承壓設(shè)備事故及處理課件

1、2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理1第8章 承壓設(shè)備事故與處理第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理2前言承壓設(shè)備數(shù)量 截止2005年底，我國(guó)有在用鍋爐55.38萬(wàn)臺(tái)、壓力容器152.30萬(wàn)臺(tái)、氣瓶1.30億只、壓力管道22.50萬(wàn)千米。事故與損失 2005年全年共發(fā)生特種設(shè)備（包括電梯、載人索道、大型游樂(lè)設(shè)施等在內(nèi)）嚴(yán)重以上事故274起，其中，特大事故1起，重大事故18起，嚴(yán)重事故255起，死亡301人，受傷293人，直接經(jīng)濟(jì)損失6964.69萬(wàn)元。年萬(wàn)臺(tái)設(shè)備事故起數(shù)為0.87，萬(wàn)臺(tái)設(shè)備死亡人數(shù)為0.97與2004年相比，特種設(shè)備事故總起數(shù)減少7%，死亡人數(shù)增加1%，

2、受傷人數(shù)減少31%，直接經(jīng)濟(jì)損失增加53%，在設(shè)備總量快速增長(zhǎng)的情況下，萬(wàn)臺(tái)設(shè)備事故起數(shù)繼續(xù)保持下降趨勢(shì)。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理3前言續(xù)事故原因 按事故發(fā)生的原因分析，2005年274起特種設(shè)備事故中，使用不當(dāng)及違章操作占44%，設(shè)備本身質(zhì)量問(wèn)題占20%，超期未檢或者未按規(guī)定檢驗(yàn)占16%，安全附件及安全裝置損壞失效占10%，氣瓶混裝占6%，尚未調(diào)查結(jié)案或其它原因的占4%。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理48.1承壓設(shè)備的破壞形式分類壓力 溫度介質(zhì)環(huán)境變形疲勞腐蝕磨損蠕變失穩(wěn)破裂爆炸坍塌第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承

3、壓設(shè)備事故與處理5斷裂的分類斷裂塑性變形大小韌性斷裂脆性斷裂裂紋擴(kuò)展途徑沿晶斷裂穿晶斷裂受力狀態(tài)靜載斷裂沖擊斷裂疲勞斷裂工作條件冷脆斷裂高溫蠕變斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂氫脆和氫腐蝕斷裂第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理68.1承壓設(shè)備的破壞形式分類金屬等材料構(gòu)件的斷口一般由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成，這三個(gè)區(qū)域通常被稱作斷口三要素。圖8-1為光滑圓柱金屬棒在室溫下承受靜載拉伸作用，所呈現(xiàn)的典型破裂斷口形貌，整個(gè)斷口呈杯錐狀。具體形貌特征為：圖8-1拉伸斷口三個(gè)區(qū)域的示意圖第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理7纖維區(qū)纖維區(qū)位于斷口中央，呈粗糙的纖

4、維狀圓環(huán)形花樣。纖維區(qū)是裂紋形成并緩慢擴(kuò)展的區(qū)域。當(dāng)拉伸載荷產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)試件產(chǎn)生縮頸，由于缺口效應(yīng)在縮頸處將產(chǎn)生應(yīng)力集中，并出現(xiàn)三向應(yīng)力。在三向應(yīng)力作用下，裂紋首先在最小截面中心部位的某些非金屬夾雜物、第二相質(zhì)點(diǎn)、缺陷等處形成，并不斷擴(kuò)大、連接，使夾雜物之間的基體金屬產(chǎn)生內(nèi)縮頸，拉斷夾雜物或使之與基體金屬分離，形成顯微空洞。在進(jìn)一步受拉伸直到斷裂的過(guò)程中，纖維區(qū)底部的晶粒被拉長(zhǎng)得像“纖維”一樣，顯微空洞被拉斷成兩半，在斷面上形成“韌窩”和“鋸齒”。小鋸齒的斜面與拉力呈45，說(shuō)明纖維區(qū)的形成實(shí)質(zhì)上是切應(yīng)力作用下的斷裂。但纖維鋸齒狀斷口形成的總斷面是和拉力載荷垂直的。該區(qū)塑性變形較大，

5、表面粗糙不平，呈暗灰色。 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理8放射區(qū)放射區(qū)在纖維區(qū)的四周，其基本特點(diǎn)是有放射花樣或放射線。放射區(qū)是裂紋迅速擴(kuò)展的區(qū)域，放射線平行于裂紋擴(kuò)展的方向，而且垂直于裂紋前端輪廓線，各放射線另一端共同指向裂紋起始位置。放射花樣也是由材料的剪切變形造成的，不過(guò)它與纖維區(qū)的剪切斷裂不同，是在裂紋達(dá)臨界尺寸后快速低能量撕裂的結(jié)果。這時(shí)，材料的宏觀塑性變形量很小，表現(xiàn)為脆性斷裂。但在微觀局部區(qū)域，仍有很大的塑性變形。放射形花樣是剪切型低能量撕裂的一種標(biāo)志。沿晶斷裂和解理斷裂一般包括在快速破壞的放射區(qū)內(nèi)。因?yàn)檫@類斷裂塑性變形很小，所以斷口的放射線極細(xì)。材料

6、越脆，放射線越細(xì)，直至消失。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理9剪切唇剪切唇在斷裂過(guò)程的最后階段形成，表面平滑，與拉應(yīng)力方向呈45，通常稱為“拉邊”。在剪切唇區(qū)域，裂紋也快速擴(kuò)展，但材料的塑性變形量很大，是韌性斷裂區(qū)。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理10一般地說(shuō)，工程結(jié)構(gòu)斷口都有“三要素”及大體相同的形貌，但是，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸、形狀及材料性能以及受力狀態(tài)、加載速度和工作溫度不同時(shí)，斷口三個(gè)區(qū)域的形態(tài)、大小和相對(duì)位置都會(huì)發(fā)生變化。材料強(qiáng)度增高，塑性降低，則放射區(qū)所占比例增大；結(jié)構(gòu)斷面尺寸加大，放射區(qū)明顯增大而纖維區(qū)變化不大；缺口的存在不但改變了斷

7、口中各區(qū)所占比例，而且改變了各區(qū)的分布。例如缺口圓柱試樣首先從缺口處形成裂紋，最后斷裂區(qū)在心部；平板試件的纖維區(qū)呈橢圓形，放射區(qū)的花樣呈人字形，人字形花樣尖端指向裂源；沖擊斷裂的斷口，其三個(gè)區(qū)不呈同心分布，而是依沖擊方向依次分布等。韌性斷裂與脆性斷裂之間沒(méi)有明顯界限。斷口中以纖維區(qū)和剪切唇為主，放射區(qū)所占比例很小時(shí)，即為韌性斷裂；斷口中以放射區(qū)為主，纖維區(qū)和剪切唇所占比例很小時(shí)，即為脆性斷裂。由于實(shí)際構(gòu)件的尺寸形狀、材料性能、工作條件與試驗(yàn)時(shí)斷口產(chǎn)生的條件大不相同，所以實(shí)際構(gòu)件斷裂時(shí)的情況要復(fù)雜得多。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理118.1.1韌性破壞 承壓部件的

8、變形與韌性斷裂韌性斷裂的特征韌性斷裂事故原因預(yù)防第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理12承壓部件的變形與韌性斷裂金屬構(gòu)件超載時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形，使宏觀尺寸發(fā)生明顯變化。當(dāng)其應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃蟮讲牧系目估瓘?qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)斷裂失效。一般將發(fā)生過(guò)明顯塑性變形之后的斷裂稱為韌性(或稱延性)斷裂失效。韌性斷裂的宏觀特征 1、有明顯的塑性變形 2、爆破口是長(zhǎng)縫或有分叉，但無(wú)碎片第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理13承壓部件的變形與韌性斷裂續(xù)第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理14韌性斷裂的特征韌性斷裂的斷口特征 斷口呈暗灰色纖維狀。碳鋼和

9、低合金鋼韌性斷裂時(shí)，由于纖維空洞的形成、長(zhǎng)大和聚集，最后形成鋸齒形的纖維狀斷口，多數(shù)屬于穿晶斷裂，斷口沒(méi)有金屬光澤而呈暗灰色。由于這種斷裂是先滑移而后斷裂，一般是切斷，所以斷裂的宏觀表面平行于最大剪應(yīng)力方向而與最大主應(yīng)力成45。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理15韌性斷裂的特征續(xù)韌性破壞的設(shè)備一般不發(fā)生碎裂。韌性斷裂的容器一般不破碎成塊或者片，而是只裂開(kāi)一個(gè)裂口。壁厚比較均勻的圓筒形容器，常常是在中部沿軸向裂開(kāi)，裂口的大小與容器破裂時(shí)釋放的能量有關(guān)。盛裝常溫受壓水的容器，破裂時(shí)因釋放膨脹功很小，所以破口也??；盛裝受壓飽和水及液化氣體的容器，破裂時(shí)因閃蒸產(chǎn)生大量氣體，

10、器壁的裂口也較大。實(shí)際爆破壓力接近計(jì)算爆破壓力，屬于超壓或超載破壞。承壓設(shè)備的韌性斷裂是載荷引起的當(dāng)量應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的斷裂，其實(shí)際爆破壓力往往與計(jì)算爆破壓力相接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了承壓設(shè)備的許用壓力及正常工作壓力，屬于超壓或超載破壞（設(shè)備壁因腐蝕或磨損減薄時(shí)例外）。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理16韌性斷裂事故原因預(yù)防承壓設(shè)備常見(jiàn)韌性斷裂事故 承壓設(shè)備承壓部件只有在發(fā)生大量塑性變形才會(huì)出現(xiàn)韌性斷裂，而這種情況在正確設(shè)計(jì)制造及合理使用時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)，即使出現(xiàn)也有明顯的征兆。因此該種事故基本上可以避免。但實(shí)際使用中韌性斷裂并不少見(jiàn)，常發(fā)生于以下情況：液化氣體容器充裝

11、過(guò)量。有些盛裝高臨界溫度液化氣體的氣瓶、罐車和貯罐，由于操作疏忽、計(jì)量錯(cuò)誤或其它原因造成充裝過(guò)量，在運(yùn)輸或使用過(guò)程中，容器內(nèi)介質(zhì)溫度因環(huán)境溫度影響或太陽(yáng)曝曬而升高，介質(zhì)體積膨脹滿液后使器內(nèi)壓力急劇上升，最終導(dǎo)致容器韌性斷裂。承壓設(shè)備在使用中超壓。由于違反操作規(guī)程、操作失誤或其它原因，造成設(shè)備內(nèi)壓力升高并超過(guò)其許用壓力，而設(shè)備又沒(méi)有裝設(shè)安全泄壓裝置或安全泄壓裝置失靈，最終造成韌性斷裂。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理17韌性斷裂事故原因預(yù)防續(xù)設(shè)備維護(hù)不良引起壁厚減薄。由于介質(zhì)對(duì)器壁的腐蝕或磨損，或設(shè)備長(zhǎng)期閑置不用而又未進(jìn)行可靠防護(hù)，造成器壁嚴(yán)重減薄，又未及時(shí)檢驗(yàn)，使部

12、件在正常工作壓力下發(fā)生韌性斷裂。對(duì)腐蝕減薄部位來(lái)說(shuō)，這也屬于超載高應(yīng)力斷裂。承壓設(shè)備韌性斷裂的預(yù)防 要防止承壓設(shè)備發(fā)生韌性斷裂事故，最根本的是保證部件器壁上的當(dāng)量應(yīng)力在任何情況都不超過(guò)材料的屈服點(diǎn)。承壓設(shè)備必須按規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。承壓部件必須經(jīng)過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算，未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算的承壓設(shè)備禁止使用。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理18韌性斷裂事故原因預(yù)防續(xù)禁止將一般生活鍋爐改裝成承壓鍋爐；防止非承壓的容器因結(jié)構(gòu)或操作原因在器內(nèi)產(chǎn)生壓力。承壓設(shè)備應(yīng)按規(guī)定裝設(shè)性能和規(guī)格都符合要求的安全泄壓裝置，并始終使其處于靈敏可靠的狀態(tài)。認(rèn)真執(zhí)行安全操作規(guī)程，操作人員不得擅自離開(kāi)工作崗位，注意監(jiān)

13、督檢查，防止承壓設(shè)備超壓。作好承壓設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，采取有效措施防止腐蝕性介質(zhì)及大氣對(duì)設(shè)備的腐蝕。對(duì)長(zhǎng)期停用的鍋爐、容器及管道，應(yīng)妥善保養(yǎng)防護(hù)。嚴(yán)格定期檢驗(yàn)制度，檢驗(yàn)時(shí)若發(fā)現(xiàn)承壓部件器壁被腐蝕而致厚度嚴(yán)重減薄，或承壓設(shè)備在使用中曾發(fā)生過(guò)顯著的塑性變形時(shí)，即應(yīng)停用。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理198.1.2脆性破壞脆性破壞的概念脆性斷裂的特征脆性斷裂的預(yù)防第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理20脆性破壞的概念脆性斷裂失效主要是指設(shè)備在沒(méi)有發(fā)生塑性變形時(shí)就發(fā)生斷裂或爆炸。其基本原因一是由于材料的脆性轉(zhuǎn)變而引起的脆斷；二是由于構(gòu)件出現(xiàn)了嚴(yán)重的

14、缺陷（如裂紋）導(dǎo)致發(fā)生低應(yīng)力水平下的脆斷，這稱為低應(yīng)力脆斷。盡管承壓設(shè)備材料一般具有較好的塑性和韌性，但鋼材在不同使用條件下有產(chǎn)生脆性及脆化的可能。特別是高參數(shù)、厚截面的大型容器，通常采用低合金高強(qiáng)鋼制造，在高壓、低溫、三向應(yīng)力狀態(tài)、缺口、殘余應(yīng)力等因素的影響下，脆性斷裂成為其主要的失效形式之一。脆性斷裂是一個(gè)快速斷裂的過(guò)程，材料內(nèi)部的微裂紋很快擴(kuò)展達(dá)到臨界長(zhǎng)度，幾乎不經(jīng)歷裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段就進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展阻力小，擴(kuò)展速度很快，最大可達(dá)聲音在該材料中的傳播速度。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理21脆性斷裂的特征承壓部件發(fā)生脆性斷裂時(shí)，在破裂形狀、斷口形

15、貌等方面都具有一些與韌性斷裂相反的特征。無(wú)明顯殘余變形。由于金屬的脆斷一般沒(méi)有留下殘余伸長(zhǎng)，因此脆性斷裂后的承壓設(shè)備沒(méi)有明顯的殘余變形。許多在水壓試驗(yàn)時(shí)脆性斷裂的承壓設(shè)備，其試驗(yàn)壓力與容積增量的關(guān)系在斷裂前基本上還是線性關(guān)系，即處于彈性變形狀態(tài)。有些脆裂成塊的承壓設(shè)備，將碎塊拼組起來(lái)基本上還是原承壓設(shè)備的形狀，其周長(zhǎng)與原周長(zhǎng)相差無(wú)幾，承壓設(shè)備的壁厚也沒(méi)有減薄。斷口平齊且有金屬光澤。脆性斷裂一般是正應(yīng)力引起的解理斷裂，斷口平齊且與主應(yīng)力方向垂直。承壓設(shè)備脆斷的縱縫裂口與設(shè)備壁表面垂直；環(huán)向脆斷時(shí)，裂口與承壓設(shè)備的中心線相垂直。脆斷往往是晶界斷裂，所以斷口呈閃爍金屬光澤的結(jié)晶狀。在壁很厚的承壓設(shè)備

16、脆性斷口上，還常有人字形放射花紋，其尖端指向裂紋源，始裂點(diǎn)往往是缺陷處或形狀突變處。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理22脆性斷裂的特征續(xù)破裂成碎塊。由于承壓設(shè)備脆性斷裂時(shí)材料韌性較差，脆性斷裂的過(guò)程又是裂紋迅速擴(kuò)展的過(guò)程，破壞往往在一瞬間發(fā)生，設(shè)備內(nèi)的壓力和能量無(wú)法通過(guò)一個(gè)裂口釋放，因此脆性斷裂的設(shè)備常裂成碎塊，且常有碎片飛出。如果承壓設(shè)備是在使用中脆性斷裂，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)為氣體或液化氣體，則碎裂的情況將遠(yuǎn)較水壓試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)重，造成的后果常比韌性斷裂嚴(yán)重得多。斷裂時(shí)的名義應(yīng)力較低。金屬的脆性斷裂是因裂紋擴(kuò)展造成的，斷裂時(shí)設(shè)備壁中的一次應(yīng)力名義應(yīng)力通常不高，往往低于鋼材的屈服

17、點(diǎn)，因而這類斷裂可以在承壓設(shè)備的正常操作壓力或水壓試驗(yàn)壓力下發(fā)生。斷裂多在溫度較低的情況下發(fā)生。由于常用的承壓設(shè)備鋼材多有冷脆傾向，所以脆性斷裂常在較低的溫度下發(fā)生；包括較低的水壓試驗(yàn)溫度和較低的使用溫度。 此外，脆性斷裂常見(jiàn)于高強(qiáng)鋼制造的容器及厚壁容器，這些容器材料的沖擊韌性或斷裂韌性較低。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理238.1.2脆性破壞第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理24脆性斷裂的預(yù)防傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不包含脆性強(qiáng)度概念，沒(méi)有考慮缺陷大小、溫度、加載速度、構(gòu)件尺寸效應(yīng)、三向應(yīng)力狀態(tài)等引起脆性斷裂的因素。正確選擇材料?？紤]材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

18、，考慮材料的斷裂韌性。減少承壓設(shè)備中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，消除殘余應(yīng)力 例如減少尖銳角，消除未熔合與未熔透的焊縫，承壓設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性。盡量減少由焊接產(chǎn)生的缺陷。細(xì)致設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少和避免焊縫集中和重疊交叉。需采用較好的焊接方法，保證焊透，盡量避免焊縫表面缺陷。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理25脆性斷裂的預(yù)防續(xù)加強(qiáng)對(duì)承壓設(shè)備的檢驗(yàn)。對(duì)在用承壓設(shè)備定期檢驗(yàn)，及早發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)消除或嚴(yán)格監(jiān)控，也是防止設(shè)備發(fā)生脆性斷裂的有效措施。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理268.1.3疲勞破壞疲勞斷裂是承壓設(shè)備承壓部件較

19、為常見(jiàn)的一種斷裂方式。據(jù)英國(guó)統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)行期間發(fā)生破壞事故的容器，有89.4%是由裂紋引起的；而在由裂紋引起的事故中，疲勞裂紋占39.8%。國(guó)外還有資料估計(jì)，壓力容器運(yùn)行中的破壞事故有75%以上是由疲勞引起的。由此可見(jiàn)，承壓設(shè)備的疲勞斷裂是絕不能忽視的。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理27金屬疲勞現(xiàn)象承受交變載荷的金屬構(gòu)件，在載荷長(zhǎng)期反復(fù)作用下，盡管載荷引起的最大應(yīng)力不一定很高，也會(huì)引起構(gòu)件突然斷裂，且無(wú)明顯的塑性變形。人們把這類斷裂歸之于金屬的“疲勞”。疲勞斷裂時(shí)載荷交變的周次N，稱為疲勞壽命。引起疲勞斷裂的交變載荷及應(yīng)力，可以是機(jī)械載荷及機(jī)械應(yīng)力，例如內(nèi)壓及相應(yīng)的

20、薄膜應(yīng)力；也可以是熱（溫度）載荷及相應(yīng)的熱應(yīng)力。由交變的熱應(yīng)力引起的疲勞稱作熱疲勞。所謂交變載荷是指載荷的大小、方向或大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的一類載荷。交變載荷的特征一般用平均應(yīng)力m循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力max與最小應(yīng)力min的平均值，即，應(yīng)力半幅及應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)或稱應(yīng)力比r=min/max來(lái)表達(dá)。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理28金屬疲勞現(xiàn)象續(xù)疲勞曲線與疲勞極限。多次實(shí)驗(yàn)表明，金屬承受交變載荷時(shí)，應(yīng)力幅越大，疲勞壽命越短，即斷裂時(shí)載荷交變的總周次N越少；應(yīng)力幅越小，疲勞壽命越長(zhǎng)，總周次N越多。如圖8-2，這種應(yīng)力幅與N的關(guān)系所繪成的曲線稱作金屬疲勞曲線。

21、疲勞曲線的水平段表明，當(dāng)應(yīng)力幅不越過(guò)某特定值時(shí)，疲勞壽命可為無(wú)窮大，此特定應(yīng)力值稱作材料的疲勞極限，以r表示，下標(biāo)r即應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)。對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限以-1表示。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞極限與其抗拉強(qiáng)度有一定比例關(guān)系。對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限-1約為抗拉強(qiáng)度的40%。金屬疲勞斷裂過(guò)程是金屬中疲勞裂紋萌生、亞臨界擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展的過(guò)程。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理29金屬疲勞現(xiàn)象續(xù)高周疲勞與低周疲勞。一般轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械發(fā)生的疲勞斷裂，往往應(yīng)力水平較低而疲勞壽命較高，疲勞斷裂時(shí)載荷交變周次N1105，稱作低應(yīng)力高周疲勞或簡(jiǎn)稱高周疲勞。若交變載荷引起的最大應(yīng)力超過(guò)材料的屈服點(diǎn)，而

22、疲勞壽命N102104，則為大應(yīng)變低周疲勞或簡(jiǎn)稱低周疲勞。承壓設(shè)備承壓部件的疲勞斷裂。承壓設(shè)備承受的壓力載荷通常被認(rèn)為是靜載荷，在常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中人們關(guān)心的主要是承壓部件的靜載強(qiáng)度失效問(wèn)題。但實(shí)踐表明，由于承壓設(shè)備存在啟動(dòng)停運(yùn)、調(diào)荷變壓、反復(fù)充裝等問(wèn)題，從宏觀上說(shuō)承壓設(shè)備承受的壓力載荷仍是交變的，只是交變頻率較低，周期較長(zhǎng)，且大體上屬于脈動(dòng)載荷（r0）而已。隨著承壓設(shè)備參數(shù)的提高和高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，承壓設(shè)備的疲勞斷裂問(wèn)題不僅在國(guó)外，而且在國(guó)內(nèi)也日益受到關(guān)注。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理30金屬疲勞現(xiàn)象續(xù)承壓部件的疲勞斷裂，絕大多數(shù)屬于金屬的低周疲勞。許多承壓設(shè)備都具備

23、產(chǎn)生低周疲勞的條件：存在較高的局部應(yīng)力。承壓部件的接管、開(kāi)孔、轉(zhuǎn)角及其它幾何形狀不連續(xù)的部位，焊縫及其它隱含缺陷之處，都有程度不同的應(yīng)力集中。應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力往往比設(shè)計(jì)應(yīng)力大好幾倍，可能達(dá)到并超過(guò)材料的屈服點(diǎn)。反復(fù)的加載和卸載，將會(huì)在受力最大處產(chǎn)生伸縮塑性變形并產(chǎn)生裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂。存在交變載荷及反復(fù)應(yīng)力。承壓部件承受的交變載荷及設(shè)備壁中的反復(fù)應(yīng)力可產(chǎn)生于：a、間歇操作的設(shè)備經(jīng)常進(jìn)行反復(fù)的加壓和卸壓；b、在運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備壓力在較大范圍內(nèi)變動(dòng)；c、設(shè)備介質(zhì)溫度及設(shè)備壁溫度反復(fù)變化；d、部件強(qiáng)迫振動(dòng)并引起較大局部附加應(yīng)力；e、氣瓶多次充裝等。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/

24、18承壓設(shè)備事故與處理31圖8-2疲勞曲線示意圖第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理32疲勞斷裂的特征部件沒(méi)有明顯的塑性變形。首先局部應(yīng)力較高的部位產(chǎn)生微細(xì)裂紋，然后逐步擴(kuò)展，最后剩余截面上的應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度或超過(guò)材料斷裂韌度而發(fā)生開(kāi)裂。它和脆性斷裂相似，一般沒(méi)有明顯的塑性變形。即使它的最后斷裂區(qū)是韌性斷裂，也不會(huì)造成部件整體的塑性變形，破裂后部件的直徑?jīng)]有明顯的增大，大部分壁厚也沒(méi)有明顯的減薄。斷口存在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是疲勞裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展區(qū)，另一個(gè)是最后斷裂區(qū)。對(duì)于對(duì)稱循環(huán)的疲勞斷口，前者光滑，后者粗糙，光滑區(qū)一般有規(guī)則的貝殼花樣或海灘狀條紋。在疲勞斷口上，載荷的

25、脈動(dòng)性質(zhì)且變化周期較長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展較緩慢，斷口無(wú)法受到反復(fù)的擠壓研磨，因而裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展區(qū)像對(duì)稱循環(huán)斷口那樣光滑，裂紋前沿的擴(kuò)展條紋也不那樣規(guī)則，但仍能區(qū)別光滑區(qū)與粗糙區(qū)，有時(shí)也可看到弧形條紋。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理33疲勞斷裂的特征設(shè)備常因開(kāi)裂泄漏而失效。疲勞斷裂的承壓設(shè)備或部件一般不像脆性斷裂那樣整體破壞產(chǎn)生碎片，而只是開(kāi)裂一個(gè)破口，使設(shè)備或部件因泄漏而失效。開(kāi)裂部位常是開(kāi)孔接管處或其它應(yīng)力集中及溫度交變部位。部件在多次承受交變載荷后斷裂。即疲勞斷裂是和交變載荷相關(guān)聯(lián)的，是需要循環(huán)交變一定周次和持續(xù)一定時(shí)間的。疲勞斷裂的過(guò)程要比脆性斷裂緩慢得多。第八章承

26、壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理34承壓設(shè)備疲勞斷裂的預(yù)防承壓設(shè)備疲勞斷裂的預(yù)防有以下幾個(gè)方面：1.在保證結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度的前提下，選用塑性好的材料；2.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免或減小應(yīng)力集中；3.在制造和安裝過(guò)程中盡量減少和避免殘余應(yīng)力、安裝應(yīng)力；4.在運(yùn)行中盡量避免反復(fù)頻繁地加載和卸載，減少壓力和溫度波動(dòng)；5.加強(qiáng)檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除結(jié)構(gòu)缺陷。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理358.1.4應(yīng)力腐蝕破壞應(yīng)力腐蝕及其特點(diǎn)應(yīng)力腐蝕斷裂的特征氫脆斷裂與應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕斷裂的預(yù)防第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理36應(yīng)力腐蝕及其特點(diǎn)金

27、屬構(gòu)件在應(yīng)力和特定的腐蝕性介質(zhì)共同作用下導(dǎo)致脆性斷裂的現(xiàn)象，叫應(yīng)力腐蝕斷裂。應(yīng)力腐蝕斷裂是介質(zhì)腐蝕造成構(gòu)件斷裂中最常見(jiàn)、危害最大的一種。應(yīng)力腐蝕是特殊的腐蝕現(xiàn)象和腐蝕過(guò)程，應(yīng)力腐蝕斷裂是應(yīng)力腐蝕的最終結(jié)果。應(yīng)力腐蝕及其斷裂有以下特點(diǎn)：引起應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力必須是拉應(yīng)力，且應(yīng)力可大可小，極低的應(yīng)力水平也可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞。應(yīng)力既可由載荷引起，也可以是焊接、裝配或熱處理引起的內(nèi)應(yīng)力，即殘余應(yīng)力。一般認(rèn)為壓縮應(yīng)力不會(huì)引起應(yīng)力腐蝕及斷裂，但褚武揚(yáng)等人的研究表明，壓應(yīng)力也可以引起應(yīng)力腐蝕斷裂。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理37應(yīng)力腐蝕及其特點(diǎn)續(xù)純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞，但幾乎

28、所有的合金在特定的腐蝕環(huán)境中，都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)腐蝕裂紋。極少量的合金或雜質(zhì)都會(huì)使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。各種工程材料幾乎都有應(yīng)力腐蝕敏感性。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的材料和腐蝕性介質(zhì)之間有選擇性和匹配關(guān)系，即當(dāng)二者是某種特定組合時(shí)才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。常用金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)如表8-1所示。應(yīng)力腐蝕是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程，包括應(yīng)力腐蝕裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展等階段，失穩(wěn)擴(kuò)展即造成應(yīng)力腐蝕斷裂。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理38表8-1常用材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)材料可發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)碳鋼氫氧化物溶液；硫化氫水溶液；碳酸鹽或硝酸鹽或氰酸鹽水溶液；海水；液氨；濕的COCO2

29、空氣；硫酸硝酸混合液；熱三氯化鐵溶液。奧氏體不銹鋼海水；熱的氫氧化物溶液；氯化物溶液；熱的氟化物溶液。鋁合金潮濕空氣；海水；氯化物的水溶液；汞。鈦合金海水；鹽酸；發(fā)煙硝酸；300以上的氯化物；潮濕空氣；汞。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理39應(yīng)力腐蝕斷裂的特征應(yīng)力腐蝕斷裂屬于脆性斷裂，斷口平齊，沒(méi)有明顯的塑性變形，斷裂方向與主應(yīng)力垂直。應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，其斷口一般可分出裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分，前者顏色較深，有腐蝕產(chǎn)物伴隨，后者顏色較淺且潔凈。應(yīng)力腐蝕斷裂既可能是穿晶斷裂，也可能是沿晶斷裂，或者是穿晶沿晶混合型斷裂，沒(méi)有明顯規(guī)律。但應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展過(guò)程中均會(huì)發(fā)

30、生裂紋分叉現(xiàn)象，即有一主裂紋擴(kuò)展得最快，其余是擴(kuò)展得較慢的支裂紋。引起斷裂的因素中均有特定介質(zhì)及拉伸應(yīng)力。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理40應(yīng)力腐蝕斷裂的特征第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理41第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理42第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理43第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理44第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理45氫脆斷裂與應(yīng)力腐蝕失效分析中常把氫脆與應(yīng)力腐蝕聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為氫脆斷裂是一種廣義的應(yīng)力腐蝕斷裂

31、，它與一般應(yīng)力腐蝕斷裂既有共同之處，也有顯著區(qū)別。氫脆斷裂與應(yīng)力腐蝕斷裂共同之處是：二者都由介質(zhì)及拉伸應(yīng)力共同作用引起；都是脆性斷裂，裂紋及斷口與主應(yīng)力垂直。氫脆斷裂與應(yīng)力腐蝕斷裂的區(qū)別在于：氫脆斷裂是陰極反應(yīng)的結(jié)果，即在電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過(guò)程中由于陰極吸氫而造成脆性斷裂，而一般應(yīng)力腐蝕斷裂屬于陽(yáng)極反應(yīng)，是以金屬陽(yáng)極溶解損傷為基礎(chǔ)的；第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理46氫脆斷裂與應(yīng)力腐蝕續(xù)氫脆斷裂既可產(chǎn)生于合金，也可產(chǎn)生于純金屬，而一般應(yīng)力腐蝕斷裂僅產(chǎn)生于合金；氫脆斷裂斷面上沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物，而一般應(yīng)力腐蝕斷裂斷面上有腐蝕產(chǎn)物；氫脆斷裂裂紋幾乎不分叉，而一般應(yīng)力腐蝕斷裂裂紋

32、都是分叉的。有的應(yīng)力腐蝕通過(guò)陽(yáng)性反應(yīng)在消耗金屬陽(yáng)極的同時(shí)還產(chǎn)生氫，這些氫在金屬陰極又導(dǎo)致氫脆，使得一般應(yīng)力腐蝕與氫脆在同一金屬內(nèi)同時(shí)發(fā)生，金屬結(jié)構(gòu)最后斷裂的機(jī)制也更加復(fù)雜。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理47應(yīng)力腐蝕斷裂的預(yù)防由于在學(xué)術(shù)上對(duì)應(yīng)力腐蝕的機(jī)理尚缺乏深入的了解和一致的看法，因而在工程技術(shù)實(shí)踐中，常以控制應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的特點(diǎn)和條件作為預(yù)防應(yīng)力腐蝕的主要措施，其中常見(jiàn)的有：選用合適的材料，盡量避開(kāi)材料與敏感介質(zhì)的匹配，比如不用奧氏體不銹鋼做接觸海水及氯化物的承壓容器；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免過(guò)大的局部應(yīng)力；第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理48

33、應(yīng)力腐蝕斷裂的預(yù)防續(xù)采用涂層或襯里，把腐蝕性介質(zhì)與承壓設(shè)備承壓部件隔離；在制造中采用成熟合理的焊接工藝及裝配成形工藝，并進(jìn)行必要合理的熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力及其它內(nèi)應(yīng)力；應(yīng)力腐蝕常對(duì)水分及潮濕環(huán)境敏感，使用中應(yīng)注意防濕防潮，對(duì)設(shè)備加強(qiáng)管理和檢驗(yàn)。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理498.1.5蠕變破壞蠕變過(guò)程及蠕變斷裂蠕變斷裂的特征蠕變斷裂的預(yù)防第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理50蠕變過(guò)程及蠕變斷裂是在應(yīng)力和一定溫度共同作用下，隨著時(shí)間的增加金屬不斷產(chǎn)生塑性變形的持續(xù)過(guò)程，最終導(dǎo)致蠕變斷裂。蠕變過(guò)程通常通過(guò)蠕變曲線表示。如圖8-3，蠕變曲

34、線是蠕變過(guò)程中變形與時(shí)間的關(guān)系曲線。曲線的斜率表示應(yīng)變隨時(shí)間的變化率，叫蠕變速度：試驗(yàn)表明，對(duì)一定材料，在一定的載荷及溫度作用下，其蠕變過(guò)程一般包括三個(gè)階段。圖8-3中oa表示試件加載時(shí)的初始變形，它可以是彈性的，也可以是彈塑性的，因載荷大小而異，但它不是蠕變變形。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理51蠕變過(guò)程及蠕變斷裂續(xù)第一階段，即曲線ab段，為蠕變的減速期。試件開(kāi)始蠕變時(shí)速度較快，隨后逐步減慢，這一段也是不穩(wěn)定蠕變期。第二階段，即曲線bc段，為蠕變的恒速期。bc近似為一條直線，當(dāng)應(yīng)力不太大或溫度不太高時(shí)，這一段持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，是蠕變壽命的主要構(gòu)成部分，也叫穩(wěn)定蠕變階

35、段。第三階段，即曲線cd段，為蠕變的加速期。此時(shí)蠕變速度越來(lái)越快，直至d點(diǎn)試件斷裂。蠕變斷裂是蠕變過(guò)程的結(jié)果。不同材料、不同載荷或不同溫度，可以有形狀不同的蠕變曲線，但均包含上述三個(gè)階段，不同蠕變曲線的主要區(qū)別是恒速期的長(zhǎng)短。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理52圖8-3蠕變曲線第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理53蠕變斷裂的特征金屬材料的蠕變斷裂，基本上可分為兩種：穿晶型斷裂和沿晶型斷裂。穿晶型蠕變斷裂在斷裂前有大量塑性變形，斷裂后的伸長(zhǎng)率高，往往形成縮頸，斷口呈韌性形態(tài)，因而也叫蠕變韌性斷裂。沿晶型蠕變斷裂在斷裂前塑性變形很小，斷裂后的伸

36、長(zhǎng)率甚低，縮頸很小或者沒(méi)有，在晶體內(nèi)常有大量細(xì)小裂紋，這種斷裂也叫蠕變脆性斷裂。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理54蠕變斷裂的特征續(xù)蠕變斷裂形式的變化與溫度、壓力等因素有關(guān)。在高應(yīng)力及較低溫度下蠕變時(shí)，發(fā)生穿晶型蠕變韌性斷裂；在低應(yīng)力及較高溫度下蠕變時(shí)，發(fā)生沿晶型蠕變脆性斷裂。鍋爐的過(guò)熱器管及蒸汽管道，由于直徑相對(duì)于壁厚較小，應(yīng)力水平較低而溫度水平較高，因而其蠕變斷裂常呈沿晶脆斷特征。另外，蠕變斷裂的斷口常有明顯的氧化色彩。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理55Nimonic 105合金800沿晶蠕變斷口 （SEM800）第八章承壓設(shè)備事故

37、及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理56Nimonic 105合金800沿晶蠕變斷 （SEM3300）第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理57蠕變斷裂的預(yù)防合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和介質(zhì)流程布置，盡量避免承受高壓的大型容器直接承受高溫，避免結(jié)構(gòu)局部高溫及過(guò)熱。根據(jù)操作溫度及壓力，合理選材并決定許用應(yīng)力，使材料在使用條件下及服役期限內(nèi)具有足夠的常溫及高溫強(qiáng)度。采用合理的焊接、熱處理及其它加工工藝，防止在制造、安裝、修理中降低材料的抗蠕變性能。嚴(yán)格按照規(guī)定的操作規(guī)程運(yùn)行設(shè)備，防止總體或局部超溫超壓從而降低蠕變壽命。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理5

38、88.2承壓設(shè)備典型事故案例以本世紀(jì)初發(fā)生在我國(guó)的幾起典型事故為例，說(shuō)明重視設(shè)計(jì)、制造、介質(zhì)作用和操作等幾方面因素，對(duì)防止事故發(fā)生的重要性。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理598.2.1制造缺陷引起的爆炸事故陜西省渭南飼料添加劑廠壓力容器爆炸事故遼寧省大連市西崗區(qū)兩起煤氣管道泄漏重大事故第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理60陜西省渭南飼料添加劑廠壓力容器爆炸事故概況2000年7月10日12時(shí)20分，渭南市飼料添加劑廠合成車間二樓環(huán)氧乙烷1號(hào)計(jì)量罐突然從下封頭和筒體連接環(huán)縫處撕開(kāi)，裂縫長(zhǎng)150mm，液態(tài)環(huán)氧乙烷在有壓的情況下高速噴出后急劇汽化

39、，使周圍空間迅速達(dá)到爆炸極限。噴出的高流速物料與裂縫處的摩擦產(chǎn)生大量靜電，隨即發(fā)生了第1次爆炸并引起大火。12點(diǎn)30分大火蔓延，使距合成車間4.5m處的50m3儲(chǔ)罐內(nèi)大約9t環(huán)氧乙烷吸熱汽化，罐內(nèi)壓力驟升，該貯罐最終因超壓而爆炸。大量環(huán)氧乙烷泄漏燃燒，又使距該貯罐6m處的汽車罐車被引燃，13時(shí)20分，該汽車罐車發(fā)生爆炸，同時(shí)引起廠區(qū)多處起火。大火于7月15日14時(shí)30分被撲滅，7月17日11時(shí)警戒解除。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理61陜西省渭南飼料添加劑廠壓力容器爆炸事故概況續(xù)這次爆炸使該廠合成車間遭到毀滅性破壞。全廠生產(chǎn)系統(tǒng)、生活系統(tǒng)處于癱瘓，2臺(tái)壓力容器，1

40、臺(tái)汽車罐車爆炸，6臺(tái)容器報(bào)廢，4輛消防車、7輛小車不同程度受損，周圍單位和居民樓遭到不同程度破壞，同時(shí)還造成2人死亡，4人重傷，26人輕傷(其中消防官兵19人，群眾11人受傷)。工廠直接經(jīng)濟(jì)損失640萬(wàn)元，工廠外其他損失178萬(wàn)元。事故損失30200個(gè)工作日。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理62陜西省渭南飼料添加劑廠壓力容器爆炸事故原因環(huán)氧乙烷1號(hào)計(jì)量罐屬非法自制容器，制造質(zhì)量低劣，焊縫、鋼板存在嚴(yán)重不允許缺陷，是這次事故的直接和主要原因。生產(chǎn)車間屬于甲類易燃易爆生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)所，沒(méi)有按規(guī)范設(shè)計(jì)、安裝防靜電接地裝置，環(huán)氧乙烷泄漏汽化后，集聚電荷無(wú)法導(dǎo)出，釀成事故。裝有環(huán)

41、氧乙烷的罐車沒(méi)有及時(shí)脫離事故現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。設(shè)備用戶對(duì)本廠的壓力容器、壓力管道的安全管理，沒(méi)有執(zhí)行國(guó)家的有關(guān)法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，非法設(shè)計(jì)、制造、使用，造成各個(gè)安全環(huán)節(jié)嚴(yán)重失控。政府有關(guān)部門對(duì)民營(yíng)企業(yè)疏于管理，在各自職責(zé)范圍內(nèi)監(jiān)督檢查不力，對(duì)查出問(wèn)題的落實(shí)整改沒(méi)有跟蹤管理到位。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理63遼寧省大連市西崗區(qū)兩起煤氣管道泄漏重大事故概況2002年12月15日8時(shí)30分左右，遼寧省大連市西崗區(qū)林茂一巷發(fā)生煤氣管道泄漏重大事故，造成7人中毒死亡。12月15日6時(shí)許，大連市西崗區(qū)林茂一巷的3號(hào)樓與11號(hào)樓之間馬路下埋地鑄鐵煤氣管道發(fā)生斷裂，斷裂處與小

42、區(qū)暖氣管線溝相連，致使煤氣沿暖氣溝進(jìn)入610號(hào)樓的居民家中，造成人員中毒事故，致使7人不治身亡。該煤氣管道為DN200灰口鑄鐵管，壁厚約8mm，至管頂埋深0.62m，外加長(zhǎng)1.8m的DN250鋼套管垂直穿越一沿路南側(cè)鋪設(shè)的采暖地溝，溝內(nèi)順地溝方向鋪設(shè)2根DN100采暖鋼管，位于事故煤氣管道上方，其中1根采暖管直接壓在煤氣套管上，在地溝北外側(cè)煤氣套管端部下面有1根DN150金屬水管，與煤氣套管垂直零距離交叉。煤氣管道斷裂點(diǎn)正好位于該水管上方，也正好是煤氣套管端點(diǎn)處。三種管道呈十字交叉分布，上下緊貼，未見(jiàn)間隙?，F(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)煤氣管道斷裂口長(zhǎng)約180mm，裂口最大寬約10mm。第八章承壓設(shè)備事故及處理20

43、22/7/18承壓設(shè)備事故與處理64遼寧省大連市西崗區(qū)兩起煤氣管道泄漏重大事故原因車載是造成管道斷裂的主要載荷，所產(chǎn)生的應(yīng)力引發(fā)管道疲勞裂紋，當(dāng)疲勞裂紋達(dá)到極限狀態(tài)管道就會(huì)斷裂?；铱阼T鐵管內(nèi)部存在各種缺陷，力學(xué)性能不合格，降低了管道抗外力的能力。氣溫驟變對(duì)管道產(chǎn)生溫差應(yīng)力，加速了管道的斷裂。管道埋深過(guò)淺，使其受到較大沖擊力和溫差應(yīng)力。后續(xù)施工不當(dāng)，對(duì)管道形成多處剛性支撐，是加速管道發(fā)生斷裂的原因。造成煤氣管道斷裂引起泄漏中毒事故是綜合原因共同作用所致。既有自然的因素(車載、氣溫驟降)，又有相關(guān)單位在后續(xù)施工過(guò)程中，沒(méi)有嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范要求施工留下事故隱患所造成。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022

44、/7/18承壓設(shè)備事故與處理65圖8-4事故現(xiàn)場(chǎng)照片 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理66 圖8-5事故現(xiàn)場(chǎng)近處照片 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理678.2.2應(yīng)力腐蝕引起的爆炸事故概況2005年3月21日21時(shí)26分，山東省濟(jì)南市平陰縣魯西化工第三化肥有限公司發(fā)生尿素合成塔爆炸重大事故，造成4人死亡，32人重傷，經(jīng)濟(jì)損失慘重。事故尿素合成塔是南京化工工業(yè)集團(tuán)有限公司化工機(jī)械廠1999年產(chǎn)品，于2000年投入使用。該塔設(shè)計(jì)工作壓力21.57MPa，設(shè)計(jì)溫度195，試驗(yàn)壓力27.26 MPa，公稱容積37.5m3，工作介質(zhì)為尿素溶液和氨

45、基甲酸銨。該容器為立式高壓反應(yīng)容器，由10節(jié)筒節(jié)和上、下封頭組成。筒節(jié)內(nèi)徑1400mm，壁厚110mm，總長(zhǎng)26210mm。筒節(jié)為多層包扎結(jié)構(gòu)，層板為15MnVR及16MnR板，內(nèi)襯為8mm厚的尿素級(jí)不銹鋼襯里。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理688.2.2應(yīng)力腐蝕引起的爆炸事故尿素合成塔塔身爆炸成三節(jié)，事故第一現(xiàn)場(chǎng)殘存塔基、下封頭和第10節(jié)筒節(jié)（自上而下數(shù)起，下同），且整體向南偏西傾斜約15(圖8-6)。南側(cè)5m處六層主廠房坍塌；西北側(cè)20m處二層廠房坍塌；北側(cè)、東北側(cè)裝置受爆炸影響，外隔熱層脫落；東側(cè)2個(gè)堿洗塔隔熱層全部脫落，冷卻排管系統(tǒng)全部損壞。事故原因分析引

46、起該尿素合成塔爆炸的直接原因?yàn)樗w材料(包括焊縫)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致了塔體承載能力的嚴(yán)重下降，尤其是發(fā)生在第九筒節(jié)熱電偶處向下的縱向應(yīng)力腐蝕裂紋（見(jiàn)圖8-9），達(dá)到和超過(guò)了材料的容限裂紋尺寸，最終產(chǎn)生快速斷裂，引起塔內(nèi)介質(zhì)迅速泄漏，導(dǎo)致塔內(nèi)介質(zhì)爆沸和該筒節(jié)的爆炸。檢漏蒸汽潔凈程度低和壓力偏高，是尿塔產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)原因。制造企業(yè)為了克服檢漏管與筒體連接的深孔焊，改用檢漏管與盲板管錐螺紋連接，是一種可靠性欠佳的結(jié)構(gòu)。另外該結(jié)構(gòu)又未告知用戶，使其注意檢查和擰緊檢漏管。這樣一旦檢漏管松動(dòng)，極易造成氨滲漏檢測(cè)介質(zhì)和檢漏蒸汽介質(zhì)滲漏進(jìn)塔體多層層板間的縫隙中，引起塔體層板材料嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕

47、開(kāi)裂。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理69圖8-6 留在塔基上的底部塔段第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理70圖8-7向西南方向飛入操作樓二層的中間塔段，內(nèi)壁外反第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理71圖8-8向東北方向飛出的上部塔段第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理72斷口宏觀形貌第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理73圖8-9第九筒節(jié)熱電偶下方的嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕裂紋第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理74圖8-9第九筒節(jié)熱電偶下方的嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕

48、裂紋第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理758.2.3氫腐蝕引起的爆炸事故概況2000年12月31日，山東某化肥廠1m 氨合成塔底部用于調(diào)整塔內(nèi)床層觸媒溫度的副線20鋼異徑管發(fā)生爆破，并造成火災(zāi)和人員傷亡的重大事故。該副線的正常進(jìn)氣溫度在140160， 管壓力為32MPa ，介質(zhì)為N2 、H2 和少量NH3。與之相連的是合成塔內(nèi)底部廢熱鍋爐，溫度為350左右。由于觸媒老化，床層溫度不會(huì)偏高，副線長(zhǎng)時(shí)間停止進(jìn)行調(diào)溫，使得靠近合成塔底部的異徑管段存在死氣層，并因熱傳導(dǎo)可能將廢熱鍋爐處的熱量部分傳遞至這一管段，使20鋼異徑管處于200以上氫腐蝕敏感溫度。爆破口的宏觀形貌如圖8

49、-10所示。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理768.2.3氫腐蝕引起的爆炸事故原因分別在爆破口附近進(jìn)行取樣和顯微組織檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在三個(gè)取樣區(qū)內(nèi)壁側(cè)均脫碳嚴(yán)重，如B 區(qū)試樣脫碳層深達(dá)16mm，占管壁厚的2/3 ，脫碳層組織為鐵素體，并分布著沿晶裂紋，見(jiàn)圖8-11(c) 。未脫碳的管外壁組織為鐵素體加珠光體，見(jiàn)圖8-11(a) 。A區(qū)管外壁螺紋根部有顯微裂紋，裂紋周圍的組織發(fā)生塑性變形，說(shuō)明管子爆破時(shí)螺紋受到很大的拉力。沿軸向靠?jī)?nèi)壁側(cè)截取爆破口附近管材做沖擊試驗(yàn)后，其斷口的掃描電鏡形貌如圖8-12所示。通過(guò)分析可以得出：(1)斷口為典型的沿晶及穿晶解理斷口；(2)斷口中能

50、明顯觀察到大量的沿晶和部分穿晶裂紋。低碳鋼在高溫高壓的氫氣環(huán)境中使用時(shí)，鋼中的碳或Fe3C 能和H2反應(yīng)生成甲烷CH4，其反應(yīng)式為第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理778.2.3氫腐蝕引起的爆炸事故 2H2 + Fe3C 3Fe + CH4 2H2 + C CH4以上反應(yīng)生成的甲烷，在鋼中的擴(kuò)散能力很小，它們聚集在晶界原有的微觀孔隙內(nèi)，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使這些微觀孔隙發(fā)展成為裂紋。同時(shí)，反應(yīng)面附近的鋼被脫碳，珠光體分解，由于碳的損失，形成了鋼中碳的濃度梯度，推動(dòng)了滲碳體分解并向反應(yīng)面擴(kuò)散。裂紋的擴(kuò)散又為氫和碳的擴(kuò)散提供了有利條件，這樣使反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，脫

51、碳層與裂紋深度不斷增加，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和塑性降低，材料脆化。盡管對(duì)低碳鋼來(lái)說(shuō)，在100就會(huì)產(chǎn)生氫腐蝕，但一般認(rèn)為，溫度大于200時(shí)，氫腐蝕才顯得重要(即性能明顯下降)。異徑管的正常使用溫度為140160，但由于氨合成塔內(nèi)床層觸媒老化，異徑管所在的副線長(zhǎng)時(shí)間停止進(jìn)行調(diào)溫，異徑管溫度升高至200 以上，致使氫腐蝕發(fā)生，由于管道中除H2、NH2外，還有一定比例的N2 ，N2的存在將加劇氫腐蝕的發(fā)展。檢測(cè)結(jié)果表明，異徑管爆破前與N2 、H2氣氛接觸的管內(nèi)壁已嚴(yán)重脫碳、開(kāi)裂，力學(xué)性能惡化，在管內(nèi)高壓的作用下，發(fā)生爆破。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理78圖8-11(a)異經(jīng)管管

52、外壁未脫碳組織 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理79圖8-11(b)異經(jīng)管管壁中部部分脫碳組織 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理80圖8-11(c)異經(jīng)管管內(nèi)壁臨氫側(cè)脫碳層組織 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理81圖8-12 沖擊斷口形貌第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理82圖8-12 沖擊斷口形貌第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理83圖8-12 沖擊斷口形貌第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理848.2.4應(yīng)變時(shí)效硬化和溫度應(yīng)力引起的

53、爆炸事故概況某化肥廠連接氨合成塔和冷激器之間的工藝管線為20鋼，規(guī)格為127mm21mm。出于工藝需要，該化肥廠于1999年1月對(duì)合成塔施行停車保溫，為時(shí)約為30小時(shí)。此時(shí)保溫管線介質(zhì)停止流動(dòng)，合成塔塔壁溫度逐漸上升，其幅度大于管壁溫度的上升。正常情況下合成塔塔壁溫度最高為210，最低145，合成塔內(nèi)介質(zhì)約為490。因此停車保溫后合成塔塔壁最高溫度可能升至490。由于溫升引起合成塔的伸長(zhǎng)量大于冷激管的伸長(zhǎng)量，同時(shí)事故后檢查冷激管可滑動(dòng)支撐點(diǎn)幾乎已經(jīng)不能滑動(dòng)，這樣合成塔大于冷激管的伸長(zhǎng)引起冷激管產(chǎn)生過(guò)高的熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致冷激管的破壞。 第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理

54、858.2.4應(yīng)變時(shí)效硬化和溫度應(yīng)力引起的爆炸事故概況續(xù)冷激管的斷裂發(fā)生在兩個(gè)彎頭處，其中一個(gè)彎頭截面沿環(huán)向發(fā)生斷裂，斷口具有明顯的脆性斷裂形貌（見(jiàn)圖8-13），事故中冷器發(fā)生回流，并形成明火燃燒；另一處彎頭沿外側(cè)縱向開(kāi)裂，開(kāi)裂裂紋長(zhǎng)度為300mm左右。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理868.2.4應(yīng)變時(shí)效硬化和溫度應(yīng)力引起的爆炸事故原因（2）事故與原因分析通過(guò)取樣分析發(fā)現(xiàn)由于直管段材質(zhì)基本未發(fā)生變化，因此可以推斷冷激管的彎頭處材質(zhì)脆化不是由于操作介質(zhì)引起的。通過(guò)對(duì)彎頭處的應(yīng)變時(shí)效敏感性分析，發(fā)現(xiàn)兩彎頭材質(zhì)具有很高的應(yīng)變時(shí)效敏感性，發(fā)生脆化具有材料自身的條件。 為了

55、分析引起冷激管很高應(yīng)變時(shí)效敏感性的原因，采用投射電子顯微鏡進(jìn)一步觀察鋼中是否存在N引起的柯塞爾氣團(tuán)。圖8-14為觀察分析結(jié)果，該系列圖為所觀察試樣同一部位經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)晶軸所得?？梢钥闯錾厦娲嬖诖罅康目氯麪枤鈭F(tuán)。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理878.2.4應(yīng)變時(shí)效硬化和溫度應(yīng)力引起的爆炸事故續(xù)通過(guò)以上分析檢測(cè)，可以認(rèn)為冷激管失效的原因如下：氨合成塔保溫的情況下，合成塔的熱膨脹遠(yuǎn)大于冷激管的熱膨脹，導(dǎo)致兩彎頭處產(chǎn)生接近甚至超過(guò)材料失效溫度下的屈服強(qiáng)度乃至抗拉強(qiáng)度，構(gòu)成破壞條件。斷裂或開(kāi)裂彎頭的材料已經(jīng)極度脆化，反映在材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度大幅提高，沖擊韌性急劇下降。

56、冷激管材料具有很高的應(yīng)變時(shí)效敏感性。鋼管中存在柯塞爾氣團(tuán)，是鋼管彎頭脆化的直接原因。同時(shí)，彎頭熱彎制時(shí)加工工藝控制不當(dāng)，可能處于冷加工范圍之內(nèi)。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理88圖8-13 彎頭斷口宏觀形貌第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理89圖8-14 投射電子顯微鏡下材料組織第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理908.2.5操作失誤引起的爆炸事故概況2001年12月29日16時(shí)15分，廣西容縣平梨砂磚廠發(fā)生一起蒸壓釜爆炸事故。爆炸的2號(hào)蒸壓釜西側(cè)釜蓋滑脫后刮起釜東端的運(yùn)輸軌道，擊倒制磚車間4座磚柱，掛在車間內(nèi)4

57、臺(tái)磚機(jī)的連接平臺(tái)上，造成制磚車間完全倒塌。同時(shí)氣浪將正在運(yùn)行的3號(hào)釜蓋打得反轉(zhuǎn)，造成3號(hào)釜西側(cè)橫向位移近1m。釜內(nèi)的蒸汽和碎磚向西噴出，在反沖力的作用下，2號(hào)釜體向東竄出，拉斷2個(gè)固定支座的基礎(chǔ)，鏟平釜區(qū)東側(cè)矮墻及地面，打彎東側(cè)出磚軌道盡頭的工字鋼立柱，擊毀正在裝車或停放的1臺(tái)手扶拖拉機(jī)、2臺(tái)農(nóng)用運(yùn)輸車、1臺(tái)東風(fēng)牌汽車。撞散一幢砂磚，擊斷1根底直徑為300mm的水泥電桿，釜體上焊接的5個(gè)鞍式支座至此全部拉脫。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理918.2.5操作失誤引起的爆炸事故概況續(xù)最后，釜體飛越廠區(qū)東側(cè)的一條小溪，落在距離2號(hào)釜原位置115m外的農(nóng)田中。此外，釜區(qū)北

58、側(cè)自鍋爐房引出的蒸汽管道及其3只釜的連接管道被拉斷成數(shù)段，其中1段4m多長(zhǎng)的管道飛出約30m，打到辦公室屋頂后落在地上。爆炸發(fā)生時(shí)，該廠共有43名工人在崗作業(yè)，另有一些人在進(jìn)行裝車作業(yè)。爆炸造成7人當(dāng)場(chǎng)死亡，重傷4人(其中3人經(jīng)搶救無(wú)效死亡)，輕傷21人(見(jiàn)圖8-15)。爆炸的蒸壓釜原裝于合浦川北砂磚廠，1994年6月移裝至平梨砂磚廠，由梧州市機(jī)電設(shè)備安裝公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊。該蒸壓釜東側(cè)釜蓋的啟閉機(jī)構(gòu)和安全聯(lián)鎖裝置已被拆除，西側(cè)釜蓋的啟閉機(jī)構(gòu)尚可使用，安全聯(lián)鎖裝置因釜蓋一側(cè)的擋塊不存在而不起作用。平時(shí)關(guān)釜蓋采用撬棍撬，開(kāi)啟釜蓋采用千斤頂操作。該廠的1號(hào)釜、3號(hào)釜共4個(gè)釜蓋的啟閉機(jī)構(gòu)和安全連鎖裝置

59、也已被全部拆除。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理928.2.5操作失誤引起的爆炸事故原因1.操作工關(guān)閉釜蓋不到位是爆炸事故的直接原因?，F(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)釜齒上有明顯壓傷的痕跡，寬度僅為68mm，即爆炸前70mm長(zhǎng)的釜齒嚙合長(zhǎng)度僅為68mm(圖8-16)。2.安全連鎖裝置被拆除。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理93圖8-15 現(xiàn)場(chǎng)破壞狀況第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理94圖8-15 現(xiàn)場(chǎng)破壞狀況第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理95圖8-16 釜齒嚙合狀況示意圖第八章承壓設(shè)備事故及處理20

60、22/7/18承壓設(shè)備事故與處理968.2.6失穩(wěn)引起的事故概況2006年3月30日，山東某廠一發(fā)酵罐發(fā)生失穩(wěn)，直接經(jīng)濟(jì)損失80多萬(wàn)元。該罐筒節(jié)長(zhǎng)10m，壁厚12mm。容積135m3 設(shè)計(jì)壓力0.4MPa，工作壓力0.1MPa。使用該發(fā)酵罐的工藝流程為：首先高溫滅菌，然后投料，再滅菌，最后出料冷卻。發(fā)酵罐在冷卻過(guò)程中發(fā)生了失穩(wěn)現(xiàn)象，筒節(jié)上有四五個(gè)波束，罐體發(fā)生傾斜。失穩(wěn)的筒體形貌如圖8-17所示。第八章承壓設(shè)備事故及處理2022/7/18承壓設(shè)備事故與處理978.2.6失穩(wěn)引起的事故原因通過(guò)對(duì)事故的分析和調(diào)查，得出原因如下：罐內(nèi)混入了水蒸氣，在冷卻過(guò)程中發(fā)生了相變，是罐內(nèi)產(chǎn)生了真空，這是導(dǎo)致失