浅谈压力容器强度失效

是一门综合性的技术学科，涉及材料 学、力学、摩擦学、腐蚀学和机械制造工 艺。
压力容器失效分析
如何开展失效分析工作
• 开展失效分析需要领导的重视和支持； • 需要有硬件的保证； • 需要失效分析人员有较高的素质； • 有正确的失效分析思路和失效分析步骤。
压力容器失效分析
对失效分析人员的要求
1、实事求是，用事实说话，勇于坚持真理； 2、敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于 捕捉失效信息和证据； 3、正确的失效分析思路和良好的失效模式、 失效原因判断能力，要有“医生的思路，侦 探的技巧”； 4、善于学习，他人、书本、实践等； 5、扎实的专业基础知识和较广的知识面。
压力容器失效分析
失效分析的步骤
• 4 )深入分析研究： 失效件的宏观检查；断口 分析；无损探伤检查；表面及界面成分分析； 局部或微区成分分析；相结构分析等。
• 5 )综合分析归纳，推理判断提出初步结论 • 6 )撰写失效分析报告。
压力容器失效分析
失效分析的思路
失效分析全过程的思维路线。是指在思想 中以机械失效的规律为理论依据，把通过调 查、观察和实验获得的失效信息分别加以考 察，然后有机结合起来做为一个统一整体综 合考察，以获取的客观 事实为证据，全面应用 逻辑推理的方法，来判 断失效事件的失效模式， 并推断失效原因。
压力容器失效分析
失效分析的思路
1、撒大网逐个因素排除的思路 操作人员、机械设备系统、材料、
制造工艺、环境和管理 2、失效树（故障树） 3、逻辑推理
演绎推理、归纳推理、类比推理等
压力容器失效分析
材质工艺引起 延性断裂
材质工 艺复查
延性断裂
引起延性 断裂设计
设计复 核
严重超载引起 延性断裂

压力容器和压力管道的失效（破坏）1．失效的定义：完全失去原定功能；虽还能运行，但已失去原有功能或不能达到原有功能；虽还能运行，但已严重损伤而危及安全，使可靠性降低。

2．失效的方式：1）从广义上分类：过度变形失效：由于超过变形限度而失效。

断裂失效：由于出现裂口而失效。

表面损伤失效；因表面腐蚀而导至失效。

2）一般分类：可分为a)过度变形失效：失效后存在较大的变形。

b)断裂失效：失效是由于存在缺陷如裂纹、腐蚀等缺陷而引起的。

c)表面损伤失效：因腐蚀、表面损伤、材料表面损伤等原因引起的失效。

3．失效的原因1）韧性失效：容器所受应力超过材料的屈服强度发生较大的变形而导致失效，原因为设计不当、腐蚀减薄、材质劣化强度下降、超压、超温。

断口有纤维区、放射纹区、剪切唇区。

2）脆性失效：容器在无明显变形情况下出现断裂导致失效，开裂部位存在较大的缺陷（主要是裂缝），材质劣化变脆、应力腐蚀、晶间腐蚀、疲劳、蠕变开裂。

断口平齐，有金属光泽，断口和最大主应力方向垂直。

3）疲劳失效：容器长期受交变载荷引起的疲劳开裂导致疲劳失效。

原因为容器长期受交变载荷、开裂点应力集中、开裂点上有小缺陷。

断口比较平齐光整，有三个区萌生区、疲劳扩展区和瞬断区。

其中扩展区有明显的贝壳样条纹。

4）腐蚀失效：因腐蚀原因导致失效。

均匀腐蚀减薄导致强度不够；应力腐蚀导致断裂；晶间腐蚀导致开裂；氢蚀导致开裂、点蚀造成的泄漏；缝隙腐蚀造成的泄漏或开裂；冲蚀造成局部减薄，泄漏；双金属腐蚀造成局部减薄。

晶间腐蚀：金属材料均属多晶材料，晶粒间存在晶界，晶间腐蚀是指晶界发生腐蚀。

应力腐蚀：金属材料的材质、介质、和拉应力三个因素共同作用下发生的裂纹不断扩大。

裂纹的发展可以是沿晶的也可以是串晶的。

氢蚀：在高温下氢气常形成原子状态氢极易渗透到钢材内部，进入钢材的氢与渗碳体中的碳生成甲烷，使渗碳体脱碳材料变软，生成的甲烷在金属中体积增大，使金属内压力增大金属表面形成鼓包。

腐蚀失效的形式：韧性失效、脆性失效、局部鼓胀、爆破、泄漏、裂纹泄漏、低应力脆断、材质劣化。

碳钢及低合金钢 奥氏体不锈钢
NaOH溶液、硝酸盐溶液、 HCN溶液、液氧、H2S溶液、 海水等
氯化物溶液、海水、高温水、 NaOH溶液、连多硫酸溶液、 HCL等
中国石化上海石油化工股份有限公司设备动力部
气液或固液二相造成的冲蚀
1.化工部丙稀腈装置管道腐蚀
2002年化工部丙稀腈装置蒸气管道腐蚀穿透，造成装 置停车，检查发现整根管道都发生了冲蚀。此管道由 于温度较低，存在气液二项。
五、今后进一步可以做的工作 根据历年使用经验，考虑选择合适的材料； 建议在制造或使用过程中尽量使环焊缝避开汽液
两相液位波动区域； 向天津、扬子、仪征等单位调查、取经； 进一步开展讨论分析。
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应力腐蚀预防措施
降低应力 避免产生应力腐蚀的环境与材料的组合
如接管根部，开孔或其他局部结构不连续引起 的应力集中会使虚拟应力的峰值大大超过材料的屈 服点，导致很小范围内的材料进入塑性应变状态。 反复的塑性应变损伤将导致原应力集中部位很快萌 生出疲劳裂纹以至不断扩展而最终导致断裂。
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预防疲劳失效的措施
预防疲劳失效(不论高周疲劳或低周疲劳) 的一般原则
四、原因分析
PTA 溶液中含有PT酸(对甲基苯甲酸)。 历年裂纹一直发生在筒体中间一条环焊缝热影响 区，该环焊缝正好处于汽液两相液位波动区域。 双相不锈钢S32205在酸性介质和焊接残余应力的 同时作用下在焊缝热影响区出现的脆性开裂现象，属 于不锈钢应力腐蚀。
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腐蚀失效
压力容器和设备的腐蚀形态可以分为8大类型：
(1) 全面腐蚀(均匀腐蚀) (2) 孔蚀(点蚀) (3) 缝隙腐蚀 (4) 晶间腐蚀 (5) 应力腐蚀 (6) 氢腐蚀（化学腐蚀） (7) 冲蚀 (8) 双金属腐蚀。

浅谈压力容器设计中的常见问题及对策1. 引言1.1 背景介绍压力容器是工业生产中常用的装置，用于存储、运输或处理各种气体、液体或固体物质。

在压力容器设计过程中，常常会遇到一些问题，如果不加以注意和解决，可能会带来安全隐患和经济损失。

因此，对于压力容器设计中的常见问题及对策的探讨变得尤为重要。

在压力容器设计中，材料选择不当是一个常见的问题。

如果选择的材料强度不足或者耐蚀性差，容器可能会在工作过程中出现断裂或腐蚀现象，从而导致事故发生。

另外，设计计算不准确也是容易被忽视的问题之一。

如果设计计算不够精确，容器的承载能力可能无法满足实际工作条件，导致容器失效。

此外，几何形状不合理和操作条件考虑不周也会影响压力容器的安全性和稳定性。

为了解决这些问题，需要严格控制材料选择，确保选用符合标准和要求的材料。

同时，进行精确的设计计算，确保容器在工作过程中能够承受各种力的作用。

优化几何形状也是提高容器稳定性的重要措施，可以减少应力集中和减轻负荷。

最后，充分考虑操作条件，包括温度、压力、介质性质等因素，确保容器在各种工况下都能够正常工作。

通过有效地解决压力容器设计中的常见问题，可以提高容器的安全性和可靠性，保障工业生产过程的顺利进行。

在面对不断增长的工业需求和严格的安全要求下，压力容器设计师需要不断总结经验，不断改进设计方法，以确保压力容器的质量和安全性。

2. 正文2.1 压力容器设计中的常见问题在压力容器设计中，常见问题包括材料选择不当、设计计算不准确、几何形状不合理、以及操作条件考虑不周等方面。

材料选择不当可能导致压力容器的强度不足或耐久性不足，从而造成安全隐患。

设计计算不准确可能导致压力容器在使用过程中出现失效或漏气等问题。

几何形状不合理可能导致应力集中、疲劳破坏等问题，影响压力容器的使用寿命。

操作条件考虑不周可能导致压力容器在实际操作中受到过大的压力或温度变化，从而影响其安全性和稳定性。

对策包括严格控制材料选择，确保选择符合压力容器设计要求的材料；精确进行设计计算，确保设计计算符合相应标准和规范；优化几何形状，避免应力集中和疲劳破坏；充分考虑操作条件，确保压力容器在不同操作条件下的安全性和稳定性。

失效后果：设备损坏、人员伤亡、 环境污染等
失效模式：断裂、变形、腐蚀、 泄漏等
失效预防措施：加强设计审查、 提高制造质量、加强使用维护等
安全评价
01
失效原因分析： 材料缺陷、设计 不合理、制造工
艺问题等
02
失效后果评估： 人员伤亡、经济 损失、环境污染
等
03
安全措施建议： 加强材料检测、 优化设计、改进
优化结构设计： 采用合理的结 构设计，提高 容器和管道的 强度和稳定性
优化制造工艺： 采用先进的制 造工艺，提高 容器和管道的 质量和可靠性
优化检测与维 护：定期进行 检测和维护， 及时发现和处 理问题，确保
安全运行
材料选择
01
选用耐腐蚀、 耐高温、耐 高压的材料
02
选用具有良 好韧性和延 展性的材料
06
气蚀失效：由于流体高速 流动引起的材料气蚀损伤
失效后果
设备损坏：可能导致设备 无法正常工作，甚至造成 设备报废
生产中断：可能导致生产 过程被迫中断，影响生产 效率和效益
人员伤亡：可能导致操作 人员或其他相关人员受伤 甚至死亡
环境污染：可能导致有毒 有害物质泄漏，污染环境， 影响生态环境和人类健康
03
选用具有良 好焊接性能
的材料
04
选用具有良 好抗疲劳性
能的材料
维护保养
定期检查压力容器 和管道的腐蚀情况， 及时处理腐蚀问题
定期检查压力容器 和管道的密封情况， 确保密封性能良好
定期检查压力容器 和管道的支撑情况， 确保支撑结构稳定 可靠
定期检查压力容器 和管道的仪表和阀 门，确保仪表和阀 门性能良好
安全评价
2
评价方法
风险评估：对压力容 器和管道的潜在风险 进行评估

压力容器失效介绍
事故由失效引起 关于失效
概念 压力容器的失效是指符合下列三种情况之一的现象： （1）完全失去原定的功能。 （2）虽还能运行，但已部分失去原有功能或不能良好地 达到原定的功能。 （3）虽还能运行，但已严重损伤而危及安全性，使可靠 性降低。 失效模式分类 为通用的分类方法可将失效形式分过度变形失效、断 裂失效、表面损伤失效和材料性能劣化四大类。
主要失效原因
大量统计资料表明，压力容器与管道的主要失效原因包 括运行操作、管理、设计制造、检测维修和外来损伤等 方面。 重大事故可定性为：责任事故或设备事故。
运行操作：违反操作规程、介质超标
压 力 容 器 与 管 道 主 要 失 效 原 因
管理：缺少现代安全管理体系、职工素质教育差
责 任 事 故
分类：爆炸事故、重大事故、一般事故 原因：设计、制造、使用、修理改造、安全附件 预防：
1.容器本身质量合格
2.使用管理 3.维护保养
4.安全附件
压力容器事故是根据事故造成的人员伤亡、直接 经济损失、中断运行时间、受事故影响人数等情况， 划分为特重大事故、重大事故、较大事故和一般事 故四级： 1、压力容器特别重大事故：有下列情形之一的 事故造成30人以上死亡，或者100人以上重伤（包 括急性工业中毒，下同），或者1亿元以上的直接 经济损失的； 压力容器有毒介质泄露，造成15万人以上转移的。 2、压力容器重大事故：有下列情形之一的： 事故造成10人以上30人以下死亡，或者50人以上 100人以下重伤，或者5000万元以上1亿元以下直接 经济损失；
（1） 过度变形失效 过度变形失效可分为过度弹性变形失效和过 度塑性变形失效两类。 虽未引起结构的破坏，但只要变形超过限度 也应判为失效。例如大型板式塔的塔盘过度挠曲而 使塔盘上流体分布明显不均匀，会引起气体穿过塔 盘时分布不均，严重时会影响传质或传热过程的正 常功能。即使塔盘的变形仍在弹性范围内，此时也 应判为过度弹性变形失效。 容器壳体局部鼓凸或凹陷，法兰明显扭转， 以至能明显观察到有残余塑性变形，最终导致不安 全或密封处的泄漏，则应判为过度塑性变形失效。 过度变形主要与强度或刚度不足有关。

浅谈压力容器设计中的常见问题及对策压力容器是工业生产中常见的设备，用于加工、储存和输送各种气体、液体和粉末。

它们承受着高压、高温或低温等复杂的工作环境，因此在设计和制造过程中要特别注意安全性和可靠性。

在压力容器设计中常常会遇到一些问题，下面就让我们来浅谈一下这些常见问题及对策。

一、焊接质量问题焊接是压力容器制造过程中最关键的环节之一，焊接质量直接影响着容器的安全性和可靠性。

常见的焊接质量问题包括焊接缺陷、焊接接头设计不合理和焊接接头处的应力集中等。

为了解决这些问题，首先应该加强焊工的技术培训，提高他们的焊接水平和质量意识；其次要严格控制焊接工艺参数，确保焊接质量符合标准要求；最后要设计合理的焊接接头结构，减少应力集中并提高接头的疲劳寿命。

二、材料选择和损伤问题压力容器的材料选择直接关系到其抗压性能和耐腐蚀性能。

选择不当或材料损伤都会导致容器失效。

为了避免这些问题，首先应该在设计阶段就对材料进行严格筛选和检测，确保材料符合要求；其次要加强对材料的管理和保养，及时发现并处理材料损伤问题；最后要严格按照材料的使用规范来设计和制造压力容器，确保其安全性和可靠性。

三、安全阀和压力表问题安全阀和压力表是压力容器的重要保护装置，它们直接关系到容器的安全运行。

常见的问题包括安全阀和压力表的选择不当、安装位置不合理和维护不及时等。

为了解决这些问题，首先应该对安全阀和压力表的性能和使用要求有清楚的了解，确保其选择和安装符合标准要求；其次要加强对安全阀和压力表的维护保养，及时发现并处理问题；最后要加强对安全阀和压力表的使用管理，确保其在容器运行过程中起到应有的作用。

四、设备结构设计问题压力容器的结构设计直接关系到其承压性能和使用寿命。

常见的结构设计问题包括受力分析不合理、结构尺寸设计不合理和支撑方式选择不当等。

为了解决这些问题，首先应该加强对设备结构设计的理论研究和实践经验总结，确保设计合理性；其次要加强对设备结构的计算分析，确保其受力性能符合要求；最后要结合实际情况对设备结构进行合理优化，确保容器的安全运行。

压力容器的强度与设计（江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座）第三节强度理论一、压力容器的失效压力容器在设定的操作条件下，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象，称为压力容器失效。

尽管失效的原因多种多样，失效的最终表现形式均为泄漏、过度变形和断裂。

压力容器的失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、稳定失效和泄漏失效等四大类。

1.强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效。

包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。

韧性断裂：是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。

其特征是断后有肉眼可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄；没有或偶尔有碎片。

厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。

脆性断裂：是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于所用材料的强度极限时所发生的断裂。

这种断裂是在较低应里状态下发生，故又称为低应力脆断。

其特征是断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。

材料脆性和缺陷两种原因都会引起压力容器发生脆性断裂。

疲劳断裂：压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。

交变载荷是指大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷，它包括压力波动、热应力变化、开车停车等；原材料或制造过程中产生的裂纹，在交变载荷的反复作用下扩展也会导致压力容器的疲劳破坏。

由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。

随着交变载荷反复作用次数的增加，疲劳裂纹不断扩展。

只有当疲劳裂纹扩展到一定值时，才回发生疲劳破坏。

因此，疲劳破坏需要有一定时间。

蠕变断裂：压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂的现象，称为蠕变断裂。

浅谈压力容器设计中的常见问题及对策压力容器作为世界性重点行业之一，其设计与制造涉及众多的工程学科，如力学、材料学、热力学等。

在压力容器设计中，经常会遇到的问题包括：应力集中问题、壁厚计算问题、焊缝质量问题等。

为了保证压力容器的安全可靠性，必须采取相应的对策。

一、应力集中问题应力集中是指物体中的应力，在一个特定的位置上，由于局部几何形状特殊，导致应力值较高。

在压力容器设计中，应力集中问题是常见的设计难点。

针对这一问题，可以从以下方面进行对策：1. 合理布局应力集中问题的部位通常是结构中较尖锐的角部、减薄区等，因此，在设计时应尽可能避免这些部位出现。

若无法避免，则应试图消除危险部位，以使得应力分散均匀。

2. 修边光滑对于边缘加工不平整、存在毛刺等问题的部位，应对其进行修整光滑处理。

这样可以使得应力更加均匀地分布到较大的范围之内，从而减小应力集中现象的发生概率。

3. 采用异形截面材料由于异形材料的截面形状具有弥散应力的作用，从而减轻了应力集中的倾向，因此可以在部位容易产生应力集中的情况下采用异形截面材料。

二、壁厚计算问题在压力容器设计中，壁厚计算以及压力计算是非常重要的环节，它直接关系到压力容器的安全性能。

壁厚计算问题通常包括：1. 薄壁处变形较大在容器的出入口处、凹凸处等地方，由于局部呈现出复杂高变形状态，会导致应力的集中，在此处壁厚必须加厚。

2. 焊缝处应力显著焊缝处通常存在残余应力，且应力集中程度大，需要加大焊缝处的厚度来提高容器的承压能力。

针对壁厚计算问题，需要采取以下对策：1. 采用较高的材料强度在一定的要求下，增加材料的强度可以减轻材料的厚度。

2. 采用多弯管路通过采用多弯管路的方式，可以使流体的压力平稳地通过容器，从而达到减小容器壁厚的目的。

3. 确保材料精度在材料的生产中，要求生产厂家保证精度，这样可以保证在规定要求的情况下，最小化壁厚。

三、焊缝质量问题焊缝质量问题在压力容器设计中也是比较常见的。

浅谈压力容器制造过程中存在的问题及相应解决措施1. 引言1.1 背景介绍压力容器是一种用于承受内部压力并保持结构稳定的设备。

在工业生产中，压力容器被广泛应用于化工、石油、制药、食品等行业。

由于其工作环境复杂和工作压力较高，压力容器制造过程中存在着各种问题，这也使得压力容器的安全性备受关注。

在压力容器制造过程中，材料选择不当是一个常见的问题。

如果选用的材料不能承受所需的工作压力，容器就会出现安全隐患。

制造工艺不规范也是一个潜在的问题，可能导致容器结构不稳定或存在缺陷。

缺乏严格的质量控制也使得压力容器在制造过程中可能出现质量问题。

为了解决这些问题，压力容器制造企业应该注意在设计阶段选择合适的材料，并保证制造工艺规范化。

建立严格的质量控制体系，对每个环节进行监控和检测，确保压力容器的质量达到标准要求。

压力容器制造过程中存在的问题需要引起重视，只有加强管理和控制，才能确保压力容器的安全可靠性。

展望未来，随着技术的不断发展，相信压力容器制造将会有更大的进步和提升。

1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨压力容器制造过程中存在的问题及相应解决措施，通过对材料选择不当、制造工艺不规范、缺乏严格质量控制等方面进行分析和总结，为压力容器制造行业提供一些具体的改进建议和指导意见。

通过本研究，希望能够促进压力容器制造工艺的不断完善和提升，确保压力容器的安全性和可靠性，保障人民生命财产安全，推动我国压力容器制造行业的健康发展。

2. 正文2.1 压力容器制造过程中存在的问题在压力容器制造过程中，存在着诸多问题需要引起重视和解决。

材料选择不当是一个常见的问题。

由于一些厂家为了降低成本，使用劣质材料或者不符合标准的材料进行制造，导致容器的使用寿命大大缩短，甚至存在安全隐患。

制造工艺不规范也是一个常见问题。

一些制造企业为了赶工期或者降低成本，忽略了制造工艺的严谨和规范性，造成了制造过程中的各种质量问题，影响了容器的使用效果和安全性。

(6) 腐蚀失效 这是与环境介质有关的失效形式。化工容器接触的腐蚀性 介质十分复杂，腐蚀机理属于两大类：化学腐蚀与电化学腐蚀。区别在于形成 腐蚀化合物过程中是否在原子间有电荷的转移。就腐蚀失效的形态可分为如下 几种典型情况： ①全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；②局部腐蚀；③集中腐蚀(即点腐蚀)；④晶间腐 蚀；⑤应力腐蚀；⑥缝隙腐蚀；⑦氢腐蚀；⑧选择性腐蚀。 腐蚀发展到总体强度不足(由全面腐蚀、晶间腐蚀或氢腐蚀引起)或局部强度
尚可满足要求，但由于刚度不足产生永久变形，导
致介质泄漏，这是由于塑性失效的过度变形而导致 的失效。
2
一、容器的失效模式 1．容器常见的失效模式 (2) 韧性爆破 容器发生了塑性大变形的
破裂失效，相当于图中曲线BCD阶段情况
下的破裂，这属于超载下的爆破，一种可 能是超压，另一种可能是本身大面积的壁
厚较薄。这是一种经过塑性大变形的塑性


在役容器检测出裂纹，可用断裂力学评价是否安全，即压力容器的缺陷评 定。这是基于断裂失效设计准则(或称防脆断失效设计准则)的方法。
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二、化工容器的设计准则发展
(7) 蠕变失效设计准则

将高温容器筒体的蠕变变形量(或按蠕变方程计算出的相应的应力)限制在 某一允许的范围之内，便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失 效，这就是蠕变失效设计准则。
失效之后再发展为爆破的失效，亦称为 “塑性失稳”(Plastic collapse)，爆破后 易引起灾难性的后果。
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一、容器的失效模式 1．容器常见的失效模式 (3) 脆性爆破 这是一种没有经过充分塑性
大变形的容器破裂失效。材料的脆性和严重的
超标缺陷均会导致这种破裂，或者两种原因兼 有。脆性爆破时容器可能裂成碎片飞出，也可 能仅沿纵向裂开一条缝；材料愈脆，特别是总 体上愈脆则愈易形成碎片。如果仅是焊缝或热 影响区较脆，则易裂开一条缝。形成碎片的脆 性爆破特别容易引起灾难性后果。

电站压力容器失效分析摘要：压力容器广泛应用于电力发电行业，是电站发电必不可少的特种设备。

由于工作条件恶劣，容易发生事故。

本文针对压力容器失效分析，介绍了相关概念、相关的失效分析技术思路及程序，研究了韧性破裂、脆性破裂、蠕变破裂等失效机理，失效原因及预防措施。

关键词：电站压力容器失效分析预防措施1 前言压力容器广泛应用于电力发电行业，是电站发电必不可少的特种设备。

迅速而准确地找到压力容器失效原因和失效规律并提出应对措施，可以大大提高设备运行的安全可靠性。

本文针对压力容器失效分析，介绍了相关概念、相关的失效分析技术思路及程序，并针对几种常见失效情况进行了分析提出了相应的预防措施。

2 常见失效机理分析目前,压力容器失效主要包括韧性破裂、脆性破裂、蠕变破裂等，系统地进行失效分析对实际生产意义重大，具体失效机理分析如下：2.1 韧性破裂失效机理在断裂之前发生明显的宏观塑性变形的断裂叫做韧性破裂。

韧性破裂是金属材料破坏的方式之一。

当韧性较好的材料所承受的载荷超过了该材料的强度极限时，就会发生韧性破坏。

(1)失效特征:断口附近有明显的宏观塑性变形；拉伸断口外貌一般呈杯锥状，杯锥底垂直于主应力，锥面平行于最大切应力，与主应力大致成45°角；断口的表面呈纤维状。

(2)失效原因:违章操作；安全附件失灵；容器内异常化学反应；强度不足，材质裂化等。

(3)预防措施:严格管理；按容规装设安全泄压装置；按工艺操作，严禁混料、串料；合理选材，改进工艺。

2.2 脆性破裂失效机理脆性破裂失效是指裂缝在稳定扩展和失稳扩展中，无明显的塑性变形过程而导致的断裂失效。

脆性破裂在工程结构中是一种非常危险的断裂。

这是由于脆性破裂之前通常无预警信号而突然发生，往往酿成严重的事故和损失。

(1)失效特征:在断裂前没有可以觉察到的塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”，或唇口很小。

断口的颜色有时比较光亮，有时灰暗。

• 盛装易于发生聚合反应的碳氢化合物的容 器，因容器内部分物料可能发生聚合作用 释放热量，使 容器内气体急剧升温而压力 升高。用于高分子聚合反应的高压釜有时 会因原料或催化剂使用不当或操 作失误， 使物料发生爆聚释放大量热能，而冷却装 置又无法迅速导热，因而发生超温，酿成 严重安全 事故。
• 2013 年 6 月四川泸沽铁矿发生的储气罐爆 破事故，事后分析空压机未带后冷却器、 油水分离器， 导致进入储气罐的压缩空气 温度超过 150℃（超温运行），储气罐内的 积炭层和机油在高温压缩空气作 用下自燃， 燃烧后产生大量气体，致使安全阀排放跟 不上，压力上升，超出储气罐的可承受压 力，使 其产生塑性变形，筒体胀粗减薄， 最后发生爆破，图 8.3 为事故后的储气罐照 片。
• 曾经在检验中碰到一台液化石油气储罐进 行水压试验，在压力表显示 0.4MPa 时， 声发射监控定 位出现大量事件信号，赶紧 停止升压查找原因，结果发现是压力表接 管堵塞，导致显示压力明显小于 实际压力， 经排污后压力迅速升至 1.0MPa，幸亏在进 行声发射检测监控，否则可能出现超压将 液化石 油气储罐打爆的事故。
8.1 压力容器常见故障
• 一般将压力容器出现与 预定生产工艺不同 的异常情况即认为发生故障，比较常见的 是超温、超压、异常变形、异常振动、异 常综合噪声、变形、泄漏、腐蚀、安全附 件损坏等。
• 当容器内的压力超过了它的实际承载极限，会造成容器破 裂或爆炸事故。如能有效地控制容器超 压，则可大大地减 少或杜绝这类事故的发生，保证容器的安全运行。 • 压力容器的超压，实际上是由于物料的流动或其能量处于 非平衡状态，使物料或能量(或二者) 在 容器内积累造成的。 从引起这种积累的途径上，可将超压分成物理超压和化学 超压两大类。物料的突 然积聚、物料受热膨胀、液化气体 受热蒸发、过热蒸汽蒸发、瞬时压力脉动等属于物理超压， 可燃汽体燃爆、粉尘燃爆、放热化学反应失控等属于化学 超压。 操作失误或控制阀失灵引起易引起物料突然积聚超 压，乙炔、氧气瓶在太阳下暴晒易受热膨胀超压，过热液 体突沸如锅炉即将烧干时突然加入冷水引起的蒸汽爆炸， 水击等瞬时脉动超压，液化石油 气受热蒸发导致储罐压力 升高等均为物理超压的实际例子；操作不当导致容器内可 燃气体、可燃粉尘 燃爆等化学超压爆炸也有实例。

压力容器失效模式损伤与失效的不同之处在于损伤是指容器在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下，造成的材料性能下降、结构不连续或承载能力下降，损伤是一个过程；而失效是损伤积累到一定程度，容器强度、刚度或功能不能满足使用要求的状态。

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，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；而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，利于在设备发生失效前及时进行修复或报废等处理。

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：第一大类：短期失效模式（Short term failure modes）：脆性断裂（Brittle fracture)韧性断裂（Ductile rupture)超量变形引起的接头泄漏（Leakage at joints due to excessive deformations）超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂（Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains）弹性、塑性或弹塑性失稳（垮塌）（Instability - elastic, plastic or elastic-plash。

）第二大类：长期失效模式（Long term failure modes）蠕变断裂（Creep Rupture)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）蠕变失稳（Creep instability〕冲蚀、腐蚀（Erosion，corrosion）环境助长开裂如：应力腐蚀开裂、氢致开裂（Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc)第三大类：循环失效模式（Cyclic failure modes）：扩展性塑性变形（Progressive plastic deformation）交替塑性（Alternating plasticity）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) 环境助长疲劳（Environmentally assisted fatigue）经过多年的实践和参照国际上同类标准的技术内容，GB 150-2011《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：a)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；b) 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；c)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；d）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；通过局部的应力分析和评定，控制局部塑性失稳；e）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。

压力容器强度计算概述——计算公式封头
压力容器强度计算概述——计算公式封头
压力容器强度校核——校核公式
一、校核公式 1. 内压圆筒体——按壁厚校核
Pc Di 校 C2 C 2 t 2 PC
2. 内压圆筒体——按压力校核

≤δ
测
2 （ 测 C2 ） P校 ≥ P Di ( 测 C2 )
应力分类典型事例的应力分类容器部件位置应力的起因应力的种类符号总体薄膜应力轴向温度梯度弯曲应力圆筒形或球形壳体与法兰的连接整个截面的薄膜应力垂直于截面方向的分量容器任意截面外部载荷或力矩整个截面的弯曲应力垂直于截面方向的分量接管或其它开孔附近外部载荷力矩任何位置壳体与壁厚之比较大时会产生皱纹及过度变形等现象
t
压力容器强度校核——校核参数选取（1）
二、校核参数的选取
（1）原则：腐蚀裕量=腐蚀速率（mm/年）×至下一个检验周期的年数 实际：用减薄量估算 （2）压力Pc：①取容器实际最高工作压力； ②装有安全泄放装置取:安全阀开启压力或爆破片爆破压力； ③盛装液化气体容器取原设计压力。——注意温度、组分 当容器的液柱静压力≥5%Pc,要计入液柱静压力（球形储罐均要计入液柱静压力）。 （3）温度：温度主要用来确定材料许用应力，强度校核温度一般取实际最高壁温，当 无准确壁温值时，取容器的实际最高工作温度（热介质的最高工作温度），低温压 力容器，取常温（20℃）值。 （4）许用应力，GB150屈服1.6，抗拉3.0安全系数。如16MnR抗拉510MPa/3.0=170(许用 应力）（见GB150），对屈服345/1.6＝216，故按照保守，取170许用应力。 从理论上来说，耐压取1.25的系数，而实际屈服安全系数1.6，故不会塑性变形，但 是仍然需要校核水压薄膜应力，主要是1.25后边有个温度因子。 ①压力容器的材料牌号明确的，直接按相应材料牌号选取许用应力，当材料牌号不 明确，可按压力容器同类材料的最低标准值选取，如不能满足强度要求时，则进行 材料化验、硬度测定确定强度等级，选取许用应力值。 ②选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力； ③液化气储罐，取设计温度下的许用应力； ④低温容器取20℃下的许用应力。

蠕变失效设计准则：将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的
许用应力以内，防止容器在使用寿命内发生蠕变失效。
脆性断裂失效设计准则：
强度失效设计准则
在常温、静载作用下，屈服和断裂是压力 容器强度失效的两种主要形式。 弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设计准则 弹塑性失效设计准则 疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 脆性断裂失效设计准则
1. 强度失效设计准则
2. 刚度失效设计准则
在载荷作用下，构件的弹性位移和（或）转角不得超过规定 的数值。
3. 失稳失效设计准则
压力容器设计中，防止发生失稳。例如：仅受均布外压的圆 筒，外压力应当小于周向临界压力。
4. 泄漏失效设计准则
容器发生的泄漏率（单位时间内通过泄漏通道的体积或质量） 小于允许值。
压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、 刚度失效设计准则、失稳失效设计准则和泄漏失效设计 准则。对于不同的设计准则，安全系数的含义并不相同。
压力容器设计时，应先确定容器最有可能发生的失 效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的 设计规范标准，再按规范标准要求进行设计和校核。
设计准则
压力容器设计准则大致可分为：
d．泄漏失效
由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。泄漏不 仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成 环境污染。设计压力容器时，应重视各可拆式接头和 不同压力腔之间连接接头（如换热管和管板的连接） 的密封性能。
压力容器失效
需要指出，在多种因素作用下，压力容 器有可能同时发生多种形式的失效，即交互 失效，如腐蚀介质和交变应力同时作用时引 发的腐蚀疲劳、高温和交变应力同时作用时
引发的蠕变疲劳等。
失效判据与设计准则
a．失效判据

论析若干常见压力容器的失效形式1、引言压力容器是承载压力的密闭设备，广泛应用在石化、能源、核电、军工等各个领域，由于介质腐蚀性、载荷压力、材料缺陷等各种原因，压力容器易发生各种形式的失效，导致生产停产、设备损坏、介质泄露，甚至会导致爆炸，造成灾难性事故。

因此，了解压力容器失效形式，找出引起失效的因素并提出预防措施，具有重大现实意义。

本文针对几种在工业生产中常用的压力容器，具体介绍其普遍发生的失效形式，分析产生失效的原因并给出相应的预防措施，以求设备安全运行。

2、储罐失效储罐的失效形式主要有表面损伤失效、断裂失效、泄露失效等。

2.1表面损伤失效磨损、接触疲劳、腐蚀等均可造成表面损伤，由于储存的气体或液体中大多含有氢、硫、氯离子等，储罐最容易发生的是应力腐蚀引起开裂。

常见的液化石油气储罐，介质中含有水和硫化氢，形成具有腐蚀条件的湿硫化氢环境，在焊缝及附近的影响区，存在焊接残余应力和冷加工残余应力，同时壳体又受到工作压力，此时低合金高强度钢将会导致氢致开裂型应力腐蚀，形成微裂纹，在外加拉伸及残余拉伸应力作用下，最终扩展成裂纹导致破坏。

为防止应力腐蚀发生，首先应合理选材。

Ni、Mn、Si、S、P等元素有利于应力腐蚀的发生，设计中要限制其含量。

其次要降低焊缝及热影响区的硬度，消除焊接残余应力。

在容器焊后进行热处理，可以残余应力，降低淬硬组织硬度，提高抗腐蚀性。

此外还应按要求对储罐及时进行全面检查，掌握设备发生应力腐蚀的程度，及时消除隐患。

2.2断裂失效韧性断裂失效是因储罐承受的压力超过材料的屈服极限，材料发生屈服或全面屈服，当压力超过材料的强度极限时，则发生断裂。

最经常导致储罐韧性断裂失效的原因是过量充装，因此应严格按照《压力容器安全技术监察规程》，装填量不得大于0.95。

脆性断裂失效是指储罐在正常压力范围内，无塑性变形的情况下突然发生的破裂称为脆性断裂失效。

脆性断裂在较低应力时发生，安全阀不会动作，因此后果比韧性断裂严重。