承压设备事故及处理课件

1、2022/7/18承压设备事故与处理1第8章 承压设备事故与处理第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理2前言承压设备数量 截止2005年底，我国有在用锅炉55.38万台、压力容器152.30万台、气瓶1.30亿只、压力管道22.50万千米。事故与损失 2005年全年共发生特种设备（包括电梯、载人索道、大型游乐设施等在内）严重以上事故274起，其中，特大事故1起，重大事故18起，严重事故255起，死亡301人，受伤293人，直接经济损失6964.69万元。年万台设备事故起数为0.87，万台设备死亡人数为0.97与2004年相比，特种设备事故总起数减少7%，死亡人数增加1%，

2、受伤人数减少31%，直接经济损失增加53%，在设备总量快速增长的情况下，万台设备事故起数继续保持下降趋势。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理3前言续事故原因 按事故发生的原因分析，2005年274起特种设备事故中，使用不当及违章操作占44%，设备本身质量问题占20%，超期未检或者未按规定检验占16%，安全附件及安全装置损坏失效占10%，气瓶混装占6%，尚未调查结案或其它原因的占4%。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理48.1承压设备的破坏形式分类压力 温度介质环境变形疲劳腐蚀磨损蠕变失稳破裂爆炸坍塌第八章承压设备事故及处理2022/7/18承

3、压设备事故与处理5断裂的分类断裂塑性变形大小韧性断裂脆性断裂裂纹扩展途径沿晶断裂穿晶断裂受力状态静载断裂冲击断裂疲劳断裂工作条件冷脆断裂高温蠕变断裂应力腐蚀断裂氢脆和氢腐蚀断裂第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理68.1承压设备的破坏形式分类金属等材料构件的断口一般由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这三个区域通常被称作断口三要素。图8-1为光滑圆柱金属棒在室温下承受静载拉伸作用，所呈现的典型破裂断口形貌，整个断口呈杯锥状。具体形貌特征为：图8-1拉伸断口三个区域的示意图第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理7纤维区纤维区位于断口中央，呈粗糙的纤

4、维状圆环形花样。纤维区是裂纹形成并缓慢扩展的区域。当拉伸载荷产生的应力超过强度极限时试件产生缩颈，由于缺口效应在缩颈处将产生应力集中，并出现三向应力。在三向应力作用下，裂纹首先在最小截面中心部位的某些非金属夹杂物、第二相质点、缺陷等处形成，并不断扩大、连接，使夹杂物之间的基体金属产生内缩颈，拉断夹杂物或使之与基体金属分离，形成显微空洞。在进一步受拉伸直到断裂的过程中，纤维区底部的晶粒被拉长得像“纤维”一样，显微空洞被拉断成两半，在断面上形成“韧窝”和“锯齿”。小锯齿的斜面与拉力呈45，说明纤维区的形成实质上是切应力作用下的断裂。但纤维锯齿状断口形成的总断面是和拉力载荷垂直的。该区塑性变形较大，

5、表面粗糙不平，呈暗灰色。 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理8放射区放射区在纤维区的四周，其基本特点是有放射花样或放射线。放射区是裂纹迅速扩展的区域，放射线平行于裂纹扩展的方向，而且垂直于裂纹前端轮廓线，各放射线另一端共同指向裂纹起始位置。放射花样也是由材料的剪切变形造成的，不过它与纤维区的剪切断裂不同，是在裂纹达临界尺寸后快速低能量撕裂的结果。这时，材料的宏观塑性变形量很小，表现为脆性断裂。但在微观局部区域，仍有很大的塑性变形。放射形花样是剪切型低能量撕裂的一种标志。沿晶断裂和解理断裂一般包括在快速破坏的放射区内。因为这类断裂塑性变形很小，所以断口的放射线极细。材料

6、越脆，放射线越细，直至消失。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理9剪切唇剪切唇在断裂过程的最后阶段形成，表面平滑，与拉应力方向呈45，通常称为“拉边”。在剪切唇区域，裂纹也快速扩展，但材料的塑性变形量很大，是韧性断裂区。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理10一般地说，工程结构断口都有“三要素”及大体相同的形貌，但是，当结构尺寸、形状及材料性能以及受力状态、加载速度和工作温度不同时，断口三个区域的形态、大小和相对位置都会发生变化。材料强度增高，塑性降低，则放射区所占比例增大；结构断面尺寸加大，放射区明显增大而纤维区变化不大；缺口的存在不但改变了断

7、口中各区所占比例，而且改变了各区的分布。例如缺口圆柱试样首先从缺口处形成裂纹，最后断裂区在心部；平板试件的纤维区呈椭圆形，放射区的花样呈人字形，人字形花样尖端指向裂源；冲击断裂的断口，其三个区不呈同心分布，而是依冲击方向依次分布等。韧性断裂与脆性断裂之间没有明显界限。断口中以纤维区和剪切唇为主，放射区所占比例很小时，即为韧性断裂；断口中以放射区为主，纤维区和剪切唇所占比例很小时，即为脆性断裂。由于实际构件的尺寸形状、材料性能、工作条件与试验时断口产生的条件大不相同，所以实际构件断裂时的情况要复杂得多。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理118.1.1韧性破坏 承压部件的

8、变形与韧性断裂韧性断裂的特征韧性断裂事故原因预防第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理12承压部件的变形与韧性断裂金属构件超载时会发生塑性变形，使宏观尺寸发生明显变化。当其应力应变增大到材料的抗拉强度时，结构便出现断裂失效。一般将发生过明显塑性变形之后的断裂称为韧性(或称延性)断裂失效。韧性断裂的宏观特征 1、有明显的塑性变形 2、爆破口是长缝或有分叉，但无碎片第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理13承压部件的变形与韧性断裂续第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理14韧性断裂的特征韧性断裂的断口特征 断口呈暗灰色纤维状。碳钢和

9、低合金钢韧性断裂时，由于纤维空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形的纤维状断口，多数属于穿晶断裂，断口没有金属光泽而呈暗灰色。由于这种断裂是先滑移而后断裂，一般是切断，所以断裂的宏观表面平行于最大剪应力方向而与最大主应力成45。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理15韧性断裂的特征续韧性破坏的设备一般不发生碎裂。韧性断裂的容器一般不破碎成块或者片，而是只裂开一个裂口。壁厚比较均匀的圆筒形容器，常常是在中部沿轴向裂开，裂口的大小与容器破裂时释放的能量有关。盛装常温受压水的容器，破裂时因释放膨胀功很小，所以破口也小；盛装受压饱和水及液化气体的容器，破裂时因闪蒸产生大量气体，

10、器壁的裂口也较大。实际爆破压力接近计算爆破压力，属于超压或超载破坏。承压设备的韧性断裂是载荷引起的当量应力达到抗拉强度时产生的断裂，其实际爆破压力往往与计算爆破压力相接近，远远超过了承压设备的许用压力及正常工作压力，属于超压或超载破坏（设备壁因腐蚀或磨损减薄时例外）。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理16韧性断裂事故原因预防承压设备常见韧性断裂事故 承压设备承压部件只有在发生大量塑性变形才会出现韧性断裂，而这种情况在正确设计制造及合理使用时一般不会出现，即使出现也有明显的征兆。因此该种事故基本上可以避免。但实际使用中韧性断裂并不少见，常发生于以下情况：液化气体容器充装

11、过量。有些盛装高临界温度液化气体的气瓶、罐车和贮罐，由于操作疏忽、计量错误或其它原因造成充装过量，在运输或使用过程中，容器内介质温度因环境温度影响或太阳曝晒而升高，介质体积膨胀满液后使器内压力急剧上升，最终导致容器韧性断裂。承压设备在使用中超压。由于违反操作规程、操作失误或其它原因，造成设备内压力升高并超过其许用压力，而设备又没有装设安全泄压装置或安全泄压装置失灵，最终造成韧性断裂。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理17韧性断裂事故原因预防续设备维护不良引起壁厚减薄。由于介质对器壁的腐蚀或磨损，或设备长期闲置不用而又未进行可靠防护，造成器壁严重减薄，又未及时检验，使部

12、件在正常工作压力下发生韧性断裂。对腐蚀减薄部位来说，这也属于超载高应力断裂。承压设备韧性断裂的预防 要防止承压设备发生韧性断裂事故，最根本的是保证部件器壁上的当量应力在任何情况都不超过材料的屈服点。承压设备必须按规定进行设计。承压部件必须经过强度验算，未经正规设计计算的承压设备禁止使用。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理18韧性断裂事故原因预防续禁止将一般生活锅炉改装成承压锅炉；防止非承压的容器因结构或操作原因在器内产生压力。承压设备应按规定装设性能和规格都符合要求的安全泄压装置，并始终使其处于灵敏可靠的状态。认真执行安全操作规程，操作人员不得擅自离开工作岗位，注意监

13、督检查，防止承压设备超压。作好承压设备的维护保养工作，采取有效措施防止腐蚀性介质及大气对设备的腐蚀。对长期停用的锅炉、容器及管道，应妥善保养防护。严格定期检验制度，检验时若发现承压部件器壁被腐蚀而致厚度严重减薄，或承压设备在使用中曾发生过显著的塑性变形时，即应停用。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理198.1.2脆性破坏脆性破坏的概念脆性断裂的特征脆性断裂的预防第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理20脆性破坏的概念脆性断裂失效主要是指设备在没有发生塑性变形时就发生断裂或爆炸。其基本原因一是由于材料的脆性转变而引起的脆断；二是由于构件出现了严重的

14、缺陷（如裂纹）导致发生低应力水平下的脆断，这称为低应力脆断。尽管承压设备材料一般具有较好的塑性和韧性，但钢材在不同使用条件下有产生脆性及脆化的可能。特别是高参数、厚截面的大型容器，通常采用低合金高强钢制造，在高压、低温、三向应力状态、缺口、残余应力等因素的影响下，脆性断裂成为其主要的失效形式之一。脆性断裂是一个快速断裂的过程，材料内部的微裂纹很快扩展达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展阻力小，扩展速度很快，最大可达声音在该材料中的传播速度。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理21脆性断裂的特征承压部件发生脆性断裂时，在破裂形状、断口形

15、貌等方面都具有一些与韧性断裂相反的特征。无明显残余变形。由于金属的脆断一般没有留下残余伸长，因此脆性断裂后的承压设备没有明显的残余变形。许多在水压试验时脆性断裂的承压设备，其试验压力与容积增量的关系在断裂前基本上还是线性关系，即处于弹性变形状态。有些脆裂成块的承压设备，将碎块拼组起来基本上还是原承压设备的形状，其周长与原周长相差无几，承压设备的壁厚也没有减薄。断口平齐且有金属光泽。脆性断裂一般是正应力引起的解理断裂，断口平齐且与主应力方向垂直。承压设备脆断的纵缝裂口与设备壁表面垂直；环向脆断时，裂口与承压设备的中心线相垂直。脆断往往是晶界断裂，所以断口呈闪烁金属光泽的结晶状。在壁很厚的承压设备

16、脆性断口上，还常有人字形放射花纹，其尖端指向裂纹源，始裂点往往是缺陷处或形状突变处。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理22脆性断裂的特征续破裂成碎块。由于承压设备脆性断裂时材料韧性较差，脆性断裂的过程又是裂纹迅速扩展的过程，破坏往往在一瞬间发生，设备内的压力和能量无法通过一个裂口释放，因此脆性断裂的设备常裂成碎块，且常有碎片飞出。如果承压设备是在使用中脆性断裂，设备内介质为气体或液化气体，则碎裂的情况将远较水压试验时严重，造成的后果常比韧性断裂严重得多。断裂时的名义应力较低。金属的脆性断裂是因裂纹扩展造成的，断裂时设备壁中的一次应力名义应力通常不高，往往低于钢材的屈服

17、点，因而这类断裂可以在承压设备的正常操作压力或水压试验压力下发生。断裂多在温度较低的情况下发生。由于常用的承压设备钢材多有冷脆倾向，所以脆性断裂常在较低的温度下发生；包括较低的水压试验温度和较低的使用温度。 此外，脆性断裂常见于高强钢制造的容器及厚壁容器，这些容器材料的冲击韧性或断裂韧性较低。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理238.1.2脆性破坏第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理24脆性断裂的预防传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑缺陷大小、温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素。正确选择材料。考虑材料的韧脆转变温度

18、，考虑材料的断裂韧性。减少承压设备中结构的应力集中，消除残余应力 例如减少尖锐角，消除未熔合与未熔透的焊缝，承压设备设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性。尽量减少由焊接产生的缺陷。细致设计焊接结构，设计中应尽量减少和避免焊缝集中和重叠交叉。需采用较好的焊接方法，保证焊透，尽量避免焊缝表面缺陷。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理25脆性断裂的预防续加强对承压设备的检验。对在用承压设备定期检验，及早发现缺陷，及时消除或严格监控，也是防止设备发生脆性断裂的有效措施。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理268.1.3疲劳破坏疲劳断裂是承压设备承压部件较

19、为常见的一种断裂方式。据英国统计，在运行期间发生破坏事故的容器，有89.4%是由裂纹引起的；而在由裂纹引起的事故中，疲劳裂纹占39.8%。国外还有资料估计，压力容器运行中的破坏事故有75%以上是由疲劳引起的。由此可见，承压设备的疲劳断裂是绝不能忽视的。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理27金属疲劳现象承受交变载荷的金属构件，在载荷长期反复作用下，尽管载荷引起的最大应力不一定很高，也会引起构件突然断裂，且无明显的塑性变形。人们把这类断裂归之于金属的“疲劳”。疲劳断裂时载荷交变的周次N，称为疲劳寿命。引起疲劳断裂的交变载荷及应力，可以是机械载荷及机械应力，例如内压及相应的

20、薄膜应力；也可以是热（温度）载荷及相应的热应力。由交变的热应力引起的疲劳称作热疲劳。所谓交变载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化的一类载荷。交变载荷的特征一般用平均应力m循环应力中最大应力max与最小应力min的平均值，即，应力半幅及应力循环对称系数或称应力比r=min/max来表达。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理28金属疲劳现象续疲劳曲线与疲劳极限。多次实验表明，金属承受交变载荷时，应力幅越大，疲劳寿命越短，即断裂时载荷交变的总周次N越少；应力幅越小，疲劳寿命越长，总周次N越多。如图8-2，这种应力幅与N的关系所绘成的曲线称作金属疲劳曲线。

21、疲劳曲线的水平段表明，当应力幅不越过某特定值时，疲劳寿命可为无穷大，此特定应力值称作材料的疲劳极限，以r表示，下标r即应力循环对称系数。对称循环的疲劳极限以-1表示。实验表明，结构钢的疲劳极限与其抗拉强度有一定比例关系。对称循环的疲劳极限-1约为抗拉强度的40%。金属疲劳断裂过程是金属中疲劳裂纹萌生、亚临界扩展、失稳扩展的过程。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理29金属疲劳现象续高周疲劳与低周疲劳。一般转动机械发生的疲劳断裂，往往应力水平较低而疲劳寿命较高，疲劳断裂时载荷交变周次N1105，称作低应力高周疲劳或简称高周疲劳。若交变载荷引起的最大应力超过材料的屈服点，而

22、疲劳寿命N102104，则为大应变低周疲劳或简称低周疲劳。承压设备承压部件的疲劳断裂。承压设备承受的压力载荷通常被认为是静载荷，在常规强度设计中人们关心的主要是承压部件的静载强度失效问题。但实践表明，由于承压设备存在启动停运、调荷变压、反复充装等问题，从宏观上说承压设备承受的压力载荷仍是交变的，只是交变频率较低，周期较长，且大体上属于脉动载荷（r0）而已。随着承压设备参数的提高和高强钢的应用，承压设备的疲劳断裂问题不仅在国外，而且在国内也日益受到关注。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理30金属疲劳现象续承压部件的疲劳断裂，绝大多数属于金属的低周疲劳。许多承压设备都具备

23、产生低周疲劳的条件：存在较高的局部应力。承压部件的接管、开孔、转角及其它几何形状不连续的部位，焊缝及其它隐含缺陷之处，都有程度不同的应力集中。应力集中处的局部应力往往比设计应力大好几倍，可能达到并超过材料的屈服点。反复的加载和卸载，将会在受力最大处产生伸缩塑性变形并产生裂纹，裂纹逐步扩展最终导致断裂。存在交变载荷及反复应力。承压部件承受的交变载荷及设备壁中的反复应力可产生于：a、间歇操作的设备经常进行反复的加压和卸压；b、在运行过程中设备压力在较大范围内变动；c、设备介质温度及设备壁温度反复变化；d、部件强迫振动并引起较大局部附加应力；e、气瓶多次充装等。第八章承压设备事故及处理2022/7/

24、18承压设备事故与处理31图8-2疲劳曲线示意图第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理32疲劳断裂的特征部件没有明显的塑性变形。首先局部应力较高的部位产生微细裂纹，然后逐步扩展，最后剩余截面上的应力达到材料的抗拉强度或超过材料断裂韧度而发生开裂。它和脆性断裂相似，一般没有明显的塑性变形。即使它的最后断裂区是韧性断裂，也不会造成部件整体的塑性变形，破裂后部件的直径没有明显的增大，大部分壁厚也没有明显的减薄。断口存在两个区域，一个是疲劳裂纹产生与扩展区，另一个是最后断裂区。对于对称循环的疲劳断口，前者光滑，后者粗糙，光滑区一般有规则的贝壳花样或海滩状条纹。在疲劳断口上，载荷的

25、脉动性质且变化周期较长，裂纹扩展较缓慢，断口无法受到反复的挤压研磨，因而裂纹产生与扩展区像对称循环断口那样光滑，裂纹前沿的扩展条纹也不那样规则，但仍能区别光滑区与粗糙区，有时也可看到弧形条纹。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理33疲劳断裂的特征设备常因开裂泄漏而失效。疲劳断裂的承压设备或部件一般不像脆性断裂那样整体破坏产生碎片，而只是开裂一个破口，使设备或部件因泄漏而失效。开裂部位常是开孔接管处或其它应力集中及温度交变部位。部件在多次承受交变载荷后断裂。即疲劳断裂是和交变载荷相关联的，是需要循环交变一定周次和持续一定时间的。疲劳断裂的过程要比脆性断裂缓慢得多。第八章承

26、压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理34承压设备疲劳断裂的预防承压设备疲劳断裂的预防有以下几个方面：1.在保证结构静载强度的前提下，选用塑性好的材料；2.在结构设计中尽量避免或减小应力集中；3.在制造和安装过程中尽量减少和避免残余应力、安装应力；4.在运行中尽量避免反复频繁地加载和卸载，减少压力和温度波动；5.加强检验，及时发现和消除结构缺陷。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理358.1.4应力腐蚀破坏应力腐蚀及其特点应力腐蚀断裂的特征氢脆断裂与应力腐蚀应力腐蚀断裂的预防第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理36应力腐蚀及其特点金

27、属构件在应力和特定的腐蚀性介质共同作用下导致脆性断裂的现象，叫应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂是介质腐蚀造成构件断裂中最常见、危害最大的一种。应力腐蚀是特殊的腐蚀现象和腐蚀过程，应力腐蚀断裂是应力腐蚀的最终结果。应力腐蚀及其断裂有以下特点：引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破坏。应力既可由载荷引起，也可以是焊接、装配或热处理引起的内应力，即残余应力。一般认为压缩应力不会引起应力腐蚀及断裂，但褚武扬等人的研究表明，压应力也可以引起应力腐蚀断裂。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理37应力腐蚀及其特点续纯金属不发生应力腐蚀破坏，但几乎

28、所有的合金在特定的腐蚀环境中，都会产生应腐蚀裂纹。极少量的合金或杂质都会使材料产生应力腐蚀。各种工程材料几乎都有应力腐蚀敏感性。产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系，即当二者是某种特定组合时才会发生应力腐蚀。常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质如表8-1所示。应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展等阶段，失稳扩展即造成应力腐蚀断裂。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理38表8-1常用材料发生应力腐蚀的敏感介质材料可发生应力腐蚀的敏感介质碳钢氢氧化物溶液；硫化氢水溶液；碳酸盐或硝酸盐或氰酸盐水溶液；海水；液氨；湿的COCO2

29、空气；硫酸硝酸混合液；热三氯化铁溶液。奥氏体不锈钢海水；热的氢氧化物溶液；氯化物溶液；热的氟化物溶液。铝合金潮湿空气；海水；氯化物的水溶液；汞。钛合金海水；盐酸；发烟硝酸；300以上的氯化物；潮湿空气；汞。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理39应力腐蚀断裂的特征应力腐蚀断裂属于脆性断裂，断口平齐，没有明显的塑性变形，断裂方向与主应力垂直。应力腐蚀是一种局部腐蚀，其断口一般可分出裂纹扩展区和瞬断区两部分，前者颜色较深，有腐蚀产物伴随，后者颜色较浅且洁净。应力腐蚀断裂既可能是穿晶断裂，也可能是沿晶断裂，或者是穿晶沿晶混合型断裂，没有明显规律。但应力腐蚀裂纹扩展过程中均会发

30、生裂纹分叉现象，即有一主裂纹扩展得最快，其余是扩展得较慢的支裂纹。引起断裂的因素中均有特定介质及拉伸应力。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理40应力腐蚀断裂的特征第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理41第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理42第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理43第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理44第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理45氢脆断裂与应力腐蚀失效分析中常把氢脆与应力腐蚀联系起来，认为氢脆断裂是一种广义的应力腐蚀断裂

31、，它与一般应力腐蚀断裂既有共同之处，也有显著区别。氢脆断裂与应力腐蚀断裂共同之处是：二者都由介质及拉伸应力共同作用引起；都是脆性断裂，裂纹及断口与主应力垂直。氢脆断裂与应力腐蚀断裂的区别在于：氢脆断裂是阴极反应的结果，即在电化学腐蚀反应过程中由于阴极吸氢而造成脆性断裂，而一般应力腐蚀断裂属于阳极反应，是以金属阳极溶解损伤为基础的；第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理46氢脆断裂与应力腐蚀续氢脆断裂既可产生于合金，也可产生于纯金属，而一般应力腐蚀断裂仅产生于合金；氢脆断裂断面上没有腐蚀产物，而一般应力腐蚀断裂断面上有腐蚀产物；氢脆断裂裂纹几乎不分叉，而一般应力腐蚀断裂裂纹

32、都是分叉的。有的应力腐蚀通过阳性反应在消耗金属阳极的同时还产生氢，这些氢在金属阴极又导致氢脆，使得一般应力腐蚀与氢脆在同一金属内同时发生，金属结构最后断裂的机制也更加复杂。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理47应力腐蚀断裂的预防由于在学术上对应力腐蚀的机理尚缺乏深入的了解和一致的看法，因而在工程技术实践中，常以控制应力腐蚀产生的特点和条件作为预防应力腐蚀的主要措施，其中常见的有：选用合适的材料，尽量避开材料与敏感介质的匹配，比如不用奥氏体不锈钢做接触海水及氯化物的承压容器；在结构设计中避免过大的局部应力；第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理48

33、应力腐蚀断裂的预防续采用涂层或衬里，把腐蚀性介质与承压设备承压部件隔离；在制造中采用成熟合理的焊接工艺及装配成形工艺，并进行必要合理的热处理，消除焊接残余应力及其它内应力；应力腐蚀常对水分及潮湿环境敏感，使用中应注意防湿防潮，对设备加强管理和检验。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理498.1.5蠕变破坏蠕变过程及蠕变断裂蠕变断裂的特征蠕变断裂的预防第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理50蠕变过程及蠕变断裂是在应力和一定温度共同作用下，随着时间的增加金属不断产生塑性变形的持续过程，最终导致蠕变断裂。蠕变过程通常通过蠕变曲线表示。如图8-3，蠕变曲

34、线是蠕变过程中变形与时间的关系曲线。曲线的斜率表示应变随时间的变化率，叫蠕变速度：试验表明，对一定材料，在一定的载荷及温度作用下，其蠕变过程一般包括三个阶段。图8-3中oa表示试件加载时的初始变形，它可以是弹性的，也可以是弹塑性的，因载荷大小而异，但它不是蠕变变形。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理51蠕变过程及蠕变断裂续第一阶段，即曲线ab段，为蠕变的减速期。试件开始蠕变时速度较快，随后逐步减慢，这一段也是不稳定蠕变期。第二阶段，即曲线bc段，为蠕变的恒速期。bc近似为一条直线，当应力不太大或温度不太高时，这一段持续时间很长，是蠕变寿命的主要构成部分，也叫稳定蠕变阶

35、段。第三阶段，即曲线cd段，为蠕变的加速期。此时蠕变速度越来越快，直至d点试件断裂。蠕变断裂是蠕变过程的结果。不同材料、不同载荷或不同温度，可以有形状不同的蠕变曲线，但均包含上述三个阶段，不同蠕变曲线的主要区别是恒速期的长短。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理52图8-3蠕变曲线第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理53蠕变断裂的特征金属材料的蠕变断裂，基本上可分为两种：穿晶型断裂和沿晶型断裂。穿晶型蠕变断裂在断裂前有大量塑性变形，断裂后的伸长率高，往往形成缩颈，断口呈韧性形态，因而也叫蠕变韧性断裂。沿晶型蠕变断裂在断裂前塑性变形很小，断裂后的伸

36、长率甚低，缩颈很小或者没有，在晶体内常有大量细小裂纹，这种断裂也叫蠕变脆性断裂。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理54蠕变断裂的特征续蠕变断裂形式的变化与温度、压力等因素有关。在高应力及较低温度下蠕变时，发生穿晶型蠕变韧性断裂；在低应力及较高温度下蠕变时，发生沿晶型蠕变脆性断裂。锅炉的过热器管及蒸汽管道，由于直径相对于壁厚较小，应力水平较低而温度水平较高，因而其蠕变断裂常呈沿晶脆断特征。另外，蠕变断裂的断口常有明显的氧化色彩。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理55Nimonic 105合金800沿晶蠕变断口 （SEM800）第八章承压设备事故

37、及处理2022/7/18承压设备事故与处理56Nimonic 105合金800沿晶蠕变断 （SEM3300）第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理57蠕变断裂的预防合理进行结构设计和介质流程布置，尽量避免承受高压的大型容器直接承受高温，避免结构局部高温及过热。根据操作温度及压力，合理选材并决定许用应力，使材料在使用条件下及服役期限内具有足够的常温及高温强度。采用合理的焊接、热处理及其它加工工艺，防止在制造、安装、修理中降低材料的抗蠕变性能。严格按照规定的操作规程运行设备，防止总体或局部超温超压从而降低蠕变寿命。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理5

38、88.2承压设备典型事故案例以本世纪初发生在我国的几起典型事故为例，说明重视设计、制造、介质作用和操作等几方面因素，对防止事故发生的重要性。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理598.2.1制造缺陷引起的爆炸事故陕西省渭南饲料添加剂厂压力容器爆炸事故辽宁省大连市西岗区两起煤气管道泄漏重大事故第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理60陕西省渭南饲料添加剂厂压力容器爆炸事故概况2000年7月10日12时20分，渭南市饲料添加剂厂合成车间二楼环氧乙烷1号计量罐突然从下封头和筒体连接环缝处撕开，裂缝长150mm，液态环氧乙烷在有压的情况下高速喷出后急剧汽化

39、，使周围空间迅速达到爆炸极限。喷出的高流速物料与裂缝处的摩擦产生大量静电，随即发生了第1次爆炸并引起大火。12点30分大火蔓延，使距合成车间4.5m处的50m3储罐内大约9t环氧乙烷吸热汽化，罐内压力骤升，该贮罐最终因超压而爆炸。大量环氧乙烷泄漏燃烧，又使距该贮罐6m处的汽车罐车被引燃，13时20分，该汽车罐车发生爆炸，同时引起厂区多处起火。大火于7月15日14时30分被扑灭，7月17日11时警戒解除。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理61陕西省渭南饲料添加剂厂压力容器爆炸事故概况续这次爆炸使该厂合成车间遭到毁灭性破坏。全厂生产系统、生活系统处于瘫痪，2台压力容器，1

40、台汽车罐车爆炸，6台容器报废，4辆消防车、7辆小车不同程度受损，周围单位和居民楼遭到不同程度破坏，同时还造成2人死亡，4人重伤，26人轻伤(其中消防官兵19人，群众11人受伤)。工厂直接经济损失640万元，工厂外其他损失178万元。事故损失30200个工作日。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理62陕西省渭南饲料添加剂厂压力容器爆炸事故原因环氧乙烷1号计量罐属非法自制容器，制造质量低劣，焊缝、钢板存在严重不允许缺陷，是这次事故的直接和主要原因。生产车间属于甲类易燃易爆生产作业场所，没有按规范设计、安装防静电接地装置，环氧乙烷泄漏汽化后，集聚电荷无法导出，酿成事故。装有环

41、氧乙烷的罐车没有及时脱离事故现场，导致事故扩大。设备用户对本厂的压力容器、压力管道的安全管理，没有执行国家的有关法律、法规、标准，非法设计、制造、使用，造成各个安全环节严重失控。政府有关部门对民营企业疏于管理，在各自职责范围内监督检查不力，对查出问题的落实整改没有跟踪管理到位。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理63辽宁省大连市西岗区两起煤气管道泄漏重大事故概况2002年12月15日8时30分左右，辽宁省大连市西岗区林茂一巷发生煤气管道泄漏重大事故，造成7人中毒死亡。12月15日6时许，大连市西岗区林茂一巷的3号楼与11号楼之间马路下埋地铸铁煤气管道发生断裂，断裂处与小

42、区暖气管线沟相连，致使煤气沿暖气沟进入610号楼的居民家中，造成人员中毒事故，致使7人不治身亡。该煤气管道为DN200灰口铸铁管，壁厚约8mm，至管顶埋深0.62m，外加长1.8m的DN250钢套管垂直穿越一沿路南侧铺设的采暖地沟，沟内顺地沟方向铺设2根DN100采暖钢管，位于事故煤气管道上方，其中1根采暖管直接压在煤气套管上，在地沟北外侧煤气套管端部下面有1根DN150金属水管，与煤气套管垂直零距离交叉。煤气管道断裂点正好位于该水管上方，也正好是煤气套管端点处。三种管道呈十字交叉分布，上下紧贴，未见间隙。现场可见煤气管道断裂口长约180mm，裂口最大宽约10mm。第八章承压设备事故及处理20

43、22/7/18承压设备事故与处理64辽宁省大连市西岗区两起煤气管道泄漏重大事故原因车载是造成管道断裂的主要载荷，所产生的应力引发管道疲劳裂纹，当疲劳裂纹达到极限状态管道就会断裂。灰口铸铁管内部存在各种缺陷，力学性能不合格，降低了管道抗外力的能力。气温骤变对管道产生温差应力，加速了管道的断裂。管道埋深过浅，使其受到较大冲击力和温差应力。后续施工不当，对管道形成多处刚性支撑，是加速管道发生断裂的原因。造成煤气管道断裂引起泄漏中毒事故是综合原因共同作用所致。既有自然的因素(车载、气温骤降)，又有相关单位在后续施工过程中，没有严格按照技术规范要求施工留下事故隐患所造成。第八章承压设备事故及处理2022

44、/7/18承压设备事故与处理65图8-4事故现场照片 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理66 图8-5事故现场近处照片 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理678.2.2应力腐蚀引起的爆炸事故概况2005年3月21日21时26分，山东省济南市平阴县鲁西化工第三化肥有限公司发生尿素合成塔爆炸重大事故，造成4人死亡，32人重伤，经济损失惨重。事故尿素合成塔是南京化工工业集团有限公司化工机械厂1999年产品，于2000年投入使用。该塔设计工作压力21.57MPa，设计温度195，试验压力27.26 MPa，公称容积37.5m3，工作介质为尿素溶液和氨

45、基甲酸铵。该容器为立式高压反应容器，由10节筒节和上、下封头组成。筒节内径1400mm，壁厚110mm，总长26210mm。筒节为多层包扎结构，层板为15MnVR及16MnR板，内衬为8mm厚的尿素级不锈钢衬里。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理688.2.2应力腐蚀引起的爆炸事故尿素合成塔塔身爆炸成三节，事故第一现场残存塔基、下封头和第10节筒节（自上而下数起，下同），且整体向南偏西倾斜约15(图8-6)。南侧5m处六层主厂房坍塌；西北侧20m处二层厂房坍塌；北侧、东北侧装置受爆炸影响，外隔热层脱落；东侧2个碱洗塔隔热层全部脱落，冷却排管系统全部损坏。事故原因分析引

46、起该尿素合成塔爆炸的直接原因为塔体材料(包括焊缝)的应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂导致了塔体承载能力的严重下降，尤其是发生在第九筒节热电偶处向下的纵向应力腐蚀裂纹（见图8-9），达到和超过了材料的容限裂纹尺寸，最终产生快速断裂，引起塔内介质迅速泄漏，导致塔内介质爆沸和该筒节的爆炸。检漏蒸汽洁净程度低和压力偏高，是尿塔产生应力腐蚀的介质原因。制造企业为了克服检漏管与筒体连接的深孔焊，改用检漏管与盲板管锥螺纹连接，是一种可靠性欠佳的结构。另外该结构又未告知用户，使其注意检查和拧紧检漏管。这样一旦检漏管松动，极易造成氨渗漏检测介质和检漏蒸汽介质渗漏进塔体多层层板间的缝隙中，引起塔体层板材料严重的应力腐蚀

47、开裂。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理69图8-6 留在塔基上的底部塔段第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理70图8-7向西南方向飞入操作楼二层的中间塔段，内壁外反第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理71图8-8向东北方向飞出的上部塔段第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理72断口宏观形貌第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理73图8-9第九筒节热电偶下方的严重应力腐蚀裂纹第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理74图8-9第九筒节热电偶下方的严重应力腐蚀

48、裂纹第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理758.2.3氢腐蚀引起的爆炸事故概况2000年12月31日，山东某化肥厂1m 氨合成塔底部用于调整塔内床层触媒温度的副线20钢异径管发生爆破，并造成火灾和人员伤亡的重大事故。该副线的正常进气温度在140160， 管压力为32MPa ，介质为N2 、H2 和少量NH3。与之相连的是合成塔内底部废热锅炉，温度为350左右。由于触媒老化，床层温度不会偏高，副线长时间停止进行调温，使得靠近合成塔底部的异径管段存在死气层，并因热传导可能将废热锅炉处的热量部分传递至这一管段，使20钢异径管处于200以上氢腐蚀敏感温度。爆破口的宏观形貌如图8

49、-10所示。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理768.2.3氢腐蚀引起的爆炸事故原因分别在爆破口附近进行取样和显微组织检验发现：在三个取样区内壁侧均脱碳严重，如B 区试样脱碳层深达16mm，占管壁厚的2/3 ，脱碳层组织为铁素体，并分布着沿晶裂纹，见图8-11(c) 。未脱碳的管外壁组织为铁素体加珠光体，见图8-11(a) 。A区管外壁螺纹根部有显微裂纹，裂纹周围的组织发生塑性变形，说明管子爆破时螺纹受到很大的拉力。沿轴向靠内壁侧截取爆破口附近管材做冲击试验后，其断口的扫描电镜形貌如图8-12所示。通过分析可以得出：(1)断口为典型的沿晶及穿晶解理断口；(2)断口中能

50、明显观察到大量的沿晶和部分穿晶裂纹。低碳钢在高温高压的氢气环境中使用时，钢中的碳或Fe3C 能和H2反应生成甲烷CH4，其反应式为第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理778.2.3氢腐蚀引起的爆炸事故 2H2 + Fe3C 3Fe + CH4 2H2 + C CH4以上反应生成的甲烷，在钢中的扩散能力很小，它们聚集在晶界原有的微观孔隙内，形成局部高压，造成应力集中，使这些微观孔隙发展成为裂纹。同时，反应面附近的钢被脱碳，珠光体分解，由于碳的损失，形成了钢中碳的浓度梯度，推动了渗碳体分解并向反应面扩散。裂纹的扩散又为氢和碳的扩散提供了有利条件，这样使反应不断地进行下去，脱

51、碳层与裂纹深度不断增加，导致钢的强度和塑性降低，材料脆化。尽管对低碳钢来说，在100就会产生氢腐蚀，但一般认为，温度大于200时，氢腐蚀才显得重要(即性能明显下降)。异径管的正常使用温度为140160，但由于氨合成塔内床层触媒老化，异径管所在的副线长时间停止进行调温，异径管温度升高至200 以上，致使氢腐蚀发生，由于管道中除H2、NH2外，还有一定比例的N2 ，N2的存在将加剧氢腐蚀的发展。检测结果表明，异径管爆破前与N2 、H2气氛接触的管内壁已严重脱碳、开裂，力学性能恶化，在管内高压的作用下，发生爆破。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理78图8-11(a)异经管管

52、外壁未脱碳组织 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理79图8-11(b)异经管管壁中部部分脱碳组织 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理80图8-11(c)异经管管内壁临氢侧脱碳层组织 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理81图8-12 冲击断口形貌第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理82图8-12 冲击断口形貌第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理83图8-12 冲击断口形貌第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理848.2.4应变时效硬化和温度应力引起的

53、爆炸事故概况某化肥厂连接氨合成塔和冷激器之间的工艺管线为20钢，规格为127mm21mm。出于工艺需要，该化肥厂于1999年1月对合成塔施行停车保温，为时约为30小时。此时保温管线介质停止流动，合成塔塔壁温度逐渐上升，其幅度大于管壁温度的上升。正常情况下合成塔塔壁温度最高为210，最低145，合成塔内介质约为490。因此停车保温后合成塔塔壁最高温度可能升至490。由于温升引起合成塔的伸长量大于冷激管的伸长量，同时事故后检查冷激管可滑动支撑点几乎已经不能滑动，这样合成塔大于冷激管的伸长引起冷激管产生过高的热应力，最终导致冷激管的破坏。 第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理

54、858.2.4应变时效硬化和温度应力引起的爆炸事故概况续冷激管的断裂发生在两个弯头处，其中一个弯头截面沿环向发生断裂，断口具有明显的脆性断裂形貌（见图8-13），事故中冷器发生回流，并形成明火燃烧；另一处弯头沿外侧纵向开裂，开裂裂纹长度为300mm左右。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理868.2.4应变时效硬化和温度应力引起的爆炸事故原因（2）事故与原因分析通过取样分析发现由于直管段材质基本未发生变化，因此可以推断冷激管的弯头处材质脆化不是由于操作介质引起的。通过对弯头处的应变时效敏感性分析，发现两弯头材质具有很高的应变时效敏感性，发生脆化具有材料自身的条件。 为了

55、分析引起冷激管很高应变时效敏感性的原因，采用投射电子显微镜进一步观察钢中是否存在N引起的柯塞尔气团。图8-14为观察分析结果，该系列图为所观察试样同一部位经过转动晶轴所得。可以看出上面存在大量的柯塞尔气团。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理878.2.4应变时效硬化和温度应力引起的爆炸事故续通过以上分析检测，可以认为冷激管失效的原因如下：氨合成塔保温的情况下，合成塔的热膨胀远大于冷激管的热膨胀，导致两弯头处产生接近甚至超过材料失效温度下的屈服强度乃至抗拉强度，构成破坏条件。断裂或开裂弯头的材料已经极度脆化，反映在材料屈服强度、抗拉强度、硬度大幅提高，冲击韧性急剧下降。

56、冷激管材料具有很高的应变时效敏感性。钢管中存在柯塞尔气团，是钢管弯头脆化的直接原因。同时，弯头热弯制时加工工艺控制不当，可能处于冷加工范围之内。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理88图8-13 弯头断口宏观形貌第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理89图8-14 投射电子显微镜下材料组织第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理908.2.5操作失误引起的爆炸事故概况2001年12月29日16时15分，广西容县平梨砂砖厂发生一起蒸压釜爆炸事故。爆炸的2号蒸压釜西侧釜盖滑脱后刮起釜东端的运输轨道，击倒制砖车间4座砖柱，挂在车间内4

57、台砖机的连接平台上，造成制砖车间完全倒塌。同时气浪将正在运行的3号釜盖打得反转，造成3号釜西侧横向位移近1m。釜内的蒸汽和碎砖向西喷出，在反冲力的作用下，2号釜体向东窜出，拉断2个固定支座的基础，铲平釜区东侧矮墙及地面，打弯东侧出砖轨道尽头的工字钢立柱，击毁正在装车或停放的1台手扶拖拉机、2台农用运输车、1台东风牌汽车。撞散一幢砂砖，击断1根底直径为300mm的水泥电杆，釜体上焊接的5个鞍式支座至此全部拉脱。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理918.2.5操作失误引起的爆炸事故概况续最后，釜体飞越厂区东侧的一条小溪，落在距离2号釜原位置115m外的农田中。此外，釜区北

58、侧自锅炉房引出的蒸汽管道及其3只釜的连接管道被拉断成数段，其中1段4m多长的管道飞出约30m，打到办公室屋顶后落在地上。爆炸发生时，该厂共有43名工人在岗作业，另有一些人在进行装车作业。爆炸造成7人当场死亡，重伤4人(其中3人经抢救无效死亡)，轻伤21人(见图8-15)。爆炸的蒸压釜原装于合浦川北砂砖厂，1994年6月移装至平梨砂砖厂，由梧州市机电设备安装公司进行现场组焊。该蒸压釜东侧釜盖的启闭机构和安全联锁装置已被拆除，西侧釜盖的启闭机构尚可使用，安全联锁装置因釜盖一侧的挡块不存在而不起作用。平时关釜盖采用撬棍撬，开启釜盖采用千斤顶操作。该厂的1号釜、3号釜共4个釜盖的启闭机构和安全连锁装置

59、也已被全部拆除。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理928.2.5操作失误引起的爆炸事故原因1.操作工关闭釜盖不到位是爆炸事故的直接原因。现场勘察时发现釜齿上有明显压伤的痕迹，宽度仅为68mm，即爆炸前70mm长的釜齿啮合长度仅为68mm(图8-16)。2.安全连锁装置被拆除。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理93图8-15 现场破坏状况第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理94图8-15 现场破坏状况第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理95图8-16 釜齿啮合状况示意图第八章承压设备事故及处理20

60、22/7/18承压设备事故与处理968.2.6失稳引起的事故概况2006年3月30日，山东某厂一发酵罐发生失稳，直接经济损失80多万元。该罐筒节长10m，壁厚12mm。容积135m3 设计压力0.4MPa，工作压力0.1MPa。使用该发酵罐的工艺流程为：首先高温灭菌，然后投料，再灭菌，最后出料冷却。发酵罐在冷却过程中发生了失稳现象，筒节上有四五个波束，罐体发生倾斜。失稳的筒体形貌如图8-17所示。第八章承压设备事故及处理2022/7/18承压设备事故与处理978.2.6失稳引起的事故原因通过对事故的分析和调查，得出原因如下：罐内混入了水蒸气，在冷却过程中发生了相变，是罐内产生了真空，这是导致失