化工設備壓力容器破壞及預防措施

李海峰

摘要：壓力容器的結構并不復雜，但在使用過程中，常會由于設計結構不合理、制造質量不良、使用維護不當或其它原因而發生早期失效，導致容器破裂而發生事故。

關鍵詞：壓力容器；破壞機理；脆性破壞；屈服失效

1、壓力容器韌性破裂

1.1韌性破裂的機理

金屬材料的韌性斷裂是顯微空洞形成和長大的過程。金屬材料特別是塑性較好的碳鋼及低合金鋼在發生韌性斷裂時總是先發生大量的塑性變形。斷裂首先是在塑性變形嚴重的地方形成顯微空洞（微孔）。夾雜物是顯微空洞成核的位置。在拉力作用下，大量的塑性變形使脆性夾雜物斷裂，或使夾雜物與基體界面脫開而形成空洞?？斩匆唤浶纬?，即開始長大和聚集，聚集的結果是形成裂紋，最后導致斷裂。壓力容器在韌性破裂前先產生大量的容積變形，這種現象對防止某些容器發生破裂事故也是有利的。例如，液化氣體的氣瓶會由于器內介質溫度增加使壓力急劇升高，容積的大量變形則有利于緩解容器內壓力的激增，有時還會避免容器的破裂。對與一些器壁因嚴重腐蝕而減薄了的氣瓶或其它容器，有時也會在沖裝氣體或進行耐壓試驗過程中因壓力表突然停止不動而被發現。

1.2壓力容器韌性破裂的預防方法

正確設計和規范操作壓力容器，設置超壓泄放裝置，并正確選用和維護，以及保護設備完好狀態是預防壓力容器發生韌性破裂的重要措施。

2、壓力容器脆性破裂

對壓力容器脆性破裂進行探討。

2.1脆性破裂的機理

發生脆性破裂的破壞事故的必須條件有四個：一是，壓力容器本身結構中存在著殘余應力；二是，壓力容器和其焊接的接頭中有應力集中；三是，材料韌性較差；四是，在壓力容器的制造過程中有不符合設計的冷加工變形。大部分化肥、化工、煉油用的低溫壓力容器所受的載荷基本是屬于靜載荷范圍，而制造這些容器所選用的鋼材為具有體心立方晶格的鐵素體鋼。其斷裂機理有剪切斷裂和解理斷裂兩種。

2.2脆性破裂的預防

在容器的設計和制造方面減少容器結構及焊縫處應力集中；制造容器的材料在使用條件下要有較好的韌性；消除殘余應力；加強對容器的檢驗在使用和管理方面防止容器的使用溫度低于它的設計溫度，因為金屬材料的斷裂韌性隨著溫度的降低而降低；開停容器時要防止壓力或溫度的急劇變化，因為金屬材料的斷裂韌性會因加載速度過大而降低，運行中容器在溫度突變的情況下發生脆性破裂的亦有先例。

3、壓力容器的疲勞破裂

針對壓力容器的疲勞破裂兩個階段進行論述。

3.1疲勞破裂的機理

疲勞破裂按機理分為低循環疲勞（低周疲勞）和低應力高循環疲勞（高周疲勞）。疲勞裂紋的擴展也可以分為兩個階段。第一階段，壓力容器的裂紋通常是從金屬表面上的駐留滑移帶或非金屬夾雜物等處開始，沿最大切應力方向（和主應力方向近似45°）的晶面向內擴展，由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻礙作用，裂紋的方向逐漸轉向和主應力垂直，這一階段的擴展速度是很慢的。裂紋擴展方向和主應力方向相垂直的一段為擴展的第二階段，這一階段擴展的途徑是穿晶的，擴展的速率也較快。

3.2疲勞破裂的原因和特征

容器承受交變循環載荷、過高的局部應力；高強度低合金鋼的廣泛應用和特厚材料的應用增加，材料本身和焊縫處往往較容易形成各種缺陷。疲勞破裂的特征為容器破壞時無明顯的塑性變形；疲勞斷裂的斷口形貌與脆性斷裂不同由斷口宏觀分析可見，疲勞裂紋產生、擴展和最后斷裂區域各具特色，前二者比較光滑，后者比較粗糙。；從產生開裂的部位來看，一般都是在結構局部應力較高或存在材料缺陷處（包括焊縫及其熱影響區）的地區，疲勞裂紋穿透器壁，也稱為“未爆先漏”，尤其是在容器壁的接管處極為常見。從裂紋的形狀、擴展直到最后斷裂，發展緩慢，不像脆性破裂那么迅速，而且破成許多碎片，疲勞破裂只是一般的開裂，出現初始裂紋源，使容器泄露而失效；疲勞破裂通常是在操作溫度、壓力大幅度波動且頻繁啟動、停車的情況下發生的。

3.3疲勞破裂的預防

針對以上疲勞破裂的發生原因，預防疲勞破裂的關鍵首先是應嚴格進行容器的制造和檢驗，減少附加的應力集中，避免焊接或安裝過程中的先天或后天性裂紋或缺陷；其次，減少頻繁開停車、壓力或溫度波動、外加強迫振動、周期性外載荷等，維持設備的穩定運行，以抑制或延緩裂紋擴展破裂。對于新設計的容器，則通過選擇塑性應變能力好的抗疲勞材料，設計時采用不會造成局部高應力集中地抗疲勞結構；按照容器分析設計規范進行疲勞分析或基于斷裂力學的抗疲勞斷裂設計方法等。

4、壓力容器的腐蝕破裂

針對壓力容器最常見的腐蝕破裂進行描述。

4.1腐蝕破裂發生原因

高溫、易產生局部過熱區、處理CO、CO2烴類介質的設備，易發生滲碳腐蝕；高壓、水分多、露點高條件下的合金材料易產生應力腐蝕；氫與硫共存、腐蝕條件惡劣，易發生硫化氫引起的應力腐蝕；高溫、高壓、碳含量高的鐵碳合金設備，易發生氫脆；高溫氯化物溶液下的奧氏體不銹鋼設備，較高的冷作殘余應力及振動應力、高溫、高壓的氯化物水溶液是發生氯離子引起的奧氏不銹鋼應力腐蝕破裂的必要條件；CO、CO2或CO+CO2+H2O或CO+CO2+N2混合氣體中加水，均會引起應力腐蝕。

4.2腐蝕破裂特征

腐蝕破裂的主要特征有：滲碳腐蝕的不銹鋼金屬表面呈孔蝕狀，且在焊接部分和熱影響區腐蝕特別嚴重；由氫脆而破裂的容器的金屬表面及斷口上有鼓泡現象；發生堿脆斷裂的容器，其斷口與主拉應力方向基本上垂直，且粘附有磁性氧化鐵物質；發生硫化氫腐蝕容器的器壁上有一層銀灰色、多孔、松散的易剝落層，這就是腐蝕生成的———硫化鐵；發生氯脆的設備表面有腐蝕坑存在，其裂紋通常是穿晶型的，并且帶分支，類似于河流花樣形狀。

5、結束語

總之，引起壓力容器破裂的原因是多方面的，包括操作、設計、制造和維修等。通過對容器各種破裂形式的內在機理和外部特征的了解，探究誘發該種形式破裂的原因，針對性地提出預防事故發生的措施。

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（作者單位：大唐阜新能源化工工程有限公司）