化工壓力容器的破裂形式與預(yù)防

1、 專業(yè)技術(shù)文件 / Technical documentation 編號： 化工壓力容器的破裂形式與預(yù)防Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly.編制：_日期：_化工壓力容器的破裂形式與預(yù)防溫馨提示：該文件為本公司員工進行生產(chǎn)和各項管理工作共同的技術(shù)依據(jù)，通過對具體的工作環(huán)節(jié)進行規(guī)范、約束，以確保生產(chǎn)、管理活動的正常、有序

2、、優(yōu)質(zhì)進行。本文檔可根據(jù)實際情況進行修改和使用。 壓力容器的破裂事故可能造成嚴重的后果, 要防止壓力容器發(fā)生這類事故, 必須了解它的破壞機理。根據(jù)壓力容器的破裂特點, 可將壓力容器的破裂形式分為韌性破裂、脆性破裂、疲勞破裂、腐蝕破裂和蠕變破裂等。一、韌性破壞韌性破壞系指承壓特種設(shè)備器壁承受過高的應(yīng)力達到了器壁材料的強度極限, 而發(fā)生斷裂破壞。這種破壞形式稱為韌性破壞。1、韌性破壞的特征1）器壁有明顯的塑性變形 由于容器筒體器壁受力時, 其環(huán)向應(yīng)力比軸向應(yīng)力大1倍, 所以, 明顯的塑性變形主要表現(xiàn)在承壓特種設(shè)備直徑增大、壁厚減薄, 而軸向增長較小, 從而產(chǎn)生“腰鼓形”變形。當容器發(fā)生韌性破壞時,

3、 圓周長的最大增長率和容積變形率達1020。 2）韌性破壞的斷口為切斷型撕裂, 一般呈暗灰色纖維狀, 斷口不平齊, 且與主應(yīng)力方向成45交角。韌性破壞時不產(chǎn)生碎片。 3）韌性破壞時的爆破壓力接近理論爆破壓力爆破口的大小隨承壓特種設(shè)備破壞時膨脹能量大小而異, 釋放的能量越大, 爆破口越大。 4）韌性破壞時, 承壓特種設(shè)備器壁的應(yīng)力值很高。 5）斷口的電鏡分析斷口的微觀形貌為韌窩花樣, 韌窩的實質(zhì)就是一些大小不等的圓形、橢圓形凹坑, 是材料微區(qū)塑性變形后在異相點處形成空洞、長大聚集、互相連接并最后導(dǎo)致斷裂的痕跡。宏觀形貌是顯微窩坑的概貌。韌窩幾乎都為金相中的二次相界面、非金屬夾雜物、位錯堆積區(qū)或晶

4、界處等, 因此非金屬夾雜物愈多, 愈易形成顯微空洞和韌窩。2、發(fā)生韌性破壞的原因承壓特種設(shè)備的韌性破壞只有在器壁整個截面上材料都處于屈服狀態(tài)下才會發(fā)生, 所以, 發(fā)生韌性破壞的主要原因：(1)盛裝液化氣體的壓力容器充裝過量。(2)使用中的壓力容器超溫超壓運行。(3)壓力容器殼體選材不當。(4)壓力容器安裝不符合安全要求。(5)維護保養(yǎng)不當。3、韌性破壞的預(yù)防在設(shè)計制造壓力容器時, 要選用有足夠強度和厚度的材料, 以保證承壓特種設(shè)備在規(guī)定的工作壓力下安全使用。壓力容器應(yīng)按核定的工藝參數(shù)運行, 安全附件應(yīng)安裝齊全、正確, 并保證靈敏可靠。使用中加強巡回檢查, 嚴格按照工藝參數(shù)進行操作, 嚴禁壓力容

5、器超溫、超壓、超負荷運行, 防止過量充裝。加強維護保養(yǎng)工作, 采取有效措施防止腐蝕性介質(zhì)及大氣對承壓特種設(shè)備的腐蝕, 若發(fā)現(xiàn)承壓特種設(shè)備器壁被嚴重腐蝕以致變薄或運行中器壁產(chǎn)生明顯塑性變形時, 應(yīng)立即停止使用。二、脆性破裂并不是所有的壓力容器械在破裂時都經(jīng)過顯著的塑性變形, 有些容器在破裂后經(jīng)檢查并沒有發(fā)現(xiàn)可見的塑性變形現(xiàn)象, 而且器壁的平均應(yīng)力遠低于材料的強度極限。這種破裂現(xiàn)象和脆性材料的破裂相似故稱為脆性破裂, 有時也稱為低應(yīng)力破裂。1、脆性破裂特征壓力容器發(fā)生脆性破裂時, 在破裂形狀、 斷口形式等方面都具有一些與韌性破裂正好相反的特征：(1)容器器壁幾乎沒有塑性變形；(2)在應(yīng)力低于材料的

6、屈服強度時破壞；(3)容器常常裂成碎塊；(4)斷口呈金屬光澤的結(jié)晶狀, 平直；(5)在溫度較低的情況下發(fā)生；(6)破壞前無預(yù)兆, 危害性大, 難以預(yù)防。2、產(chǎn)生脆性破壞的原因產(chǎn)生脆性破壞的原因主要是材料的韌性差, 特別是在低溫時下降很快。此外承壓部件存在缺陷時, 在此區(qū)域應(yīng)力增強, 易產(chǎn)生應(yīng)力集中。3、脆性破裂的預(yù)防防止壓力容器產(chǎn)生脆性破裂最基本的措施是減少或消除構(gòu)件的缺陷, 要求材料具有很好的韌性。設(shè)計時選用在低溫下仍保持較好韌性的材料；并注意設(shè)計的結(jié)構(gòu)合理, 在制造時采取嚴格的工藝措施減小應(yīng)力集中； 在使用中加強檢驗, 及早發(fā)現(xiàn)并消除缺陷。三、疲勞破裂疲勞破裂是壓力容器常見的一種破裂形式。

7、據(jù)英國的一個聯(lián)合調(diào)查組統(tǒng)計, 在運行期間發(fā)生破壞事故的壓力容器有近90是由裂紋引起的, 而在由裂紋引起的事故中, 疲勞裂紋約占40?？梢妷毫θ萜鞯钠谄屏咽墙^對不能忽視的。壓力容器的疲勞破裂, 絕大多數(shù)屬于金屬的低周疲勞, 即承受較高的交變應(yīng)力, 而應(yīng)力交變的次數(shù)并不是太高。一般情況下, 壓力容器的承壓部件在長期反復(fù)交變載荷作用下, 在應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋, 隨著交變載荷的繼續(xù)作用, 裂紋逐漸擴大, 導(dǎo)致破裂。1、疲勞破裂的特征(1) 容器沒有明顯的塑性變形； (2) 破壞總是產(chǎn)生在應(yīng)力集中的地方； (3) 只產(chǎn)生開裂, 不產(chǎn)生碎片；(4)從裂紋的形成、擴展到破壞有一個較為緩慢的發(fā)展過程；(5

8、) 破壞總是經(jīng)過長期的反復(fù)載荷作用后發(fā)生, 應(yīng)力低于抗拉強度；(6) 斷面呈兩個區(qū)域, 即裂紋的形成和擴展區(qū)與脆斷區(qū)。2、疲勞破裂的預(yù)防壓力容器的疲勞破裂既然是由于反復(fù)的交變載荷以及過高的局部應(yīng)力引起的, 那么要防止它發(fā)生這類事故, 除了在運行中盡量避免那些不必要的頻繁加壓和卸壓、過分的壓力波動和懸殊的溫度變化等因素外, 主要還在于設(shè)計時采用合理的結(jié)構(gòu)。一方面要避免產(chǎn)生應(yīng)力集中, 使容器器壁的個別部位的局部應(yīng)力不致于超過材料的屈服強度。另一方面, 如果容器上確實難以避免地要出現(xiàn)較高的局部應(yīng)力, 則應(yīng)做疲勞分析和疲勞設(shè)計。此外在制造時要按正確的工藝進行, 確保質(zhì)量。四、腐蝕破裂腐蝕破裂系指承壓特

9、種設(shè)備材料在腐蝕性介質(zhì)作用下, 引起承壓特種設(shè)備器壁由厚變薄或材料組織結(jié)構(gòu)改變、機械性能降低, 使承壓特種設(shè)備承載能力不夠而發(fā)生的破壞, 這種破壞形式稱為腐蝕破裂。壓力容器的腐蝕破裂都是應(yīng)力腐蝕, 因為壓力容器一般都承受較大的拉伸應(yīng)力, 而它的結(jié)構(gòu)也常常難以避免地有程度不同的應(yīng)力集中處, 如設(shè)備的開孔焊縫等, 且容器的工作介質(zhì)又常常是帶腐蝕性的。壓力容器的應(yīng)力腐蝕破裂是指容器殼體由于受到腐蝕介質(zhì)的腐蝕而產(chǎn)生的一種破裂形式, 是在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的。腐蝕使金屬材料的有效截面積減小和表面形成缺口, 產(chǎn)生應(yīng)力集中；而應(yīng)力則可加速腐蝕的進行, 使表面缺口向深處擴展, 最后導(dǎo)致斷裂,

10、所以應(yīng)力腐蝕可使壓力容器在應(yīng)力低于它的強度極限時破壞。應(yīng)力腐蝕是種相當危險的破裂形式, 因為它常常是在未被發(fā)現(xiàn)的情況下突然斷裂而發(fā)生損壞。1、腐蝕斷裂的特征(1) 引起應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力必須是拉應(yīng)力, 且應(yīng)力可大可小, 極低的應(yīng)力水平也可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞。 應(yīng)力既可由載荷引起, 也可由焊接、裝配或熱處理引起的殘余應(yīng)力。(2) 純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕, 但幾乎所有的合金在特定的腐蝕環(huán)境中都會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。極少量的合金或雜質(zhì)都會使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。各種工程實用材料幾乎都有應(yīng)力腐蝕敏感性。 (3)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的材料和腐蝕性介質(zhì)之間有選擇性和匹配關(guān)系, 即當二者是某種特定組合時才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。(4)

11、 應(yīng)力腐蝕是一個電化學腐蝕過程, 包括應(yīng)力腐蝕裂紋萌生、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展等階段, 失穩(wěn)擴展即造成應(yīng)力腐蝕破裂。影響應(yīng)力腐蝕斷裂的因素很多, 比如介質(zhì)的種類、介質(zhì)濃度、環(huán)境溫度、構(gòu)件所處的應(yīng)力狀態(tài)、金屬所用材料的成分與組織。設(shè)備的防腐蝕措施是各式各樣的, 需要根據(jù)不同的設(shè)備條件和不同的工作介質(zhì)采用不同的方法。2、腐蝕斷裂的預(yù)防(1)選擇合適的抗腐蝕材料；(2) 采取必要的保護措施, 使承壓部件與腐蝕介質(zhì)隔離； (3)進行合理設(shè)計, 避免高應(yīng)力區(qū)；(4) 制造時制定合理的工藝, 消除殘余應(yīng)力；(5) 使用中加強管理, 定期檢查維修。五、蠕變破裂蠕變是指金屬材料在應(yīng)力和高溫的雙重作用下產(chǎn)生的緩慢而

12、連續(xù)的塑性變形。當承壓部件長期在金屬蠕變的高溫下工作, 壁厚會減小, 材料的強度有所降低, 嚴重時會導(dǎo)致壓力容器高溫部件發(fā)生蠕變破裂。產(chǎn)生蠕變破裂的原因主要是未選用抗蠕變性能好的合金鋼來制造高溫部件、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而使局部區(qū)域過熱、制造時改變了材料的組織而降低了材料的抗蠕變性能以及由于操作或維護不當, 使承壓部件局部過熱。材料發(fā)生蠕變破裂時, 一般都有明顯的塑性變形, 斷口表面形成一層氧化膜。預(yù)防壓力容器高溫承壓部件蠕變破裂主要從以下幾個方面來考慮：(1)設(shè)計時根據(jù)使用溫度選用合適的材料；(2) 合理設(shè)計結(jié)構(gòu), 避免局部高溫；(3) 制定正確的加工工藝, 避免因加工而降低材料的抗蠕變性能；(4) 在使用中防止容器局部過熱。經(jīng)常維護保養(yǎng), 清除積垢、結(jié)碳, 可有效防止蠕變破壞事故的發(fā)生。壓力