第五章压力容器2

1、LOGO压力容器压力容器pressure 4压力容器的制造安全技术压力容器的制造安全技术Contents5压力容器的破坏形式和原因压力容器的破坏形式和原因 化工容器与一般压力容器相比较有哪些异同点?为什么压力容器的安全问题特别重要? l压力容器整体应力不太复杂，但局部应力却很复杂.如开孔处、转交处、及不连续处等。l压力容器的使用条件比较苛刻，有酸碱、有高温低温、压力交易超载、有的由于频繁开停工、和压力波动，容易产生低周疲劳。l中、高强度钢，焊接制造中较易产生原始裂纹。l介质有毒、有腐蚀性、可以燃烧、爆炸，不允许泄漏，更不允许破裂。 从容器的安全、制造、使用等方面说明对化工容器机械设计有哪些基本

2、要求？l安全性与经济性；要考虑非正常工况的苛刻条件。l材料：高强度、良好塑性、韧性、可焊性、低温韧性、耐腐蚀性 。l制造：焊缝质量、焊接结构等 。l使用：不超载 。 （1）强度失效）强度失效（2）刚度失效）刚度失效（3）失稳失效）失稳失效（4）泄漏失效）泄漏失效失效形式失效形式1.1 压力容器基本失效形式压力容器基本失效形式1. 压力容器破坏形式和原因压力容器破坏形式和原因失去安全性和可靠性失去安全性和可靠性a.韧性断裂韧性断裂韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的 应力达到或接近所用材料的强度极限而发生应力达到或接近所用材料的强度极限而发生 的断裂。的断

3、裂。（1）强度失效）强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 称为强度失效，包括（称为强度失效，包括（a）韧性断裂、韧性断裂、 （b）脆性断裂、（脆性断裂、（c）疲劳断裂、疲劳断裂、 （d）蠕变断裂、（蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。腐蚀断裂等。特征特征原因原因断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长伸长率可达周长伸长率可达1020%，断口处厚度显著，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。

4、壁厚过薄和内压过高壁厚过薄和内压过高壁厚未经设计壁厚未经设计计算和壁厚因计算和壁厚因 腐蚀而减薄腐蚀而减薄操作失误、液体操作失误、液体受热膨胀、化学受热膨胀、化学反应失控等。反应失控等。严格按照规范设计、选材，严格按照规范设计、选材，配备相应的安全附件，配备相应的安全附件，且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定韧性断裂可以避免韧性断裂可以避免断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片

5、。由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比后果要比韧性断裂严重得多韧性断裂严重得多。特征特征b.脆性断裂脆性断裂脆性断裂是指脆性断裂是指变形量很小变形量很小、且在壳壁中、且在壳壁中 的的应力值远低于材料的强度极限应力值远低于材料的强度极限时发生时发生 的断裂。这种断裂是在较低应力状态下的断裂。这种断裂是在较低应力状态下 发生，故又称为低应力脆断。发生，故又称为低应力脆断。脆性断脆性断裂原因裂原因材料脆性和缺陷材料脆性和缺陷。a. 材料选用不当、焊接与热处理不当使材料材料选用不

6、当、焊接与热处理不当使材料 脆化；低温、长期在高温下运行、应变脆化；低温、长期在高温下运行、应变 时效等也会使材料脆化；时效等也会使材料脆化；b. 压力容器用钢一般韧性较好，但若存在压力容器用钢一般韧性较好，但若存在 严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、 分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引 起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的 缺陷，也会导致脆性断裂发生。缺陷，也会导致脆性断裂发生。 交变载荷交变载荷指大小和（或）方向都随时间周期性指大小和（或）方向都随时间周期性 （或无规则）变化的载荷。（或无规则）

7、变化的载荷。 包括包括压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变 化引起的热应力变化；振动或容器接管引起化引起的热应力变化；振动或容器接管引起 的附加载荷的交变而形成的交变载荷。的附加载荷的交变而形成的交变载荷。需要指出需要指出原材料或制造过程中产生的裂纹，原材料或制造过程中产生的裂纹， 也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致 压力容器疲劳。压力容器疲劳。c.疲劳断裂疲劳断裂在在交变载荷交变载荷作用下，经一定循环次数后产生作用下，经一定循环次数后产生 裂纹或突然发生断裂失效的过程。裂纹或突然发生断裂失效的过程。失效形式失效形式

8、“未爆先漏未爆先漏” ，破坏需要有一定时间。，破坏需要有一定时间。疲劳破坏疲劳破坏包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。裂纹源裂纹源往往往往位于接管根部、位于接管根部、焊接接头等高应焊接接头等高应力区或有缺陷的力区或有缺陷的部位。部位。裂纹扩展区裂纹扩展区是是疲劳断口最重要的疲劳断口最重要的特征区域。常呈现特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下纹扩展过程中留下的痕迹。的痕迹。瞬时断裂区瞬时断裂区裂纹扩展到一定裂纹扩展到一定程度时的快速断程度时的快速断裂区。裂区。疲劳断口疲劳断口裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源、裂纹扩展区

9、和瞬时断裂区组成。特征特征: 疲劳断裂时容器的总体应力值较低，断裂往往在疲劳断裂时容器的总体应力值较低，断裂往往在容器正常工作条件下发生，没有明显征兆，是突容器正常工作条件下发生，没有明显征兆，是突发性破坏，接近脆断，危险性很大。发性破坏，接近脆断，危险性很大。从变形看从变形看 具有韧性断裂特征具有韧性断裂特征从应力看从应力看具有脆性断裂特征具有脆性断裂特征d.蠕变断裂蠕变断裂压力容器在压力容器在高温下长期受载高温下长期受载，随时间的增加，随时间的增加 材料不断发生蠕变变形，造成壁厚明显减薄材料不断发生蠕变变形，造成壁厚明显减薄 与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。与鼓胀变形，最终导致压力容器断

10、裂。均匀腐蚀的减薄和均匀腐蚀的减薄和局部腐蚀的凹坑局部腐蚀的凹坑引起的断裂引起的断裂晶间腐蚀和应力腐蚀晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂引起的断裂e.腐蚀断裂腐蚀断裂韧性断裂特征脆性断裂特征。韧性断裂特征脆性断裂特征。（2）刚度失效）刚度失效 由于构件过度的弹性变形引起的失效。由于构件过度的弹性变形引起的失效。 （3）失稳失效）失稳失效 在压应力作用下，压力容器突然失去其在压应力作用下，压力容器突然失去其 原有的规则几何形状引起的失效。原有的规则几何形状引起的失效。 （4）泄漏失效）泄漏失效泄漏而引起的失效。泄漏而引起的失效。 危害危害: 可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，可能引起中毒、燃烧和爆炸等事

11、故， 造成环境污染等。造成环境污染等。交互失效交互失效多种因素作用下同时发生多种形式的失效。多种因素作用下同时发生多种形式的失效。(二二)、交互失效形式、交互失效形式例如：例如： 腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀介质腐蚀介质交变应力交变应力 蠕变疲劳蠕变疲劳 高高 温温交变应力交变应力（1）焊接缺陷）焊接缺陷（2）成型组装缺陷）成型组装缺陷制造缺陷制造缺陷2.1 压力容器的制造缺陷压力容器的制造缺陷2. 压力容器的制造安全压力容器的制造安全压力容器是典型的焊接结构，主要的制造方法就是焊接，焊接压力容器是典型的焊接结构，主要的制造方法就是焊接，焊接质量直接关系到设备的质量。质量直接关系到设备的质量。 2.2

12、常用焊接方法及其焊接工艺常用焊接方法及其焊接工艺 它是以外部涂有涂料的焊条作电极和它是以外部涂有涂料的焊条作电极和 填充金属，电弧是在焊条的填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。端部和被焊工件表面之间燃烧。 特点特点: 设备简单，工艺灵活，对工作场地无特殊要求可以全方位施设备简单，工艺灵活，对工作场地无特殊要求可以全方位施焊。因为焊条、药皮品种齐全，所以对钢材的适应性强（几乎所有焊。因为焊条、药皮品种齐全，所以对钢材的适应性强（几乎所有的钢种的钢种C钢、低合、不锈、耐热）。可以应用于维修及装配中的短钢、低合、不锈、耐热）。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到

13、的部位的缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的 焊接。焊接。2.2常用焊接方法及其焊接工艺常用焊接方法及其焊接工艺 压力容器等焊接结构的重要焊接方法之一，它的焊缝质量优良，因压力容器等焊接结构的重要焊接方法之一，它的焊缝质量优良，因为埋弧焊的电弧是在焊剂下的一个封闭空间燃烧，并且焊缝在焊剂为埋弧焊的电弧是在焊剂下的一个封闭空间燃烧，并且焊缝在焊剂的保护下冷却，可以充分地进行冶金反应，不用换焊条、熔深大。的保护下冷却，可以充分地进行冶金反应，不用换焊条、熔深大。它的自动化程度比较高，生产效率高、质量好，比较适合于大规模它的自动化程度比较高，生产效率高、质量好，比较适合于大规模的现代化生产。但它

14、只能俯焊。的现代化生产。但它只能俯焊。 包括熔化极和非熔化极；保护性气体主要有惰性气体和二氧化碳。包括熔化极和非熔化极；保护性气体主要有惰性气体和二氧化碳。 2.3常见焊接缺陷的成因常见焊接缺陷的成因 及其防止方法及其防止方法(1)焊缝表面缺陷焊缝表面缺陷 咬咬 边边 危害：减少母材的有效截面积、在咬危害：减少母材的有效截面积、在咬边处可能引起应力集中强度减弱、边处可能引起应力集中强度减弱、应力集中应力集中防止：电流适中，运条得当防止：电流适中，运条得当 焊瘤焊瘤危害：应力集中危害：应力集中防止：电流适中，运条快，钝边、间隙规范防止：电流适中，运条快，钝边、间隙规范 内凹内凹危害：应力集中危害

15、：应力集中防止：控制熔池温度，钝边、间隙规范防止：控制熔池温度，钝边、间隙规范 溢流溢流危害：未熔合，未焊透；危害：未熔合，未焊透； 弧坑弧坑危害：强度严重减弱，坑内常有气孔、夹渣或危害：强度严重减弱，坑内常有气孔、夹渣或 裂纹裂纹 气孔气孔(2)焊缝内部缺陷焊缝内部缺陷危害：使焊缝有效工作面积减少，降低抵抗外危害：使焊缝有效工作面积减少，降低抵抗外 载能力，特别对弯曲和冲击韧性影响较大。载能力，特别对弯曲和冲击韧性影响较大。防止：注意电弧保护、焊条焊剂烘干、坡口清理防止：注意电弧保护、焊条焊剂烘干、坡口清理 夹渣夹渣 危害：引起的应力集中比气孔严重，危害更大危害：引起的应力集中比气孔严重，危

16、害更大防止：防止： 未焊透未焊透 危害：工作面积减小，尖角易产生应力集中，危害：工作面积减小，尖角易产生应力集中， 引起裂纹引起裂纹 。防止：防止： 未熔合未熔合 危害：因为间隙很小，可视为片状缺陷，类似于危害：因为间隙很小，可视为片状缺陷，类似于裂纹。易造成应力集中，是危险性较大的缺陷裂纹。易造成应力集中，是危险性较大的缺陷 纵向裂纹纵向裂纹按裂纹存在的方向分按裂纹存在的方向分 横向裂纹横向裂纹（3）裂纹）裂纹 分类： 星形裂纹星形裂纹按裂纹存在的形态分按裂纹存在的形态分 网状裂纹网状裂纹 条状裂纹条状裂纹 焊道裂纹 热影响区裂纹按裂纹存在的位置分 弧坑裂纹 根部裂纹 其他位置裂纹 热裂纹热

17、裂纹 生产过程出现的裂纹生产过程出现的裂纹 冷裂纹冷裂纹 再热裂纹再热裂纹（4）裂纹形成的原因及防止措施）裂纹形成的原因及防止措施 热裂纹形成及防止 l常见的热裂纹有两种：结晶裂纹、液化裂纹常见的热裂纹有两种：结晶裂纹、液化裂纹l结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂。是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂。l而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重熔，而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重熔，在收缩力的作用下而产生的裂纹。在收缩力的作用下而产生的裂纹。l低熔点共晶物的多少取决于焊缝金属中低熔点共晶物的多少取决于焊缝金属

18、中C、S等元素等元素的含量。的含量。 一是焊缝金属所经受的应变增加速度大于低熔点共晶物凝固的速度； 另外，初生晶体的长大方向和残留低熔点共晶另外，初生晶体的长大方向和残留低熔点共晶体的相对位置的影响。体的相对位置的影响。关键的措施就是：a. 应严格控制焊缝金属中C、S、P和其它易形成低熔点共晶体的合金成分的含量，这些元素和杂质的含量越低，焊缝金属的抗裂纹能力越大。 当焊缝中C0.15%,S0.04%就可能有裂纹出现，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来。b. 改变焊缝横截面的形状也就改变了焊接熔池的结晶方向，使之有利于将低熔点共晶体推向不易产生裂纹的位置。v 液化裂纹产生的原因：焊接时紧靠熔合线的母材区域被加热到接近钢熔点的高温，此时母材晶体本身未发生熔化，而晶界的低熔点共晶物则已完全熔化。当焊接熔池冷却时，焊缝应变速度较高。如果这些低熔点共晶物未完全重新凝固之前，接合区就已受到较大应变，则在这些晶界上就会出现裂纹。晶间液层的熔点越低，凝固时间越长，则液化裂纹的倾向越大。v 液化裂纹的成因归于母材晶粒边界的低熔点共晶物，因此液化裂纹多产生于C、S、P杂质较高的母材与焊缝的熔合边界。 冷裂纹形成及防止焊接接头的冷裂纹主要在屈服极限大于焊接接头的冷裂纹主要在屈服极限大于300MPa