气瓶破裂形式讲解

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1、过程设备安全工程 第三章 破裂形式 主讲教师：吴俊飞 压力容器的破裂形式 破裂形式 延 性 破 裂 脆 性 破 裂 腐 蚀 破 裂 压 力 冲 击 破 裂 蠕 变 破 裂 疲 劳 破 裂 第一节 延性破裂 概念 压力容器在内部压力作用下，器壁 上产生的应力达到材料的强度极限，从 而发生断裂破坏的一种形式。这种形式 的破坏属于韧性断裂,因此,也称韧性破 坏。 一、机理 压力较小时，容器器壁的当量应力也较小，器壁 产生弹性变形，容器的容积与压力成正比增加，二者 保持线性关系。如果卸除载荷，即把容器内的压力降 下，其容积即恢复原来的大小，基本上不产生容积残 余变形。 破坏 过程 弹性变形阶段 弹塑性

2、变形阶段断裂阶段 小 应力 大 当压力升高至使容器器壁的当量应力超过材料 的弹性极限时，容器容积变形不再与压力成正比关 系，且在压力载荷卸除之后，容器不能完全恢复原 来的形状而保留小量残余变形。 当压力升高至使器壁上的当量应力达到材料的 屈服点时，由于器壁产生明显的塑性变形，容器容 积将迅速增大，在压力不再增高甚至下降的情况下 ，容积变形仍在继续增加。这种现象与材料在拉伸 时的屈服现象是相同的，即容器进入全面屈服状态 。 如果承压设备在全面屈服后承受的压力继续增 加，容积变形也将继续增加，至承压设备壁上的当 量应力达到材料的抗拉强度时，承压设备即发生韧 性断裂。 二、特征 特征一 承压部件在延

3、性破裂前产生大量容积变形有利于防止某些锅炉、容器或管道的 断裂。例如，充装过量的液化气体气瓶会因温度升高而使介质压力剧增，此时气瓶 的大量变形可有效缓解瓶内压力的增高，有时还会避免气瓶的破裂。对于一些瓶壁 严重减薄的气瓶或其它容器，有时会在充气或水压试验中，因压力表突然停止不动 而使试验操作者意识到屈服及破裂的危险。如果在压力超过屈服压力之后卸压，容 器会留下较大的容积残余变形，有时用肉眼或直尺检查即可发现。圆筒形容器的变 形总是呈现为中部直径增大的腰鼓形，因而发生屈服变形的容器是不难发现的。 器壁有明显的塑性变形。因环向应力比轴向应力 大一倍，所以明显的塑性变形主要表现在容器直径增 大、容积

4、增大、壁厚减薄，而轴向增长较小产生“腰 鼓形”变形。从许多爆破试验和爆炸事故的承压设备 上所测得的数据表明，韧性断裂的承压设备，最大圆 周伸长率常达10以上，容积增大率也往往高于10 ，有的甚至达20到30。 有 利 于 特征二 延性破裂的断口为切断撕裂，一般呈暗灰色纤维状 ，断口不平齐，形成锯齿形的纤维状断口，断裂的宏 观表面平行于最大剪应力方向而与最大主应力成45 。 韧性断裂的容器，一般不破碎成块或者碎片，而 是只裂开一个裂口。壁厚比较均匀的圆筒形容器，常 常是在中部沿轴向裂开，裂口的大小与容器破裂时释 放的能量有关，释放的能量越大，裂口越大。 特征三 特征四 延性破裂时的爆破压力接近理

5、论爆破压力，属于超 压或超载破坏。其实际爆破压力往往与计算爆破压力 相接近，远远超过了承压设备的许用压力及正常工作 压力，属于超压或超载破坏（设备壁因腐蚀或磨损减 薄时例外）。 延性破裂时，容器器壁的应力值一般达到 或接近材料的强度极限。 三、原因 承压设备承压部件的大量塑性变形和韧性断裂，只有在部件整个截面 上的材料都处于屈服状态后才会发生，而这种情况在正确设计制造及合理 使用的设备中一般是不会出现的，因而韧性断裂事故也是完全可以避免的 。但实际使用中承压设备的韧性断裂事故并不少见，这类断裂常发生于以 下情况： 原因一：液化气体容器充装过量。 对盛装液化气体介质的容器，应按规定的充装系数充装

6、，即留有一 定的气相空间，这是因为液化气体随环境温度的增高，其饱和蒸汽压显 著增大。如液氯钢瓶充装满液后，当温度每升高1度，瓶内压力增加将超 过1MPa。随温度继续升高，瓶内压力不断增大，器壁上的应力也不断增 大，当达到强度极限时即发生断裂。 造成充装过量主要是由于操作疏忽、计量错误或其它原因，在运输 或使用过程中，容器内介质温度因环境温度影响或太阳曝晒而升高，介 质体积膨胀满液后使器内压力急剧上升，最终导致容器韧性断裂。 原因二：使用中的压力容器超温超压运行。 原因三：容器壳体选材不当或容器安装不符合安全要求。 原因四：维护保养不当。 由于违反操作规程、操作失误或其它原因，造成设备内压力升高

7、并超过其许 用压力，而设备又没有装设安全泄压装置或安全泄压装置失灵，或因投料不当， 造成反应速度过快，引起温度压力急剧升高，最终造成韧性断裂。 若压力容器壳体材料选用的强度较低，或压力容器安装错误（如几台工作压 力不同的容器共用一个压力源），压力来源处的压力高于压力容器的设计压力或 最高工作压力，而又无可靠的减压装置，则可能导致破坏。 因维护保养不当，压力容器器壁发生大面积腐蚀，壁厚减薄，在正常工作压 力下器壁一次薄膜应力超过材料的屈服极限，造成受压部件整体屈服而发生破裂 。 四、事故预防 措施一：在设计制造压力容器时，要选用有足够强度和厚度的材料， 以保证压力容器在规定的工作压力下安全使用。

8、 措施二：压力容器应按照核定的工艺参数运行，安全附件应安装齐全 、正确，并保证灵敏可靠。 措施三：使用中加强巡回检查，严格按照工艺参数进行操作，严禁压 力容器超温、超压、超负荷运行，防止过量充装。 措施四：加强维护保养工作，采取有效措施防止腐蚀性介质及大气对 压力容器的腐蚀。若发现压力容器器壁被严重腐蚀以致变薄，或运行 中器壁产生明显塑性变形时，应立即停止使用。 第二节 脆性破裂 概念 指压力容器在破裂时没有显著的塑性变 形，破裂时器壁的压力也远远小于材料的强 度极限，有的甚至还低于材料的屈服极限， 这种破坏与脆性材料的破裂很相似，故称为 脆性破裂。由于这种破坏是在较低的应力状 态下发生的，所

9、以又称为低应力破坏。 一、机理 机理一：钢在低温下其冲击韧性显著降低，表明温度低时钢对缺口的 敏感性增大，这种现象称为钢的冷脆性。钢由韧性状态转变为低温脆 性状态极易产生断裂，这种现象称为低温脆性断裂。 机理二：低碳钢在300左右会出现一个强度升高、塑性降低的区域， 这种现象称为材料的蓝脆性。若在压力容器制造和使用时，正好在蓝 脆温度范围内经受变形应力，就有可能产生蓝脆，导致断裂事故。 机理三：某些钢材长期停留在400-500 温度范围内以后冷却至室温 ，其冲击值有明显下降，这种现象称为钢的热脆性。此时压力容器经 受变形应力，也有可能导致脆性断裂。 尽管压力容器材料一般具有较好的塑性和韧性，但

10、由于钢材在不同的使用 条件下有各种产生脆性及脆化的可能，所以脆性断裂是承压设备一种常见的破坏 形式。特别是高参数、厚截面的大型容器，通常采用低合金高强钢制造，在高压 、低温、三向应力状态、缺口、残余应力等因素的影响下，脆性断裂成为其主要 的失效形式之一。 二、特征 特征一 压力容器发生脆性破坏时无明显外观变化和外观预兆 ，破坏后的容器器壁无明显的伸长变形，壁厚一般也无 减薄，因此脆性断裂后的容器没有明显的残余变形。许 多在水压试验时脆性断裂的承压设备，其试验压力与容 积增量的关系在断裂前基本上还是线性关系，即处于弹 性变形状态。有些脆裂成块的承压设备，将碎块拼组起 来基本上还是原承压设备的形状

11、。 特征二 脆性破坏的断口平齐，呈金属光泽的结晶状，并 与最大主应力方向垂直。容器纵向脆断时裂口与器壁 表面垂直，环向脆断时裂口与容器中心线相垂直。脆 断往往是晶界断裂，所以断口呈闪烁金属光泽的结晶 状。在设备壁很厚的脆性断口上，还常有人字形放射 花纹，其尖端指向裂纹源，始裂点往往是缺陷处或形 状突变处。 特征三 特征四 常破裂成碎块。由于承压设备脆性断裂时材料韧性 较差，脆性断裂的过程又是裂纹迅速扩展的过程，破坏 往往在一瞬间发生，设备内的压力和能量无法通过一个 裂口释放，因此脆性断裂的设备常裂成碎块，且常有碎 片飞出，造成的后果常比韧性断裂严重得多。 脆性破坏断裂速度极快，材料内部的微裂纹

12、很快扩 展达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入 裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展阻力小，扩展速度很快， 最大可达声音在该材料中的传播速度，可高达1800m/s 。 特征五 厚壁容器和较低温度的容器最易发生脆性破坏 ，且断裂时的名义应力较低，往往低于钢材的屈服 极限。这类断裂可在正常操作压力或水压试验压力 下发生。 三、原因 原因一：温度 因为钢在低温下或在某一特定温度范围内其冲击韧性将急剧 下降。 原因二：裂纹性缺陷 压力容器受压元件一旦产生裂纹，其尖端前缘产生很高的应 力峰值，且应力状态也发生变化，变为三向拉伸应力。在这个区 域，实际的应力要比按常规方式计算的数值高得多，材料的实际 强度

13、比无裂纹的理想材料的强度低得多。所以即使材料具有较高 的冲击韧性，但当裂纹缺陷的尺寸达到一定值时，仍可能发生脆 性断裂。 四、事故预防 措施一：提高容器制造质量特别是焊接质量，是防止容器脆性破坏的重 要措施。 因为容器结构尺寸的突变、不连续以及焊缝中裂纹性缺陷的存在， 会造成容器局部区域应力集中，易形成脆性断裂源。 措施二：容器材料在使用条件下，应有较好的韧性。 材料韧性差是造成脆性破坏的另一个主要因素。因此在选择材料 时应选择在使用温度下仍能保持较好韧性的材料。由于材料的断裂韧 性不仅与其化学成分有关，而且还与其金相组织有关。因此制造过程 中的焊接及热处理工艺必须合理；使用过程中也应防止容器

14、材料韧性 的降低。如防止使用温度低于设计温度；开停车时避免压力的急剧变 化，防止材料断裂韧性因加载速度过快而降低。 措施三：加强压力容器的维护保养和定期检验工作，及时消除检验中 发现的裂纹性缺陷，确保容器安全运行。 第三节 疲劳破裂 概念 指压力容器器壁在反复加压和卸压过程中受到交 变载荷的长期作用，没有经过明显的塑性变形而导致 容器断裂的一种破坏形式。疲劳破裂是突然发生的， 因此具有很大的危险性。 疲劳断裂是承压设备承压部件较为常见的一种断裂方式。据英国统 计，在运行期间发生破坏事故的容器，有89.4是由裂纹引起的；而在 由裂纹引起的事故中，疲劳裂纹占39.8。国外还有资料估计，压力容 器运

15、行中的破坏事故有75以上是由疲劳引起的。由此可见，承压设备 的疲劳断裂是绝不能忽视的。 一、机理 机理一：低应力高周疲劳 材料循环周次在105以上，而相应的应力值在材料的弹 性范围内，可以承受高周次的交变载荷作用而不会产生疲 劳破坏。但当外载荷超过这个弹性范围内的应力极限后， 材料就易发生断裂。 机理二：高应力低周疲劳 材料承受的应力水平较高，交变应力幅度较大，但交变 周次较少，当容器材料在较高应力水平下承受交变周次超 过了102 - 105之后，材料就容易发生断裂。 v 承压部件的疲劳断裂，绝大多数属于金属的低 周疲劳。许多承压设备都具备产生低周疲劳的条件 ： v 存在较高的局部应力。承压部

16、件的接管、开 孔、转角及其它几何形状不连续的部位，焊缝及其 它隐含缺陷之处，都有程度不同的应力集中。应力 集中处的局部应力往往比设计应力大好几倍，可能 达到并超过材料的屈服点。反复的加载和卸载，将 会在受力最大处产生伸缩塑性变形并产生裂纹，裂 纹逐步扩展最终导致断裂。 v 存在交变载荷及反复应力。承压部件承受的 交变载荷及设备壁中的反复应力可产生于：a、间歇 操作的设备经常进行反复的加压和卸压；b、在运行 过程中设备压力在较大范围内变动；c、设备介质温 度及设备壁温度反复变化；d、部件强迫振动并引起 较大局部附加应力；e、气瓶多次充装等。 二、特征 特征一 容器破坏时没有明显的塑性变形。 这是由于疲劳断裂首先是在局部应力较高的部位或材料缺 陷处产生微细裂纹，然后在交变载荷作用下，微裂纹逐渐扩展 为疲劳裂纹，最后剩余截面上的应力达到材料的抗拉强度或超 过材料断裂韧度而发生突然开裂。它和脆性断裂相似，在破坏 过程中总体应力水平较低，处于弹性范围之内，一般没有明显 的塑性变形。即使它的最后断裂区是韧性断裂，也不会造成部 件整