，其承受的压力、变形程度、断口特点及破裂具有以下特点：压力容器发生延性破裂是在较高的应力下发生的，即容器内的压力先后超过最高工作压力、设计压力而达到了容器的爆破压力值，容器破裂时的实际爆破压力往往接近于计算的爆破压力值。

若观察发生破裂的容器可知，由于容器在爆破前发生了明显变形，直径增大，破裂处的器壁显著减薄。

发生延性破裂的容器一般无碎片飞出，只是裂开一个口，口的大小与容器爆破时所释放的能量有关。

对于在液压试验中出现的延性破裂，由于液体的可压缩性极小，因此容器的裂口也比较窄，最大也不会超过半径。

但容器由于内部气体压力急骤升高而引起的破裂，裂口就比较宽。

既然容器发生延性破裂是由于超压而引起的，那么容器在试压和使用过程中就应该严禁超压，要严格按照有关规定进行压力试验与操作。

同时，也应按规定安装合适的安全泄压装置，并保证其灵敏可靠；与此同时，也要加强对容器的维护与检查，发生器壁腐蚀，减薄、变形应立即停止使用。

第二节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，故称为脆性破裂。

又因在较低应力下发生又称低应力破坏。

（一）机理（1）钢在低温下其冲击韧性就、显著降低，表明温度低时钢对缺口的敏感性增大，这种现象称为钢的冷脆性。

钢由韧性状态转变为低温脆性状态极易产生断裂，这种现象称为低温脆性断裂。

（2）低碳钢在300℃左右会出现强度升高，塑性降低的区域，这种现象称为材料的蓝脆性。

若在压力容器制造和使用时，正好在蓝脆温度范围内经受变形压力，就有可能产生蓝脆，导致断裂事故的产生。

（3）某些钢材长期停留在400～500℃温度范围内以后冷却至室温，其冲击值有明显下降，这种现象称为钢的热脆性。

此时压力容器经受变形压力，也有可能导致脆性断裂。

（二）特征（1）容器壁没有明显伸长变形。

（2）裂口齐平，断口呈金属光泽的结晶状。

脆性断裂，一般是正应力引起的解体断裂，所以裂口平齐，并与主应力方向垂直。

（3）容器常破裂成碎块。

由于脆性破裂的容器材料多为高强度的，韧性较差，而脆性断裂的过程又是裂纹迅速扩展的过程。

破裂往往是在一瞬间发生的容器内的压力难以通过一个小裂口释放，所以常常将容器爆裂成碎片飞出。

因此，造成的危害也较延性破裂更大。

（4）事故多在温度较低的情况下发生。

由于金属材料的断裂韧性随温度降低而下降，所以脆性破裂事故一般发生在温度较低的情况下。

（三）原因（1）温度因为钢在低温下或某一特定温度范围内其冲击韧性将急剧下降。

（2）裂纹性缺陷压力容器受压元件一旦产生裂纹，其尖端前缘产生很高的应力峰值，且应力状态也发生变化，变为三项拉伸应力，在此区域，实际应力要比按常规方式计算的数值高得多，材料的实际强度比无裂纹的理想材料强度低得多，所以即使材料有较高的冲击韧性，但当裂纹缺陷尺寸达到一定值时，仍可能发生脆性断裂。

（四）事故预防（1）提高容器制造质量特别是焊接质量，是防止容器脆性破坏的重要的措施。

（2）容器材料在使用条件下，应有较好的韧性，材料的韧性差是造成脆性破裂的另一主要因素。

（3）加强压力容器的维护保养和定期检查工作，及时消除检验中发现的裂纹性缺陷，确保容器安全运行。

第三节疲劳破裂疲劳破裂指压力容器器壁在反复加热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，具有关资料统计，压力容器在运行中的破坏事故有75%是由疲劳引起的。

（一）机理（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102-105次后，材料就易发生断裂。

（二）特征（1）容器破坏时没有明显的塑性变形，这是由于容器的疲劳破坏也是在局部应力较高的部位或材料缺陷处开始产生微裂纹，然后在交变应力作用下微裂纹逐渐扩展为疲劳裂纹，最终突然断裂。

（2）疲劳断裂与脆性破坏的断口形貌不同，疲劳断口存在两个明显的区域，一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最终断裂区。

（3）容器的疲劳破坏一般是疲劳裂纹穿透器壁而泄漏失效，不像韧性破裂时形成撕裂，也不像脆性破裂时产生碎片。

（4）疲劳破裂总是在经过多次的反复加压和泄压以后发生。

因为压力容器开停车一次可视为一个循环周次，在运行过程中容器内介质压力的波动也是载荷，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。

（三）原因（1）内部因素，即压力容器存在局部高应力区，其峰值应力会超过材料的屈服极限随着载荷的周期性变化，该部分将产生很大的应力变化幅，具备了微裂纹向疲劳裂纹扩展开裂的条件。

（2）外部因素，即压力容器存在着反复交变载荷，这种交变载荷的形式不是对称循环型，而是变化幅度大的非对称循环载荷。

（四）事故预防（1）压力容器的制造质量应符合要求，避免先天性缺陷，以减少过高的局部应力。

（2）在压力容器安装中应注意防止外来载荷源影响，以减少压力容器本体的交变载荷。

（3）在运行中要注意操作正确性，尽量减少外压，卸压的次数，操作中要防止温度压力波动过大。

（4）对无法避免的外来载荷，无法减少开停次数的压力容器制造前应做疲劳设计，以保证压力容器不致发生疲劳破裂。

第四节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。

（一）分类图一.金属腐蚀的分类（二）机理压力容器金属腐蚀就其腐蚀产生的机理而言，通常分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。

（1）化学腐蚀指容器金属与周围介质直接发生化学反应而引起的金属腐蚀，这类腐蚀主要包括金属在干燥或高温气体中的腐蚀以及在非电解质溶液中的腐蚀。

典型的化学腐蚀有高温氧化，高温硫化，钢的渗碳和脱碳，氢腐蚀等。

①高温氧化指金属在高温下与介质或周围环境中氧作用而形成金属氧化物的过程。

②高温硫化指金属在高温下含量介质（如硫蒸汽、硫化氢、二氧化碳）作用生成硫化物的过程。

硫化作用较氧化作用更强，硫化物不稳定，易剥离，晶格缺陷多，熔点低，而且与氧化物，硫酸盐及金属生成不稳定价的低熔点共晶物，因此在高温下易造成材料破裂。

③钢的渗碳与脱碳高温下某些碳化物与钢铁接触是发生分解生成游离碳渗入钢内生成碳化物称为渗碳，它降低了钢材的韧性。

钢的脱碳是由于钢种的渗碳体在高温下与介质作用被还原成铁发生脱碳反应，使得钢表面渗碳体减少，导致金属表面硬度和疲劳极限降低。

④氢腐蚀指钢高温高压的作用引起组分的化学变化，使钢材的强度和塑性下降，断口成脆性断裂的现象。

氢腐蚀的机理是氢分子扩散到钢的表面，分解为氢原子或氢离子而被化学吸附，扩散到钢材内部在空穴处生成甲烷。

甲烷的扩散能力低，随反应继续进行，甲烷逐渐积聚，形成局部高压，引起应力集中并发展为裂纹。

（2）电化学腐蚀容器金属在电解质中，由电化学反应引起的腐蚀称为电化学腐蚀。

电化学腐蚀中既有电子的得失，又有电流形成。

电化学腐蚀是指一个反应过程可以分为两个或更多氧化和还原反应。

电化学腐蚀是微电池的存在造成微电池腐蚀，绝大部分压力容器是由碳钢或不锈钢制造的。

它们含有夹杂物，当其与电解质接触时，由于夹杂物的电位高成为微阴极，而铁的电极低，成为微阳极，形成许多微小的电池，称为微电池，它们造成的金属腐蚀为微电池腐蚀。

（四）原因（1）压力容器维护不当。

（2）选材不当或采取有效防腐措施。

（3）结构不合理。

或焊接不符合规范要求。

（4）介质中杂质的影响。

（五）事故防范（1）根据介质选用合适厚度的防腐蚀材料的容器。

（2）对奥氏体不锈钢容器应严格控制氢离子含量，并避免在不锈钢敏感温度下使用，防止破坏不锈钢表面的钝化膜和防止晶间腐蚀的产生。

（3）选择有腐蚀隔离措施的容器以避免腐蚀介质对容器壳体产生腐蚀。

（4）选用结构合理，设计制造质量符合国家标准和要求的容器。

（5）使用中采取适当的工艺措施降低腐蚀速度。

第五节压力冲击破裂压力冲击破裂是指容器内的压力由于各种原因而急剧升高，是壳体受到高压力的突然冲击而造成的破裂爆炸，其产生的原因有可燃气体的爆炸，聚合釜内产生聚爆，反应器内反应失控产生的压力或温度的急剧升高，液化气体在容器内由于压力突然释放而产生的暴沸。

（一）类型与机理常见的压力容器冲击类型及其产生的原因如下：（1）可燃气体与助燃气体反应爆炸①阀门零件泄漏，是可燃气体通过关闭着的阀门流进空气或氧气容器内，或者可燃气体储罐的连接密封结构失效，漏入空气中。

②操作失误而造成可燃气体与助燃气体混合③两种气瓶混装。

常见的是氢气瓶装氩气，或用氢气瓶充装氧气。

因充装前没有认真检查，而原有的气瓶又有较多的剩余气体，结果造成混合气体爆炸，这种爆炸有时在直接充装中爆炸，有时在使用中爆炸。

（2）聚合釜的爆炸单分子的聚合大都是放热反应，因此必须适当控制其反应速度并进行充分冷却，如果釜内反应失控，将会迅速聚合，放出大量的热量，使压力急速上升，造成“爆聚”，使聚合设备受压力冲击而断裂，这种反应常见的原因如下：①催化剂使用不当。

②冷却装置失效。

（3）压力容器内的反应失控化工生产中很多工艺过程是放热的，特别是放热的分解反应，如果反应失控，反应后气体体积将会增加并伴随着产生大量的热，产生压力冲击，使容器断裂，常见原因有：①原料投入时计量错误或器具失灵。

②原料不纯，特别是含有对反应起加速作用的杂质等。