第五章壓力容器2

壓力容器

pressurevessel4壓力容器的制造安全技術(shù)Contents5壓力容器的破壞形式和原因

化工容器與一般壓力容器相比較有哪些異同點(diǎn)?為什么壓力容器的安全問題特別重要?

壓力容器整體應(yīng)力不太復(fù)雜，但局部應(yīng)力卻很復(fù)雜.如開孔處、轉(zhuǎn)交處、及不連續(xù)處等。壓力容器的使用條件比較苛刻，有酸堿、有高溫低溫、壓力交易超載、有的由于頻繁開停工、和壓力波動(dòng)，容易產(chǎn)生低周疲勞。中、高強(qiáng)度鋼，焊接制造中較易產(chǎn)生原始裂紋。介質(zhì)有毒、有腐蝕性、可以燃燒、爆炸，不允許泄漏，更不允許破裂。

從容器的安全、制造、使用等方面說明對化工容器機(jī)械設(shè)計(jì)有哪些基本要求？安全性與經(jīng)濟(jì)性；要考慮非正常工況的苛刻條件。材料：高強(qiáng)度、良好塑性、韌性、可焊性、低溫韌性、耐腐蝕性。制造：焊縫質(zhì)量、焊接結(jié)構(gòu)等。使用：不超載。

（1）強(qiáng)度失效（2）剛度失效（3）失穩(wěn)失效（4）泄漏失效失效形式1.1壓力容器基本失效形式1.壓力容器破壞形式和原因失去安全性和可靠性a.韌性斷裂—韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到或接近所用材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。（1）強(qiáng)度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強(qiáng)度失效，包括（a）韌性斷裂、（b）脆性斷裂、（c）疲勞斷裂、（d）蠕變斷裂、（e）腐蝕斷裂等。特征原因斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達(dá)10～20%，斷口處厚度顯著減??；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實(shí)測厚度計(jì)算的爆破壓力與實(shí)際爆破壓力相當(dāng)接近。壁厚過薄和內(nèi)壓過高壁厚未經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算和壁厚因腐蝕而減薄操作失誤、液體受熱膨脹、化學(xué)反應(yīng)失控等。韌性斷裂和脆性斷裂嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)、選材，配備相應(yīng)的安全附件，且運(yùn)輸、安裝、使用、檢修遵循有關(guān)的規(guī)定韌性斷裂可以避免斷裂時(shí)容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大應(yīng)力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。由于脆性斷裂時(shí)容器的實(shí)際應(yīng)力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會(huì)動(dòng)作，其后果要比韌性斷裂嚴(yán)重得多。特征b.脆性斷裂——脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生，故又稱為低應(yīng)力脆斷。脆性斷裂原因材料脆性和缺陷。a.材料選用不當(dāng)、焊接與熱處理不當(dāng)使材料脆化；低溫、長期在高溫下運(yùn)行、應(yīng)變時(shí)效等也會(huì)使材料脆化；b.壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴(yán)重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產(chǎn)生的缺陷，也會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

交變載荷—指大小和（或）方向都隨時(shí)間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括—壓力波動(dòng)、開車停車；加熱或冷卻時(shí)溫度變化引起的熱應(yīng)力變化；振動(dòng)或容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷。需要指出—原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋，也會(huì)在交變載荷的反復(fù)作用下擴(kuò)展而導(dǎo)致壓力容器疲勞。c.疲勞斷裂—在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。失效形式——“未爆先漏”，破壞需要有一定時(shí)間。疲勞破壞—包括裂紋萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)階段。裂紋源——往往位于接管根部、焊接接頭等高應(yīng)力區(qū)或有缺陷的部位。裂紋擴(kuò)展區(qū)——是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴(kuò)展過程中留下的痕跡。瞬時(shí)斷裂區(qū)——裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)的快速斷裂區(qū)。疲勞斷口—裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)組成。特征:疲勞斷裂時(shí)容器的總體應(yīng)力值較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯征兆，是突發(fā)性破壞，接近脆斷，危險(xiǎn)性很大。從變形看—具有韌性斷裂特征從應(yīng)力看—具有脆性斷裂特征d.蠕變斷裂—壓力容器在高溫下長期受載，隨時(shí)間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成壁厚明顯減薄與鼓脹變形，最終導(dǎo)致壓力容器斷裂。均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕引起的斷裂e.腐蝕斷裂——韌性斷裂特征／脆性斷裂特征。（2）剛度失效——由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。

（3）失穩(wěn)失效——在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。

（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害:可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，造成環(huán)境污染等。交互失效——多種因素作用下同時(shí)發(fā)生多種形式的失效。(二)、交互失效形式例如：→腐蝕疲勞腐蝕介質(zhì)交變應(yīng)力→蠕變疲勞高溫交變應(yīng)力（1）焊接缺陷（2）成型組裝缺陷制造缺陷2.1壓力容器的制造缺陷2.壓力容器的制造安全壓力容器是典型的焊接結(jié)構(gòu)，主要的制造方法就是焊接，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的質(zhì)量。2.2常用焊接方法及其焊接工藝①手工電弧焊它是以外部涂有涂料的焊條作電極和填充金屬，電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒。

特點(diǎn):設(shè)備簡單，工藝靈活，對工作場地?zé)o特殊要求可以全方位施焊。因?yàn)楹笚l、藥皮品種齊全，所以對鋼材的適應(yīng)性強(qiáng)（幾乎所有的鋼種C鋼、低合、不銹、耐熱）?？梢詰?yīng)用于維修及裝配中的短縫的焊接，特別是可以用于難以達(dá)到的部位的焊接。2.2常用焊接方法及其焊接工藝②埋弧自動(dòng)焊③氣體保護(hù)焊

壓力容器等焊接結(jié)構(gòu)的重要焊接方法之一，它的焊縫質(zhì)量優(yōu)良，因?yàn)槁窕『傅碾娀∈窃诤竸┫碌囊粋€(gè)封閉空間燃燒，并且焊縫在焊劑的保護(hù)下冷卻，可以充分地進(jìn)行冶金反應(yīng)，不用換焊條、熔深大。它的自動(dòng)化程度比較高，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好，比較適合于大規(guī)模的現(xiàn)代化生產(chǎn)。但它只能俯焊。

包括熔化極和非熔化極；保護(hù)性氣體主要有惰性氣體和二氧化碳。2.3常見焊接缺陷的成因

及其防止方法(1)焊縫表面缺陷

①咬邊由于焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，或操作方法不正確，沿焊趾的母材部位產(chǎn)生的溝槽或凹陷。

危害：減少母材的有效截面積、在咬邊處可能引起應(yīng)力集中強(qiáng)度減弱、應(yīng)力集中防止：電流適中，運(yùn)條得當(dāng)

②焊瘤成因：金屬因自重下墜危害：應(yīng)力集中防止：電流適中，運(yùn)條快，鈍邊、間隙規(guī)范

③內(nèi)凹成因：金屬因自重下墜危害：應(yīng)力集中防止：控制熔池溫度，鈍邊、間隙規(guī)范

④溢流成因：焊接參數(shù)選擇不當(dāng)坡口清理不干凈，電弧熱損失在氧化皮上，使母材未熔化。危害：未熔合，未焊透；

⑤弧坑成因：熄弧時(shí)焊條未停留，或電流過大危害：強(qiáng)度嚴(yán)重減弱，坑內(nèi)常有氣孔、夾渣或裂紋

①氣孔(2)焊縫內(nèi)部缺陷成因：焊縫中吸入了過多的氣體。危害：使焊縫有效工作面積減少，降低抵抗外載能力，特別對彎曲和沖擊韌性影響較大。防止：注意電弧保護(hù)、焊條焊劑烘干、坡口清理

②夾渣成因：冷卻過快，電流小等危害：引起的應(yīng)力集中比氣孔嚴(yán)重，危害更大防止：邊緣清理干凈、焊速適當(dāng)

③未焊透成因：坡口角度小，鈍邊太大；焊條偏離焊道中心。危害：工作面積減小，尖角易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起裂紋。防止：電流不可過小，速度不可過快（來不及熔化）。

④未熔合成因：⒈電流小、速度快、熱量不足；⒉坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，一部分熱量損失在熔化雜物上，剩余熱量不足以熔化坡口或焊道金屬。⒊焊條或焊絲的擺動(dòng)角度偏離正常位置，熔化金屬流動(dòng)而覆蓋到電弧作用較弱的未熔化部分，容易產(chǎn)生未熔合。危害：因?yàn)殚g隙很小，可視為片狀缺陷，類似于裂紋。易造成應(yīng)力集中，是危險(xiǎn)性較大的缺陷縱向裂紋按裂紋存在的方向分橫向裂紋（3）裂紋分類：

星形裂紋按裂紋存在的形態(tài)分網(wǎng)狀裂紋條狀裂紋焊道裂紋熱影響區(qū)裂紋按裂紋存在的位置分弧坑裂紋

根部裂紋其他位置裂紋

熱裂紋生產(chǎn)過程出現(xiàn)的裂紋冷裂紋再熱裂紋（4）裂紋形成的原因及防止措施熱裂紋形成及防止

常見的熱裂紋有兩種：結(jié)晶裂紋、液化裂紋結(jié)晶裂紋是焊接熔池初次結(jié)晶過程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結(jié)晶晶界的開裂。而液化裂紋是緊靠熔合線的母材晶界被局部重熔，在收縮力的作用下而產(chǎn)生的裂紋。低熔點(diǎn)共晶物的多少取決于焊縫金屬中C、S等元素的含量。一是焊縫金屬所經(jīng)受的應(yīng)變增加速度大于低熔點(diǎn)共晶物凝固的速度；另外，初生晶體的長大方向和殘留低熔點(diǎn)共晶體的相對位置的影響。關(guān)鍵的措施就是：a.應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫金屬中C、S、P和其它易形成低熔點(diǎn)共晶體的合金成分的含量，這些元素和雜質(zhì)的含量越低，焊縫金屬的抗裂紋能力越大。當(dāng)焊縫中C>0.15%,S>0.04%就可能有裂紋出現(xiàn)，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來。b.改變焊縫橫截面的形狀也就改變了焊接熔池的結(jié)晶方向，使之有利于將低熔點(diǎn)共晶體推向不易產(chǎn)生裂紋的位置。液化裂紋產(chǎn)生的原因：焊接時(shí)緊靠熔合線的母材區(qū)域被加熱到接近鋼熔點(diǎn)的高溫，此時(shí)母材晶體本身未發(fā)生熔化，而晶界的低熔點(diǎn)共晶物則已完全熔化。當(dāng)焊接熔池冷卻時(shí)，焊縫應(yīng)變速度較高。如果這些低熔點(diǎn)共晶物未完全重新凝固之前，接合區(qū)就已受到較大應(yīng)變，則在這些晶界上就會(huì)出現(xiàn)裂紋。晶間液層的熔點(diǎn)越低，