压力容器的常见破坏方式

原创 胡伟明  2020-06-01 20:56:00  阅读 243 次 评论 0 条
摘要:

破坏方式压力容器的失效意指该容器已不能承担其在正常条件下所应该承受的载荷。失效的容器不一定就是破坏,破坏了的容器当然已经失效。例如,弹性失效会使器壁材料产生滑移,从而导致在该介质的温度和压力作用下加速腐蚀或应力腐蚀;紧固件的蠕变或应力松弛失效会导致密封连接件产生泄漏等等。压力容器的破坏则是失效类型中较多的一种形式。1.延性断裂一般不存在、或仅存在数量很少、尺寸很小的缺陷,结构上都有各种避免尖锐棱角、拐角、凹槽、急剧的厚度改变等措施,且在使用温度下有足够延塑性的材料所制成的容器,在破坏时都呈延性断

破坏方式

压力容器的失效意指该容器已不能承担其在正常条件下所应该承受的载荷。失效的容器不一定就是破坏,破坏了的容器当然已经失效。例如,弹性失效会使器壁材料产生滑移,从而导致在该介质的温度和压力作用下加速腐蚀或应力腐蚀;紧固件的蠕变或应力松弛失效会导致密封连接件产生泄漏等等。压力容器的破坏则是失效类型中较多的一种形式。

1.延性断裂

一般不存在、或仅存在数量很少、尺寸很小的缺陷,结构上都有各种避免尖锐棱角、拐角、凹槽、急剧的厚度改变等措施,且在使用温度下有足够延塑性的材料所制成的容器,在破坏时都呈延性断裂。以容器的爆破为例,其特征为:

(1)爆破曲线有明显的屈服和明显的塑性变形、应变硬化阶段,见下图:

压力容器的爆破曲线.png

(2)断口一般为和最大主应力成45°的剪切断口;爆破只有鱼形裂口,无分枝,更无碎片,见下图:

延性断裂.png

(3)断口为无光泽的纤维状断口。

选材正确,设计可靠,结构合理,按规范要求制造并检验合格的容器,在爆破时都会呈延性断裂。符合各项要求建造的容器,在爆破时都应该是延性断裂。

2.脆性开裂或断裂

当材料或焊缝存在原始缺陷,或因未焊透焊缝、或结构上存在尖锐棱角、凹槽、急剧过渡等,且材料含碳量或碳当量较高,在操作温度下冲击韧性不足等原因,容器在运行或耐压试验中可能在局部地区开裂或甚至因超压等原因引起整体爆破,在爆破时可能发生脆性断裂;如爆破压力远低于按计算所应得的爆破压力且为脆性断裂,则为低应力脆断。

脆性断裂的特征和延性断裂明显不同,其特征为:

(1)爆破曲线无明显屈服点和塑性变形阶段。如属低应力脆断,则其爆破点在相应延性断裂的屈服点以下,见下图。

压力容器的爆破曲线.png

(2)断口一般和最大主应力相垂直,如对圆筒而言,则一般和周向应力相垂直,见图下图(b)。一般情况下伴有碎片,或至少是裂口有不规则的分枝状,见下图(a)。

脆性断裂.png

(3)断口呈光亮、粗糙的晶粒状。

脆性断裂,特别是低应力脆性断裂的发生,总是有其特殊原因的,或选材不当,或使用温度不当,或结构不合理,存在明显的难焊透接头或器壁厚薄过于悬殊,或存在尖锐棱角、凹槽、急剧过渡等,或不符规范的制造使焊缝及其热影响区晶粒粗大而造成脆性,或制造中存在明显的焊接缺陷及过大的残余应力,或检验不规范,漏检可能存在的种种缺陷等等。因为发生脆性断裂并无特殊的前兆,且往往有碎片,因而一旦发生则会构成很大的破坏和人员伤亡。所以在压力容器选材、设计、制造、检验中任何一个环节都要严格防止断裂,特别是脆性断裂的发生。在新产品试制过程中的试验或成批产品(例如气瓶)的抽验中一旦发生任何形式的脆性断裂,都应立即停止试制或停止将该批成品投入使用,应查找原因,直至试验或抽验中决不发生任何形式的脆断为止。

3.疲劳断裂

压力容器的局部高应力区,例如开孔接管区,焊缝的错边、咬边、余高处,未焊透焊缝处以及各种结构上不连续,例如尖锐棱角、凹槽、形状或厚度急剧改变区以及局部载荷作用处等地区在交变载荷(包括压力、各种外载荷和温差等)作用下有可能发生疲劳断裂,其特征为:

(1)失效前无明显的变形,泄漏(因疲劳裂纹逐渐扩展至穿透器壁所致)或断裂往往是突然发生的(实际上断裂也是因为疲劳裂纹穿透壁厚所致,如在使用中加强监测,则可测得随着载荷交变次数的增加,裂纹长度或深度也逐步扩展增大)。

(2)起漏或起爆点处总存在这样那样的原始缺陷、未焊透以及种种导致局部高应力的应力集中源。

(3)断口由纤维状起裂点(或原始缺陷)以及或大或小的贝壳纹形扩展区组成,如果最终引起断裂,则在贝壳纹形扩展区以外总有或大或小的脆性断裂区,见下图。

疲劳断裂的断口.png

对于在运行中存在交变载荷,在整个使用寿命期间其交变循环次数达到上千次(不用补强圈补强,且接管也采用全焊透结构者;如采用补强圈补强,或有部分焊透结构者,则次数更少),一般都应按应力分析设计标准进行判别,必要时进行疲劳设计。对有疲劳分析要求的容器,总是采取种种措施尽可能降低局部地区的高应力;如在使用过程中发现裂纹等缺陷,应及时采取监测等手段,避免发生突然的疲劳断裂。

4.失稳破坏

圆筒、封头(半球形、椭圆形、碟形、锥形)、换热管等受压缩载荷时,有可能发生周向失稳或轴向失稳。周向失稳时可沿圆筒、锥壳周向或凸形封头过渡区周向形成几个轴对称的波形;轴向失稳时可沿轴向出现波纹或皱折(虽然固定管板式换热器的换热管在承受压缩应力时也要按轴向欧拉失稳原理校核,但实际上由于管板、壳体的约束,不会真正发生欧拉失稳,当按稳定性校核有可能发生欧拉失稳时,其表现形式往往是换热管对管板的焊口或胀口破坏,引起泄漏);大型贮罐在操作不当时可以引起局部塌陷。虽然器壁并未破裂,但元件形状大变,已不能发挥其正常的运行功能,且一般情况下也会担心因大变形而引起材料性能的变化,所以都应视为破坏而停止运行。

虽然容器元件受压缩应力时一般都按稳定性原理进行设计,但由于在运行中可能出现的超压或意外发生的负压,以及制造成形后的实际形状和稳定性校核时所用理想形状之间的偏差,都可能导致意外失稳。


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