压力容器失效形式分析

压力容器失效是由于压力或其他载荷超过许用极限而丧失正常工作的能力。由于各类压力容器的操作条件复杂多样，而且越来越苛刻，因此压力容器失效的形态也是多种多样的。常见的火效模式可归纳为三大类、14种。

第一大类为短期失效模式，包括：

1）脆性断裂。

2）韧性断裂。

3）超量变形引起的接头泄漏。

4）超量局部应变引起的裂纹或韧性撕裂。

5）弹性、塑性或弹塑性失稳（垮塌）。

第二大类为长期失效模式，包括：

1）蠕变断裂。

2）蠕变在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递。

3）蠕变失稳。

4）冲蚀、腐蚀。

5）环境助长开裂，如应力腐蚀开裂、氢致开裂。

第三大类为循环失效模式，包括：

1）扩展性塑性变形。

2）交替塑性引起的变形。(www.xing528.com)

3）弹性应变疲劳（中周和高周疲劳）或弹性-塑性应变疲劳（低周疲劳）。

4）环境助长疲劳。

压力容器设计应至少考虑如下失效模式：脆性断裂、韧性断裂、接头泄漏、弹性或塑性失稳、蠕变断裂。

脆性断裂是指变形量很小且在元件中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生的，故又称为低应力脆断。可通过材料选用要求、材料韧性要求、制造和检验要求，以及结构形式要求来防止脆性断裂的发生。

韧性断裂是元件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。可通过材料选用要求、结构强度设计方法、许用应力的规定来防止韧性断裂的发生。

接头泄漏可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。

弹性或塑性失稳是指在全面或局部压应力作用下，由于压力容器元件整体或局部突然失去其原有的规则几何形状而引起的失效。可通过外压结构设计方法防设整体失稳，或通过局部的应力分析和评定来控制局部塑性失稳。

蠕变断裂是压力容器元件在高温下长期承受载荷，且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，最终导致元件断裂。可通过限制材料的使用温度范围控制蠕变断裂的发生。

腐蚀是压力容器失效的常见类型之一。金属腐蚀的形式是多种多样的，引起腐蚀的原因都是与其工作环境有关。按金属与周围介质作用的性质，金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类，包括应力腐蚀、氢脆、蒸汽腐蚀、碱脆、硫腐蚀、晶间腐蚀、辐照脆化和液态金属脆化等。设计中，对腐蚀主要从选材、结构、材料热处理以及采用合理的保护措施等方面考虑，避免或延缓容器的腐蚀失效。

应力腐蚀失效是指在拉应力作用下，一定材料与一定的介质环境发生应力腐蚀，而最终导致压力容器失效，它是一种延迟破坏，造成的后果也比较严重。为了解决应力腐蚀问题，设计上通常采用仔细选择应力腐蚀敏感性低的材料、加缓蚀剂或保护层、阳极保护和避免或减小应力集中、改善危险截面的受力状况及避免工件表面层残余应力存在等措施；另外，生产工艺上通常采用适当的热处理工艺来降低材料对应力腐蚀的敏感性和减小工件的残余应力或避免应力集中。

金属的氢脆是指由于金属中存在氢而导致材料的塑性大为降低，从而使压力容器失效。氢脆产生的主要原因是氢在材料中来不及扩散或逸出而形成局部偏聚（偏析），材料中氢浓度越高越容易发生局部偏聚，材料表现为低应力下的延迟破坏。因此，为了解决氢脆问题，设计上通常采用选择氢脆敏感性小的材料、减小或消除拉应力、杜绝或减少含氢的环境（如加缓蚀剂、保护层等）和改变应力状态等措施；另外工艺上也可通过表面处理（如滚压、喷丸等）使表面产生残余压应力。

蒸汽腐蚀实际上是由于高温下水蒸气的分解而造成金属的氧化和氢脆，为了防止蒸汽腐蚀，设计上通常选用高抗蒸汽腐蚀的材料。

碱脆是指由于碱的浓度达到一定程度而导致的应力腐蚀。

硫腐蚀是指由于硫的存在而在不同条件下产生不同形式的腐蚀现象，如高温硫腐蚀、含镍合金钢的硫腐蚀和低温硫腐蚀等。为防止硫腐蚀，通常采用钢材表面渗铝、含镍合金钢中加铬元素等措施。