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压力容器的常见失效模式

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压力容器的常见失效模式

发布日期:2020-07-16 作者: 点击:

今天由内蒙古压力容器为我们介绍压力容器的常见失效模式有哪些:


脆性断裂


脆性断裂是在较低应力下发生的突然快速断裂,发生脆性断裂的材料只有轻微或基本没有塑性变形。脆性断裂一般断口平直,易产生碎片。


断裂时构件承载的工作应力并不高,通常不超过屈服应力,故又称为低应力脆断,脆断一般从构件内部存在的宏观裂纹作为“源”开始的;中、低强度钢脆断常在低温下发生,而高强钢则说不准;断口平整光亮,有金属光泽,且与正应力垂直,断面上有人字或放射花纹。


从失效机理分,脆性断裂可分为:低温脆断、回火脆化、氢脆、475℃脆化、σ相脆化等。


韧性断裂


韧性断裂发生前一般发生显著的塑性变形,韧性断裂的主要特征为:


(1)伴随塑性变形及能量吸收;


(2)工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩;


(3)断面一般平行于较大切应力并与主应力成45°。


韧性断裂的发生一般与超温、超压、过量腐蚀减薄等有关。


超量变形引起的接头泄漏


超量变形引起的接头泄漏一般是因构件过度的弹性变形引起的失效。如法兰、平封头等刚性连接件的泄漏,因为选型或计算失误,导致较低压力等级的法兰用于较高压力场合,易发生此类法兰或平盖泄漏。还有就是因为换热管膨胀等引起换热器管板弯曲变形,可能导致分隔板密封面发生泄漏。GB150中的法兰设计章节,就主要是从预防法兰过度变形引起泄漏进行考虑的。


弹性或弹塑性失稳


一般来说,承受外压的压力容器可能发生失稳,如煤气发生炉、带蒸汽夹套的搅拌釜、潜水艇等。


一旦发生失稳,圆筒体会出现明显的凹陷变形,判断圆筒体失稳较典型的现象是多波状结构。对承受内压的压力容器,椭圆形封头的小r部位可能承受压应力,如该部位在使用中减薄的较厉害,该部位也存在发生失稳的风险。


压力容器


蠕变


低于屈服应力的载荷作用下,高温设备或设备高温部分金属材料随时间推移缓慢发生塑性变形的过程称为蠕变,蠕变变形导致构件实际承载截面收缩,应力增大,并之后发生不同形式的断裂。蠕变一般可分为以下两类:


(1)沿晶蠕变:常用高温金属材料(如耐热钢、高温合金等)蠕变的主要形式,在高温、低应力长时间作用下,晶界滑移和晶界扩散比较充分,孔洞、裂纹沿晶界形成和发展;


(2)穿晶蠕变:高应力条件下,孔洞在晶粒中夹杂物处形成,随蠕变损伤的持续而长大、汇合。


蠕变损伤的初始阶段一般无明显特征,但可通过扫描电子显微镜观察来识别。蠕变损伤速率的主要影响因素为材料、应力和温度。


压力容器发生蠕变后可能发生蠕变断裂,如炉管的蠕变破裂;高温下因螺栓紧固件材料使用错误,可能发生蠕变,导致法兰连接接头泄漏;随着使用时间的延长,容器因为蠕变导致壁厚变薄、直径增大,可能导致结构突然失稳等。


冲蚀


固体﹑液体﹑气体及其混合物的运动或相对运动,在流体与金属之间产生切应力,能剥离金属表面层,造成表面材料的损耗。冲蚀可以在很短的时间内造成材料局部严重损失,典型情况有冲刷形成的坑沟、锐槽、孔和波纹状形貌,且具有相对的方向性。一般来说硬度低的合金易发生冲蚀;流速越高,冲蚀越严重;介质组分的相态,夹带颗粒的尺寸、密度和硬度均能影响冲蚀。


腐蚀


金属材料以及由它们制成的结构物,在自然环境中或者在工况条件下,由于与其所处环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏,这种现象称为腐蚀,其中也包括上述因素与力学因素或者生物因素的共同作用。某些物理作用例如金属材料在某些液态金属中的物理溶解现象也可以归入金属腐蚀畴。


环境助长开裂


压力容器在使用过程中除承受压力等载荷之外,还与介质接触,同时受外界水气等影响会加速腐蚀开裂。比较典型的如应力腐蚀开裂、氢致开裂等。


应力腐蚀开裂:金属在应力和腐蚀介质协同作用下发生的破裂称为应力腐蚀破裂(SCC)。在腐蚀介质不存在的条件下,只有当作用于金属上的应力超过其抗拉强度时,金属才会断裂。反之,在应力不存在的条件下,只有当金属与腐蚀性很强的介质接触时,金属才会在较短的时间内受到严重腐蚀,从而被破坏。但是,当应力和腐蚀介质共同作用时,就会出现全然不同的情况。金属的应力腐蚀破裂往往在应力远低于抗拉强度而介质腐蚀性又很轻微的情况下发生。破裂之前,金属没有显著的变形或其它明显可见的宏观征兆,因此常被忽视而疏于防范,以致酿成恶性破坏事故。


氢致开裂:氢作为原子序数较小的原子其直径非常小,渗透性较强,由此会导致一系列的开裂或脆断问题。典型的氢致开裂失效模式有湿硫化氢破坏、氢氟酸致氢应力开裂、氢氰酸致氢应力开裂。


扩展性塑性变形及交替塑性


要了解扩展性塑性变形及交替塑性,需要涉及到安定性概念,安定性是塑性力学中研究具有初始塑性变形的物体或结构在变值载荷的作用下能否不产生新塑性变形的理论。所谓变值载荷是指在某一范围内作周期性变化或按其他规律循环变化的载荷。简单来说结构在具有相对范围的变值载荷作用下,除初始阶段产生相对塑性变形并出现一个残余应力分布外,不管载荷在此范围内如何变化,物体或结构中不再出现新的塑性变形,则称结构所处的状态为安定状态,反之称为非安定状态。在变值载荷作用下,即使载荷不会使物体或结构达到极限状态,结构也可能变坏。


疲劳


在循环机械载荷作用下,材料、零件或构件在一处或几处产生局部长久性累积损伤而产生裂纹的过程称为机械疲劳。经相对循环次数后,裂纹不断扩展,可能导致构件的突然断裂。根据构件承受的应力应变大小可分为弹性应变疲劳(中周和高周疲劳)、弹塑性应变疲劳(低周应变疲劳)。弹性应变疲劳应力循环水平低,循环周次高,多见于轴、叶轮等部件,压力容器上比较少见,但有些振动严重的设备或部件如受冲击振动的换热管等也可能产生弹性应变疲劳。弹塑性应变疲劳(低周应变疲劳)在压力容器上较常见。


环境助长疲劳


典型的环境助长疲劳是腐蚀疲劳,即在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环载荷引起的疲劳失效。一般来说,相同的构件腐蚀疲劳寿命远短于机械疲劳寿命。较典型的腐蚀疲劳案例是高温高压染色机发生的开裂泄漏,染色机需要频繁启闭,承受压力、温度变化,同时成分非常复杂,如果含有相对的卤素离子,可能产生应力腐蚀疲劳开裂。


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