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1、压力容器的破裂失效分析及处理-I王露露（延安职业技术学院机电系08化工设备维修技术，陕西延安716000）摘 要：对压力容器的几种破裂失效形式：韧性破裂、脆性破例、疲劳破裂、 腐蚀破裂和蠕变破裂等进行原因分析，并提出相应的处理措施。关键词：压力容器；破裂失效形式；预防措施前言压力容器破裂事故会造成严重后果，我们应该对容器破裂机理有所了解。 金属的破裂方式有多种分类方法。根据在破裂前产生的塑性变形的大小分为韧 性破裂和脆性破裂；根据构件破裂面对外力取向分为正断和切断；根据破裂过 程中裂纹的发展和扩张途径分为穿晶破裂和晶间破裂等。从压力容器安全角 度，按金属材料破裂现象的不同，把压力容器的破裂分为
2、韧性破裂、脆性破例、 疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变破裂五种方式。一、塑性破裂（韧性破裂）塑性破裂是因为容器承受的压力超过材料的屈服极限，材料发生屈服或全 面屈服（即变形），当压力超过材料的强度极限时，则发生断裂。1. 塑性破裂的特征（1）具有明显的塑性变形破裂容器器壁有明显的伸长变形，破裂处器壁显著减薄。金属的塑性断裂 是经过大量的塑性变形后发生的，表现在容器上则是周长增大和壁厚减薄，而 轴向增长较小，从而产生“腰鼓形”的变形，当容器发生韧性破裂时，圆周长的 最大增长率和容积变形率达10%20%。所以，具有明显是外形变化，是压力 容器塑性破裂的主要特征。（2）断口呈暗灰色纤维状塑性破裂断口为切断型
3、撕裂，从金相上观察，这种断裂是先滑移后断裂 断口呈灰暗色纤维状，不齐平，于主应力方向成45度角。圆筒形容器纵向开裂 时，起破裂面常与半径方向成一定角度，即裂口是斜断的。（3）容器一般无碎片飞出，只是裂开一个口子。壁厚比较均匀的圆筒形容器，常常是在中部裂开一个形状为“（）”的裂口。 韧性破裂时的爆破压力接近理论爆破压力，爆破口的大小随承压特种设备破裂 时膨胀能量大小而已，释放的能量越大，爆破口越大。（4）应力值很高韧性破裂时，承压特种设备器壁的应力值很高。（5）断口的电镜分析断口的微观形貌为韧窝花样，韧窝的实质是一些大小不等的圆形、椭圆形 凹坑，是材料微区塑性变形后在异相点处形成空洞、长大聚集、
4、互相连接并最 后导致断裂的痕迹。宏观形貌是显微窝坑的概貌。韧窝几乎都为金相中的二次 相界面、非金属夹杂物、位错堆积区或晶界处等。因此非金属夹杂物愈多，愈 易形成显微空洞和韧窝。2. 造成塑性破裂的原因（1）过量充装盛装液化气体的容器过量充装。液化气体随温度的升高体积增加比较大。 若容器内是满液，则压力急剧上升，造成超压爆炸。这可能是由于充装失误、 计量误差或操作工责任心不强造成的。（2）使用过程中超压由于容器在使用过程中超压而使器壁应力大幅增加，超过材料的屈服极 限。如化学反应器由于操作不当、介质工艺参数失控而使化学反应速度加快、 反应温度升高，使器内压力上升。（3）设计或安装错误由于设计或安
5、装错误，如容器的进气压力高于容器的设计压力，但没有在 进气管安装减压阀。（4）腐蚀器壁大面积腐蚀使壁厚减小。3. 防止塑性破裂的措施防止塑性破裂事故发生的根本措施是防止容器壳体应力超过材料的屈服 极限，即防止超压。操作中应注意以下几个方面：（1） 在设计制造压力容器时，要选用有足够强度和厚度的材料，以保证承 压特种设备在规定的工作压力下安全使用。（2）压力容器应该按核定的工艺参数运行，安全附件应安装齐全、正确，并 保证灵敏度。（3）使用中加强巡回检查，严格按照操作规程，防止因操作失误造成内压升 高严禁超压、超温、超负荷运行。盛装液化气体的容器，应防止过量充装和超温 运行。（4）容器应按压力容器
6、安全技术监察规程进行定期检验，防止因器壁腐 蚀减薄而发生事故。二、脆性破例压力容器在正常压力范围内，无塑性变形的情况下突然发生的爆炸称为 脆性破例。1. 产生脆性破例的原因（1）低温使材料的韧性降低或材料的脆性转变，（2）温度升高使材料的变脆。（3）设备存在制造缺陷，造成局部压力过高。2. 脆性破裂的特征（1）没有明显的塑性变形容器发生脆性破裂时没有明显的外观变， 因而往往是在没有外观预兆 的情况下突然破裂。（2）断口齐平呈金属光泽作为脆性破裂的断裂源，往往是材料内部存在的缺陷处或结构几何形状不 连续处应力集中的部位。当器壁厚较大时，出现人字形纹路，其尖端指向断裂 源。（3）般产生碎片由于脆性
7、破裂过程是裂纹迅速扩展的过程，材料的韧性又差，所以，脆性 破裂的容器常裂成碎片，且再容器破裂时飞出。（4）破裂事故多在温度较低的情况下发生金属材料断裂韧性随温度的降低而减小，所以，有裂纹缺陷的容器常在 温度较低的情况下发生脆性破裂。3. 防止脆性事故发生的措施（1）确保材料有较高的韧性材料的韧性是至关重要的。因此，从设计时就必须考虑选择具有良好韧性 的材料来制造压力容器，必须时甚至可以放弃追求过高的强度。（2）避免或降低容器应力集中如结构不良，开孔等，造成局部应力过高。在设计时，尤其是对低温容器应尽可能的采用降低毅力集中的补强结构，制造时应严格按设计要求施工。（3）提高焊接质量热处理消除容器的
8、残余应力。消除残余应力的主要方法是退火处理。（4）按规定定期对容器进行检验重点对裂纹性缺陷进行检验和无损探伤，操作时应注意容器是否出现异常 泄露，即裂纹源。三、疲劳破裂压力容器的疲劳破裂是由于容器在频繁的加压、卸压过程中，材料受到交 变应力的作用，经长期使用后所导致的容器破裂。交变应力是随时间呈周期性 变化的应力，也称疲劳应力。容器在承压和卸压状态下，器壁所受的压力差很 大。不过容器在使用过程中一般加压、卸压重复次数不多，所以材料通常承受 的是所谓的低周疲劳应力。在交变应力作用下容器的较高应力部位会产生细微 的裂纹（或微细裂纹扩展）等缺陷，并在裂纹的尖端形成高度应力集中。应力 集中的存在，使微
9、细裂纹逐渐扩大。同时，由于应力不断的交变，在裂纹扩大 到一定的程度后，如果载荷达到一定数值，或遇到冲击、震动，容器就会沿着 裂纹发生破裂。1. 疲劳破裂的特征（1）破坏总是在经过多次的反复加压和卸压以后发生。（2）容器破裂时没有明显的塑性变形过程，器壁没有减薄。（3）容器一般不是破裂成碎片，而是裂成一个口，泄露失效。（4）疲劳断口存在两个明显的区域，一个是疲劳裂纹扩展区，光滑面有海滩 装波纹，一个是最终断裂区，断口齐平有金属光泽。（5）疲劳破裂的位置往往是在容器存在应力集中的部位（如开口接管处等）。2. 防止疲劳破裂是措施防止疲劳破裂的措施，应在使用过程中尽量减少不必要的加压、卸压，以 及严格
10、控制压力及温度的波动。主要还应在设计时采用合理的结构。一方面要 避免应力集中，使容器器壁个别部位的局部应力不至于超过材料的屈服强度， 另一方面，如果容器上确实难以避免的要出现较高的局部应力，则应做疲劳分 析和疲劳设计。在制造时还要按正确的工艺进行，确保制造质量。四、腐蚀破裂压力容器在腐蚀介质作用下，引起壁厚减薄或材料组织结构改变，力学性 能降低，使压力容器的承压能力不够而产生的破坏，称为腐蚀破裂。腐蚀破裂一般是应力腐蚀的结果。应力腐蚀是金属材料在应力和腐蚀介质 的共同作用下，以裂纹形式出现的一种腐蚀破坏。发生应力腐蚀，必须同时具 备两个条件：一是应力，指拉伸应力，包括由外载荷引起的应力和加压过
11、程中 引起的残余应力；二是腐蚀介质。常见的容器应力腐蚀有以下几种（1）液氨对碳钢及低合金钢容器的应力腐蚀液氨广泛用于化肥、石油化工、冶金、制冷等工业部门。液氨的储存和运 输大部分用低碳钢或低合金钢制压力容器。在一般情况下，无水液氨只对钢材 产生轻微是均匀的腐蚀。但是液氨储罐在充装、排料及检修当中，容易受空气 污染，而大气中的氧及二氧化碳则促进液氨的应力腐蚀。液氨的应力腐蚀主要 是残余应力，且与它的工作温度有明显关系。为防止液氨对储存容器的应力腐蚀，使用中应采取以下措施：1）在焊接工艺上采取措施，减小焊接残余应力。焊缝最好都经过消除残余应 力处理，冷压封头必须经过热处理。2）尽可能的采用屈服强度
12、低的低碳钢制造也氨储罐。若采用合金钢材料，则 16MnR比16Mn更合适。3）尽可能的保持较低的工作温度，低温储存。4）减小空气污染。在液氨中加入0.1%0.2%的水。实验证明，11） 液氨中含有0.2%的水有缓蚀作用，12）但对高强度钢不13）起作用。（1）硫化氢对钢制容器的应力腐蚀在化工行业，硫化氢的应力腐蚀是一个比较普遍的问题，特别是湿的硫化 氢对碳钢和低合金钢的应力腐蚀。在应力因素方面，除了薄膜应力以外，主要 是焊接残余应力、强行装配组焊引起的附加应力等。在腐蚀因素方面，介质中 含有较高的硫化氢及水分与高强度钢焊缝区的淬硬组织，构成了腐蚀环境。预防硫化氢对压力容器的应力腐蚀除了从根本上
13、降低介质中硫化氢的含 量外，比较有效的措施是消除残余应力或减小焊接残余应力和其他附加应力。 最常用的办法是进行焊后热处理。还可以采用内部防腐层的办法。（2）热碱溶液对钢制容器的应力腐蚀压力容器的工作介质中，如果含有一定浓度的氢氧化钠溶液，在温度较高 的特定环境中，会对碳钢或合金钢产生应力腐蚀。这种现象俗称碱脆，或称苛 性脆化。钢的碱脆一般要同时具备三个条件:既高的温度、高的碱浓度和拉伸应力。 碱脆断裂的容器，没有宏观的塑性变形，断裂都发生在应力集中的部位，断面 与主拉伸应力大体成垂直。（3）含水的一氧化碳对钢的应力腐蚀在通常情况下，一氧化碳气体可以被铁吸附，在金属表面形成一层保护膜。 但是由于
14、多种原因，内壁上这层保护膜遭到局部破坏。于是在保护膜在被破坏 的地方，因一氧化碳和水的作用，使铁发生快速阳极溶解，并形成向纵深方向 扩展的破裂。（4）高温高压氢对钢的应力腐蚀在石油化工容器中有一些容器的工作介质是温度为几百摄氏度、压力为几 十兆混合气体。碳钢及低合金钢在高温高压的还原性介质（特别是氢）的作用 下，强度和塑性都会严重降低，而它的外表面却没有明显的破坏迹象，这一现 象称为“氢脆”。原因是发生了化学反应，高温高压的氢进入钢中与渗碳体相互 作用，生成甲烷，使钢脱碳。氢气是否使钢发生氢脆，主要取决于它的压力、温度、作用时间和钢的化 学钢中碳与合金的含量对氢脆也有很大的影响。在相同的温度和
15、压力的条件 下，碳的含量越高，越容易发生氢脆。在合金钢中，碳的含量对清脆的影响就 更为明显。钢中若加入铬、钛、钒等元素，则可阻止钢产生氢脆。影响应力腐蚀的因素很多，例如几时的种类、介质浓度、环境温度、构件 所处的应力状态、金属材料的成分与组织。设备的防腐措施是各种各样的，需 要根据不同的工作介质采用不同的方法。主要有以下几种：1选择合适的抗腐材料2采取必要的保护措施，使承压部件与腐蚀介质隔离3进行合理的设计，避免高应力区4制造时制定合理的工艺参数，消除残余应力5使用中加强管理，定期检查维修。五、蠕变破裂蠕变是指当金属的温度高于某一限度时，即使应力（主要为拉应力）低 于屈服极限，材料也能发生缓慢的塑性变形。这种塑性变形经长期积累，最终 也能导致材料破坏，这一现象被称为蠕变破裂。容器发生蠕变破坏是由于容器长期处于高温（碳素钢和普通低合金钢的蠕 变温度界限为350400度）下工作，应力长期作用的结果。主要是未选用抗蠕 变性能好的金属钢来制造高温部件、结构设计不合理而使局部区域过热、制造 时改变了材料的组织而降低了材料的抗蠕变性能以及由于操作或维护不当,使 承压部件局部过热。材料发生蠕变破裂时，一般有明显的塑性变形，断口表面形成一层保护膜。 预防压力容器高温承压部件蠕变破裂主要有以下几个方面：
