壓力容器承壓部件的斷裂形式探析

王　珂

壓力容器承壓部件的斷裂形式探析

王珂

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院洛陽分院，河南洛陽 471000）

壓力容器承壓部件的斷裂會造成非常嚴(yán)重的事故，為減少壓力容器斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)深入了解其斷裂機(jī)制，以此來更為有效地避免和緩解壓力容器承壓部件發(fā)生斷裂的程度?；诖耍懻搲毫θ萜髦械某袎翰考臄嗔研问?。

鋼制壓力容器；承壓部件；斷裂形式

隨著石油化工技術(shù)的發(fā)展，壓力容器由于其自身的便利性與易用性，被廣泛應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域與行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)中。然而壓力容器在長期作業(yè)和使用的狀態(tài)下，其內(nèi)部的承壓部件會因?yàn)殚L時(shí)間處于高壓的狀態(tài)下，會產(chǎn)生不同程度、不同形式的斷裂。斷裂往往發(fā)生的很突然，斷裂發(fā)生時(shí)承壓部件的應(yīng)力水平很低，造成壓力容器承壓部件斷裂的因素很多，較常見的有材料的性能、應(yīng)力集中、環(huán)境溫度、焊接工藝等，比如：強(qiáng)度等級不同的調(diào)質(zhì)鋼，所含化學(xué)成分的含量不同，其對應(yīng)的力學(xué)性能就存在差異，不同的交貨狀態(tài)也會影響同種強(qiáng)度鋼的韌性。為了更好地了解鍋爐壓力容器承壓部件產(chǎn)生斷裂的具體表現(xiàn)，本文立足于具體的斷裂形式來展開討論。

1　延性斷裂

1.1承壓部件的變形與延性斷裂分析

壓力容器內(nèi)部承壓部件的延性斷裂指的是造成容器壁材料發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。由于在長期高壓的狀態(tài)下，壓力容器內(nèi)部的容器壁材料會受到不同程度的損毀和破壞，從而使容器壁發(fā)生形狀的“改變”，同最初投入使用的狀態(tài)產(chǎn)生差異，而這種差異便是“塑性變形”，即延性斷裂。對于壓力容器中容器壁嚴(yán)重變薄的氣瓶來說，要利用壓力環(huán)境更加平穩(wěn)的方式進(jìn)行斷裂試驗(yàn)與檢查，能夠得到容器壁變形率與壓力均值之間的對應(yīng)關(guān)系：當(dāng)壓力容器內(nèi)部空間壓力值越小的時(shí)候，容器壁的“當(dāng)量壓力”也相對較小，則發(fā)生彈性變形的幾率也相對較小，而容器自身的容積與壓力系數(shù)也表現(xiàn)出正比例函數(shù)關(guān)系，即發(fā)生延性斷裂現(xiàn)象的比例相對較低［1］。

1.2延性斷裂事故分析

延性斷裂事故是壓力容器承壓部件常發(fā)的事故類型，當(dāng)發(fā)生延性斷裂的狀態(tài)下也可以將其描述為承壓部件自身的“大量塑性變形”。延性斷裂現(xiàn)象只有當(dāng)壓力容器承壓部件的整個(gè)界面材料臨界在“屈服”狀態(tài)值才會出現(xiàn)的現(xiàn)象，一般情況的作業(yè)狀態(tài)下是很少出現(xiàn)的。但是不能說延性斷裂的發(fā)生概率偏低，因?yàn)槠湮：π允潜仨氁鹑藗冎匾暤?。延性斷裂常發(fā)生在以下情況中：

第一，液化氣體容器存在充裝過量的情況。由于有些壓力容器內(nèi)部在承裝氣體時(shí)，沒有考慮到容器的可放容量，造成一些裝有液化氣體的氣瓶、氣桶、氣罐等存在“極高臨界狀態(tài)”。這樣由于錯(cuò)誤計(jì)算而使得過分充裝的情況直接提高了壓力容器運(yùn)輸過程中發(fā)生承壓部件發(fā)斷裂現(xiàn)象的幾率。并且加上在高溫環(huán)境或者太陽直接暴曬的狀態(tài)運(yùn)輸中，更是使得壓力容器內(nèi)部壓力極速上漲，更會頻發(fā)承壓部件延性斷裂的情況［2］。

第二，壓力容器在使用過程中存在超壓的情況。壓力容器超壓現(xiàn)象的出現(xiàn)在很多情況下是由于操作不當(dāng)、違規(guī)操作以及計(jì)算不精準(zhǔn)造成的。而壓力容器在使用過程中的壓力過高，會增加承壓部件的作業(yè)負(fù)擔(dān)，在運(yùn)行狀態(tài)中的“動力”過強(qiáng)，如果沒有安裝壓力泄漏防護(hù)等裝置的，會直接導(dǎo)致壓力容器的承壓部件出現(xiàn)延性斷裂現(xiàn)象。

第三，壓力容器設(shè)備維護(hù)不良而造成容器壁厚度變薄的情況。由于容器中的多種介質(zhì)在長時(shí)間的作業(yè)狀態(tài)下會對容器壁產(chǎn)生腐蝕、侵害以及磨損等情況，會對容器壁自身的完整度與完好度造成不同程度的破壞。那么久而久之如果不對容器壁進(jìn)行定期、合理的保養(yǎng)與護(hù)理，在個(gè)別腐蝕部位會由于高度壓強(qiáng)的沖擊下發(fā)生延性斷裂的情況，同時(shí)其也被稱作為超載高應(yīng)力斷裂［3］。

2　脆性斷裂

2.1壓力容器脆性斷裂事例分析

盡管壓力容器在承壓部件的材料選擇上較為慎重，一般原材料都會具備較強(qiáng)的可塑性與韌性。但是由于在鋼材不同的使用狀態(tài)下，其都會產(chǎn)生不同程度的脆性轉(zhuǎn)化，其也是造成脆性斷裂現(xiàn)象的“真兇”。所以在壓力容器承壓部件的制作過程中會采取低合金高強(qiáng)鋼的材料，從而防止容器在應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生失效現(xiàn)象。

2.2壓力容器脆性斷裂事故分析與預(yù)防

脆性斷裂反映了材料本身抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，而裂紋與材料固有的屬性無關(guān)，產(chǎn)生脆性斷裂問題的原因較多，比較常見的有應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境溫度、材料性能、焊接工藝等，造成脆性斷裂的主要原因是由于承壓部件表面存在裂紋等缺陷，使應(yīng)力集中于裂紋尖端區(qū)域形成了三向拉應(yīng)力狀態(tài)。首先，在設(shè)計(jì)階段要適當(dāng)減少承壓部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力性，規(guī)范焊接開孔并合理布置容器內(nèi)部構(gòu)造。其次，科學(xué)選擇壓力容器承壓部件使用的材料，確保材料在作業(yè)狀態(tài)仍具備良好的韌性、彈性與可塑性。最后，營造干凈、科學(xué)的工作環(huán)境，防止容器內(nèi)部出現(xiàn)惡劣使用條件，比如介質(zhì)的殘余、灰塵等。

3　結(jié)束語

圍繞壓力容器中的承壓部件斷裂形式進(jìn)行主要分析。從承壓部件產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象的因素上來說，壓力容器由于其自身的便利性與易用性，被廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域與行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)中，但同時(shí)也因?yàn)閴毫θ萜髟陂L期作業(yè)和使用的狀態(tài)下，其內(nèi)部的承壓部件會因?yàn)殚L時(shí)間處于高壓的狀態(tài)下疲勞荷載的影響，又要受到外部環(huán)境的影響，壓力容器的力學(xué)性能會發(fā)生變化，缺陷也會隨之?dāng)U大。基于此，在壓力容器制造、安裝、使用過程中，要加強(qiáng)檢驗(yàn)承壓部件的制造質(zhì)量、焊接質(zhì)量和由于壓力容器結(jié)構(gòu)變化造成的應(yīng)力變化，及早發(fā)現(xiàn)缺陷，消除隱患。

［1］ 馮麗鋒，宋欣.壓力容器的破裂形式與預(yù)防措施［J］.石油和化工設(shè)備，2015，（5）：30-31；41.

［2］ 陳學(xué)東，崔軍.我國壓力容器設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)十年回顧與展望［J］.壓力容器，2015，（12）：1-23.

［3］ 壽比南，謝鐵軍，等.我國承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化十年技術(shù)進(jìn)展和展望［J］.壓力容器，2015，（12）：24-31.

Fracture Mode of the Pressure Vessel Pressure Parts

Wang Ke

Pressure Vessel Pressure Parts fracture can cause very serious accidents，in order to reduce the pressure vessel rupture occurring，should understand the fracture mechanism，in order to more effectively prevent and alleviate the pressure vessel is pressurized parts broken degree.Based on this，discusses the form of a pressure vessel rupture pressure parts.

steel pressure vessels；fracture mode；Pressure Parts

TK226.1

B

1003-6490（2016）06-0182-02

2016-06-06

王珂（1990—），女，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事鍋爐壓力容器監(jiān)檢和檢驗(yàn)工作。