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工業壓力容器失效原因及模式

發布時間:2020-05-28 09:46:44         發布人:化工泵
   工業生產使用中,壓力容器的失效是什么原因產生的,分為哪些呢?壓力容器的失效是損傷積累到一定程度,容器的強度、剛度或功能不能滿足使用要求的狀態。那么損傷是怎么產生的呢?其實損傷是一個過程,容器在外部機械力、介質環境、熱作用等單獨或共同作用下,材料性能下降、結構不連續或承載能力下降,這便是損傷。發生損傷后不一定失效,而發生失效則一定存在損傷。
   失效模式是壓力容器的設計基礎,設計方法(準則)必須針對失效模式,壓力容器設計的一步驟就應該是確定容器有可能發生的失效模式;對于第III類壓力容器,設計時還要求出具包括主要失效模式、風險控制等內容的風險評估報告。另外對壓力容器檢驗結果的評價,也是建立在失效模式的基礎上。
   針對鍋爐和壓力容器常見的失效形式,在標準中將失效模式歸納為三大類。
壓力容器
一、長期失效模式
1、沖蝕、腐蝕(Erosion, corrosion)
  壓力容器材料在腐蝕介質作用下,如碳鋼罐,因均勻腐蝕導致壁厚減薄及材料組織結構改變或局部腐蝕造成的凹坑,使材料力學性能降低,容器承載能力不足而發生的斷裂。壓力容器腐蝕機理有化學腐蝕和電化學腐蝕。腐蝕形態有均勻腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕等。
2、蠕變斷裂(Creep rupture)
    壓力容器在高溫下長期受載,隨著時間增加材料發生緩慢的塑性變形,塑性變形經長期積累而造成厚度明顯減薄或鼓脹變形,導致容器斷裂。壓力容器發生蠕變時,一般壁溫達到或超過其材料熔化溫度的25%~35%。蠕變斷裂的變形量取決于材料的韌性,斷裂時的應力值低于材料使用溫度下的強度極限。
3、環境助長開裂,如應力腐蝕開裂、氫開裂等
4、蠕變-在機械連接處的超量變形或導致不允許的載荷傳遞
5、蠕變失穩(Creep instability)
  隨著時間的推移逐漸積累的變形為蠕變變形,蠕變變形發展到一定程度會出現蠕變失穩。
二、短期失效模式
1、韌性斷裂(Ductile rupture)
   在壓力等荷載作用下,產生的應力值達到或接近器壁材料的強度極限而發生的斷裂。通常碳鋼壓力容器的韌性斷裂的主要原因是壁厚過薄(設計壁厚不足和厚度因腐蝕而變薄)、內壓過高或選材不當、安裝不符合安全要求。
2、脆性斷裂(Brittle fracture)
   容器沒有明顯的塑性變形,且器壁中的應力值遠遠小于材料的強度極限
甚至低于材料的屈服極限而發生的斷裂。脆性斷裂的主要原因在于材料的脆化(材料選擇不當、材料加工工藝不當、應變時效、運行環境惡劣)和材料本身的缺陷。
3、超量變形引起的接頭泄漏(Leakage at joints due to excessive deformations)
   容器的各種接口密封面失效或脹接管口松動發生泄漏而引起的失效,泄漏介質可能造成嚴重的環境污染。
4、彈性、塑性或彈塑性失穩(垮塌)
5、超量局部應變引起的裂紋形成或韌性斷裂
   在壓應力作用下,壓力容器突然失去其原有的規則幾何形狀引起的失效稱為失穩失效。容器彈性失穩的一個重要特征是彈性撓度與載荷不成比例,且臨界壓力與材料的強度無關,主要取決于容器的尺寸和材料的彈性性質,但當容器中的應力水平超過材料的屈服點而發生非彈性失穩時,臨界壓力還與材料的強度有關。
三、循環失效模式
1、環境助長疲勞
2、擴展性塑性變形
3、交替塑性
4、彈性應變疲勞(中周和高周疲勞)或彈塑性應變疲勞(低周疲勞)。
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