第三章压力容器缺陷与破坏形式(2)

1、l压力容器常见的缺陷压力容器常见的缺陷l压力容器破裂形式分析压力容器破裂形式分析主要内容主要内容压力容器的常见缺陷压力容器的常见缺陷3. 1 压力容器制造过程中产生的缺陷压力容器制造过程中产生的缺陷3. 2 压力容器使用过程中产生的缺陷压力容器使用过程中产生的缺陷3.2 3.2 压力容器使用过程中产生的缺陷压力容器使用过程中产生的缺陷 一、腐蚀一、腐蚀 腐蚀是压力容器在使用过程中最容易产生的一种腐蚀是压力容器在使用过程中最容易产生的一种缺陷。从产生部位来说，可以分为均匀腐蚀和局部腐缺陷。从产生部位来说，可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀。蚀。 从腐蚀机理来说，腐蚀可以分为化学腐蚀和电化从腐蚀机理来说，

2、腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。由于金属与所接触的气体或液体介质学腐蚀两大类。由于金属与所接触的气体或液体介质发生化学反应所造成的腐蚀，即化学腐蚀。金属与电发生化学反应所造成的腐蚀，即化学腐蚀。金属与电解质相互作用使金属阳极部位溶解损伤的现象，叫电解质相互作用使金属阳极部位溶解损伤的现象，叫电化学腐蚀，即伴有微电流现象的化学腐蚀。化学腐蚀，即伴有微电流现象的化学腐蚀。 压力容器运行中经常产生的腐蚀有腐蚀性介质引压力容器运行中经常产生的腐蚀有腐蚀性介质引起均匀和局部腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、氢脆腐蚀起均匀和局部腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、氢脆腐蚀等。等。 二、裂纹二、裂纹 裂纹常常是导致压

3、力容器爆炸或爆破，造裂纹常常是导致压力容器爆炸或爆破，造成极其严重后果的一种危险性缺陷。成极其严重后果的一种危险性缺陷。 压力容器承压部件的裂纹，按其产生原压力容器承压部件的裂纹，按其产生原因可以分为原材料裂纹、焊接裂纹、过载裂纹因可以分为原材料裂纹、焊接裂纹、过载裂纹、疲劳裂纹、热应力裂纹、热疲劳裂纹、蠕变、疲劳裂纹、热应力裂纹、热疲劳裂纹、蠕变裂纹、腐蚀裂纹等。不同裂纹产生的部位不同裂纹、腐蚀裂纹等。不同裂纹产生的部位不同, ,并具有不同的形貌。并具有不同的形貌。 3.3 3.3 压力容器破裂形式分析压力容器破裂形式分析 应力分析应力分析 是否超过是否超过强度强度极限极限 安安 全全 失失

4、 效效 否否 是是 塑性塑性变形变形 壳体壳体破裂破裂 应力应力分析是压力容器安全分析是压力容器安全问题的基础。问题的基础。 “失效失效”是指压力容器的承是指压力容器的承压部件由于承受过高的载压部件由于承受过高的载荷，包括压力、温度或其荷，包括压力、温度或其他附加载荷，而丧失设计他附加载荷，而丧失设计的正常工作能力。的正常工作能力。 3.33.3压力容器破裂形式分析压力容器破裂形式分析破裂破裂机理机理预防预防措施措施产生产生原因原因主要主要特征特征分析思路分析思路按金属材料破裂的现象按金属材料破裂的现象韧性破裂韧性破裂脆性破裂脆性破裂按破裂面对外力的取向按破裂面对外力的取向正断正断切断切断按裂

5、纹发展和扩张途径按裂纹发展和扩张途径穿晶破裂穿晶破裂晶间破裂晶间破裂破裂形式分类破裂形式分类疲劳破裂疲劳破裂腐蚀破裂腐蚀破裂蠕变破裂蠕变破裂3.3 3.3 压力容器破裂形式分析压力容器破裂形式分析一、韧性破裂一、韧性破裂 韧性破裂韧性破裂是压力容器在内部压力作用下，是压力容器在内部压力作用下，器壁上产生的器壁上产生的应力应力达到器壁材料的达到器壁材料的强度极强度极限限，从而发生断裂破坏的一种形式。，从而发生断裂破坏的一种形式。 1. 韧性破裂的机理韧性破裂的机理 一、韧性破裂一、韧性破裂弹性变形阶段弹性变形阶段弹塑性变形阶弹塑性变形阶段段断裂阶段断裂阶段 2. 韧性破裂的特征韧性破裂的特征 一

6、、韧性破裂一、韧性破裂破裂容器器壁有明显的伸长变破裂容器器壁有明显的伸长变形形断口呈暗灰色纤维状断口呈暗灰色纤维状容器一般不是碎容器一般不是碎裂裂容器实际爆破压力接近计算爆破压力容器实际爆破压力接近计算爆破压力一、韧性破裂一、韧性破裂一、韧性破裂一、韧性破裂3. 韧性破裂的原因韧性破裂的原因 一、韧性破裂一、韧性破裂液化气体容器充装过量液化气体容器充装过量容器在使用中超压容器在使用中超压容器维护不良以致器壁减薄容器维护不良以致器壁减薄4. 韧性破裂的预防韧性破裂的预防 设计时选用足够强度和厚度的材料设计时选用足够强度和厚度的材料按核定工艺参数运行，安全附件齐全按核定工艺参数运行，安全附件齐全防

7、止超温、超压、超负荷运行防止超温、超压、超负荷运行加强维护保养，防止发生腐蚀加强维护保养，防止发生腐蚀二、脆性破裂二、脆性破裂 脆性破裂脆性破裂指压力容器在破裂时没有显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，有的甚至还低于材小于材料的强度极限，有的甚至还低于材料的屈服极限。料的屈服极限。 1. 脆性破裂的机理脆性破裂的机理 二、脆性破裂二、脆性破裂开裂阶段开裂阶段裂纹扩展阶段裂纹扩展阶段 发生低应力脆性破裂的必须条件有：发生低应力脆性破裂的必须条件有：容器本身存在缺陷或几何形状发生变化；容器本身存在缺陷或几何形状发生变

8、化；存在一定的水平应力；存在一定的水平应力；材料韧性较差。材料韧性较差。脆性断裂总是由宏观裂纹的扩展引起的。脆性断裂总是由宏观裂纹的扩展引起的。2. 脆性破裂的特征脆性破裂的特征 二、脆性破裂二、脆性破裂破裂容器器壁没有明显的伸长变形破裂容器器壁没有明显的伸长变形裂口齐平、断口呈金属光泽的结晶状裂口齐平、断口呈金属光泽的结晶状容器常破裂成碎块容器常破裂成碎块破裂事故多数在温度较低的情况下发生破裂事故多数在温度较低的情况下发生二、脆性破裂二、脆性破裂3. 脆性破裂的原因脆性破裂的原因 二、脆性破裂二、脆性破裂温度温度 因为钢在低温下或在某一特定温度范围内其冲击因为钢在低温下或在某一特定温度范围内

9、其冲击韧性将急剧下降。韧性将急剧下降。裂纹性缺陷裂纹性缺陷 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。生很高的应力峰值，且应力状态也发生变化。4. 脆性破裂的预防脆性破裂的预防 二、脆性破裂二、脆性破裂减少部件结构及焊缝的应力集中减少部件结构及焊缝的应力集中部件材料在使用条件下要具有较好的韧部件材料在使用条件下要具有较好的韧性性消除残余应消除残余应力力加强对部件缺陷的检加强对部件缺陷的检验验两种破裂形式对比两种破裂形式对比 破裂特征破裂特征破裂形式破裂形式塑性变形塑性变形断口形貌断口形貌破坏形式破坏形式应力状态应

10、力状态韧性破裂韧性破裂明显明显断口不齐平，暗断口不齐平，暗灰色纤维状灰色纤维状撕裂撕裂达到强度极限达到强度极限脆性破裂脆性破裂不明显不明显断口齐平，呈金断口齐平，呈金属光泽的结晶状属光泽的结晶状裂成碎片裂成碎片低于屈服极限低于屈服极限表表4-1 两种形式破裂特征对比两种形式破裂特征对比三、疲劳破裂三、疲劳破裂 疲劳破裂疲劳破裂指压力容器在反复加压和卸指压力容器在反复加压和卸压过程中受到交变载荷的长期作用，没有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经过明显的塑性变形而导致容器断裂的一种破裂形式。种破裂形式。 1. 疲劳破裂的机理疲劳破裂的机理 三、疲劳破裂三、疲

11、劳破裂循环次数最大交变应力图图 4- 1 金属的疲劳曲线金属的疲劳曲线 1. 疲劳破裂的机理疲劳破裂的机理 三、疲劳破裂三、疲劳破裂疲劳裂纹核心的产生疲劳裂纹核心的产生疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 金属疲劳断口金属疲劳断口疲劳裂纹产生与扩展区，象贝壳一样的同心弧线花纹疲劳裂纹产生与扩展区，象贝壳一样的同心弧线花纹最后断裂区，与静载荷下带有尖锐缺口的构件断口相似最后断裂区，与静载荷下带有尖锐缺口的构件断口相似金属疲劳断裂的过程金属疲劳断裂的过程表面、晶界及非金属夹杂物处滑移 1. 疲劳破裂的机理疲劳破裂的机理 三、疲劳破裂三、疲劳破裂低应力高周疲劳低应力高周疲劳高应力低周疲高应力低周疲劳劳循环周

12、次在循环周次在105以上，外载超过材料的弹性应力极限值以上，外载超过材料的弹性应力极限值应力水平较高，交变周次在应力水平较高，交变周次在102 1052. 疲劳破裂的特征疲劳破裂的特征 三、疲劳破裂三、疲劳破裂容器没有明显的变形容器没有明显的变形破裂断口存在两个区破裂断口存在两个区域域容器常因开裂泄漏而失容器常因开裂泄漏而失效效破裂总是在容器经过反复的加破裂总是在容器经过反复的加压压和卸压以后发生和卸压以后发生3. 疲劳破裂的原因疲劳破裂的原因 三、疲劳破裂三、疲劳破裂内部因素内部因素 例如，容器的接管、开孔、转角以及其他几何形状不例如，容器的接管、开孔、转角以及其他几何形状不连接处，在焊缝附

13、近以及钢板原有缺陷的应力集中连接处，在焊缝附近以及钢板原有缺陷的应力集中外部因素外部因素 间歇式操作的容器，器内压力、温度波动较大，振间歇式操作的容器，器内压力、温度波动较大，振动；外界的风、雪、雨、地震造成的周期性外载荷动；外界的风、雪、雨、地震造成的周期性外载荷局部高应力区反复交变载荷4. 疲劳破裂的预防疲劳破裂的预防 制造质量应符合要求，避免先天性缺陷制造质量应符合要求，避免先天性缺陷安装中要防止外来载荷源的影响安装中要防止外来载荷源的影响正确操作，减少升压、降压的次数，防止压正确操作，减少升压、降压的次数，防止压力温度波动过大力温度波动过大制造前做疲劳设计制造前做疲劳设计三、疲劳破裂三

14、、疲劳破裂四、腐蚀破裂四、腐蚀破裂 腐蚀破裂腐蚀破裂指压力容器在腐蚀性介质作指压力容器在腐蚀性介质作用下，引起容器壁由厚变薄或材料组织结用下，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。能力不够而发生的破坏形式。按腐蚀破坏形态按腐蚀破坏形态分分均匀腐蚀均匀腐蚀局部腐蚀（孔蚀）局部腐蚀（孔蚀）按腐蚀机理分按腐蚀机理分化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀按腐蚀环境分按腐蚀环境分介质腐蚀介质腐蚀海水腐蚀海水腐蚀腐蚀破裂分类腐蚀破裂分类晶间腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀应力腐蚀氢损伤氢损伤土壤腐蚀土壤腐蚀 1. 腐蚀破裂的机理腐

15、蚀破裂的机理 化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀 容器金属与周围介质直接发生化学反应而引起的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。高温氧化、高温硫化、钢的渗碳与脱碳、金属腐蚀。高温氧化、高温硫化、钢的渗碳与脱碳、氢腐蚀等。氢腐蚀等。 容器金属在电解质中，由电化学引起的腐蚀称为容器金属在电解质中，由电化学引起的腐蚀称为电化学腐蚀。既有电子得失，又有电流形成。电化学腐蚀。既有电子得失，又有电流形成。 四、腐蚀破裂四、腐蚀破裂 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 在拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下在拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下,所导致的所导致的脆性断裂称为金属的应力腐蚀断裂。脆性断裂称为金

16、属的应力腐蚀断裂。 应力腐蚀断裂的特点：应力腐蚀断裂的特点： 1)应力腐蚀断裂属脆性断裂应力腐蚀断裂属脆性断裂,即使是延性材料即使是延性材料,也是脆也是脆性形式的断裂。性形式的断裂。 2)应力腐蚀是一种局部腐蚀应力腐蚀是一种局部腐蚀,裂纹常被腐蚀产物所覆裂纹常被腐蚀产物所覆盖盖,发生应力腐蚀断裂时发生应力腐蚀断裂时,常常是事先没有明显预兆而突常常是事先没有明显预兆而突然发生然发生,危害极大。危害极大。 2按腐蚀破坏形态分按腐蚀破坏形态分均匀腐蚀均匀腐蚀局部腐蚀（孔蚀）局部腐蚀（孔蚀）晶间腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀应力腐蚀氢损伤氢损伤2. 腐蚀破裂的原因腐蚀破裂的原因 二、脆性破裂二、脆性破裂压力容器

17、维护保养不当压力容器维护保养不当结构不合理，或焊接不符合规范要结构不合理，或焊接不符合规范要求求四、腐蚀破裂四、腐蚀破裂选材不当或未采取有效防腐措选材不当或未采取有效防腐措施施介质中杂质的影介质中杂质的影响响3. 腐蚀破裂的预防腐蚀破裂的预防 二、脆性破裂二、脆性破裂选用合适的防腐蚀材选用合适的防腐蚀材料料使容器壳体与腐蚀性介质隔使容器壳体与腐蚀性介质隔离离消除能引起应力腐蚀的因消除能引起应力腐蚀的因素素使用中采取适当的工艺措施降低腐蚀速使用中采取适当的工艺措施降低腐蚀速度度四、腐蚀破裂四、腐蚀破裂五、压力冲击破裂五、压力冲击破裂 压力冲击破裂压力冲击破裂是指容器内由于各种原是指容器内由于各种

18、原因而急剧升高，使壳体受到压力的突然冲因而急剧升高，使壳体受到压力的突然冲击而造成的破裂爆炸。击而造成的破裂爆炸。 1. 破裂的类型与机理破裂的类型与机理 五、压力冲击破裂五、压力冲击破裂可燃气体与助燃气体反应爆炸可燃气体与助燃气体反应爆炸聚合釜的聚合釜的“爆聚爆聚”压力容器内的反应失控压力容器内的反应失控液化气体的液化气体的“爆沸爆沸”在容器上误装爆破片，因器内压力升高，爆破片断裂；在容器上误装爆破片，因器内压力升高，爆破片断裂；容器壳体局部开裂；两种沸点液化气体混装容器壳体局部开裂；两种沸点液化气体混装阀门零件泄漏；操作失误；两种气瓶混装。阀门零件泄漏；操作失误；两种气瓶混装。催化剂使用不

19、当；冷却装置失效。催化剂使用不当；冷却装置失效。计量错误或器具失灵；原料计量错误或器具失灵；原料 不纯；搅拌或冷却装置失效。不纯；搅拌或冷却装置失效。2. 冲击破裂的特征冲击破裂的特征 壳体破裂壳体破裂壳体内壁附有化学反应产物或痕壳体内壁附有化学反应产物或痕迹迹断裂时常伴有高温产断裂时常伴有高温产生生断口形貌类似脆性断断口形貌类似脆性断裂裂五、压力冲击破裂五、压力冲击破裂容器释放的能量较容器释放的能量较大大3. 冲击破裂的预防冲击破裂的预防 完善规程和管理制完善规程和管理制度度加强现场的管理和作业人员的培加强现场的管理和作业人员的培训训五、压力冲击破裂五、压力冲击破裂 生产工艺设计、操作规程的

20、管理制度；生产工艺设计、操作规程的管理制度； 检修检测规程和管理制度；检修检测规程和管理制度； 仪器仪表安全附件保养规程仪器仪表安全附件保养规程六、蠕变破裂六、蠕变破裂 蠕变破裂蠕变破裂指压力容器的壁温高于某一限指压力容器的壁温高于某一限度时，即使应力低于屈服极限，容器材料也度时，即使应力低于屈服极限，容器材料也会发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经长会发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经长期积累，最终会导致压力容器的破坏。期积累，最终会导致压力容器的破坏。 1. 蠕变破裂的机理蠕变破裂的机理 六、蠕变破裂六、蠕变破裂金属材料金属材料高温高温金相组织金相组织发生变化发生变化晶粒长大、珠光晶粒长大、

21、珠光体、球化、析出体、球化、析出石墨、晶间开裂石墨、晶间开裂或疏松微孔或疏松微孔韧性下降韧性下降2. 蠕变破裂的特征蠕变破裂的特征 一般有明显的塑性变形一般有明显的塑性变形断口为粗糙的颗粒状，无金属光断口为粗糙的颗粒状，无金属光泽泽六、蠕变破裂六、蠕变破裂高温脆性断裂，断口呈脆性形高温脆性断裂，断口呈脆性形貌貌3.蠕变破裂的原因蠕变破裂的原因 选材不当选材不当操作不正常、维护不当，致使容器局部过热操作不正常、维护不当，致使容器局部过热六、蠕变破裂六、蠕变破裂结构不合理结构不合理4. 蠕变破裂的预防蠕变破裂的预防 合理选材合理选材容器结构合理，制造质量符合标容器结构合理，制造质量符合标准准在使用中防止容器局部过在使用中防止容器局部过热热六、蠕变破裂六、蠕变破裂延性破裂脆性破裂疲劳破裂腐蚀破裂蠕变破裂原因液化气体充装过量；超温超压运行；选材不当或容器安装不符合要求；维护保养不当。低温、材料韧性差；容器本身存在的缺陷，造成局部压力过高所致。存在较高的应力集中；存在交变载荷。维护保养不当；选材不当或未采取有效防腐措施；介质中杂质的影响。长期高温下运行，缓慢产生塑性变形；局部过热；