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1、2018/10/20,承压设备事故与处理,1,承压设备事故与处理,山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所 陈颂英教授,2018/10/20,承压设备事故与处理,2,前言,承压设备数量以2005年为例，我国有在用锅炉55.38万台、压力容器152.30万台、气瓶1.30亿只、压力管道22.50万千米。 事故与损失那一年全年共发生特种设备（包括电梯、载人索道、大型游乐设施等在内）严重以上事故274起，其中，特大事故1起，重大事故18起，严重事故255起，死亡301人，受伤293人，直接经济损失6964.69万元。年万台设备事故起数为0.87，万台设备死亡人数为0.97，与2004年相比，特
2、种设备事故总起数减少7%，死亡人数增加1%，受伤人数减少31%，直接经济损失增加53%，在设备总量快速增长的情况下，万台设备事故起数继续保持下降趋势。,2018/10/20,承压设备事故与处理,3,前言续,事故原因按事故发生的原因分析，2005年274起特种设备事故中，使用不当及违章操作占44%，设备本身质量问题占20%，超期未检或者未按规定检验占16%，安全附件及安全装置损坏失效占10%，气瓶混装占6%，尚未调查结案或其它原因的占4%。,2018/10/20,承压设备事故与处理,4,1承压设备的破坏形式分类,2018/10/20,承压设备事故与处理,5,断裂的分类,断裂,塑性变形大小,韧性断
3、裂脆性断裂,裂纹扩展途径,沿晶断裂穿晶断裂,受力状态,静载断裂 冲击断裂 疲劳断裂,工作条件,冷脆断裂 高温蠕变断裂 应力腐蚀断裂 氢脆和氢腐蚀断裂,2018/10/20,承压设备事故与处理,6,承压设备的破坏形式分类,金属等材料构件的断口一般由纤维区F、放射区R和剪切唇S三个区域组成，这三个区域通常被称作断口三要素。图1为光滑圆柱金属棒在室温下承受静载拉伸作用，所呈现的典型破裂断口形貌，整个断口呈杯锥状。具体形貌特征为：,图1拉伸断口三个区域的示意图,2018/10/20,承压设备事故与处理,7,纤维区,纤维区位于断口中央，呈粗糙的纤维状圆环形花样。纤维区是裂纹形成并缓慢扩展的区域。当拉伸载
4、荷产生的应力超过强度极限时试件产生缩颈，由于缺口效应在缩颈处将产生应力集中，并出现三向应力。在三向应力作用下，裂纹首先在最小截面中心部位的某些非金属夹杂物、第二相质点、缺陷等处形成，并不断扩大、连接，使夹杂物之间的基体金属产生内缩颈，拉断夹杂物或使之与基体金属分离，形成显微空洞。在进一步受拉伸直到断裂的过程中，纤维区底部的晶粒被拉长得像“纤维”一样，显微空洞被拉断成两半，在断面上形成“韧窝”和“锯齿”。小锯齿的斜面与拉力呈45，说明纤维区的形成实质上是切应力作用下的断裂。但纤维锯齿状断口形成的总断面是和拉力载荷垂直的。该区塑性变形较大，表面粗糙不平，呈暗灰色。,2018/10/20,承压设备事
5、故与处理,8,放射区,放射区在纤维区的四周，其基本特点是有放射花样或放射线。放射区是裂纹迅速扩展的区域，放射线平行于裂纹扩展的方向，而且垂直于裂纹前端轮廓线，各放射线另一端共同指向裂纹起始位置。 放射花样也是由材料的剪切变形造成的，不过它与纤维区的剪切断裂不同，是在裂纹达临界尺寸后快速低能量撕裂的结果。这时，材料的宏观塑性变形量很小，表现为脆性断裂。但在微观局部区域，仍有很大的塑性变形。放射形花样是剪切型低能量撕裂的一种标志。 沿晶断裂和解理断裂一般包括在快速破坏的放射区内。因为这类断裂塑性变形很小，所以断口的放射线极细。材料越脆，放射线越细，直至消失。,2018/10/20,承压设备事故与处
6、理,9,剪切唇,剪切唇在断裂过程的最后阶段形成，表面平滑，与拉应力方向呈45，通常称为“拉边”。在剪切唇区域，裂纹也快速扩展，但材料的塑性变形量很大，是韧性断裂区。,2018/10/20,承压设备事故与处理,10,一般地说，工程结构断口都有“三要素”及大体相同的形貌，但是，当结构尺寸、形状及材料性能以及受力状态、加载速度和工作温度不同时，断口三个区域的形态、大小和相对位置都会发生变化。材料强度增高，塑性降低，则放射区所占比例增大；结构断面尺寸加大，放射区明显增大而纤维区变化不大；缺口的存在不但改变了断口中各区所占比例，而且改变了各区的分布。例如缺口圆柱试样首先从缺口处形成裂纹，最后断裂区在心部
7、；平板试件的纤维区呈椭圆形，放射区的花样呈人字形，人字形花样尖端指向裂源；冲击断裂的断口，其三个区不呈同心分布，而是依冲击方向依次分布等。 韧性断裂与脆性断裂之间没有明显界限。断口中以纤维区和剪切唇为主，放射区所占比例很小时，即为韧性断裂；断口中以放射区为主，纤维区和剪切唇所占比例很小时，即为脆性断裂。由于实际构件的尺寸形状、材料性能、工作条件与试验时断口产生的条件大不相同，所以实际构件断裂时的情况要复杂得多。,2018/10/20,承压设备事故与处理,11,1.1韧性破坏,承压部件的变形与韧性断裂 韧性断裂的特征 韧性断裂事故原因预防,2018/10/20,承压设备事故与处理,12,承压部件
8、的变形与韧性断裂,金属构件超载时会发生塑性变形，使宏观尺寸发生明显变化。当其应力应变增大到材料的抗拉强度时，结构便出现断裂失效。一般将发生过明显塑性变形之后的断裂称为韧性(或称延性)断裂失效。 韧性断裂的宏观特征1、有明显的塑性变形2、爆破口是长缝或有分叉，但无碎片,2018/10/20,承压设备事故与处理,13,承压部件的变形与韧性断裂续,2018/10/20,承压设备事故与处理,14,韧性断裂的特征,韧性断裂的断口特征 断口呈暗灰色纤维状。碳钢和低合金钢韧性断裂时，由于纤维空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形的纤维状断口，多数属于穿晶断裂，断口没有金属光泽而呈暗灰色。由于这种断裂是先滑移
9、而后断裂，一般是切断，所以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。,2018/10/20,承压设备事故与处理,15,韧性断裂的特征续,韧性破坏的设备一般不发生碎裂。韧性断裂的容器一般不破碎成块或者片，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。盛装常温受压水的容器，破裂时因释放膨胀功很小，所以破口也小；盛装受压饱和水及液化气体的容器，破裂时因闪蒸产生大量气体，器壁的裂口也较大。 实际爆破压力接近计算爆破压力，属于超压或超载破坏。承压设备的韧性断裂是载荷引起的当量应力达到抗拉强度时产生的断裂，其实际爆破压力往往与计算
10、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）。,2018/10/20,承压设备事故与处理,16,韧性断裂事故原因预防,承压设备常见韧性断裂事故承压设备承压部件只有在发生大量塑性变形才会出现韧性断裂，而这种情况在正确设计制造及合理使用时一般不会出现，即使出现也有明显的征兆。因此该种事故基本上可以避免。但实际使用中韧性断裂并不少见，常发生于以下情况： 液化气体容器充装过量。有些盛装高临界温度液化气体的气瓶、罐车和贮罐，由于操作疏忽、计量错误或其它原因造成充装过量，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
11、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。 承压设备在使用中超压。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，最终造成韧性断裂。,2018/10/20,承压设备事故与处理,17,韧性断裂事故原因预防续,设备维护不良引起壁厚减薄。由于介质对器壁的腐蚀或磨损，或设备长期闲置不用而又未进行可靠防护，造成器壁严重减薄，又未及时检验，使部件在正常工作压力下发生韧性断裂。对腐蚀减薄部位来说，这也属于超载高应力断裂。 承压设备韧性断裂的预防要防止承压设备发生韧性断裂事故，最根本的是保证部件器壁上的当量应力在任何情况都
12、不超过材料的屈服点。 承压设备必须按规定进行设计。承压部件必须经过强度验算，未经正规设计计算的承压设备禁止使用。,2018/10/20,承压设备事故与处理,18,韧性断裂事故原因预防续,禁止将一般生活锅炉改装成承压锅炉；防止非承压的容器因结构或操作原因在器内产生压力。 承压设备应按规定装设性能和规格都符合要求的安全泄压装置，并始终使其处于灵敏可靠的状态。 认真执行安全操作规程，操作人员不得擅自离开工作岗位，注意监督检查，防止承压设备超压。 作好承压设备的维护保养工作，采取有效措施防止腐蚀性介质及大气对设备的腐蚀。对长期停用的锅炉、容器及管道，应妥善保养防护。 严格定期检验制度，检验时若发现承压
13、部件器壁被腐蚀而致厚度严重减薄，或承压设备在使用中曾发生过显著的塑性变形时，即应停用。,2018/10/20,承压设备事故与处理,19,1.2脆性破坏,脆性破坏的概念 脆性断裂的特征 脆性断裂的预防,2018/10/20,承压设备事故与处理,20,脆性破坏的概念,脆性断裂失效主要是指设备在没有发生塑性变形时就发生断裂或爆炸。其基本原因一是由于材料的脆性转变而引起的脆断；二是由于构件出现了严重的缺陷（如裂纹）导致发生低应力水平下的脆断，这称为低应力脆断。 尽管承压设备材料一般具有较好的塑性和韧性，但钢材在不同使用条件下有产生脆性及脆化的可能。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
14、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。 脆性断裂是一个快速断裂的过程，材料内部的微裂纹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。,2018/10/20,承压设备事故与处理,21,脆性断裂的特征,承压部件发生脆性断裂时，在破裂形状、断口形貌等方面都具有一些与韧性断裂相反的特征。 无明显残余变形。由于金属的脆断一般没有留下残余伸长，因此脆性断裂后的承压设备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
15、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，其周长与原周长相差无几，承压设备的壁厚也没有减薄。 断口平齐且有金属光泽。脆性断裂一般是正应力引起的解理断裂，断口平齐且与主应力方向垂直。承压设备脆断的纵缝裂口与设备壁表面垂直；环向脆断时，裂口与承压设备的中心线相垂直。脆断往往是晶界断裂，所以断口呈闪烁金属光泽的结晶状。在壁很厚的承压设备脆性断口上，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。,2018/10/20,承压设备事故与处理,22,脆性断裂的特征续,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
16、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。如果承压设备是在使用中脆性断裂，设备内介质为气体或液化气体，则碎裂的情况将远较水压试验时严重，造成的后果常比韧性断裂严重得多。 断裂时的名义应力较低。金属的脆性断裂是因裂纹扩展造成的，断裂时设备壁中的一次应力名义应力通常不高，往往低于钢材的屈服点，因而这类断裂可以在承压设备的正常操作压力或水压试验压力下发生。 断裂多在温度较低的情况下发生。由于常用的承压设备钢材多有冷脆倾向，所以脆性断裂常在较低的温度下发生；包括较低的水压试验温度和较低的使用温度。此外，脆性
17、断裂常见于高强钢制造的容器及厚壁容器，这些容器材料的冲击韧性或断裂韧性较低。,2018/10/20,承压设备事故与处理,23,1.2脆性破坏,2018/10/20,承压设备事故与处理,24,脆性断裂的预防,传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑缺陷大小、温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素。 正确选择材料。考虑材料的韧脆转变温度，考虑材料的断裂韧性。 减少承压设备中结构的应力集中，消除残余应力例如减少尖锐角，消除未熔合与未熔透的焊缝，承压设备设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性。尽量减少由焊接产生的缺陷。细致设计焊接结构，设计中应尽量减少和避免焊缝集中和重叠交叉。需采用较好的焊接方法，保证焊透，尽量避免焊缝表面缺陷。,
