壓力容器疲勞失效機理研究

耿雪峰

摘要：在壓力容器普遍失效形式中疲勞失效是其中之一。壓力容器的開始結束工作、壓力或者外載的波動、提高降低介質溫度都會對其造成疲勞損傷，不斷積累的疲勞損傷可能破壞容器。隨著壓力容器逐步向大型化發(fā)展，在制造過程中更加容易產(chǎn)生裂紋等問題，日益提升的設計應力水平，都會增加疲勞失效的可能性，因此世界各國都開始積極重視壓力容器疲勞失效問題，分析壓力容器疲勞失效特點、原因等，以便能夠更好的避免發(fā)生疲勞失效事故。

關鍵詞：壓力容器;疲勞失效;機理分析;金屬材質

1.疲勞分析方法

1.1應力疲勞法與應變疲勞法

我們可以將構件承受交變荷載的疲勞過程劃分為應力疲勞與應變疲勞，承受循環(huán)載荷的大小是其劃分的主要根據(jù)。首先，應力疲勞是指通過應力參量對疲勞過程進行控制與描述，這一過程的疲勞過程需要符合一個條件，其循環(huán)載荷最大應力應當在材料自身的屈服應力范圍內。此時的應力水平很低，壽命較高，因此，也可以稱為高周疲勞。反之，循壞載荷最大應力在材料自身的屈服應力范圍之外。此時應力水平較高，壽命短暫，因此，稱其為低周期疲勞。在循環(huán)次數(shù)方面高周疲勞和低周疲勞體現(xiàn)為：當循環(huán)壽命比104低時，稱其為低周疲勞，反之，當循環(huán)壽命比104高時，稱其為高周疲勞。

1.2斷裂力學法

研究缺陷構件的疲勞問題過程中需要采取斷裂力學法。很多學者利用線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學深入分析了裂紋擴展肌理與控制方式。不同于應力疲勞法與應變疲勞法，斷裂力學法著重對裂紋擴展進行考慮，而忽略了裂紋的萌生。具體根據(jù)的是裂紋擴展速率公式理論基礎，通過某一參量對擴展裂紋速率進行控制，采取斷裂力學理論對斷裂臨界裂紋長度進行推斷，因此從初始裂紋擴展至臨界裂紋這個過程，便是疲勞壽命。

2.壓力容器失效分析思路

2.1失效模式的判別

壓力容器失效過程信息具體是指由于內部誘發(fā)因素推斷的物理、化學過程信息，具體包含各類規(guī)則、機制、模型等信息，它通過樹結構方式利用科學的搜索對策采取一定的解釋程序進一步推理失效過程。

因此，我們將壓力容器作為對象，利用各類措施對其科學分析，進一步獲得失效信息，見圖1。之后聯(lián)系各類失效信息根據(jù)一定的方法實行處理，對失效模式進行判斷。

圖1壓力容器失效分析

2.2失效原因的判斷及預防措施

通過研究很多的失效案例可知，失效分析具體從對壓力容器使用壽命因素造成影響的因素入手，分別是結構設計、材料、工藝和裝配、環(huán)境等方面實施分析。

結構設計因素：部件大小截面、圓角半徑、表面光潔程度、幾何形狀等是否科學;缺口與截面圖表綜合影響應力;載荷特點、速率、大小;形成殘余應力影響構件的程度等。

工藝因素：包含熔煉材料方法與冶金質量對功能造成的影響。制造零部件工藝以及熱處理之后的氧化脫碳;加工形成的表面殘余應力;熱處理零部件之后校直對零件造成的影響。

材料因素：選擇材料是否合理，材料成分、冶金質量、表面狀態(tài)是否正常，尤其需要關注材料強韌性的各類因素。

裝配與環(huán)境因素：在裝配過程中由于不正確的操作容易引發(fā)失效問題，一些零件同心度的偏差也容易造成失效。而這些因素通常不容易被制造與使用人員檢驗出來，在失效分析中應當引起關注。

2.3失效分析總體思路

分析壓力容器失效，首先能夠判斷失效模式并且對失效原因進行分析，最終提出預防處理方法。

圖2壓力容器失效分析整體框架

3.壓力容器失效機理

3.1破裂或爆破失效機理

3.1.1韌性迫切失效機理

在斷裂以前出現(xiàn)顯著的宏觀塑性變形斷裂稱為韌性破裂。其是金屬材料破壞的方式之一。當韌性良好的材料所承受的載荷大于該材料強度極限時，便會形成韌性破壞。

（1）失效特點

斷口周圍形成顯著的宏觀塑性變形;一般出現(xiàn)杯錐狀拉伸斷口，并且與主應力有效垂直，錐面和最大切應力平行，大概和主應力形成45°角，有時整個宏觀斷口和最大切應力平行，并且產(chǎn)生45°的剪切斷口;斷口出現(xiàn)纖維狀表面;顏色是灰暗色。

（2）失效原因

違規(guī)進行操作;安全附件失靈;壓力容器內部發(fā)生了化學異常反應;缺乏強度，材質產(chǎn)生劣化等。

（3）預防措施

嚴格實施管理;根據(jù)科學規(guī)定設置安全泄壓裝置;聯(lián)系工藝要求進行操作，嚴格杜絕混料和串料;科學選擇材料，完善工藝。

3.1.2脆性破裂失效機理

脆性破裂失效具體是指裂縫在穩(wěn)定與失穩(wěn)擴展過程中，沒有出現(xiàn)顯著的塑性變形進一步造成了斷裂失效。在工程結構中脆性破裂屬于一種十分危險的斷裂。

（1）失效特點

在斷裂之前沒有發(fā)現(xiàn)塑性變形，一般斷口垂直于正應力，斷口表面齊平，其邊緣缺少剪切唇口，或者唇口較小。有時斷口顏色十分光亮，有時偏暗。脆性光亮的斷口宏觀浮雕有時在迅速擴展裂紋過程中產(chǎn)生發(fā)射性的線條，當斷口發(fā)生轉動時，會出現(xiàn)反光的小平面。脆性偏暗斷口在宏觀狀態(tài)則形成粗糙的沒有定型的表面，有時外形也會出現(xiàn)晶粒。

（2）失效原因

出現(xiàn)突變溫度或者操作溫度比材料轉變韌性溫度低;結構中產(chǎn)生了缺陷，形成了較大的殘余應力;材質出現(xiàn)晶間腐蝕等較大的損傷。

（3）預防措施

科學選擇材料，在低溫下嚴格禁止采用非低溫用鋼;改良結構設計，通過熱處理對殘余應力有效消除;提升材料的抗蝕能力，采用表面防護方法。

3.1.3疲勞破裂失效機理

在變動載荷與應變長時間作用下的金屬材料或者零件，與損傷積累進一步造成的斷裂問題形成疲勞破裂失效。具體過程是通過一個疲勞裂縫發(fā)生、擴展為疲勞裂縫亞臨界狀態(tài)、最終導致擴展疲勞裂縫失穩(wěn)。

（1）失效特點

第一，在變動載荷作用下操作，通過一定周次循環(huán)形成的斷裂問題;疲勞破裂過程體現(xiàn)出低應力脆斷突發(fā)特點;

第二，疲勞破裂失效過程體現(xiàn)出局部選擇性;

第三，在變動載荷作用下，失效零件斷口周圍沒有宏觀塑性變形特點，斷口體現(xiàn)出顯著的貝殼紋花樣;

（2）失效原因

壓力或者溫度交變載荷造成集中應力區(qū)域疲勞裂紋向失穩(wěn)破裂擴展;交變載荷與腐蝕介質同時發(fā)揮作用，進而產(chǎn)生腐蝕疲勞破裂。

（3）預防措施

設計過程中應當盡可能避免集中應力，運行過程中防止頻繁的不必要的交變載荷，強化定期檢驗;選擇具有較高抗蝕能力的材料，將殘余應力有效消除，采用表面防腐措施等。

3.1.4蠕變破裂失效機理

在恒溫恒應力情況下金屬材料長期作用形成緩慢塑性變形便是金屬蠕變。

（1）失效特點

第一，工作條件為恒溫、恒力與長期作用，緩慢的永久變形速度;

第二，宏觀斷口存在顯著的氧化色或者黑色;

第三，微觀斷口一般是沿晶斷裂，不會產(chǎn)生疲勞條痕特點。

（2）失效原因

無法正確選擇材料，應用溫度明顯比材料蠕變溫度高;材質劣化;長期在高溫環(huán)境中應用容器造成材質滲碳。

（3）預防措施

科學選擇材料，避免超溫運作以及局部過熱;強化定期檢驗材質性能;積極分析剩余壽命等。

3.2腐蝕失效機理

3.2.1均勻腐蝕失效機理

均勻的在金屬整個表面出現(xiàn)腐蝕作用。

（1）失效特點

受到腐蝕的金屬擁有均勻的化學成分以及顯微組織的表面，同時腐蝕環(huán)境均勻并且不受限制的包圍金屬表面;均勻腐蝕可以理解為在金屬表面出現(xiàn)的局部電解腐蝕;均勻腐蝕擁有色澤偏暗且光滑的表面形貌，也可能由于大片金屬遭遇腐蝕而使表面較為粗糙。

（2）失效原因

金屬所處環(huán)境中擁有較高或者較低濃度的腐蝕劑;提高溫度，也會增加金屬的腐蝕率。

（3）預防措施

對金屬所在環(huán)境中腐蝕劑的濃度嚴格實行檢測，對環(huán)境介質的溫度有效降低等。

3.2.2點腐蝕失效機理

點腐蝕失效是指游離物質在金屬材料和環(huán)境中彼此發(fā)生化學作用進一步造成的失效。

（1）失效特點

局部集中出現(xiàn)了腐蝕，形成尖銳小孔，進一步擴成深部孔穴甚至發(fā)生穿透;在潮濕環(huán)境或者大氣中水膜凝聚在金屬表面時常發(fā)生點腐蝕;金屬點蝕坑直觀放大且擁有平滑邊沿，并且由于覆蓋了腐蝕產(chǎn)物，坑底為深灰色;與蝕坑磨片垂直觀察，可知蝕坑大部分體現(xiàn)為圓形或者多邊形，腐蝕觀察，表明點蝕擴展并不是選擇沿晶界。

（2）失效原因

材料金屬和環(huán)境介質缺乏恰當組合，濕度不適直接損害了氧化膜;材料金屬表面呈現(xiàn)不均狀態(tài)。

（3）預防措施

對介質環(huán)境有效改善，減少氧化陽離子，將適當元素添加至不銹鋼之中，提升耐孔蝕性能，完善設計，防止出現(xiàn)停滯;表面保證清潔。

3.2.3縫隙腐蝕失效機理

縫隙腐蝕失效機理具體是指由于腐蝕介質進入金屬材料縫隙并且滯留形成電化學腐蝕作用進一步造成的失效。

（1）失效特點

在金屬表面的縫隙處出現(xiàn)腐蝕，兩塊金屬表面聯(lián)接的縫隙位置，或者某一固體物質顆粒在金屬表面上形成的縫隙位置;一般縫隙腐蝕發(fā)生在幾微米寬的縫隙中。

（2）失效原因

沒有科學選擇材料，耐縫隙腐蝕性能不佳;缺乏合理的結構設計，容易產(chǎn)生縫隙，導致形成表面沉積的幾何條件等。

（3）預防措施

科學選擇材料，選擇擁有良好耐縫隙腐蝕性能的不銹鋼或者合金;改良設計，防止出現(xiàn)縫隙、結構死角，當無法避免時，利用焊接方式填實縫隙。

3.2.4應力腐蝕失效機理

通過靜載拉力與既定腐蝕環(huán)境一起作用金屬材料形成的局部分離造成的破裂稱為應力腐蝕失效。

（1）失效特點

第一，形成應力與敏感的腐蝕介質工作環(huán)境;

第二，腐蝕破裂區(qū)域瞬斷區(qū)兩部分共同構成了宏觀斷口。應力腐蝕破裂區(qū)通常表現(xiàn)為暗灰色，斷口組織較為粗糙，同時覆蓋了腐蝕產(chǎn)物;瞬斷區(qū)新鮮斷口呈現(xiàn)纖維狀并且伴隨著輻射棱線;

第三，應力腐蝕裂縫出現(xiàn)樹枝狀形貌，分叉裂縫也就是腐蝕產(chǎn)物體積效應形成的結果;

（2）失效原因

應力腐蝕失效出現(xiàn)的原因或者影響因素具體包含環(huán)境、力學和冶金因素。

第一，一般溫度越高越容易形成應力腐蝕失效;

第二，對于應力腐蝕來說失效腐蝕介質形成了一個濃度的臨界數(shù)值。比該數(shù)值低時，不會形成腐蝕失效，比該數(shù)值高時，隨著不斷提升的介質濃度，也會加快應力腐蝕速度;

第三，對于金屬的應力腐蝕來說溶液PH數(shù)值也產(chǎn)生了極大的影響。當增加PH數(shù)值時，也會加快應力腐蝕速速;

第四，通過一定應力與腐蝕介質共同作用形成了應力腐蝕;

（3）預防措施

隔絕腐蝕環(huán)境;減少零件應用拉應力，降低殘余拉應力，影響了過盈配合、強制裝配、減少表面粗糙程度、增加過渡圓角度以及減少集中應力。

4.壓力容器失效分析專家系統(tǒng)實例驗證

4.1H2S吸收塔失效狀況

4.1.1失效鑒定

在H2S吸收塔中應用壓力容器10年之后形成的裂紋，并且在噴嘴位置發(fā)生泄漏。在失效前幾個月，容器外表面曾經(jīng)在火焰中暴露，采用低碳鋼板制作容器，并且在內部放置了一個環(huán)形支撐架。

在環(huán)形角鋼支撐架焊縫和嘴子附近焊縫的凹槽中，形成了一條裂紋，其每一端是Y形樹枝狀，在嘴子附近焊縫中沒有出現(xiàn)裂紋，嘴子自身無裂紋，同時在支架與嘴子焊縫遠離位置，也沒有出現(xiàn)裂紋。

認真分析一條從支撐架焊縫擴展至上焊縫，并且向器壁上擴展的裂紋。一層密致暗棕色與黑色的氧化皮覆蓋在裂紋表面。其中包含了兩個三角形區(qū)域，全部是平滑且無塑性跡象，在焊縫的頂上形成了一個區(qū)域，在器壁外表面上形成了另一個區(qū)域。余下的斷口表面體現(xiàn)出一些擁有塑性跡象的平面，說明拉力過載形成了失效。裂紋面與主斷面形成了45°角，十分光滑，覆蓋了一層黃褐色的腐蝕產(chǎn)物，通過高倍觀察可知，一些部位產(chǎn)生了塑性變形而另一些部位則產(chǎn)生了腐蝕凹坑。其和突然解理之間出現(xiàn)了一種典型的應力腐蝕起裂方法。裂紋超過6.35mm之后迅速發(fā)展至焊縫內部，灰色腐蝕產(chǎn)物在裂紋面上覆蓋，裂紋通過波浪式不斷發(fā)展，并且形成了分枝。極少甚至沒有再形成解理部分。

計算容器內壁的載荷應力，可知周向應力最大。但是由于過于集中的焊縫與嘴子應力，焊接殘余和熱應力的作用，所以容器內壁形成了較大的實際應力，為應力腐蝕提供了重要條件。

4.1.2判斷失效模式

通過鑒定分析可知，這一吸收塔失效具體是由于集中應力與腐蝕敏感介質，并且形成了樹枝狀裂紋形貌，腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)在微觀斷口，晶界面上形成了腐蝕凹坑。因此可以判斷，這一壓力容器屬于應力腐蝕失效。

4.1.3失效原因

這一壓力容器擁有極高的集中應力，具體包含了殘余和熱應力，由于存在的KOH導致普通碳鋼出現(xiàn)了堿脆，進一步形成了吸收塔的應力腐蝕失效。

4.1.4處理手段

在較高的位置上安裝環(huán)形角鋼支撐架，避免應力過于集中;能夠淬水之后自回水，降低殘余應力，清除有害金相組織;科學選擇材料，改良條件，盡可能避免腐蝕環(huán)境。

4.2實例驗證

設計專家系統(tǒng)，直接進入系統(tǒng)界面，根據(jù)系統(tǒng)相關提示錄入H2S吸收塔的宏觀與微觀特點，推理失效模式，在獲得判斷腐蝕失效模式之后，就能夠進入判斷失效原因界面，根據(jù)輸入特點，點擊就能夠獲得失效原因與處理措施。有關界面見圖3。

圖3應力腐蝕失效分析圖

在本系統(tǒng)中驗證該實例，推理結果與分析報告結果相同。從推理結果可知，利用本系統(tǒng)可以迅速推斷出壓力容器的失效原因，并且獲得處理方式。

5.結論

伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化的發(fā)展進步，在石油化工行業(yè)以及日常生活中已經(jīng)大量開始應用壓力容器。壓力容器和各種承壓設備全部是在復雜的載荷環(huán)境中開展工作，容易造成結構疲勞失效問題，進一步引發(fā)巨大的破壞。隨著石油化工裝置的大型化發(fā)展，在技術領域中壓力容器的疲勞斷裂問題逐漸獲得了重視。根據(jù)相關方面數(shù)據(jù)分析可知，在壓力容器損壞事故中由于逐漸擴展的疲勞裂紋問題大概占40%，因此，對疲勞失效特點、原因和措施進行系統(tǒng)研究具有重要意義。

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