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2020年中级注册安全工程师答疑:压力容器的破坏

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  根据国际《压力容器、锅炉和管道委员会》提出的方法,依照破坏形态和破坏原因,压力容器破坏形式可分以下几种:

  当压力载荷大大超过设计数值时,容器的器壁变薄,最后达到不稳定点,即当压力稍许增加时,容器就会因过度塑性变形而发生破裂。当容器发生过度塑性变形破裂时,断口为撕断状态,容器破坏时不产生碎片或者仅有少量碎块,爆破口的大小视容器爆破的膨胀能量而定。除压力的影响以外,金属材料在高温下的蠕变也是引起塑性变形的一个重要原因,在蠕变过程中,材料发生连续的塑性变形,在塑性变形积累到相当长时间后,将以破裂而告终。

  弹性变形是固体在外力的作用下表现出的一种行为,当外力撤出后,物体能够恢复原来形状的能力称为弹性性质,而具有这种可逆性的变形就叫做弹性变形,过度的弹性变形可能使容器呈现不稳定状态,甚至达到失稳程度。

  压力容器在交变应力的作用下,位于容器的某些局部区域(如开孔接管周围、局部结构不连续处等)受力最大的金属晶粒将会产生滑移并逐渐发展成为微小裂纹,且裂纹两端不断扩展,最终导致容器的疲劳破坏。疲劳首先出现在上述高应力的局部区域,即出现在这些高应力引起的大应变的地方,这种破坏就称大应变疲劳。压力容器的疲劳破坏一般具有以下特征:

  腐蚀疲劳是金属材料在腐蚀和应力的共同作用下引起的一种破坏形式。在材料的腐蚀疲劳中,一方面由于腐蚀使金属表面局部损坏并促使疲劳裂纹的产生和发展;另一方面,交变的拉伸应力破坏金属表面的保护膜并促使表面腐蚀的产生。在交变应力的作用下,被破坏的保护膜无法再次形成,沉积在腐蚀坑中的腐蚀产物又阻止氧的扩散使保护膜难以恢复。所以腐蚀坑的底部始终处在活性状态之下而构成了腐蚀电池的阳极。就这样在腐蚀与交变应力的联合作用下,裂纹不断发展直至金属最后断裂。

  应力腐蚀是金属腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下而产生的一种破坏形式。金属发生应力腐蚀时,腐蚀和应力这两个因素是相互促进的。一方面,腐蚀使金属的有效截面积减小和表面形成缺口,产生应力集中;另一方面,应力的存在加速了腐蚀的进展,使表面的腐蚀缺口向深处扩展,最后导致断裂。

  工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂或破裂,而压力容器的脆性破裂是指由塑性材料制成的压力容器,破裂时呈脆性破裂特征。破裂容器的工作应力远远低于材料的强度极限,甚至低于材料的屈服极限。压力容器发生脆性断裂的特征是:

  (5)脆性断裂更容易在高强度钢制的压力容器和用中、低强度制造的厚壁容器上发生。

  在高温高压下,吸附在钢表面的氢分子部分分解为氢原子或离子而固溶于钢表面层并向钢内扩散,它以氢脆和氢腐蚀两种方式影响着钢的性能。氢脆是由于氢扩散并溶解于金属晶格中,使钢在缓慢变形时产生脆性现象,此时钢的塑性显著降低。氢腐蚀是指氢原子或离子扩散进入钢中,将结合成氢分子,永乐国际并部分地与微孔壁上的碳或碳化物及非金属夹杂物产生化学反应,这些不易溶解的气体生成物聚积在晶界原有的微隙内,形成局部高压,造成应力集中,使晶界变宽,发展成微裂纹,降低了钢的机械性能。

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