壓力容器失效模式有哪些

1 引言

壓力容器的失效是損傷積累到一定程度，容器的強(qiáng)度、剛度或功能不能滿足使用要求的狀態(tài)。那么損傷是怎么產(chǎn)生的呢？其實(shí)損傷是一個(gè)過(guò)程，容器在外部機(jī)械力、介質(zhì)環(huán)境、熱作用等單獨(dú)或共同作用下，材料性能下降、結(jié)構(gòu)不連續(xù)或承載能力下降，這便是損傷。發(fā)生損傷后不一定失效，而發(fā)生失效則一定存在損傷。

失效模式是壓力容器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)方法（準(zhǔn)則）必須針對(duì)失效模式，壓力容器設(shè)計(jì)的第一步驟就應(yīng)該是確定容器有可能發(fā)生的失效模式；對(duì)于第III類壓力容器，設(shè)計(jì)時(shí)還要求出具包括主要失效模式、風(fēng)險(xiǎn)控制等內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。另外對(duì)壓力容器檢驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)，也是建立在失效模式的基礎(chǔ)上。2 ISO 16528關(guān)于失效模式的分類正在制定的壓力容器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16528 Boilers and pressure vessels綜合世界主要工業(yè)國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，針對(duì)鍋爐和壓力容器常見(jiàn)的失效形式，在標(biāo)準(zhǔn)中將失效模式歸納為三大類、14種，明確了針對(duì)失效模式的設(shè)計(jì)理念。2.1第一大類：短期失效模式（Short term failure modes）1）脆性斷裂（Brittle fracture）容器沒(méi)有明顯的塑性變形，且器壁中的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限甚至低于材料的屈服極限而發(fā)生的斷裂。脆性斷裂的主要原因在于材料的脆化（材料選擇不當(dāng)、材料加工工藝不當(dāng)、應(yīng)變時(shí)效、運(yùn)行環(huán)境惡劣）和材料本身的缺陷。

2）韌性斷裂（Ductile rupture）在壓力等荷載作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力值達(dá)到或接近器壁材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。通常碳鋼壓力容器的韌性斷裂的主要原因是壁厚過(guò)?。ㄔO(shè)計(jì)壁厚不足和厚度因腐蝕而變?。?、內(nèi)壓過(guò)高或選材不當(dāng)、安裝不符合安全要求。

3）超量變形引起的接頭泄漏（Leakage at joints due to excessive deformations）容器的各種接口密封面失效或脹接管口松動(dòng)發(fā)生泄漏而引起的失效，泄漏介質(zhì)可能引起燃燒、爆炸和中毒事故，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

4）超量局部應(yīng)變引起的裂紋形成或韌性斷裂（Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains）

5）彈性、塑性或彈塑性失穩(wěn)（垮塌）（Instability-elastic, plastic or elastic-plastic）

在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效稱為失穩(wěn)失效。容器彈性失穩(wěn)的一個(gè)重要特征是彈性撓度與載荷不成比例，且臨界壓力與材料的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，主要取決于容器的尺寸和材料的彈性性質(zhì)，但當(dāng)容器中的應(yīng)力水平超過(guò)材料的屈服點(diǎn)而發(fā)生非彈性失穩(wěn)時(shí)，臨界壓力還與材料的強(qiáng)度有關(guān)。

2.2第二大類：長(zhǎng)期失效模式（Long term failure modes）1）蠕變斷裂（Creep rupture）    壓力容器在高溫下長(zhǎng)期受載，隨著時(shí)間增加材料發(fā)生緩慢的塑性變形，塑性變形經(jīng)長(zhǎng)期積累而造成厚度明顯減薄或鼓脹變形，最終導(dǎo)致容器斷裂。壓力容器發(fā)生蠕變時(shí)，一般壁溫達(dá)到或超過(guò)其材料熔化溫度的25%～35%。蠕變斷裂的變形量取決于材料的韌性，斷裂時(shí)的應(yīng)力值低于材料使用溫度下的強(qiáng)度極限。

2）蠕變-在機(jī)械連接處的超量變形或?qū)е虏辉试S的載荷傳遞（Creep-excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load）

3）蠕變失穩(wěn)（Creep instability）隨著時(shí)間的推移逐漸積累的變形為蠕變變形，蠕變變形發(fā)展到一定程度會(huì)出現(xiàn)蠕變失穩(wěn)。

4）沖蝕、腐蝕（Erosion, corrosion）壓力容器材料在腐蝕介質(zhì)作用下，如碳鋼罐，因均勻腐蝕導(dǎo)致壁厚減薄

及材料組織結(jié)構(gòu)改變或局部腐蝕造成的凹坑，使材料力學(xué)性能降低，容器承載能力不足而發(fā)生的斷裂。壓力容器腐蝕機(jī)理有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。腐蝕形態(tài)有均勻腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕等。

5）環(huán)境助長(zhǎng)開裂，如應(yīng)力腐蝕開裂、氫開裂等（Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc）

2.3 第三大類：循環(huán)失效模式（Cyclic failure modes）1）擴(kuò)展性塑性變形（Progressive plastic deformation）2）交替塑性（Alternating plasticity）3）彈性應(yīng)變疲勞（中周和高周疲勞）或彈塑性應(yīng)變疲勞（低周疲勞）（Fatigue under elastic strains(medium and high cycle fatigue) or under elastic-plastic strains (low cycle fatigue)）4）環(huán)境助長(zhǎng)疲勞（Environmentally assisted fatigue）3 GB150-2011對(duì)于失效模式的考慮經(jīng)過(guò)多年的時(shí)間和參照國(guó)際上同類標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容，GB150-2011《壓力容器》在技術(shù)內(nèi)容中直接和間接考慮了如下失效模式，并針對(duì)所考慮的失效模式確定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)度理論：

脆性斷裂（Brittle fracture）：通過(guò)材料選用要求、材料韌性要求、制造和檢驗(yàn)要求、以及結(jié)構(gòu)形式要求，防止脆性斷裂的發(fā)生；

韌性斷裂（Ductile rupture）：通過(guò)材料選用要求、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法、許用應(yīng)力規(guī)定，防止韌性斷裂的發(fā)生；

接頭泄漏（Leakage at joints）：通過(guò)法蘭設(shè)計(jì)方法和特殊密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)要求以及對(duì)密封墊片和螺柱、螺母的要求，防止接頭泄漏的發(fā)生；

彈性或塑性失穩(wěn)（Elastic or plastic instability）：通過(guò)外壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法防止整體失穩(wěn)；通過(guò)局部局部的應(yīng)力分析和評(píng)定，控制局部塑性失穩(wěn)；

蠕變斷裂（Creep rupture）：通過(guò)限制材料的使用溫度范圍控制蠕變斷裂的發(fā)生。

腐蝕是壓力容器的最常見(jiàn)失效模式，但在不同的工程應(yīng)用中差別極大，不可能在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行規(guī)定，因此GB150規(guī)定了由設(shè)計(jì)人員全面考慮腐蝕失效模式，并在選擇材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腐蝕防護(hù)等方面采取措施，保證容器的設(shè)計(jì)壽命。4 其他標(biāo)準(zhǔn)涉及到的失效模式承壓設(shè)備損傷模式在國(guó)外已經(jīng)建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API 571、API 579 、API 580 、API 581標(biāo)準(zhǔn)中均有壓力容器損傷模式的相關(guān)內(nèi)容。在API 571標(biāo)準(zhǔn)中，介紹了一般工業(yè)中四大類、44種損傷模式，以及煉油工業(yè)中三大類、18種損傷模式。

在美國(guó)的NB23標(biāo)準(zhǔn)中、歐盟的PED指令、英國(guó)的BS7910標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)的NACE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)承壓設(shè)備的損傷模式也都有涉及。

我國(guó)目前正在制定《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》標(biāo)準(zhǔn)，擬提出一套比較完整的，適合我國(guó)承壓設(shè)備現(xiàn)狀的損傷模式和識(shí)別方法，其內(nèi)容主要包括承壓設(shè)備主要損傷模式和失效機(jī)理的理論描述、形態(tài)、影響因素、敏感材料、可能發(fā)生失效的設(shè)備或構(gòu)件、檢測(cè)方法等。

《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》標(biāo)準(zhǔn)草案將我國(guó)承壓設(shè)備的損傷模式分為五大類、73種，其中腐蝕減薄25種、環(huán)境開裂13種、材質(zhì)裂化15種、機(jī)械損傷11種、其他損傷9種。已經(jīng)頒布的GB/T 26610.1-2011《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第1部分：基本要求和實(shí)施程序》也參考采用了該標(biāo)準(zhǔn)草案中的損傷模式分類方法。5 總結(jié)對(duì)壓力容器運(yùn)行過(guò)程中損傷模式的識(shí)別，有助于定期檢驗(yàn)方案的制定，有利于在設(shè)備發(fā)生失效前及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或報(bào)廢等處理。

本文首先闡述了壓力容器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16528 Boilers and pressure vessels關(guān)于失效模式的分類，然后說(shuō)明了GB150-2011對(duì)于失效模式的考慮，最后提到了其他標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于失效模式的相關(guān)描述，并對(duì)我國(guó)目前正在制定的《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。