第五章压力容器2

压力容器

pressurevessel4压力容器的制造安全技术Contents5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?

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。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。中、高强度钢，焊接制造中较易产生原始裂纹。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要求？安全性与经济性；要考虑非正常工况的苛刻条件。材料：高强度、良好塑性、韧性、可焊性、低温韧性、耐腐蚀性。制造：焊缝质量、焊接结构等。使用：不超载。

（1）强度失效（2）刚度失效（3）失稳失效（4）泄漏失效失效形式1.1压力容器基本失效形式1.压力容器破坏形式和原因失去安全性和可靠性a.韧性断裂—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的断裂。（1）强度失效——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（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。特征原因断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长伸长率可达10～20%，断口处厚度显著减薄；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。壁厚过薄和内压过高壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等。韧性断裂和脆性断裂严格按照规范设计、选材，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；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。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，其后果要比韧性断裂严重得多。特征b.脆性断裂——脆性断裂是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，故又称为低应力脆断。脆性断裂原因材料脆性和缺陷。a.材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化；低温、长期在高温下运行、应变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。

交变载荷—指大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷。包括—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的附加载荷的交变而形成的交变载荷。需要指出—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压力容器疲劳。c.疲劳断裂—在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程。失效形式——“未爆先漏”，破坏需要有一定时间。疲劳破坏—包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。裂纹源——往往位于接管根部、焊接接头等高应力区或有缺陷的部位。裂纹扩展区——是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。瞬时断裂区——裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。疲劳断口—裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。特征: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，是突发性破坏，接近脆断，危险性很大。从变形看—具有韧性断裂特征从应力看—具有脆性断裂特征d.蠕变断裂—压力容器在高温下长期受载，随时间的增加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。均匀腐蚀的减薄和局部腐蚀的凹坑引起的断裂晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂e.腐蚀断裂——韧性断裂特征／脆性断裂特征。（2）刚度失效——由于构件过度的弹性变形引起的失效。

（3）失稳失效——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。

（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害:可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，造成环境污染等。交互失效——多种因素作用下同时发生多种形式的失效。(二)、交互失效形式例如：→腐蚀疲劳腐蚀介质交变应力→蠕变疲劳高温交变应力（1）焊接缺陷（2）成型组装缺陷制造缺陷2.1压力容器的制造缺陷2.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，焊接质量直接关系到设备的质量。2.2常用焊接方法及其焊接工艺①手工电弧焊它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。

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C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的部位的焊接。2.2常用焊接方法及其焊接工艺②埋弧自动焊③气体保护焊

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。2.3常见焊接缺陷的成因

及其防止方法(1)焊缝表面缺陷

①咬边由于焊接参数选择不当，或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。

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、应力集中防止：电流适中，运条得当

②焊瘤成因：金属因自重下坠危害：应力集中防止：电流适中，运条快，钝边、间隙规范

③内凹成因：金属因自重下坠危害：应力集中防止：控制熔池温度，钝边、间隙规范

④溢流成因：焊接参数选择不当坡口清理不干净，电弧热损失在氧化皮上，使母材未熔化。危害：未熔合，未焊透；

⑤弧坑成因：熄弧时焊条未停留，或电流过大危害：强度严重减弱，坑内常有气孔、夹渣或裂纹

①气孔(2)焊缝内部缺陷成因：焊缝中吸入了过多的气体。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。防止：注意电弧保护、焊条焊剂烘干、坡口清理

②夹渣成因：冷却过快，电流小等危害：引起的应力集中比气孔严重，危害更大防止：边缘清理干净、焊速适当

③未焊透成因：坡口角度小，钝边太大；焊条偏离焊道中心。危害：工作面积减小，尖角易产生应力集中，引起裂纹。防止：电流不可过小，速度不可过快（来不及熔化）。

④未熔合成因：⒈电流小、速度快、热量不足；⒉坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，一部分热量损失在熔化杂物上，剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属。⒊焊条或焊丝的摆动角度偏离正常位置，熔化金属流动而覆盖到电弧作用较弱的未熔化部分，容易产生未熔合。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纵向裂纹按裂纹存在的方向分横向裂纹（3）裂纹分类：

星形裂纹按裂纹存在的形态分网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

热裂纹生产过程出现的裂纹冷裂纹再热裂纹（4）裂纹形成的原因及防止措施热裂纹形成及防止

常见的热裂纹有两种：结晶裂纹、液化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。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。低熔点共晶物的多少取决于焊缝金属中C、S等元素的含量。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C>0.15%,S>0.04%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。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，