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    壓力容器的常見失效模式

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    壓力容器的常見失效模式

    發布日期:2020-07-19 作者: 點擊:

    今天由內蒙古壓力容器為我們介紹壓力容器的常見失效模式有哪些:


    脆性斷裂


    脆性斷裂是在較低應力下發生的突然快速斷裂,發生脆性斷裂的材料只有輕微或基本沒有塑性變形。脆性斷裂一般斷口平直,易產生碎片。


    斷裂時構件承載的工作應力并不高,通常不大于過屈服應力,故又稱為低應力脆斷,脆斷一般從構件內部存在的宏觀裂紋作為“源”開始的;中、低強度鋼脆斷常在低溫下發生,而高強鋼則說不準;斷口平整光亮,有金屬光澤,且與正應力垂直,斷面上有人字或放射花紋。


    從失效機理分,脆性斷裂可分為:低溫脆斷、回火脆化、氫脆、475℃脆化、σ相脆化等。


    韌性斷裂


    韌性斷裂發生前一般發生顯著的塑性變形,韌性斷裂的主要特征為:


    (1)伴隨塑性變形及能量吸收;


    (2)工件外形呈頸縮、彎曲及斷面收縮;


    (3)斷面一般平行于較大切應力并與主應力成45°。


    韌性斷裂的發生一般與高溫、高壓、過量腐蝕減薄等有關。


    變形引起的接頭泄漏


    變形引起的接頭泄漏一般是因構件過度的彈性變形引起的失效。如法蘭、平封頭等剛性連接件的泄漏,因為選型或計算失誤,導致較低壓力等級的法蘭用于較高壓力場合,易發生此類法蘭或平蓋泄漏。還有就是因為換熱管膨脹等引起換熱器管板彎曲變形,可能導致分隔板密封面發生泄漏。GB150中的法蘭設計章節,就主要是從預防法蘭過度變形引起泄漏進行考慮的。


    彈性或彈塑性失穩


    一般來說,承受外壓的壓力容器可能發生失穩,如煤氣發生爐、帶蒸汽夾套的攪拌釜、潛水艇等。


    一旦發生失穩,圓筒體會出現明顯的凹陷變形,判斷圓筒體失穩較典型的現象是多波狀結構。對承受內壓的壓力容器,橢圓形封頭的小r部位可能承受壓應力,如該部位在使用中減薄的較厲害,該部位也存在發生失穩的風險。


    壓力容器


    蠕變


    低于屈服應力的載荷作用下,高溫設備或設備高溫部分金屬材料隨時間推移緩慢發生塑性變形的過程稱為蠕變,蠕變變形導致構件實際承載截面收縮,應力增大,并之后發生不同形式的斷裂。蠕變一般可分為以下兩類:


    (1)沿晶蠕變:常用高溫金屬材料(如耐熱鋼、高溫合金等)蠕變的主要形式,在高溫、低應力長時間作用下,晶界滑移和晶界擴散比較充分,孔洞、裂紋沿晶界形成和發展;


    (2)穿晶蠕變:高應力條件下,孔洞在晶粒中夾雜物處形成,隨蠕變損傷的持續而長大、匯合。


    蠕變損傷的初始階段一般無明顯特征,但可通過掃描電子顯微鏡觀察來識別。蠕變損傷速率的主要影響因素為材料、應力和溫度。


    壓力容器發生蠕變后可能發生蠕變斷裂,如爐管的蠕變破裂;高溫下因螺栓緊固件材料使用錯誤,可能發生蠕變,導致法蘭連接接頭泄漏;隨著使用時間的延長,容器因為蠕變導致壁厚變薄、直徑增大,可能導致結構突然失穩等。


    沖蝕


    固體﹑液體﹑氣體及其混合物的運動或相對運動,在流體與金屬之間產生切應力,能剝離金屬表面層,造成表面材料的損耗。沖蝕可以在很短的時間內造成材料局部嚴重損失,典型情況有沖刷形成的坑溝、銳槽、孔和波紋狀形貌,且具有相對的方向性。一般來說硬度低的合金易發生沖蝕;流速越高,沖蝕越嚴重;介質組分的相態,夾帶顆粒的尺寸、密度和硬度均能影響沖蝕。


    腐蝕


    金屬材料以及由它們制成的結構物,在自然環境中或者在工況條件下,由于與其所處環境介質發生化學或者電化學作用而引起的變質和破壞,這種現象稱為腐蝕,其中也包括上述因素與力學因素或者生物因素的共同作用。某些物理作用例如金屬材料在某些液態金屬中的物理溶解現象也可以歸入金屬腐蝕疇。


    環境助長開裂


    壓力容器在使用過程中除承受壓力等載荷之外,還與介質接觸,同時受外界水氣等影響會加速腐蝕開裂。比較典型的如應力腐蝕開裂、氫致開裂等。


    應力腐蝕開裂:金屬在應力和腐蝕介質協同作用下發生的破裂稱為應力腐蝕破裂(SCC)。在腐蝕介質不存在的條件下,只有當作用于金屬上的應力大于其抗拉強度時,金屬才會斷裂。反之,在應力不存在的條件下,只有當金屬與腐蝕性很強的介質接觸時,金屬才會在較短的時間內受到嚴重腐蝕,從而被破壞。但是,當應力和腐蝕介質共同作用時,就會出現全然不同的情況。金屬的應力腐蝕破裂往往在應力遠低于抗拉強度而介質腐蝕性又很輕微的情況下發生。破裂之前,金屬沒有顯著的變形或其它明顯可見的宏觀征兆,因此常被忽視而疏于防范,以致釀成惡性破壞事故。


    氫致開裂:氫作為原子序數較小的原子其直徑非常小,滲透性較強,由此會導致一系列的開裂或脆斷問題。典型的氫致開裂失效模式有濕硫化氫破壞、氫氟酸致氫應力開裂、氫氰酸致氫應力開裂。


    擴展性塑性變形及交替塑性


    要了解擴展性塑性變形及交替塑性,需要涉及到安定性概念,安定性是塑性力學中研究具有初始塑性變形的物體或結構在變值載荷的作用下能否不產生新塑性變形的理論。所謂變值載荷是指在某一范圍內作周期性變化或按其他規律循環變化的載荷。簡單來說結構在具有相對范圍的變值載荷作用下,除初始階段產生相對塑性變形并出現一個殘余應力分布外,不管載荷在此范圍內如何變化,物體或結構中不再出現新的塑性變形,則稱結構所處的狀態為安定狀態,反之稱為非安定狀態。在變值載荷作用下,即使載荷不會使物體或結構達到ji限狀態,結構也可能變壞。


    疲勞


    在循環機械載荷作用下,材料、零件或構件在一處或幾處產生局部長久性累積損傷而產生裂紋的過程稱為機械疲勞。經相對循環次數后,裂紋不斷擴展,可能導致構件的突然斷裂。根據構件承受的應力應變大小可分為彈性應變疲勞(中周和高周疲勞)、彈塑性應變疲勞(低周應變疲勞)。彈性應變疲勞應力循環水平低,循環周次高,多見于軸、葉輪等部件,壓力容器上比較少見,但有些振動嚴重的設備或部件如受沖擊振動的換熱管等也可能產生彈性應變疲勞。彈塑性應變疲勞(低周應變疲勞)在壓力容器上較常見。


    環境助長疲勞


    典型的環境助長疲勞是腐蝕疲勞,即在存在侵蝕性化學介質或致脆介質的環境中施加循環載荷引起的疲勞失效。一般來說,相同的構件腐蝕疲勞壽命遠短于機械疲勞壽命。較典型的腐蝕疲勞案例是高溫高壓染色機發生的開裂泄漏,染色機需要頻繁啟閉,承受壓力、溫度變化,同時成分非常復雜,如果含有相對的鹵素離子,可能產生應力腐蝕疲勞開裂。


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