压力容器安全 教学课件 ppt 作者 张礼敬 06-压力容器失效形式及安全性分析.ppt

第6章 压力容器失效形式 及安全性分析,第1节 断裂的定义及类型,断裂——是指固体在机械力，热、磁、声响、腐蚀等单独作用或者联合作用下，使物体本身连续性遭到破坏，从而发生局部开裂或分裂成几个部分的现象，称断裂 1）根据断裂性态 韧性断裂（也称为延性断裂）：构件在断裂前发生了显著的塑性变形；脆性断裂构件在断裂前没有或仅有少量塑性变形 2）按裂纹扩展路径 穿晶断裂，裂纹穿过晶内内部；沿晶断裂，裂纹沿晶界扩展3）按断口宏观取向 正断：断裂的宏观表面垂直于最大正应力方向σ，一般为脆性断裂；切断：断裂面大致与最大正应力方向呈45° 4）按受力状态 短时与长时断裂；冲击断裂；疲劳断裂 5）按环境不同： 低温冷脆断裂；高温蠕变断裂；延滞断裂（氢脆与应力腐蚀）；幅照和噪声损伤等 断口——零件断裂的自然表面第2节 延性断裂,2.1 概述,压力容器承压部件的延性断裂是指其器壁材料发生破坏的形式属于韧性断裂 图6-1所示，这种图的曲线形状与器壁材料的拉伸图有某些相似之处图6-1 容器的压力一容积变形图,2.2 延性破裂的特征,金属材料的韧性断裂是显微空洞形成和长大的过程如图6-2（煤浆管道）图6-2 20G断裂处 韧窝 X1000,1）破裂容器发生明显变形,b）容器变薄 图6-3 事故后部件变形照片,2）断口呈暗灰色纤维状 3）容器一般不是碎裂 4）实际爆破压力接近计算爆破压力,2.3 延性断裂事故的预防,2.3.1 延性断裂的基本条件 容器产生显著的塑性变形，只有在它受力的整个截面上的材料都处于屈服状态下才能产生。

2.3.2 常见压力容器延性断裂事故 1）液化气体容器充装过量 2）压力容器在使用中超压 3）设备维护不良以致壁厚减薄,2.3.3 压力容器延性断裂事故的预防 1）使用的压力容器必须按规定进行设计，承压部件必须经过强度验算 2）禁止将一般容器改成或当成压力容器使用，防止不承压的容器因结构或操作的原因在器内产生压力3）压力容器应按规定装设性能和规格都符合要求的安全泄压装置，并经常保持其处于灵敏可靠的状态 4）认真执行安全操作规程 5）作好压力容器的维护保养工作，采取有效措施防止腐蚀性介质与大气对设备的腐蚀，并经常保持防腐措施处于良好有效状态 6）严格定期检验制度2.4 事故案例分析,第3节 脆性断裂,3.1 脆性断裂的基本原因,脆性断裂都是在较低的应力水平下发生的3.2 脆性断裂的特征,1）容器没有明显的伸长变形 2）裂口齐平、断口呈金属光泽的结晶状 3）容器常破裂成碎块 4）破裂时的名义应力较低 5）破坏多数在温度较低的情况下发生,图6-5 脆性断裂断面,3.3 脆性破裂事故的预防,3.3.1 脆性断裂的基本条件 一是构件存在缺陷，二是材料的韧性差 3.3.2 压力容器脆性断裂事故的预防 1）减少部件结构及焊缝的应力集中 2）确保材料在使用条件下具有较好的韧性 3）消除残余应力 4）加强对设备的检验,3.4 事故案例分析,第4节 疲劳断裂,4.1 金属疲劳现象,所谓交变载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化的一类载荷。

4.1.1 疲劳曲线与疲劳极限 金属的疲劳极限通常以σr表示，下标r表示应力循环对称系数，如果是对称应力循环，r=-1，则它的疲劳极限用σ-1表示图6-11 金属疲劳曲线示意图,4.1.2 低周疲劳的规律 转动机械发生的疲劳断裂，往往应力水平较低而疲劳寿命较高，疲劳断裂时载荷交变周次N≥1×105，称作高周疲劳或简称疲劳若交变载荷引起的最大应力超过材料的屈服点，而疲劳寿命N=102~104，则为大应变低周疲劳或简称低周疲劳曼森-柯芬根据试验提出如下关系式： Nmεt＝C （6-1） 式中： N——低周疲劳寿命； m——指数，与材料种类及试验温度有关，一般为0.3～0.8，通常取m=0.5： εt——构件在交变载荷下的总应变幅度，包括弹性应变幅和塑性应变幅两部分而以后者为主； C——常数，与材料在静载拉伸试验时的真实伸长率eK有关，C=（0.5～1）eK；而eK与材料的断面收缩率ψ有如下关系：,（6—2）,因而,4.2 压力容器承压部件的疲劳断裂,1）存在较高的局部应力 2）存在反复的载荷,4.3 疲劳断裂的特征,1）部件没有明显的塑性变形 2）破裂断口存在两个区域 3）设备常因开裂泄漏而失效 4）部件在多次承受交变载荷后断裂,图6-13 疲劳断裂样品照片,4.4 压力容器疲劳断裂的预防,1）在保证结构静载强度的前提下，选用塑性好的材料。

2）在结构设计中尽量避免或减小应力集中 3）在运行中尽量避免反复频繁地加载和卸载，减少压力和温度波动 4）加强检验，及时发现和消除结构缺陷 5）对于可能存在多次的反复载荷以及局部应力较高的承压部件，可考虑作疲劳设计4.5 事故案例分析,第5节 应力腐蚀断裂,5.1 应力腐蚀及其特点,应力腐蚀又称腐蚀裂开，是金属构件在应力和特定的腐蚀性介质共同作用下导致脆性断裂的现象，叫应力腐蚀断裂 1）引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小 2）纯金属不发生应力腐蚀破坏，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中，都会产生应力腐蚀裂纹 3）产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系 4）应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程5.2 应力腐蚀断裂的特征,1）断口平齐，没有明显的塑性变形，断裂方向与主应力垂直突然脆断区断口，常有放射花样或人字纹 2）应力腐蚀是一种局部腐蚀，其断口一般可分出裂纹扩展区和瞬断区两部分，前者颜色较深，有腐蚀产物伴随，后者颜色较浅且洁净 3）应力腐蚀断裂一般为沿晶断裂，也可能是穿晶解理断裂裂纹形态有分叉现象，呈枯树枝状，由表面向纵深方向发展，裂纹的深宽比很大 4）引起断裂的因素中均有特定介质及拉伸应力。

5.3 应力腐蚀断裂过程,①孕育阶段 ②裂纹亚稳扩展阶段 ③裂纹失稳扩展阶段,5.4 应力腐蚀断裂的预防,1）选用合适的材料，尽量避开材料与敏感介质的匹配； 2）在结构设计中避免过大的局部应力； 3）采用涂层或衬里； 4）在制造中采用成熟合理的焊接工艺及装配成形工艺，并进行必要合理的热处理，消除焊接残余应力及其他内应力； 5）应力腐蚀常对水分及潮湿气氛敏感，使用中应注意防湿防潮5.5 事故案例分析,第6节 蠕变断裂,6.1 高温部件蠕变断裂的常见原因,1.选材不当 2.结构不合理，使部件的部分区域产生过热；制造时材料组织改变，抗蠕变性能降低6.2 蠕变过程及蠕变断裂,蠕变过程通常通过蠕变曲线表示蠕变曲线是蠕变过程中变形与时间的关系曲线，如图6-17所示 试验表明，对一定材料，在一定的载荷及温度作用下，其蠕变过程一般包括三个阶段图6-17 蠕变曲线,6.3 蠕变断裂的特征,宏观上可见到蠕变胀粗形貌，图6-18为迟焦化加热炉炉管局部鼓胀图6-18 炉管局部鼓胀,沿晶型蠕变断裂在断裂前塑性变形很小，断裂后的伸长率甚低，缩颈很小或者没有，在晶体内常有大量细小裂纹，如图6-19所示，这种断裂也叫蠕变脆性断裂。

图6-19 HP40Nb 使用7年后内部沿 晶孔洞 X125,6.4 蠕变断裂的预防,1）在设计部件时，根据使用温度选用合适的材料，并按该材料在使用温度和需要的使用寿命下的许用应力选取相应强度指标 2）合理进行结构设计和介质流程布置，尽量避免承受高压的大型容器直接承受高温，避免结构局部高温及过热 3）采用合理的焊接、热处理及其他加工工艺，防止在制造、安装、修理中降低材料的抗蠕变性能 4）严格按规定的操作规程运行设备，防止总体或局部超温超压从而降低蠕变寿命6.5 事故案例分析,第7节 压力容器缺陷评定简介,本节主要介绍国内标准《在用含缺陷压力容器安全评定》GB/T 19624-20047.1 标准简介,本标准规定了在用含缺陷压力容器安全评定的术语、定义和符号，总论，断裂与塑性失效评定，疲劳失效评定本标准适用于在用钢制含超标缺陷压力容器的安全评定锅炉、管道以及其他金属材料制容器中的承压件在进行安全评定时也可参照使用本标准适用于含下列类型缺陷的承压件的安全评定：——平面缺陷：包括裂纹、未熔合、未焊透、深度大于等于1mm的咬边等；——体积缺陷：包括凹坑、气孔、夹渣、深度小于1mm的咬边等本标准不适用于下列压力容器和结构：——核能装置中承受核辐射的压力容器和结构；——机器上非独立的承压部件(如压缩机、发电机、泵、柴油机的承压壳或气缸等)；——承受直接火的受压件；——电力行业专用的封闭式电气设备的电容压力容器(封闭电器)；——潜在失效模式为蠕变的压力容器和结构。

7.2 标准制定的基本原则,（1）充分吸收国外压力容器缺陷安全评定的最新研究和应用成果，紧密跟踪国际同类标准的发展趋势；以英国BSI.PD6493-91《焊接结构的缺陷验收评定方法指南》为蓝本并紧密结合国情，制定符合我国国情的含缺陷压力容器安全评定标准； （2）密切结合我国二十多年来对在役压力容器缺陷安全评定的工程实践经验，积极吸取和继承我国CVDA-84《压力容器缺陷评定规范》的精华；,（3）积极慎重地采用我国多年来在弹塑性断裂力学、塑性力学、金属疲劳学、无损检测技术、计算机技术、机械制造技术和质量控制技术等方面的成熟成果，特别是“八五”和“九五”国家重点科技攻关课题各专题的成熟研究成果； （4）在联合攻关、系统研究、综合分析的基础上，编写具有科学性、先进性、工程化、微机化的可靠、安全、实用、便用于推广应用并具有继承、吸收、发展、创新的《在用含缺陷压力容器安全评定》标准谢谢！,。