化工壓力容器的破裂形式與預(yù)防

1、Word文檔 化工壓力容器的破裂形式與預(yù)防 壓力容器的裂開事故可能造成嚴(yán)峻的后果，要防止壓力容器發(fā)生這類事故，必需了解它的破壞機(jī)理。依據(jù)壓力容器的裂開特點(diǎn)，可將壓力容器的裂開形式分為韌性裂開、脆性裂開、疲憊裂開、腐蝕裂開和蠕變裂開等。 韌性破壞系指承壓特種設(shè)備器壁承受過(guò)高的應(yīng)力達(dá)到了器壁材料的強(qiáng)度極限，而發(fā)生斷裂破壞。這種破壞形式稱為韌性破壞。 1.1 韌性破壞的特征 由于容器筒體器壁受力時(shí)，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(zhǎng)較小，從而產(chǎn)生“腰鼓形”變形。當(dāng)容器發(fā)生韌性破壞時(shí)，圓周長(zhǎng)的最大增長(zhǎng)率和容積變形率達(dá)10%20%。 斷口

2、的微觀形貌為韌窩花樣，韌窩的實(shí)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(diǎn)處形成空洞、長(zhǎng)大聚集、相互連接并最終導(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(cuò)積累區(qū)或晶界處等，因此非金屬夾雜物愈多，愈易形成顯微空洞和韌窩。 1.2 發(fā)生韌性破壞的緣由 承壓特種設(shè)備的韌性破壞只有在器壁整個(gè)截面上材料都處于屈服狀態(tài)下才會(huì)發(fā)生，所以，發(fā)生韌性破壞的主要緣由： 1）盛裝液化氣體的壓力容器充裝過(guò)量。 2）使用中的壓力容器超溫超壓運(yùn)行。 3）壓力容器殼體選材不當(dāng)。 4）壓力容器安裝不符合平安要求。 5）維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)。 1.3 韌性破壞的預(yù)防

3、 在設(shè)計(jì)制造壓力容器時(shí)，要選用有足夠強(qiáng)度和厚度的材料，以保證承壓特種設(shè)備在規(guī)定的工作壓力下平安使用。 壓力容器應(yīng)按核定的工藝參數(shù)運(yùn)行，平安附件應(yīng)安裝齊全、正確，并保證靈敏牢靠。 使用中加強(qiáng)巡回檢查，嚴(yán)格根據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)行操作，嚴(yán)禁壓力容器超溫、超壓、超負(fù)荷運(yùn)行，防止過(guò)量充裝。 加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)工作，實(shí)行有效措施防止腐蝕性介質(zhì)及大氣對(duì)承壓特種設(shè)備的腐蝕，若發(fā)覺(jué)承壓特種設(shè)備器壁被嚴(yán)峻腐蝕以致變薄或運(yùn)行中器壁產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)，應(yīng)馬上停止使用。 并不是全部的壓力容器械在裂開時(shí)都經(jīng)過(guò)顯著的塑性變形，有些容器在裂開后經(jīng)檢查并沒(méi)有發(fā)覺(jué)可見的塑性變形現(xiàn)象，而且器壁的平均應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限。這種裂開現(xiàn)象和脆性

4、材料的裂開相像，故稱為脆性裂開，有時(shí)也稱為低應(yīng)力裂開。 2.1 脆性裂開特征 壓力容器發(fā)生脆性裂開時(shí)，在裂開外形、斷口形式等方面都具有一些與韌性裂開正好相反的特征： 1）容器器壁幾乎沒(méi)有塑性變形； 2）在應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)破壞； 3）容器經(jīng)常裂成碎塊； 4）斷口呈金屬光澤的結(jié)晶狀，平直； 5）在溫度較低的狀況下發(fā)生； 6）破壞前無(wú)預(yù)兆，危害性大，難以預(yù)防。 2.2 產(chǎn)生脆性破壞的緣由 產(chǎn)生脆性破壞的緣由主要是材料的韌性差，特殊是在低溫時(shí)下降很快。此外承壓部件存在缺陷時(shí)，在此區(qū)域應(yīng)力增加，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。 2.3 脆性裂開的預(yù)防 防止壓力容器產(chǎn)生脆性裂開最基本的措施是削減或消退構(gòu)件的缺陷，

5、要求材料具有很好的韌性。設(shè)計(jì)時(shí)選用在低溫下仍保持較好韌性的材料；并留意設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，在制造時(shí)實(shí)行嚴(yán)格的工藝措施減小應(yīng)力集中；在使用中加強(qiáng)檢驗(yàn)，及早發(fā)覺(jué)并消退缺陷。 疲憊裂開是壓力容器常見的一種裂開形式。據(jù)英國(guó)的一個(gè)聯(lián)合調(diào)查組統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)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，疲憊裂紋約占40%?？梢妷毫θ萜鞯钠v裂開是肯定不能忽視的。壓力容器的疲憊裂開，絕大多數(shù)屬于金屬的低周疲憊，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。一般狀況下，壓力容器的承壓部件在長(zhǎng)期反復(fù)交變載荷作用下，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋，隨著交變載荷的連續(xù)作用，裂紋漸漸擴(kuò)大，導(dǎo)致裂開。

6、 3.1 疲憊裂開的特征 1）容器沒(méi)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(kuò)展到破壞有一個(gè)較為緩慢的進(jìn)展過(guò)程； 5）破壞總是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的反復(fù)載荷作用后發(fā)生，應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度； 6）斷面呈兩個(gè)區(qū)域，即裂紋的形成和擴(kuò)展區(qū)與脆斷區(qū)。 3.2 疲憊裂開的預(yù)防 壓力容器的疲憊裂開既然是由于反復(fù)的交變載荷以及過(guò)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(yùn)行中盡量避開那些不必要的頻繁加壓和卸壓、過(guò)分的壓力波動(dòng)和懸殊的溫度變化等因素外，主要還在于設(shè)計(jì)時(shí)采納合理的結(jié)構(gòu)。一方面要避開產(chǎn)生應(yīng)力集中，使容器器壁的個(gè)別部位的局部應(yīng)力不致于超過(guò)材料

7、的屈服強(qiáng)度。另一方面，假如容器上的確難以避開地要消失較高的局部應(yīng)力，則應(yīng)做疲憊分析和疲憊設(shè)計(jì)。此外在制造時(shí)要按正確的工藝進(jìn)行，確保質(zhì)量。 腐蝕裂開系指承壓特種設(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)轉(zhuǎn)變、機(jī)械性能降低，使承壓特種設(shè)備承載力量不夠而發(fā)生的破壞，這種破壞形式稱為腐蝕裂開。 壓力容器的腐蝕裂開都是應(yīng)力腐蝕，由于壓力容器一般都承受較大的拉伸應(yīng)力，而它的結(jié)構(gòu)也經(jīng)常難以避開地有程度不同的應(yīng)力集中處，如設(shè)備的開孔、焊縫等，且容器的工作介質(zhì)又經(jīng)常是帶腐蝕性的。壓力容器的應(yīng)力腐蝕裂開是指容器殼體由于受到腐蝕介質(zhì)的腐蝕而產(chǎn)生的一種裂開形式。是在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同

8、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(jìn)行，使表面缺口向深處擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。所以應(yīng)力腐蝕可使壓力容器在應(yīng)力低于它的強(qiáng)度極限時(shí)破壞。應(yīng)力腐蝕是種相當(dāng)危急的裂開形式，由于它經(jīng)常是在未被發(fā)覺(jué)的狀況下突然斷裂而發(fā)生損壞。 4.1 腐蝕斷裂的特征 1）引起應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力必需是拉應(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，但幾乎全部的合金在特定的腐蝕環(huán)境中都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。極少量的合金或雜質(zhì)都會(huì)使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。各種工程有用材料幾乎都有應(yīng)

9、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(dāng)二者是某種特定組合時(shí)才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 4）應(yīng)力腐蝕是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程，包括應(yīng)力腐蝕裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展等階段，失穩(wěn)擴(kuò)展即造成應(yīng)力腐蝕裂開。 影響應(yīng)力腐蝕斷裂的因素許多，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，需要依據(jù)不同的設(shè)備條件和不同的工作介質(zhì)采納不同的方法。 4.2 腐蝕斷裂的預(yù)防 1）選擇合適的抗腐蝕材料； 2）實(shí)行必要的愛(ài)護(hù)措施，使承壓部件與腐蝕介質(zhì)隔離； 3）進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避開高應(yīng)力區(qū)； 4）制造時(shí)制定合理的工藝，消退殘余應(yīng)

10、力； 5）使用中加強(qiáng)管理，定期檢查修理。 蠕變是指金屬材料在應(yīng)力和高溫的雙重作用下產(chǎn)生的緩慢而連續(xù)的塑性變形。當(dāng)承壓部件長(zhǎng)期在金屬蠕變的高溫下工作，壁厚會(huì)減小，材料的強(qiáng)度有所降低，嚴(yán)峻時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓力容器高溫部件發(fā)生蠕變裂開。產(chǎn)生蠕變裂開的緣由主要是未選用抗蠕變性能好的合金鋼來(lái)制造高溫部件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而使局部區(qū)域過(guò)熱、制造時(shí)轉(zhuǎn)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(hù)不當(dāng)，使承壓部件局部過(guò)熱。材料發(fā)生蠕變裂開時(shí)，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裂開主要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮： 1）設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)使用溫度選用合適的材料； 2）合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避開局部高溫； 3）制定正確的加工工藝，避開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(guò)熱。常常維護(hù)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。 壓力容器在運(yùn)行和使用過(guò)程