第四章-压力容器破坏形式

1、第四章 破 裂 形 式设计结构不合理、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，而且很多是在规定的使用期限(寿命期)内发生。了解、掌握各种破裂形式的破坏机理、产生原因、主要特征等，掌握它发生破裂的规律压力容器的破裂形式，通常分为延性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂、压力冲击破裂、蠕变破裂等形式。1第一节 延性破裂 延性破裂内部压力作用下，器壁上产生的应力达到器壁材料的强度极限，从而发生断裂破坏的一种形式。这种形式的破坏属于韧性断裂，因此，该形式的破坏也称作韧性破坏。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的过程大致分为三个阶段。即弹性变形阶段、弹塑性变

2、形阶段和断裂阶段。弹性变形阶段是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。弹塑性变形阶段是指当对材料施加的外力超过了材料同有的弹性极限值，材料开始屈服变形后仍继续施加外力并超过材料的屈服极限，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。断裂阶段是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。2器壁有明显的塑性变形。表现在容器直径增大、容积增大、壁厚减薄，而轴向增长较小，产生“腰鼓形变形。当容器发生韧性破坏时，圆剧长的最大增长率和容积变形率可达1020。韧

3、性破坏的断口为切断撕裂。一般呈暗灰色纤维状，断口不平齐，且与主应力方向成45交角。不产生碎片。第一节 延性破裂二、特征3破坏时的爆破压力接近理论爆破压力。爆破口的大小随容器破坏时膨胀能量大小而异，释放的能量越大，爆破口越大。韧性破坏时，容器器壁的应力值一般达到或接近材料的强度极限。第一节 延性破裂二、特征4容器的韧性破坏只有在器壁整个截面上的材料都处于屈服状态下才会发生，原因如下。盛装液化气体介质的容器充装过量。对盛装液化气体介质的容器，应按规定的充装系数充装，即留有一定的气相空间，这是因为液化气体随环境温度的增高，其饱和蒸气压显著增大。每升高1，瓶内压力增加将超过1MPa。使用中的压力容器超

4、温超压运行。若操作人员违反操作规程、操作失误、安全装置(如安全阀、压力表等)不全或失灵造成容器超温超压；因投料不当，造成反应速度过快，引起温度压力急剧增高。容器壳体选材不当或容器安装不符合安全要求。若压力容器壳体材料选用的强度较低，或压力容器安装错误，压力来源处的压力高于压力容器的设计压力或最高工作压力，而又无可靠的减压装置，则可能导致破坏。维护保养不当。因维护保养不当，压力容器器壁发生大面积腐蚀，壁厚减薄，在正常工作压力下器壁一次薄膜应力超过材料的屈服极限，造成受压部件整体屈服而发生破裂。第一节 延性破裂三、原因5在设计制造压力容器时，要选用有足够强度和厚度的材料，以保证压力容器在规定的工作

5、压力下安全使用。压力容器应按核定的工艺参数运行，安全附件应安装齐全、正确，并保证灵敏可靠。使用中加强巡回检查，严格按照工艺参数进行操作，严禁压力容器超温、超压、超负荷运行，防止过量充装。加强维护保养工作，采取有效措施防止腐蚀性介质及大气对压力容器的腐蚀。若发现压力容器器壁被严重腐蚀以致变薄，或运行中器壁产生明显塑性变形时。应立即停止使用。第一节 延性破裂四、事故预防6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，放称为脆性破裂。破坏是在较低的应力状态下发生的，所以又称为低应力破坏。第二节 脆

6、 性 破 裂7钢在低温下其冲击韧性显著降低，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。低碳钢在300左右会出现一个强度升高、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应力，就有可能产生蓝脆，导致断裂事故的产生。某些钢材长期停留在400500温度范围内以后冷却至室温，其冲击值有明显下降，这利，现象称为钢的热脆性。此时压力容器经受变形应力，也有可能导致脆性断裂。第二节 脆 性 破 裂一、机理8压力容器发生脆性破坏时无明显外观变化和外观预兆。破坏后的容器器壁无明

7、显的伸长变形，壁厚一般也无减薄。脆性破坏的断口齐平，呈金属光泽的结晶状(这是因为脆断往往是晶断裂)，并与最大主应力方向垂直。容器纵向脆断时裂口与器壁表面垂直，环向脆断时裂口与容器中心线相垂直。发生脆性时，断裂速度极快，可高达1800ms，其材料韧性又差，故脆性破坏的容器常裂成碎并飞出。压力容器发生脆性破坏的后果较韧性破坏严重得多。厚壁容器和较低温度的容器最易发生脆性破坏。且断裂时名义应力很低，常低于材料的屈服极限。这种破坏可在正常操作压力或水压试验压力下发生。第二节 脆 性 破 裂二、特征9温度 因为钢在低温下或在某一特定温度范围内其冲击韧性将急剧下降。裂纹性缺陷 压力容器受压元件一旦产生裂纹

8、，其尖端前缘产生很高的应力峰值，且应力状态也发生变化，变为三向拉伸应力。在这个区域，实际的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的强度低得多。所以即使材料具有较高的冲击韧性，但当裂纹性缺陷的尺寸达到一定值时，仍可能发生脆性断裂。第二节 脆 性 破 裂三、原因10提高容器制造质量特别的是焊接质量，是防止容器脆性破坏的重要措施。因为容器结构尺寸的突变、不连续以及焊缝中裂纹性缺陷的存在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。选择材料，金相组织有关。焊接及热处理工艺；使用过程加强压力容器的维护保养和定期检验工作，及时消除检验中发现的

9、裂纹性缺陷，确保容器安全运行。第二节 脆 性 破 裂四、事故预防11疲劳破裂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。据有关资料统计，压力容器在运行中的破坏事故有75以上是由疲劳引起的。第三节 疲 劳 破 裂12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以内，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内的应力值极限后，材料就易发生断裂。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

10、高应力水平下承受交变周次超过了102105次后，材料就易发生断裂。容器内介质压力的波动也是一种载荷，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。第三节 疲 劳 破 裂一、机理13容器破坏时没有明显的塑性变形缺陷微裂纹交变应力微裂纹扩展为疲劳裂纹突然断裂。过程中:总体应力水平较低截面上弹性范围内不会明显的变形没有明显增大大部分壁厚也无变薄。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。裂纹扩展较为缓慢，裂纹扩展的弧形纹路疲劳裂纹的策源点策源点往往产生在应力集中的地方，特别是容器的接管处。第三节 疲 劳 破 裂二、特征

11、14容器的疲劳破坏一般是疲劳裂纹穿透器壁面泄漏失效。不像韧性劈裂时形成撕裂。也不像脆性破裂时产生碎片。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。 第三节 疲 劳 破 裂二、特征15内部因素即压力容器存在着局部高应力区(如压力容器的接管、开孔、转角以及其他几何形状不连续处应力集中峰值应力会超过材料的屈服极限产生很大的应力变化幅扩展开裂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

12、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。第三节 疲 劳 破 裂三、原因 16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。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。在运行中要注意操作正确性，尽量减少升压、卸压的次数，操作中要防止温度压力波动过大。对无法避免外来载荷、无法减少开停次数的压力容器，制造前应作疲劳设计，以保证压力容器不致发生疲劳破裂。第三节 疲 劳 破 裂四、事故预防17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

13、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。压力容器金属腐蚀情况比较复杂，同一种材料在不同的介质中有不同的腐蚀规律；不同材料在同一种介质中的腐蚀规律也各不相同；即使同一种材料在同一种介质中，因其内部或外部条件(如材料金相组织、介质的温度浓度和压力等)的变化。往往也表现出不同的腐蚀规律。因此，只有了解腐蚀规律，才能正确地判断各种腐蚀的危害程度，以便采取有效的防止措施。第四节腐蚀破裂一、分类18第四节腐蚀破裂分类191.均匀腐蚀金属的均匀腐蚀是指在金属整个暴露表面上或者是大部分面积上产生程度基本相同的化学或电化学腐蚀。均匀腐蚀也称全面腐蚀，遭受全面腐蚀的容器是以金属的厚度逐渐

14、变薄的形式导致最后破坏。工程威胁不大进行估计腐蚀裕度与环境、介质、温度、压力等方面有关定时检测否则事故。2.局部腐蚀局部腐蚀是指材料表面的区域性腐蚀。这是一种危害性较大并经常在突然间导致事故。（1)电偶腐蚀只要有两种电极电位不同的金属相互接触或用导体连通，在电解质存在的情况下就有电流通过。通常是电极电位较高的金属腐蚀速度降低甚至停止，电极电位较低的金属腐蚀速度增大。前者为阴级，后者为阳极。(2)孔蚀指金属表面产生小孔的一种局部腐蚀。孔腐蚀一般容易在静止的介质中发生，通常沿重力方向发展。第四节腐蚀破裂二、形态20(3)选择性腐蚀 当金属合金材料与某种特定的腐蚀性介质接触时，介质与金属合金材料中的

15、某一元素或某一组分发生反应，使其被脱离出去，这种腐蚀称为选择性腐蚀。选择性腐蚀一般在不锈钢、有色金属和铸铁等材料中发生。(4)磨损腐蚀 指由于腐蚀性介质与金属之间的相对运动，而使腐蚀过程加速的现象，又称为冲刷腐蚀。如冷凝器管壁的磨损腐蚀，腐蚀流体既对金属表面的氧化物产生机械冲刷破坏，又与不断露出的金属新鲜表面发生剧烈的化学或电化学腐蚀，故腐蚀速度较快。(5)缝隙腐蚀 暴露于电解质溶液中的金属表面上的缝隙和其他隐蔽区域内常常发生强烈的局部腐蚀。这种腐蚀与孔洞、垫片底面、搭接缝、表面沉积物、螺母和铆钉帽下的缝隙内积存少量的静止溶液有关。一些经表面钝化致密氧化物的金属(如不锈钢、铝、钛等)容易产生缝

16、隙腐蚀。第四节腐蚀破裂2.局部腐蚀213.晶间腐蚀金属的腐蚀局限在晶界或晶界附近，而晶粒本身的腐蚀较小的一种腐蚀形态称之为晶间腐蚀。晶粒脱落，材料的强度和伸长率显著下降，原有金属光泽，故危害很大。奥氏体不锈钢经常发生晶间腐蚀。这种腐蚀往往发生在不锈钢由高温缓慢冷却或在敏感温度范围内(450850)，晶粒中铬离子与过饱和的碳化合成碳化铬，在晶界析出，由于铬的扩散速度较慢，这样生成碳化铬所需的铬必然要从晶界附近获取，造成晶界附近区域含铬量降低，即“贫铬”现缘，从而降低了不锈钢的耐蚀性能，导致晶间腐蚀。由于焊接过程中热影响区正处于敏感温度范围，所以易造成晶间腐蚀。因此在对不锈钢容器施焊时，应严格控制

17、焊接电流、返修次数，以减小热输入量。第四节腐蚀破裂二、形态224.断裂腐蚀断裂腐蚀主要有应力腐蚀和疲劳腐蚀，它是材料在腐蚀性介质和应力共同作用下产生的，两者缺一不可。其中，应力可以是静载拉伸应力，也可以是交变应力。(1)应力腐蚀 金属在拉应力和特定的腐蚀性介质共同作用下发生的断裂破坏。这是一种极危险的腐蚀形态，常在没有先兆的情况下发生局部腐蚀，裂纹一旦出现，它的扩展速度比其他局部腐蚀速度快得多。其裂纹大体向垂直于拉应力方向发展，裂纹形态有晶间型、空晶型或两者兼有的混合型。 (2)疲劳腐蚀 金属在交变应力和腐蚀性介质的同时作用下产生的破裂。这种破裂常产生于振动部件，在动载荷应力作用下，所有的金属

18、材料，即使是纯金属也会发生疲劳腐蚀。疲劳腐蚀可以有多条裂纹，裂纹通常发源于一个深蚀孔，一般是穿品型无分枝，通常呈锯齿形，尖端较钝。第四节腐蚀破裂二、形态235.氢损伤由于氢渗进金属内部而造成金属性能恶化的现象称为氢损伤，也称为氢破坏。由于氢的原子半径最小，最易渗入钢或其他金属内部，氢离子被还原生成初生态的氢，随后复合生成分子氢。当初生态氢复合成氢分子的过程受到环境阻碍时，就促进了初生氢向钢或其他金属内部渗透，引起渗氢。第四节腐蚀破裂二、形态245.氢损伤(1)氢鼓包 由于氢进入金属内部而产生，结果造成局部变形，甚至器壁遭到破坏。(2)氢脆 由于氢进入金属内部而产生。结果引起韧性和抗拉强度降低。

19、(3)脱碳 由于湿氢进入钢中，使钢中碳含量减少，其结果是钢的强度下降。(4)氢腐蚀 在高温下氢与合金中的组分反应造成腐蚀。第四节腐蚀破裂二、形态25腐蚀产生的机理来讲，通常分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。1.化学腐蚀化学腐蚀是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、钢的渗碳与脱碳、氢腐蚀等。在化工生产中，上述四种化学腐蚀屡见不鲜。例如，化工行业中各种炉管，其外壁受到严重的高温氧化，硫酸工业中的高温二氧化硫、炼油工业中高温硫化氢对设备的严重腐蚀；合成氨及石油工业中高温高压下氢

20、气等气体的严重腐蚀等。第四节腐蚀破裂三、机理26(1)高温氧化 指金属在高温下与介质或周围环境中的氧作用而形成金属氧化物的过程。例如，钢在空气中加热，在较低的温度(200300)下表面出现可见的氧化膜。氧化速度随温度的升高而加快。当温度达800900时，氧化速度显著增加。除氧气外，CO2、H2O、SO2等介质的存在也能引起高温氧化，特别是水蒸气的氧化作用较强。(2)高温硫化 指金属在高温下与含硫介质(如硫蒸气、硫化氢、二氧化硫)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、品格缺陷多、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

21、。第四节腐蚀破裂三、机理 27(3)钢的渗碳与脱碳 高温下某些碳化物(如CO和烃类)与钢铁接触时发生分解生成游离碳渗入钢内生成碳化物称渗碳，它降低了钢材的韧性。钢的脱碳是由于钢中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。第四节腐蚀破裂三、机理 28(4)氢腐蚀 指钢受高温高压氢的作用引起组分的化学变化，使钢材的强度和塑性下降，断口呈脆性断裂的现象。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，随着反应继续进行，甲烷逐渐积聚，形成局部高压，引起应力集中并发展为裂

22、纹。产生氢腐蚀需一个起始温度与一个起始氢分压，碳钢起始温度为220，起始氢分压为1。38MPa左右。当氢分压低于起始分压时只发生表面脱碳而不发生氢腐蚀。第四节腐蚀破裂三、机理 29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。电化学反应是指一个反应过程可以分为两个或更多的氧化和还原反应。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，而铁的电位低时，成为微阳极，这就形成许多微小的电池，称为微电池。第四节腐蚀破裂2.电化学腐蚀30压力容器腐蚀的形

23、态很多，引起不同腐蚀形态的原因也是多种多样的，大致有下述几个主要原因。压力容器维护保养不当。选材不当或未采取有效防腐措施。结构不合理，或焊接不符合规范要求。介质中杂质的影响。第四节腐蚀破裂四、原因31根据介质选用合适厚度的防腐蚀材料的容器。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。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。如在容器内表面涂防腐层，在容器内加衬里，或采用复合钢板制造容器，以防止介质的腐蚀等。选用结构合理、设计制造质量符合国家标准和要求的容器。使用中采取适当的工艺措施降低腐蚀速度。如在中性

24、碱溶液中和在锅炉水系统中除氧，避免介质直接冲刷容器壳体及受压部件；在容器使用、维修中避免机械损伤，避免或减小外部附加应力等。为减少电化学腐蚀的危害，也可采用阴极保护法。第四节腐蚀破裂五、事故预防321.可燃气体与助燃气体(氧、空气)反应爆炸如果两种气体(可燃气体与助燃气体)在压力容器内的混合比例在爆炸极限的范围内，遇到适当的条件即会被点燃而形成燃烧波，并在器内以极高的速度迅速扩延和传播，形成压力冲击。第五节 压力冲击破裂一、类型与机理33造成可燃气和助燃气同时混入同一容器内的原因有以下几个方面。阀门零件泄漏。使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

25、入空气等。操作失误而造成可燃气体与助燃气混合。两种气瓶混装。常见的是氧气瓶充装氢气，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。这种爆炸有时直接在充装时爆炸，有时在使用时爆炸。第五节 压力冲击破裂一、类型与机理342.聚合釜的“爆聚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率，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。催化剂使用不当。冷却装置失效。第五节 压力冲击破裂一、类型与机理353.压力容器内的反应失控化工生产中很多工芝过程

26、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，使容器破裂。常见的原因如下。原料投入时计量错误或器具失灵。原料不纯，特别是含有对反应起加速作用的杂质等。搅拌或冷却装置失效。如因为突然停电，搅拌器停止工作或突然停水，冷却装置未能起冷却作用等。第五节 压力冲击破裂一、类型与机理364.液化气体的“爆沸“盛装液化气体的压力容器，器内液化气体处于气、液两相相对平衡状态，但如果器内压力突然释放，如气态空间与大气相通，则器内的饱和蒸气压骤减，气液平衡被打破，器内液体出现过热现象而瞬间急剧蒸发，产生大量的气体，而冲击器壁也会造成容器的压力冲击断裂。可能

27、产生气体“爆沸”的原因如下。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。两种沸点相差悬殊的液化气体突然混入一个容器内。 第五节 压力冲击破裂一、类型与机理37压力冲击断裂有如下特征。壳体碎裂。压力冲击破裂的容器，常常产生大量的碎块，这是其主要特征。它的碎裂程度一般都超过脆性断裂的壳体，如果是可燃性混合气体在器内爆炸而造成的压力冲击断裂，还有可能是粉碎性爆炸。壳体内壁常附有化学反应产物或痕迹。因为压力冲击破裂大多是由于器内物料发生燃烧或其他非正常化学反应而产生的，所以在壳体或碎片的内壁常可发现反应产物或观察到金属有经过高温烘烤的痕迹。断裂时常伴有高温产生。放热反应产生的高温

28、气体在壳体被压力冲击而断裂后随即排出，会使周围的物料燃烧或被烘烤，还常常因此而发生火灾。断裂时壳体或碎块的温度也比较高。断口形貌类似脆性断裂。压力冲击破裂的断面一般没有或只有很薄的一层剪切唇，断口是平直的，开裂的方向也无一定的规律性。容器释放的能量较大。发生压力冲击破裂的压力容器，可根据其剧围所造成的破坏情况估算破坏能量，往往要比理论计算能量大得多。第五节 压力冲击破裂二、特征381.完善规程和管理制度生产工艺设计、操作规程的管理制度。凡有可能产生异常工况的压力容器。在操作规程中必须从生产工艺的角度加以预想，并在操作规程中注明防范措施和操作方法，如可燃气体介质与助燃气体介质之间的系统关联管线对于一些工艺过程可能会出现副反应等非正常化学反应的压力容器，生产工艺设计、操作规程中必须严格控制工艺指标和操作要求，操作要求、操作步骤、不正常情况的处理和防止误操作的措施。此外，压缩气体及液化气体的充装必须按国家的有关标准规定，检修检测规程和管理制度。压力容器发生压力冲击破裂的事故中有不少是跟检修有关，因此，必须根据压力容器的生产工艺状况、介质的特性结合检修