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压力容器失效模式有哪些?

混合器 静态混合器 加入时间:2019-2-20 15:09:19  点击:
1 引言 压力容器的失效是损伤积累到一定程度,容器的强度、刚度或功能不能满足使用要求的状态。那么损伤是怎么产生的呢?其实损伤是一个过程,容器在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下,材料性能下降、结构不连续或承载能力下降,这便是损伤。发生损伤后不一定失效,而发生失效则一定存在损伤。 失效模式是压力容器的设计基础,设计方法(准则)必须针对失效模式,压力容器设计的第一步骤就应该是确定容器有可能发生的失效模式;对于第III类压力容器,设计时还要求出具包括主要失效模式、风险控制等内容的风险评估报告。另外对压力容器检验结果的评价,也是建立在失效模式的基础上。 2 ISO 16528关于失效模式的分类 正在制定的压力容器国际标准ISO 16528 Boilers and pressure vessels综合世界主要工业国家的技术标准,参照欧洲标准的内容,针对锅炉和压力容器常见的失效形式,在标准中将失效模式归纳为三大类、14种,明确了针对失效模式的设计理念。 2.1第一大类:短期失效模式 (Short term failure modes) 1)脆性断裂(Brittle fracture) 容器没有明显的塑性变形,且器壁中的应力值远远小于材料的强度极限 甚至低于材料的屈服极限而发生的断裂。脆性断裂的主要原因在于材料的脆化(材料选择不当、材料加工工艺不当、应变时效、运行环境恶劣)和材料本身的缺陷。 2)韧性断裂(Ductile rupture) 在压力等荷载作用下,产生的应力值达到或接近器壁材料的强度极限而发生的断裂。通常碳钢压力容器的韧性断裂的主要原因是壁厚过薄(设计壁厚不足和厚度因腐蚀而变薄)、内压过高或选材不当、安装不符合安全要求。 3)超量变形引起的接头泄漏(Leakage at joints due to excessive deformations) 容器的各种接口密封面失效或胀接管口松动发生泄漏而引起的失效,泄漏介质可能引起燃烧、爆炸和中毒事故,并造成严重的环境污染。 4)超量局部应变引起的裂纹形成或韧性断裂(Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains) 5)弹性、塑性或弹塑性失稳(垮塌)(Instability-elastic, plastic or elastic-plastic) 在压应力作用下,压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例,且临界压力与材料的强度无关,主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质,但当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非弹性失稳时,临界压力还与材料的强度有关。 2.2第二大类:长期失效模式 (Long term failure modes) 1)蠕变断裂(Creep rupture) 压力容器在高温下长期受载,随着时间增加材料发生缓慢的塑性变形,塑性变形经长期积累而造成厚度明显减薄或鼓胀变形,最终导致容器断裂。压力容器发生蠕变时,一般壁温达到或超过其材料熔化温度的25%~35%。蠕变断裂的变形量取决于材料的韧性,断裂时的应力值低于材料使用温度下的强度极限。 2)蠕变-在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递(Creep-excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load) 3)蠕变失稳(Creep instability) 随着时间的推移逐渐积累的变形为蠕变变形,蠕变变形发展到一定程度会出现蠕变失稳。 4)冲蚀、腐蚀(Erosion, corrosion) 压力容器材料在腐蚀介质作用下,如碳钢罐,因均匀腐蚀导致壁厚减薄 及材料组织结构改变或局部腐蚀造成的凹坑,使材料力学性能降低,容器承载能力不足而发生的断裂。压力容器腐蚀机理有化学腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀形态有均匀腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀、双金属腐蚀等。 5)环境助长开裂,如应力腐蚀开裂、氢开裂等(Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc) 2.3 第三大类:循环失效模式 (Cyclic failure modes) 1)扩展性塑性变形(Progressive plastic deformation) 2)交替塑性(Alternating plasticity) 3)弹性应变疲劳(中周和高周疲劳)或弹塑性应变疲劳(低周疲劳)(Fatigue under elastic strains(medium and high cycle fatigue) or under elastic-plastic strains (low cycle fatigue)) 4)环境助长疲劳(Environmentally assisted fatigue) 3 GB150-2011对于失效模式的考虑 经过多年的时间和参照国际上同类标准的技术内容,GB150-2011《压力容器》在技术内容中直接和间接考虑了如下失效模式,并针对所考虑的失效模式确定了相应的设计准则和强度理论: 脆性断裂(Brittle fracture):通过材料选用要求、材料韧性要求、制造和检验要求、以及结构形式要求,防止脆性断裂的发生; 韧性断裂(Ductile rupture):通过材料选用要求、结构强度设计方法、许用应力规定,防止韧性断裂的发生; 接头泄漏(Leakage at joints):通过法兰设计方法和特殊密封结构的设计方法,结构要求以及对密封垫片和螺柱、螺母的要求,防止接头泄漏的发生; 弹性或塑性失稳(Elastic or plastic instability):通过外压结构设计方法防止整体失稳;通过局部局部的应力分析和评定,控制局部塑性失稳; 蠕变断裂(Creep rupture):通过限制材料的使用温度范围控制蠕变断裂的发生。 腐蚀是压力容器的最常见失效模式,但在不同的工程应用中差别极大,不可能在标准中进行规定,因此GB150规定了由设计人员全面考虑腐蚀失效模式,并在选择材料、结构设计、腐蚀防护等方面采取措施,保证容器的设计寿命。 4 其他标准涉及到的失效模式 承压设备损伤模式在国外已经建立了相应的标准,如美国石油协会的API 571、API 579 、API 580 、API 581标准中均有压力容器损伤模式的相关内容。在API 571标准中,介绍了一般工业中四大类、44种损伤模式,以及炼油工业中三大类、18种损伤模式。在美国的NB23标准中、欧盟的PED指令、英国的BS7910标准、美国的NACE标准对承压设备的损伤模式也都有涉及。 我国目前正在制定《承压设备损伤模式识别》标准,拟提出一套比较完整的,适合我国承压设备现状的损伤模式和识别方法,其内容主要包括承压设备主要损伤模式和失效机理的理论描述、形态、影响因素、敏感材料、可能发生失效的设备或构件、检测方法等。《承压设备损伤模式识别》标准草案将我国承压设备的损伤模式分为五大类、73种,其中腐蚀减薄25种、环境开裂13种、材质裂化15种、机械损伤11种、其他损伤9种。已经颁布的GB/T 26610.1-2011《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第1部分:基本要求和实施程序》也参考采用了该标准草案中的损伤模式分类方法。 5 总结 对压力容器运行过程中损伤模式的识别,有助于定期检验方案的制定,有利于在设备发生失效前及时进行修复或报废等处理。 本文首先阐述了压力容器国际标准ISO 16528 Boilers and pressure vessels关于失效模式的分类,然后说明了GB150-2011对于失效模式的考虑,最后提到了其他标准中对于失效模式的相关描述,并对我国目前正在制定的《承压设备损伤模式识别》做了简要说明。 望读者们通过此文,能对压力容器的失效模式有一个宏观的了解!
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