压力容器失效模式.docx

压力容器失效模式损伤与失效的不同之处在于损伤是指容器在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共 同作用下，造成的材料性能下降、结构不连续或承载能力下降，损伤是一个过程;而失效是 损伤积累到一定程度，容器强度、刚度或功能不能满足使用要求的状态发生损伤后不一定 失效，而发生失效则一定存在损伤失效模式是压力容器的设计基础，设计方法(准则)必 须针对失效模式，对压力容器检验结果的评价，也是建立在失效模式的基础上；而对压力容 器运行过程中损伤模式的识别，有助于定期检验方案的制定，利于在设备发生失效前及时进 行修复或报废等处理正在制定的压力容器国际标准ISO 16528 Boilers and pressure vessels综合世界主要工业 国家的技术标准，参照欧洲标准的内容，针对锅炉和压力容器常见的失效形式，在标准中将 失效模式归纳为三大类、14种，明确了针对失效模式的设计理念：第一大类：短期失效模式(Shortterm failure modes)：脆性断裂(Brittle fracture)韧性断裂(Ductile rupture)超量变形引起的接头泄漏(Leakage at joints due to excessive deformations)超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂(Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains)弹性、塑性或弹塑性失稳(垮塌)(Instability - elastic, plastic or elastic-plash。

)第二大类：长期失效模式(Long term failure modes)蠕变断裂(Creep Rupture)蠕变一在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递(Creep- excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load)蠕变失稳(Creep instability)冲蚀、腐蚀(Erosion， corrosion)环境助长开裂如：应力腐蚀开裂、氢致开裂(Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc)第三大类：循环失效模式(Cyclic failure modes)：扩展性塑性变形(Progressive plastic deformation)交替塑性(Alternating plasticity)弹性应变疲劳(中周和高周疲劳)或弹■塑性应变疲劳(低周疲劳)Fatigue under elastic strains(medium and high cycle fatigue) or under elastic-plastic strains (low cycle fatigue)环境助长疲劳(Environmentally assisted fatigue)经过多年的实践和参照国际上同类标准的技术内容，GB 150-2011《压力容器》在技术 内容中直接和间接考虑了如下失效模式，并针对所考虑的失效模式确定了相应的设计准则和 强度理论：a) 脆性断裂(Brittle fracture)：通过材料选用要求、材料韧性要求、制造和检验要求、 以及结构形式要求，防止脆性断裂的发生；b) 韧性断裂(Ductile rupture)：通过材料选用要求、结构强度设计方法、许用应力规定， 防止韧性断裂的发生；c) 接头泄漏(Leakage at joints):通过法兰设计方法和特殊密封结构的设计方法，结构 要求以及对密封垫片和螺柱、螺母的要求，防止接头泄漏的发生；d) 弹性或塑性失稳(Elastic or plastic instability):通过外压结构设计方法防止整体失稳； 通过局部的应力分析和评定，控制局部塑性失稳；e）蠕变断裂（Creep rupture）：通过限制材料的使用温度范围控制蠕变断裂的发生。

腐蚀是压力容器的最常见的失效模式，但在不同的工程应用中差别极大，不可能在标准 中进行规定，因此GB 150规定了由设计人员全面考虑腐蚀失效模式，并在选择材料、结构 设计、腐蚀防护等方面采取措施，保证容器的设计寿命承压设备损伤模式在国外已经建立了相应的标准，如美国石油协会的API 571, API579, API 580, API 581标准中均有压力容器损伤模式的相关内容在API 571标准中，介绍了一 般工业中四大类、44种损伤模式，以及炼油工业中三大类、18种损伤模式；在美国的NB 23 标准中、欧盟的PED指令、英国的BS 7910标准、美国的NACE标准对承压设备的损伤模 式也都有涉及我国目前正在制定《承压设备损伤模式识别》标准，拟提出一套比较完整的， 适合我国承压设备现状的损伤模式和识别方法，其内容主要包括承压设备主要损伤模式和失 效机理的理论描述、形态、影响因素、敏感材料、可能发生失效的设备或构件、检测方法等 已经颁布的GB/T 26610. 1-2011《承压设备系统基于风险的检验实施导则第1部分：基本 要求和实施程序》也参考采用了该标准草案中的损伤模式分类方法《承压设备损伤模式识 别》标准草案将我国承压设备的损伤模式分为五大类、73种，其中腐蚀减薄25种、环境开 裂13种、材质劣化15种、机械损伤11种、其他损伤9种，其分类、名称和基本描述见表 SY1至表SY5表SY1腐蚀减薄序号损伤模式基本描述1盐酸腐蚀金属与盐酸接触时发生的全面/局部腐蚀。

碳钢和低合金钢盐酸腐蚀 时可表现为均匀减薄，介质局部浓缩或露点腐蚀时表现为局部腐蚀或 沉积物下腐蚀奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢发生盐酸腐蚀时可表现 为点状腐蚀，形成直径为毫米级的蚀坑，甚至可发展为穿透性蚀孔2硫酸腐蚀金属与硫酸接触时发生的腐蚀由稀硫酸引起的金属腐蚀通常表现为 壁厚均匀减薄或点蚀，碳钢焊缝和热影响区易遭受腐蚀，在焊接接头 部位形成沟槽浓硫酸多在与金属接触部位形成局部腐蚀，但也可引 起钢制及铝制容器及构件的钝化，阻止腐蚀的进行3氢氟酸腐 蚀金属与氢氟酸接触时发生的腐蚀碳钢的腐蚀表现为均匀减薄或严重 局部减薄，腐蚀后易形成氟化亚铁垢；镍基合金遭受腐蚀时多表现为 均匀减薄，且很少有积垢现象4磷酸腐蚀金属与磷酸接触时发生的腐蚀碳钢和低合金钢遭受磷酸腐蚀时多呈 均匀减薄或局部减薄5二氧化碳 腐蚀金属在潮湿的二氧化碳环境（碳酸）中遭受的腐蚀腐蚀多发生于气 液相界面和液相系统内，以及可能产生冷凝液的气相系统冷凝液部位； 腐蚀区域壁厚局部减薄，可能形成蚀坑或蚀孔；介质流动冲刷或冲击 作用的部位可能形成腐蚀沟槽，典型腐蚀部位为焊缝根部6环烷酸腐 蚀在177-427°C温度范围内，环烷酸对金属材料的腐蚀。

高流速区可形成 局部腐蚀，如孔蚀、带锐缘的沟槽；低流速凝结区，碳钢、低合金钢 和铁素体不锈钢的腐蚀表现为均匀腐蚀或孔蚀7苯酚腐蚀金属与苯酚（石碳酸）接触时发生的腐蚀碳钢遭受腐蚀时可表现为 均匀腐蚀或局部腐蚀；存在流体冲刷时多引起局部减薄8有机酸腐 蚀金属与低分子有机酸（如甲酸、乙酸、乙二酸等）接触时发生的均匀 腐蚀局部腐蚀碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢发生甲酸腐蚀时可表 现为均匀减薄，介质局部浓缩或露点腐蚀时表现为局部腐蚀或沉积物 下腐蚀9高温氧化 腐蚀高温下金属与氧气发生反应生成金属氧化物的过程在高温下，氧气 和金属反应生成氧化物膜；通常发生在加热炉和锅炉燃烧的含氧环境 中多数合金，包括碳钢和低合金钢，在高温氧化环境中发生腐蚀并 在金属表面生产氧化物膜，一般表现为均匀减薄；奥氏体不锈钢和镍 基合金在高温氧化作用下易形成暗色的氧化物薄膜10大气腐蚀(无绝热 层)未敷设保温层等覆盖层的金属在大气中发生的腐蚀碳钢和低合金钢 遭受腐蚀时主要表现为均匀减薄或局部减薄；奥氏体不锈钢遭受腐蚀 时可能发生外壁应力腐蚀，主要因大气中含有的C1、S元素引起；铝、 镁和钛等金属与大气接触后可在表面生成一层氧化膜，表面失去金属 光泽；纯铜在遭受大气腐蚀时易在表面生成绿色腐蚀产物11大气腐蚀(有绝热 层)敷设保温层等覆盖层的金属在覆盖层下发生的腐蚀，又称层下腐蚀。

碳钢和低合金钢遭受腐蚀时主要表现为覆盖层下局部减薄；奥氏体不 锈钢遭受腐蚀时可能发生覆盖层下金属表面应力腐蚀，因覆盖层与材 料表面间容易在覆盖层破损部位渗水，随着水汽蒸发，雨水中氯化物 会凝聚下来，有些覆盖层本身含有的氯化物也可能熔解到渗水中，发 生点蚀；铝、镁和钛等金属发生层下腐蚀后可在表面生成一层氧化膜， 并失去外表金属光泽；铜在遭受层下腐蚀时易在金属表曲生成绿色腐 蚀产物12冷却水腐 蚀冷却水中由溶解盐、气体、有机化合物或微生物活动引起的碳钢和其 他金属的腐蚀氧的去极化腐蚀情况下冷却水对碳钢的腐蚀多为均匀 腐蚀；如果在垢下或缝隙处发生冷却水腐蚀，或者冷却水中发生电偶 腐蚀、微生物腐蚀时，局部腐蚀较为常见；冷却水在管嘴入口/出口 或管线入口易形成冲蚀或磨损，形成波纹状或光滑腐蚀；在电阻焊制 设备或管道的焊缝区域，冷却水腐蚀多沿焊缝熔合线形成腐蚀沟槽13土壤腐蚀金属接触到土壤时发生的腐蚀土壤腐蚀多表现为局部腐蚀，形成蚀 坑甚至蚀孔，腐蚀的严重程度耳局部的土壤条件和设备金属表面环境 条件的变化14微生物腐 蚀微生物对金属的腐蚀(MIC)，与介质中的仑细菌、藻类或真菌等相关， 典型情况有硫酸盐还原菌(SRB )、铁氧化菌(JOB)，锰氧化菌(61nOB)、 硫氧化细菌、铁还原细菌、酸生产菌(APB)和胞外聚合物生产菌(BPB)。

微生物腐蚀通常表现为局部垢下腐蚀或微生物簇团处腐蚀；碳钢的微 生物腐蚀通常为杯状点蚀，不锈钢的微生物腐蚀通常为表面蚀坑15锅炉冷凝 水腐蚀锅炉系统和蒸汽冷凝水回水管道上发生的均匀腐蚀和点蚀含氧锅炉 冷凝水腐蚀为点蚀，多呈溃疡状，在金属表而形成黄褐色或砖红色鼓 包，直径从1-30mm不等，为各种腐蚀产物组成，腐蚀产物去除后，可 见金属表面的腐蚀坑；CO2腐蚀为均匀腐蚀，形成光滑的腐蚀沟槽； 锅炉水除氧不彻底时还会同时发生点蚀16碱腐蚀高浓度的苛性碱或碱性盐，或因蒸发及高传热导致的局部浓缩引起的 金属腐蚀局部浓缩致碱腐蚀表现为局部腐蚀，锅炉管道的腐蚀沟槽 或热障垢层下的局部减薄均属此类；垢下局部腐蚀在垢层的掩盖下一 般不太明显，使用带尖锐前端的工具轻击垢层可有助于观察到局部腐 蚀情况；水汽界面的介质浓缩区域在腐蚀后形成局部沟槽，竖直管道 发生腐蚀时形成个环形槽，水平或倾斜管道则可在管凳顶端或在管道 相对两边形成纵向槽；温度高于79r的高强度碱液可导质碳钢的均匀腐蚀，温度升高至95 °C时腐蚀加剧17燃灰腐蚀高温燃灰在金属表面沉积和熔化，致使材料损耗的过程燃灰腐蚀是 材料在高温下的加速损伤,燃料中的杂质（主要为S、Na、K、V）在 加热炉、锅炉和燃气涡轮的金属表面沉积和熔化时发生，生成的熔渣 熔解了表而的氧化物膜，使膜下新鲜金属能和氧气反应生成氧化物， 不断损坏管壁或部件。

燃灰腐蚀可表现为严重的金属损耗，且伴有结 渣，金属腐蚀速率可达到25mm/年；金相检查和沉积物分析技术可用 于确定燃灰腐蚀是否存在；过热器和再热器染灰沉积物至少可分为两 层：附着在部件上的沉积物最为重要，在室温下呈暗灰色或黑色的外 观；熔融态硫酸盐腐蚀产物则覆盖在表面，形成粘着力很强的玻璃状 硬垢去除燃灰沉积物后，。