浅谈压力容器强度失效

浅谈压力容器强度失效

作者：袁向东刘新尚张阳

来源：《中国科技纵横》2014年第05期

【摘要】压力容器是危险性较大的一种特种设备，一旦发生事故，轻则影响生产，重则造成爆炸，使人民的生命、财产遭受重大损失。压力容器强度失效是压力容器最主要的的失效形式，作者针对其失效的特点，进行原因分析，并提出了相应措施。

【关键词】压力容器强度失效

压力容器失效是指压力容器在规定的使用环境和寿命期限内，因结构尺寸、形状和材料性能发生变化，完全失去原设计功能或未能达到原设计要求，而不能正常使用的现象。常见的压力容器失效模式大致可以分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效四大类。其中强度失效是压力容器最主要的的失效形式。

压力容器强度失效是指压力容器在压力等荷载的作用下，因材料屈服或破裂而引起的失效模式，称为强度失效。通常包括五种形式：韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂、蠕变破裂。

1 韧性破裂

韧性破裂是在容器承受的内压力超出安全限度后，先出现塑性变形，随着压力继续增大就会产生破裂。

1.1 韧性破裂特点

（1）内压力过高，超过了容器最高工作压力，设计压力，达到了容器的爆破压力值。

（2）容器发生破裂前，容器就有明显的变形，破裂处的器壁显著减薄。

（3）发生韧性破裂的容器一般无碎片飞出，只裂开一个口。

（4）断口呈撕裂状。

1.2 发生韧性破裂的原因

（1）违反操作规程，操作失误引起超压。

（2）仪表控制系统出现故障。

（3）超压泄放装置失灵。

（4）液化气体储存严重超装，致使气相空间过小，温度升高时造成超压。

（5）因腐蚀等容器壁厚变薄。

1.3 韧性破裂的预防措施

（1）严格遵守安全操作规程。

（2）经常检查仪表及安全装置灵活准确程度。

（3）严禁超载、超温运行。

（4）作好运行期间的维护保养。

2 脆性破裂

压力容器在正常压力范围内，没有发生或还未充分发生塑性变形时就破裂或爆炸的破坏称为脆性破裂。

2.1 脆性破裂的特点

（1）容器并无宏观塑性变形或变形量很小。

（2）容器壁未变薄，破裂是在低压下发生的。

（3）破裂时很可能有碎片。

（4）脆性破裂多发生在温度较低或温度突变时。

（5）脆性破裂更容易在高强度钢制的压力容器和用中、低强度钢制造的厚壁容器上发生。

2.2 发生脆性破裂的原因

（1）由于材料的脆性转变而引起。材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化、低温条件下材料脆化、长期在高温下运行材料脆化、应变时导致材料脆化。

（2）由于焊接接口存在严重缺陷。原始缺陷、制造缺陷，或使用中产生危险缺陷，在较大的应力条件下发生的脆性破裂。

2.3 脆性破裂的预防措施

（1）选择缺陷较少，韧性适当的材料。

（2）结构设计应尽量减少应力集中，采取措施消除残余应力。

（3）容器使用前，要按规定进行认真宏观检查。

3 疲劳破裂

疲劳破裂系指压力容器器壁在反复加压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破裂，这种破坏形式称疲劳破裂。疲劳破裂是突然发生的，因此具有很大的危险性。

3.1 疲劳破裂特点

（1）容器疲劳破裂时没有明显的塑性变形。

（2）疲劳破裂与脆性破裂的断口形貌不同，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，另一个是最终破裂区。

（3）容器的疲劳破裂一般是疲劳裂纹穿透器壁而泄漏失效。

（4）疲劳破裂总是在经过多次的反复加压和卸压以后发生的，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一种交变载荷，若交变载荷变化大、开停车次数较多，容器就容易发生疲劳破裂。

3.2 疲劳破裂的原因

（1）内部因素：即压力容器存在着局部高应力区（如压力容器接管、开孔、转角以及其他几何形状不连续处，在焊缝附近以及钢板原有缺陷处等都会有程度不同的应力集中，有些地方的局部应力比计算应力大好多倍），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，该部位将产生很大的应力变化幅，因而具备了微裂纹向疲劳裂纹的扩展开裂的条件。

（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，而是变化幅较大的非对称循环载荷。例如，间隙式操作的容器，器内压力、温度波动较大；周围环境对压力容器造成的强迫振动；外界风、雨、雪、地震对容器造成的周期性外载荷等，都会导致疲劳破坏。

3.3 预防措施

（1）在于设计中尽量减少应力集中，采用合理的结构和制造的工艺。

（2）选择合适的抗疲劳材料。

（3）尽量减少不必要的加压，卸压次数。

（4）严格控制压力和温度的波动。

4 腐蚀破裂

腐蚀破裂系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、机械性能降低，使压力容器承载能力不够而发生的破坏，这种破坏形式称为腐蚀破裂。从腐蚀形式上腐蚀分为全面腐蚀和局部腐蚀；从腐蚀机理上分可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。

4.1 腐蚀破裂特点

（1）因均匀腐蚀导致的厚度减薄。

（2）局部腐蚀造成的大面积凹坑。

4.2 腐蚀破裂的原因

（1）压力容器维护保养不当。

（2）选材不当或未采取有效防腐措施。

（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。

4.3 预防措施

（1）根据介质选用合适厚度的抗腐蚀材料的容器。

（2）对奥氏体不锈钢容器应严格控制氯离子含量，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）选用有防腐隔离措施的容器，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。