压力容器破裂形式.ppt

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1、压力容器的破裂形式,重点：学习各种破裂形式的机理、特征、原因和预防措施,延性破裂脆性破裂疲劳破裂腐蚀破裂压力冲击破裂蠕变破裂,一、延性破裂（韧性破裂）,弹性阶段 当外力消失，材料仍能回到原理的状态而不产生明显的塑性变形；弹塑性阶段 材料发生很大的塑性变形，外载荷消失后材料不再恢复原状，塑性变形仍将保留 断裂阶段 应力超过了材料的强度极限后，材 料将发生断裂,弹性变形阶段,弹塑性变形阶段,断裂阶段,机理,韧性破裂的机理,弹性变形阶段,弹塑性变形阶段,断裂阶段,韧性断裂：断裂前有明显塑性变形,塑性破坏：,韧性断口：,化学爆炸 大变形 45度剪切唇 高速形变马氏体,容器的韧性撕裂,特征,器壁有明显的

2、塑性变形韧性破坏的断口为切断撕裂韧性破坏时的爆破压力接近理论爆破压力韧性破坏时，容器器壁的应力值一般达到 或接近材料的强度极限。,原因,盛装液化气体介质的容器充装过量：对于盛装液化气体的容器，应该按规定的充装系数充装，即留有一定的气相空间，因为随着温度的增加，饱和蒸汽压显著增加。使用中的压力容器超温超压运行：违反操作、安全装置不灵或者投料不当等导致容器器壁的应力达到材料强度极限,容器壳体选材不当或容器安装不符合安全要求：选用的材料的强度过低，或压力容器的安装错误，使得压力来源处的压力高于压力容器的设计压力或最高工作压力，而又无可靠的 减压装置，则可能导致破坏。维护保养不当：压力容器的器壁发生大

3、面积的腐蚀，壁厚减薄，在正常工作压力下受压部件整体屈服发生破裂。,事故预防,在设计制造压力容器时，要选用有足够强度和厚度的材料，以保证压力容器在规定的压力下安全使用；压力容器应该按照规定的工艺参数运行，安全附件应安装齐全、正确、并保证灵敏可靠；使用中加强巡检工作严格按照工艺参数进行操作，严禁压力容器超温、超压、超负荷运行，防止过量充装；加强维护保养工作，采取有效的措施防止腐蚀性介质及大气对压力容器的腐蚀。,二、脆性破坏,冷脆性：指在0左右的低温下钢材韧性的明显降低。相应的低温界限叫钢材的“韧脆转变温度”。低碳钢及低合金钢均有冷脆性，并常导致冷脆破裂。蓝脆性：指在200300时钢材的韧性降低，并

4、常体现为应变时效。后者是指钢材经冷加工塑性变形后，在室温下长期放置或在中温（对碳钢为200300）下短期放置，其韧性明显下降的现象，常见于低碳钢。热脆性：某些钢材长期停留在400500温度范围内以后冷却至室温，其冲击值明显下降。,机理,钢材在特定条件下会产生脆性或脆化,碱脆：也叫苛性脆化，指在高浓度碱性介质和应力的共同作用下，钢材明显变脆并导致破裂的现象，常发生在锅炉锅筒及接触碱性介质的容器上。氢脆：指钢材接触氢或含氢介质而导致韧性明显降低的现象。黑脆：即石墨化，指钢材长期承受高温，其渗碳体分解析出石墨，使钢材韧性明显下降的现象。多发生在长期承受高温的低碳钢、钼钢部件上。,脆性断裂断裂前没有明

5、显的塑性变形,脆性断口,特征,脆断时无明显外观变化和外观预兆，破坏后容器器壁无明显的伸长变形，壁厚一般不减薄。脆性破坏的断口齐平，呈金属光泽的结晶状，并与最大主应力方向垂直。容器纵向脆断时裂口与器壁表面垂直，环向脆断时断口与容器的中心线相垂直容器脆断时，常裂成碎片并飞出，其结果要比韧性破坏严重的多厚壁容器和较低温度的容器最易发生脆性破坏，且断裂时名义应力很低，常低于材料的屈服极限。,脆性破坏,原因,温度：因为钢在低温下或在某易特定的温度范围内其冲击韧性急剧下降 裂纹性缺陷：压力容器受压元件一旦产生裂纹，这个区域的实际的应力要比按常规方式计算的数值高的多，材料的实际强度比无裂纹的理想材料的强度低

6、，即使材料有足够的韧性，但当裂纹缺陷达到一定的尺寸界限时，仍可能发生脆性断裂,事故预防,提高容器制造质量特别是焊接质量，是防止容器脆性破坏的重要措施。容器材料在使用条件下应具有较好的韧性加强压力容器的维护保养和定期检验工作，及时消除检验中发现的裂纹性缺陷，确保容器安全运行。,两种破裂形式对比,两种形式破裂特征对比,三、疲劳破裂,疲劳破裂指压力容器在反复加压和卸压过程中受到交变载荷的长期作用，没有经过明显的塑性变形而导致容器断裂的一种破裂形式。,对称交变和脉动交变机械应力和热应力。,金属构件的疲劳,燕山石化化学品事业部粗苯酚再沸器振动破坏,壳程筒体与管板间焊缝附近裂纹,壳程筒体与管板间焊缝横截面

7、,结构不合理和介质冲击导致疲劳，管板锻件晶粒度超过1级使疲劳加剧,中海化学合成氨装置103-JT转子叶片振动破坏,设计的安全系数偏小和榫齿与转子间的配合偏差导致疲劳,断裂后的叶片,断裂后的叶根,1.疲劳破裂的机理,三、疲劳破裂,1.疲劳破裂的机理,三、疲劳破裂,疲劳裂纹核心的产生,疲劳裂纹的扩展,金属疲劳断口,疲劳裂纹产生与扩展区，象贝壳一样的同心弧线花纹,最后断裂区，与静载荷下带有尖锐缺口的构件断口相似,金属疲劳断裂的过程,表面、晶界及非金属夹杂物处滑移,1.高应力低周疲劳 锅炉压力容器的疲劳是在结构局部高应力、低交变周次下发生的疲劳，叫低周疲劳。其交变载荷引起的最大应力超过材料的屈服点，而

8、疲劳寿命N102105 2.低应力高周疲劳 低应力、高交变周次下发生的疲劳。其交变载荷引起的最大应力在材料屈服点以下，疲劳寿命N1105。,特征,容器破坏时没有明显的塑性变形；疲劳断裂与脆性破坏的端口形貌不同，疲劳端口存在两个明显的区域，一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最终断裂区容器的疲劳破坏一般是疲劳裂纹穿透器壁 而泄漏失效疲劳破坏总是在经过多次的反复加压和泄压后发生的,疲劳断口,疲劳破裂的原因,三、疲劳破裂,内部因素,例如，容器的接管、开孔、转角以及其他几何形状不连接处，在焊缝附近以及钢板原有缺陷的应力集中,外部因素,间歇式操作的容器，器内压力、温度波动较大，振动；外界的风、雪、雨、地

9、震造成的周期性外载荷,局部高应力区,反复交变载荷,疲劳破裂的预防,制造质量应符合要求，避免先天性缺陷,安装中要防止外来载荷源的影响,正确操作，减少升压、降压的次数，防止压力温度波动过大,制造前做疲劳设计,三、疲劳破裂,腐蚀破裂：压力容器材料在腐蚀性介质的作用下，引起容器壁由厚变薄或材料组织结构改变、力学性能降低、使压力容器承载能力不够而发生的破坏形式。分类：按腐蚀的机理分：化学腐蚀和电化学腐蚀 按腐蚀环境分：介质腐蚀、海水腐蚀和土壤腐蚀 按腐蚀破坏的形态分：均匀腐蚀、局部腐蚀、晶 间腐蚀、断裂腐蚀、氢损伤,四、腐蚀破裂,按腐蚀破坏形态分,均匀腐蚀,局部腐蚀,按腐蚀机理分,化学腐蚀,电化学腐蚀,

10、按腐蚀环境分,介质腐蚀,海水腐蚀,腐蚀破裂分类,晶间腐蚀,断裂腐蚀,氢损伤,土壤腐蚀,形态,金属的均匀腐蚀是指在金属整个暴露表面上或者是大部分面积上产生程度基本相同的化学或电化学腐蚀，也称全面腐蚀。,1、均匀腐蚀,2、局部腐蚀,电偶腐蚀 只要由两种电极电位不同的金属相互接触或用导体连通，在电介质存在的情况下就有电流通过。孔蚀 指金属表面产生小孔的一种局部腐蚀。选择性腐蚀 当金属合金材料与某种特定的腐蚀性介质接触时，介质与金属合金材料的某一元素或某一组分发生反应，使其被脱离出去，这种腐蚀称为选择性腐蚀。磨损腐蚀 指由于腐蚀性介质与金属之间的相对运动，而使腐蚀过程加速的现象，又称为冲刷腐蚀。缝隙腐

11、蚀 暴露于电介质溶液中的金属表面上的缝隙和其它隐蔽区域内常常发生的强烈的局部腐蚀,指材料表面的区域性腐蚀,中海化学天野分公司C炉水冷壁炉管材质劣化,管内跑酸导致氢腐蚀，其表现为脱碳和开裂,北京东方化工厂裂解炉炉管大量活动性裂纹,外表面,内表面,端面,露点工况下的氯离子应力腐蚀,脱碳和开裂,脱碳分层线,3、晶间腐蚀,金属的腐蚀局限在晶界或者在晶界附近，而晶粒本身的腐蚀较小的一种腐蚀形态称为晶界腐蚀。这种腐蚀造成晶粒脱落，使容器材料的强度和伸长率显著下降，但仍保持原有的金属光泽而不易被发现，故危害很大。比如奥氏体不锈钢中的晶界腐蚀。,4、断裂腐蚀,材料在腐蚀性介质和应力共同作用下产生的腐蚀，主要有

12、应力腐蚀和疲劳腐蚀，应力可以是拉伸应力，也可以是交变应力。应力腐蚀：拉应力与腐蚀性介质的作用 疲劳腐蚀：交变载荷与腐蚀性介质的作用,引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小。纯金属不发生应力腐蚀。产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系。应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展等阶段,应力腐蚀有以下特点：,应力腐蚀是一种局部腐蚀，其断口一般可分出裂纹扩展区和瞬时破裂区两部分，前者颜色较深，有腐蚀产物伴随，后者颜色较浅且洁净。应力腐蚀裂纹扩展过程中会发生裂纹分叉，即有一主裂纹扩展得最快，其余是扩展得较慢的支裂纹。应力腐蚀破裂属于脆性破裂，断口平齐，

13、没有明显的塑性变形，破裂方向与主应力方向垂直,常用材料发生应力腐蚀的敏感介质见下表：,新疆天业化工股份有限公司尿素合成塔应力腐蚀,蒸气泄漏到层板中产生应力腐蚀开裂,液氨对碳钢及低合金钢容器的应力腐蚀：液氨储存容器在充装、卸放及检修时，难免进入空气。接触了空气的液氨，在氧及二氧化碳的参与下，在应力特别是焊接残余应力的作用下，对钢材有强烈的腐蚀作用，使之产生应力腐蚀裂纹，并多产生于焊缝部位。钢材强度越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向越大。最终导致容器破裂。,硫化氢对钢制容器的应力腐蚀：湿的硫化氢，加上应力特别是焊接残余应力，可对钢制容器产生强烈的应力腐蚀，且在20左右的温度下最为严重。苛性碱对锅炉锅筒或

14、容器的应力腐蚀（碱脆或苛性脆化）：这种应力腐蚀一般需要三个条件：较高的温度、较高的苛性碱浓度及较高（达到钢材屈服点）的拉伸应力。在锅炉锅筒的胀口、铆缝等部位，有可能满足上述三个条件，常由这些部位开始形成应力腐蚀开裂。含碱容器的接管、法兰部位及其他应力集中部位，也有碱脆开裂的例证。,氯离子对奥氏体不锈钢容器的应力腐蚀：无论是高浓度的氯离子，还是高温高压水中微量的氯离子，均可对奥氏体不锈钢造成应力腐蚀。应力腐蚀裂纹常产生在焊缝附近，最终造成容器破裂。潮湿条件下一氧化碳对气瓶的应力腐蚀：工业一氧化碳气体中常含有二氧化碳和水分，在气瓶反复充装、应力交变的条件下，气瓶会产生应力腐蚀裂纹甚至破裂。,选用合

15、适的材料，尽量避开材料与敏感介质的匹配，比如不用奥氏体不锈钢容器作接触海水及氯化物的容器。在结构设计及布置中避免过大的局部应力。采用涂层或衬里，把腐蚀性介质与容器承压壳体隔离，并防止涂层或衬里在使用中损坏。在制造中采用成熟合理的焊接工艺及装配成形工艺，并进行必要合理的热处理，消除焊接残余应力及其它内应力。应力腐蚀常对水分及潮湿气氛敏感，使用中应注意防湿防潮，对设备加强管理和检验,应力腐蚀破裂的预防,福建焦化装置加热炉对流室注水管泄漏着火，装置停工。检查发现对流室注水管上两排管腐蚀严重，有一根腐蚀穿孔。本次非计划停工7天。,1、福建焦化装置,加热炉对流室注水管腐蚀情况,原设计进水温度90度，由于

16、预换热停用，进水温度只有25度左右，造成严重露点腐蚀。,燕化中压加氢裂化装置新氢压缩机入口压力突降，压缩机联锁停车，再次启动压缩机时氢系统压力难以建立，脱丁烷塔压力突然上升，装置被迫停工。经过检查发现E504A/B发生腐蚀内漏，抢修时两台换热器共堵管38根。本次非计划停工4.32天,2、燕化中压加氢裂化装置,中压加氢裂化换热器E504A堵管情况,燕化中压加氢裂化E504A换热管焊口焊肉减薄情况,该管束应用了10年，从本周期开始出现腐蚀,燕化中压加氢裂化E504A换热管焊口焊肉减薄情况,该管束应用了10年，从本周期开始出现腐蚀,茂名渣油加氢裂化装置一系列空冷AC101A出现泄漏，装置被迫停工处理

17、。抢修对泄漏的空冷管束进行了更换，本次非计划停工4天。,3、茂名渣油加氢裂化装置,渣油加氢裂化空冷101A管束换热管腐蚀穿孔,茂名渣油加氢裂化空冷换热管减薄情况,空冷管束解体图，管束均匀减薄,事故预防,根据介质选用合适厚度的防腐蚀材料的容器；对奥氏体不锈钢应该严格控制氯离子含量，并避免在不锈钢敏感温度下使用，防止破坏不锈钢表面的钝化膜和防止晶间腐蚀的产生。选用有防腐蚀隔离措施的容器，以避免腐蚀介质对容器壳体产生的腐蚀。如在容器内表面涂防腐层，在容器内加衬里，或采用符合钢板制造容器，以防止介质的腐蚀。,选用结构合理、设计制造质量符合国家标准和要求的容器。容器由于结构不合理（如几何形状突变）、焊接

18、工艺不合理、焊接质量差、强行组装、表面粗糙等都会造成较大的残余应力，最终可能导致容器腐蚀破裂。使用中采用适当的工艺措施降低腐蚀速度。如在中性碱溶液中和在锅炉水系统中除氧、避免介质直接冲刷容器壳体及受压部件；在容器中使用、维修中避免机械损伤，避免或减小外部附加应力等。为减少电化学腐蚀的危害，也可采用阴极保护法。,5、氢损伤,由于氢渗进金属内部而造成的金属性能恶化的现象称为氢损伤，也称为氢破坏 氢鼓包 由于氢进入金属内部而产生，结果造成局部变形，甚至器壁遭到破坏 氢脆 由于氢进入金属内部而产生，结果引起韧性和抗拉强度下降 脱碳 由于湿氢进入钢中，使钢中碳含量减少，其结果是钢的强度下降；氢腐蚀 在高

19、温下氢与合金中的组分反应造成腐蚀。,1.破裂的类型与机理,五、压力冲击破裂,可燃气体与助燃气体反应爆炸,聚合釜的“爆聚”,压力容器内的反应失控,液化气体的“爆沸”,在容器上误装爆破片，因器内压力升高，爆破片断裂；容器壳体局部开裂；两种沸点液化气体混装,阀门零件泄漏；操作失误；两种气瓶混装。,催化剂使用不当；冷却装置失效。,计量错误或器具失灵；原料 不纯；搅拌或冷却装置失效。,2.冲击破裂的特征,壳体破裂,壳体内壁附有化学反应产物或痕迹,断裂时常伴有高温产生,断口形貌类似脆性断裂,容器释放的能量较大,3.冲击破裂的预防,完善规程和管理制度,加强现场的管理和作业人员的培训,五、压力冲击破裂,生产工

20、艺设计、操作规程的管理制度；检修检测规程和管理制度；仪器仪表安全附件保养规程,六、蠕变破裂,蠕变破裂指压力容器的壁温高于某一限度时，即使应力低于屈服极限，容器材料也会发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经长期积累，最终会导致压力容器的破坏。,1.蠕变破裂的机理,六、蠕变破裂,金属材料,高温,金相组织发生变化,晶粒长大、珠光体、球化、析出石磨、晶间开裂或疏松微孔,韧性下降,了解蠕变需要注意以下几点：1.材料的蠕变现象在温度高到一定程度时才会出现，试验表明，蠕变温度约为材料熔化温度的2535（以绝对温度计算）。碳钢出现明显蠕变的温度约为350，合金钢出现明显蠕变的温度在400以上。2.蠕变是一个持续塑

21、性变形过程，蠕变破裂是蠕变的最终结果。材料自开始蠕变至蠕变破裂所持续的时间叫蠕变寿命。蠕变寿命取决于材质、载荷、温度等因素，其中对温度尤为敏感。在蠕变条件下，温度的微小升高就可使蠕变寿命大幅度降低。,3.材料发生蠕变时，载荷与应力通常并不高，但是低于屈服点的应力和足够的温度即可引起蠕变。4.对于锅炉压力容器钢材来说，常把对应出现明显蠕变现象的温度称为高温，把钢材抵抗蠕变及蠕变破裂的能力称为高温强度或热强度。5.钢材的常规静载强度指标屈服点及抗拉强度，无法表示钢材抵抗蠕变及蠕变破裂的能力，通常用蠕变极限及持久强度表示钢材的高温强度，即抗蠕变能力。6.蠕变极限是在一定温度下，在规定的工作期限内（通

22、常为1105h）引起规定蠕变变形（1）的应力；持久强度是在一定温度下，经过规定的工作期限（1105h）引起蠕变破裂的应力。,(1)在高应力及较低温度下蠕变时，最终发生穿晶型蠕变破裂，破裂前有大量塑性变形，破裂后的伸长率高，往往形成缩颈，断口呈延性形态，因而也叫蠕变延性破裂。(2）在低应力及较高温度下蠕变时，最终发生沿晶型蠕变破裂，破裂前塑性变形很小，破裂后的伸长率甚低，缩颈很小或者没有，在晶体内常有大量细小裂纹，这种破裂也叫蠕变脆性破裂。(3)蠕变破裂断口常有明显的氧化色彩。,2.蠕变破裂的特征,3、原因,容器长期在某一高温下运行，即使其应力低于材料的屈服极限，材料也能发生缓慢的塑性变形。压力容器因选材不当，结构不合理，造成蠕变破坏 容器由于结垢、结碳、结疤等影响传热，造成局部过热。,合理进行结构设计及介质流程布置，尽量避免承受高压的大型容器直接承受高温，避免结构局部高温及过热。根据操作温度及压力，合理选材，使材料在使用条件下及服役期限内具有足够的常温强度及高温强度。采用合理的焊接、热处理及其他加工工艺，防止在制造、安装、修理中降低材料的抗蠕变性能。严格按操作规程运行高温设备，防止超高温、超高压降低蠕变寿命。对受热但未到蠕变温度的锅炉压力容器，要防止因结垢、存污而使设备超温。,4、预防措施,