壓力容器失效模式有哪些？

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2018年7月16日 16:59

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1 引言

壓力容器的失效是損傷積累到一定程度，容器的強度、剛度或功能不能滿足使用要求的狀態。那么損傷是怎么產生的呢？其實損傷是一個過程，容器在外部機械力、介質環境、熱作用等單獨或共同作用下，材料性能下降、結構不連續或承載能力下降，這便是損傷。發生損傷后不一定失效，而發生失效則一定存在損傷。

失效模式是壓力容器的設計基礎，設計方法（準則）必須針對失效模式，壓力容器設計的第一步驟就應該是確定容器有可能發生的失效模式；對于第III類壓力容器，設計時還要求出具包括主要失效模式、風險控制等內容的風險評估報告。另外對壓力容器檢驗結果的評價，也是建立在失效模式的基礎上。

2 ISO 16528關于失效模式的分類

正在制定的壓力容器國際標準ISO 16528 Boilers and pressure vessels綜合世界主要工業國家的技術標準，參照歐洲標準的內容，針對鍋爐和壓力容器常見的失效形式，在標準中將失效模式歸納為三大類、14種，明確了針對失效模式的設計理念。

2.1第一大類：短期失效模式

（Short term failure modes）

1）脆性斷裂（Brittle fracture）

容器沒有明顯的塑性變形，且器壁中的應力值遠遠小于材料的強度極限

甚至低于材料的屈服極限而發生的斷裂。脆性斷裂的主要原因在于材料的脆化（材料選擇不當、材料加工工藝不當、應變時效、運行環境惡劣）和材料本身的缺陷。

2）韌性斷裂（Ductile rupture）

在壓力等荷載作用下，產生的應力值達到或接近器壁材料的強度極限而發生的斷裂。通常碳鋼壓力容器的韌性斷裂的主要原因是壁厚過薄（設計壁厚不足和厚度因腐蝕而變薄）、內壓過高或選材不當、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發生泄漏而引起的失效，泄漏介質可能引起燃燒、爆炸和中毒事故，并造成嚴重的環境污染。

4）超量局部應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（垮塌）（Instability-elastic, plastic or elastic-plastic）

在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規則幾何形狀引起的失效稱為失穩失效。容器彈性失穩的一個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度無關，主要取決于容器的尺寸和材料的彈性性質，但當容器中的應力水平超過材料的屈服點而發生非彈性失穩時，臨界壓力還與材料的強度有關。

2.2第二大類：長期失效模式

（Long term failure modes）

1）蠕變斷裂（Creep rupture）

壓力容器在高溫下長期受載，隨著時間增加材料發生緩慢的塑性變形，塑性變形經長期積累而造成厚度明顯減薄或鼓脹變形，最終導致容器斷裂。壓力容器發生蠕變時，一般壁溫達到或超過其材料熔化溫度的25%～35%。蠕變斷裂的變形量取決于材料的韌性，斷裂時的應力值低于材料使用溫度下的強度極限。

2）蠕變-在機械連接處的超量變形或導致不允許的載荷傳遞（Creep-excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load）

3）蠕變失穩（Creep instability）

隨著時間的推移逐漸積累的變形為蠕變變形，蠕變變形發展到一定程度會出現蠕變失穩。

4）沖蝕、腐蝕（Erosion, corrosion）

壓力容器材料在腐蝕介質作用下，如碳鋼罐，因均勻腐蝕導致壁厚減薄

及材料組織結構改變或局部腐蝕造成的凹坑，使材料力學性能降低，容器承載能力不足而發生的斷裂。壓力容器腐蝕機理有化學腐蝕和電化學腐蝕。腐蝕形態有均勻腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕等。

5）環境助長開裂，如應力腐蝕開裂、氫開裂等（Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc）

2.3 第三大類：循環失效模式

（Cyclic failure modes）

1）擴展性塑性變形（Progressive plastic deformation）

2）交替塑性（Alternating plasticity）

3）彈性應變疲勞（中周和高周疲勞）或彈塑性應變疲勞（低周疲勞）（Fatigue under elastic strains(medium and high cycle fatigue) or under elastic-plastic strains (low cycle fatigue)）

4）環境助長疲勞（Environmentally assisted fatigue）

3 GB150-2011對于失效模式的考慮

經過多年的時間和參照國際上同類標準的技術內容，GB150-2011《壓力容器》在技術內容中直接和間接考慮了如下失效模式，并針對所考慮的失效模式確定了相應的設計準則和強度理論：

脆性斷裂（Brittle fracture）：通過材料選用要求、材料韌性要求、制造和檢驗要求、以及結構形式要求，防止脆性斷裂的發生；

韌性斷裂（Ductile rupture）：通過材料選用要求、結構強度設計方法、許用應力規定，防止韌性斷裂的發生；

接頭泄漏（Leakage at joints）：通過法蘭設計方法和特殊密封結構的設計方法，結構要求以及對密封墊片和螺柱、螺母的要求，防止接頭泄漏的發生；

彈性或塑性失穩（Elastic or plastic instability）：通過外壓結構設計方法防止整體失穩；通過局部局部的應力分析和評定，控制局部塑性失穩；

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

腐蝕是壓力容器的最常見失效模式，但在不同的工程應用中差別極大，不可能在標準中進行規定，因此GB150規定了由設計人員全面考慮腐蝕失效模式，并在選擇材料、結構設計、腐蝕防護等方面采取措施，保證容器的設計壽命。

4 其他標準涉及到的失效模式

承壓設備損傷模式在國外已經建立了相應的標準，如美國石油協會的API 571、API 579 、API 580 、API 581標準中均有壓力容器損傷模式的相關內容。在API 571標準中，介紹了一般工業中四大類、44種損傷模式，以及煉油工業中三大類、18種損傷模式。在美國的NB23標準中、歐盟的PED指令、英國的BS7910標準、美國的NACE標準對承壓設備的損傷模式也都有涉及。

我國目前正在制定《承壓設備損傷模式識別》標準，擬提出一套比較完整的，適合我國承壓設備現狀的損傷模式和識別方法，其內容主要包括承壓設備主要損傷模式和失效機理的理論描述、形態、影響因素、敏感材料、可能發生失效的設備或構件、檢測方法等。《承壓設備損傷模式識別》標準草案將我國承壓設備的損傷模式分為五大類、73種，其中腐蝕減薄25種、環境開裂13種、材質裂化15種、機械損傷11種、其他損傷9種。已經頒布的GB/T 26610.1-2011《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則第1部分：基本要求和實施程序》也參考采用了該標準草案中的損傷模式分類方法。

5 總結

對壓力容器運行過程中損傷模式的識別，有助于定期檢驗方案的制定，有利于在設備發生失效前及時進行修復或報廢等處理。

本文首先闡述了壓力容器國際標準ISO 16528 Boilers and pressure vessels關于失效模式的分類，然后說明了GB150-2011對于失效模式的考慮，最后提到了其他標準中對于失效模式的相關描述，并對我國目前正在制定的《承壓設備損傷模式識別》做了簡要說明。

來源：化工365

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