第五講 高壓容器破裂

11第五講高壓容器的破裂高壓容器破裂的原因5.1壓力容器制造過程中產生缺陷的主要類型

焊接裂紋未焊透和未熔合夾渣氣孔表面缺陷組織缺陷

2重點：學習各種破裂形式的機理、特征、原因和預防措施壓力容器（pressurevessel），是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設備。儲運容器、反應容器、換熱容器和分離容器均屬壓力容器。

外觀缺陷（表面缺陷）是指不用借用于儀器，從工件表面可以發(fā)現的缺陷。常見的外觀缺陷有咬邊、焊瘤、凹陷及焊接變形等，有時還有表面氣孔和表面裂紋，單面焊的根部未焊透也位于焊縫表面。5.1.1外觀缺陷高壓容器破裂的原因（1）咬邊

咬邊是指沿著焊趾，在母材部分形成的凹陷或溝槽。產生的主要原因是電弧熱量太高，即電流太大，運條速度太小造成的。焊條與工件間角度不正確，擺動不合理，電弧過長，焊接次序不合理等都會造成咬邊。

防止咬邊的措施：矯正操作姿勢，選用合理的規(guī)范，采用良好的運條方式都會有利于消除咬邊。焊角焊縫時，用交流代替直流也能有效地防止咬邊。（2）焊瘤

焊縫中的液態(tài)金屬流到加熱不足未熔化的母材上或從焊縫根部溢出，冷卻后形成的未與母材熔合的金屬瘤即為焊瘤。焊接規(guī)程過強、焊條熔化過快、焊條質量欠佳（如偏芯），焊接電源特性不穩(wěn)定及操作姿勢不當等都容易帶來焊瘤。在橫、立、仰位置更容易形成焊瘤。

防止焊瘤的措施：使焊縫處于平焊位置，正確選用規(guī)范，選用無偏芯焊條，合理操作。

凹坑指焊縫表面或背面根部的低于母材的部分。凹坑多是由于收弧時焊條（焊絲）未作短時間停留造成的，仰立、橫焊時，常在焊縫背面根部產生內凹。（3）凹坑

防止凹坑的措施：選用有電流表衰減系統(tǒng)的焊機，盡量選用平焊位置，選用合適的焊接規(guī)范，收弧時讓焊條在溶池內短時間停留或環(huán)形擺動，填滿弧坑。未焊滿是指焊縫表面上連續(xù)的溝槽。填充金屬不足是產生未焊滿的根本原因。規(guī)范太弱，焊條過細，運條不當等會導致未焊滿。防止未焊滿的措施：加大焊接電流，加焊蓋面焊縫。（4）未焊滿

燒穿是指焊接過程中，熔深超過工件厚度，熔化金屬自焊縫背面流出，形成穿孔性缺陷。焊接電流過大，速度太慢，電弧在焊縫處停留過久，都會產生燒穿缺陷。工件間隙太大，鈍邊太小也容易出現燒穿現象。

選用較小電流并配合合適的焊接速度，減小裝配間隙，在焊縫背面加設墊板或藥板，使用脈沖焊，能有效地防止燒穿。（5）燒穿（6）其它表面缺陷A.成形不良

指焊縫的外觀幾何尺寸不符合要求。有焊縫超高，表面不光滑，以及焊縫過寬，焊縫向母材過渡不圓滑等。B.錯邊

指兩個工件在厚度方向上錯開一定位置，它即可視作裝配成形缺陷。C.塌陷

單面焊時由于輸入熱量過大，熔化金屬過大而使液態(tài)金屬向焊縫背面塌落，成形后焊縫背面突起，正面下榻。E.各種焊接變形D.表面氣孔及弧坑縮孔

如角變形、扭曲、波浪變形等都屬于焊接缺陷。角變形也屬于裝配成形缺陷。（6）其它表面缺陷（續(xù)）

氣孔是指焊接時，溶池中的氣體未在金屬凝固前溢出，殘存于焊縫之中所形成的空穴。其氣體可能是溶池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過程中反應生成的。5.1.2氣孔和夾渣（1）氣孔高壓容器破裂的原因（1）氣孔的分類球形氣孔條蟲狀氣孔氫氣孔氮氣孔氧氣孔二氧化碳氣孔一氧化碳氣孔氫氣氣孔一氧化碳氣孔從形狀上分從數量上分按氣體成分分熔焊氣孔分為單個氣孔群狀氣孔

常溫固態(tài)金屬中氣體的溶解度只有高溫液態(tài)金屬中氣體溶解度的幾十分之一，溶池金屬在凝固過程中，有大量的氣體要從金屬中逸出來。當凝固速度大于氣體逸出速度時，就形成氣孔。（2）氣孔的形成機理（3）產生氣孔的主要原因

母材或填充金屬表面有銹、油污等，焊條及焊劑未烘干會增加氣孔量，因為銹、油污及焊條藥皮、焊劑中的水分在高溫下分解氣體，增加了金屬中氣體的含量。焊接線能量過小，溶池冷卻速度大，不利于氣體逸出。焊縫金屬脫氧不足也會增加氧氣孔。

氣孔減少了焊縫的有效截面積，使焊縫疏松，從而降低了接頭的強度，降低塑性，還會引起泄漏。氣體也在引起應力集中的因素。氫氣孔還可能促成冷裂紋。（4）氣孔的危害（5）防止氣孔的措施a.清除焊絲，工作坡口及其附件表面的油污、鐵銹、水分和雜物。b.采用堿性焊條、焊劑，并徹底烘干。c.采用直流反接并用短電弧施焊。d.焊前預熱，減緩冷卻速度。e.用偏強的規(guī)范施焊。（2）夾渣1）夾渣的分類金屬夾渣非金屬夾渣2）夾渣的分布與形狀單個點狀夾渣條狀夾渣鏈狀夾渣密集夾渣夾渣是指焊后熔渣存在焊縫中的現象。（3）夾渣產生的原因a.坡口尺寸不合理；b.坡口有污物；c.多層焊時，層間清渣不徹底；d.焊接線能量小；e.焊縫散熱太快，液態(tài)金屬凝固過快；f.

焊條藥皮，焊劑化學成分不合理，熔點過高，冶金反應不完全，脫渣性不好；g.鎢極惰性氣體保護焊時，電源極性不當，電流密度大，鎢極熔化脫落于溶池中；h.手工焊時，焊條擺動不良，不利于熔渣上浮。

點狀夾渣的危害與氣孔相似，帶有尖角的夾渣會產生尖端應力集中，尖端還會發(fā)展為裂紋源，危害較大。（4）夾渣的危害

焊縫中原子結合遭到破壞，形成新的界面而產生的縫隙稱為裂紋。

5.1.3裂紋（1）裂紋的分類根據裂紋尺寸大小，分為三類：

（1）宏觀裂紋：肉眼可見的裂紋；

（2）微觀裂紋：在顯微鏡下才能發(fā)現；

（3）超顯微裂紋：在高倍數顯微鏡下才能發(fā)現，一般指晶間裂紋和晶內裂紋。高壓容器破裂的原因從產生溫度看，裂紋可分為二類：

A.熱裂紋

B.冷裂紋按裂紋產生的原因分：

A.再熱裂紋

B.層狀撕裂

C.應力腐蝕裂紋（1）裂紋的分類（2）裂紋的危害

裂紋，尤其是冷裂紋，帶來的危害是災難性的。

壓力容器事故絕大部分是由于裂紋引起的脆性破壞。

熱裂紋發(fā)生于焊縫金屬凝固末期，最常見的熱裂紋是結晶裂紋，其生成原因是在焊縫金屬凝固過程中，結晶偏析使雜志生成的低熔點共晶物富擠集于晶界，形成所謂“液態(tài)薄膜”，在特定的敏感溫度區(qū)（又稱脆性溫度區(qū)）間，其強度極小，由于焊縫凝固收縮而受到拉應力，最終開裂形成裂紋。熱裂紋都是沿晶界開裂，通常發(fā)生在雜質較多的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼的材料焊縫中。A.結晶裂紋的發(fā)生機理（3）熱裂紋B.影響結晶裂紋的因素a.合金元素和雜質影響碳元素以及硫、磷等雜質元素的增加，會擴散敏感溫度區(qū)，使結晶裂紋的產生機會增多；

b.冷卻速度的影響；

c.結晶應力與拘束應力的影響。C.防止結晶裂紋的措施a.減小硫、磷等有害元素的含量，用含碳量較低的材料焊接；

b.合理選用焊接規(guī)范，并采用預熱和后熱，減少冷卻速度；

c.采用合理的裝配次序，減小焊接應力。

（1）再熱裂紋的特征a.再熱裂紋產生于焊接熱影響區(qū)的過熱粗晶區(qū)；

b.再熱裂紋的產生溫度：碳鋼與合金鋼550－650℃，奧氏體不銹鋼約300℃；

c.再熱裂紋為晶界開裂（沿界開裂）；

d.最容易產生于沉淀強化的鋼種中；

e.與焊接殘余應力有關。D.再熱裂紋

再熱裂紋的產生機理有多種解釋，其中楔形開裂理論的解釋如下：近縫區(qū)金屬在高溫熱循環(huán)作用下，強化相碳化物（碳化鈦、碳化釩、碳化鈮、碳化鉻等）沉積在晶內的位錯區(qū)上，使晶內強化強度大大高于晶界強化，尤其是當強化彌散分布在晶粒內時，會阻礙晶粒內部的局部調整，又會阻礙晶粒的整體變形，這樣，由于應力松弛而帶來的塑性變形就主要由晶界金屬來承擔，于是，晶界區(qū)金屬會產生滑移，且在三晶粒交界處產生應力集中，就會產生裂紋，即所謂的楔形開裂。（

2）再熱裂紋的產生機理a.注意冶金元素的強化作用及其對再熱裂紋的影響；

b.合理預熱或采用后熱，控制冷卻速度；

c.降低殘余應力避免應力集中；

d.回火處理時盡量避開再熱裂紋的敏感溫度區(qū)或縮短在此溫度區(qū)內的停留時間。（3）再熱裂紋的防止（1）冷裂紋的特征E.冷裂紋a.產生于較低溫度，且產生于焊后一段時間以后，故又稱延遲裂紋；

b.主要產生于熱影響區(qū)，也有發(fā)生在焊縫區(qū)的；

c.冷裂紋可能是沿晶開裂，穿晶開裂或兩者混合出現；

d.冷裂紋引起的構件破壞是典型的脆斷。（2）冷裂紋產生機理a.淬硬組織（馬氏體）減小了金屬的塑性儲備；

b.接頭的殘余應力使焊縫受拉；

c.接頭內有一定的含碳量。因此，含碳量和拉應力是冷裂紋產生的兩個主要因素。（3）防止冷裂紋的措施a.采用低氫型堿性焊條，嚴格烘干，在100－150℃下保存，隨取隨用；

b.提高預熱溫度，采用后熱措施，并保證層間溫度不小于預熱溫度，選擇合理的焊接規(guī)范，避免焊縫中出現淬硬組織；

c.選用合理的焊接順序，減少焊接變形和焊接應力；

d.焊后及時進行消氫處理。未焊透指母材金屬未熔化，焊縫金屬沒有進入接頭根部的現象。

5.1.4未焊透（1）產生焊縫的原因A.焊接電流小，熔深淺；B.坡口和間隙尺寸不合理，鈍邊太大；C.磁偏吹影響；D.焊條偏芯度太大；E.層間及焊根清理不良。高壓容器破裂的原因

未焊透的危害之一是減少了焊縫的有效面積，使接頭強度下降。其次，未焊透引起的應力集中所造成的危害，比強度下降的危害大的多。未焊透嚴重降低焊縫的疲勞強度。未焊透可能成為裂紋源，是造成焊縫破壞的重要原因。（2）未焊透的危害

使用較大電流來焊接是防止未焊透的基本方法。另外，焊角焊縫時，用交流代替直流以防止磁偏吹，合理設計坡口并加強清理，用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的產生。（3）未焊透的防止

未熔合是指焊縫金屬與母材金屬，或焊縫金屬之間未熔化結合在一起的缺陷。按其所在部位，未熔合可分為坡口未熔合、層間未熔合、根部未熔合三種。

5.1.5未熔合高壓容器破裂的原因（1）產生未熔合缺陷的原因焊接電流過?。缓附铀俣冗^快；焊條角度不對；產生了弧偏吹現象；焊接處于下坡焊位置，母材未熔合時已被鐵水覆蓋；母材表面有污物或氧化物影響熔敷金屬與母材間的熔化結合。（2）未熔合的危害

未熔合是一種面積缺陷，坡口未熔合和根部未熔合對承載面積的減小都非常明顯，應力集中也比較嚴重，其危害性僅次于裂紋。（3）未熔合的防止

采用較大的焊接電流，正確地進行施焊操作，注意坡口部位的清潔。

焊材與母材匹配不當，或焊接過程中元素燒損等原因，容易使焊縫金屬的化學成分發(fā)生變化，或造成焊縫組織不符合要求。這可能帶來焊縫的力學性能的下降，還會影響接頭的耐腐蝕性能。

5.1.6其他缺陷（1）焊縫化學成分或組織成分不符合要求（2）過熱和過燒

若焊接規(guī)范使用不當，熱影響區(qū)長時間在高溫下停留，會使晶粒變得粗大，即出現過熱組織。若溫度進一步升高，停留時間加長，可能使晶界發(fā)生氧化或局部熔化，出現過燒組織。過熱可通過熱處理來消除，而過燒是不可逆轉的缺陷。（3）白點

在焊縫的拉面上出現的象魚目狀的白色斑，即位白點，白點是由于氫聚集而造成的，危害極大。高壓容器破裂的原因5.2壓力容器使用過程中產生缺陷的主要類型31按金屬材料破裂的現象韌性破裂脆性破裂按破裂面對外力的取向正斷切斷按裂紋發(fā)展和擴張途徑穿晶破裂晶間破裂疲勞破裂腐蝕破裂蠕變破裂高壓容器破裂的原因5.2.1韌性破裂

韌性破裂是壓力容器在內部壓力作用下，器壁上產生的應力達到器壁材料的強度極限，從而發(fā)生斷裂破壞的一種形式。高壓容器破裂的原因

1.韌性破裂的機理彈性階段——當外力消失，材料仍能回到原理的狀態(tài)而不產生明顯的塑性變形；彈塑性階段——材料發(fā)生很大的塑性變形，外載荷消失后材料不再恢復原狀，塑性變形仍將保留斷裂階段——應力超過了材料的強度極限后，材料將發(fā)生斷裂

2.韌性破裂的特征破裂容器器壁有明顯的伸長變形斷口呈暗灰色纖維狀容器一般不是碎裂容器實際爆破壓力接近計算爆破壓力37化學爆炸大變形45度剪切唇高速形變馬氏體38容器的韌性撕裂3.韌性破裂的原因液化氣體容器充裝過量容器在使用中超壓容器維護不良以致器壁減薄4.韌性破裂的預防設計時選用足夠強度和厚度的材料按核定工藝參數運行，安全附件齊全防止超溫、超壓、超負荷運行加強維護保養(yǎng)，防止發(fā)生腐蝕5.2.2脆性破裂

脆性破裂指壓力容器在破裂時沒有顯著的塑性變形，破裂時器壁的壓力也遠遠小于材料的強度極限，有的甚至還低于材料的屈服極限。高壓容器破裂的原因鋼材在特定條件下會產生脆性或脆化冷脆性：在0℃左右的低溫下鋼材韌性的明顯降低。藍脆性：在200℃～300℃時鋼材的韌性降低。熱脆性：某些鋼材長期停留在400－500℃溫度范圍內以后冷卻至室溫，其沖擊值明顯下降。堿脆：高濃度堿性介質和應力的共同作用下，鋼材變脆。氫脆：鋼材接觸氫或含氫介質而導致韌性明顯降低。黑脆：鋼材長期承受高溫，其滲碳體分解析出石墨，使鋼材韌性明顯下降的現象。41

1.脆性破裂的機理開裂階段裂紋擴展階段

發(fā)生低應力脆性破裂的必須條件有：容器本身存在缺陷或幾何形狀發(fā)生變化；存在一定的水平應力；材料韌性較差。脆性斷裂總是由宏觀裂紋的擴展引起的。2.脆性破裂的特征破裂容器器壁沒有明顯的伸長變形裂口齊平、斷口呈金屬光澤的結晶狀容器常破裂成碎塊破裂事故多數在溫度較低的情況下發(fā)生44脆性斷裂－斷裂前沒有明顯的塑性變形463.脆性破裂的原因溫度

因為鋼在低溫下或在某一特定溫度范圍內其沖擊韌性將急劇下降。裂紋性缺陷

壓力容器受壓元件一旦產生裂紋，其尖端前緣產生很高的應力峰值，且應力狀態(tài)也發(fā)生變化。4.脆性破裂的預防減少部件結構及焊縫的應力集中部件材料在使用條件下要具有較好的韌性消除殘余應力加強對部件缺陷的檢驗

破裂特征破裂形式塑性變形斷口形貌破壞形式應力狀態(tài)韌性破裂明顯斷口不齊平，暗灰色纖維狀撕裂達到強度極限脆性破裂不明顯斷口齊平，呈金屬光澤的結晶狀裂成碎片低于屈服極限兩種形式破裂特征對比50脆性破裂與韌性破裂脆性（brittle）：韌度低韌性（ductile）：韌度高脆性破裂：斷裂前無明顯塑性變形（無頸縮）韌性破裂：斷裂前有明顯塑性變形（有頸縮）5.2.3疲勞破裂

疲勞破裂指壓力容器在反復加壓和卸壓過程中受到交變載荷的長期作用，沒有經過明顯的塑性變形而導致容器斷裂的一種破裂形式。高壓容器破裂的原因燕山石化化學品事業(yè)部粗苯酚再沸器振動破壞

殼程筒體與管板間焊縫附近裂紋殼程筒體與管板間焊縫橫截面結構不合理和介質沖擊導致疲勞，管板鍛件晶粒度超過1級使疲勞加劇53中?；瘜W合成氨裝置103-JT轉子葉片振動破壞設計的安全系數偏小和榫齒與轉子間的配合偏差導致疲勞

1.疲勞破裂的機理循環(huán)次數最大交變應力金屬的疲勞曲線

1.疲勞破裂的機理破勞裂紋核心的產生疲勞裂紋的擴展

金屬疲勞斷口疲勞裂紋產生與擴展區(qū)，象貝殼一樣的同心弧線花紋最后斷裂區(qū)，與靜載荷下帶有尖銳缺口的構件斷口相似金屬疲勞斷裂的過程表面、晶界及非金屬夾雜物處滑移

1.疲勞破裂的機理低應力高周疲勞高應力低周疲勞循環(huán)周次在105以上，外載超過材料的彈性應力極限值應力水平較高，交變周次超過了102～105以上2.

疲勞破裂的特征容器沒有明顯的變形破裂斷口存在兩個區(qū)域容器常因開裂泄漏而失效破裂總是在容器經過反復的加壓和卸壓以后發(fā)生3.疲勞破裂的原因內部因素

例如，容器的接管、開孔、轉角以及其他幾何形狀不連接處，在焊縫附近以及鋼板原有缺陷的應力集中外部因素

間歇式操作的容器，器內壓力、溫度波動較大，振動；外界的風、雪、雨、地震造成的周期性外載荷局部高應力區(qū)反復交變載荷4.疲勞破裂的預防制造質量應符合要求，避免先天性缺陷安裝中要防止外來載荷源的影響正確操作，減少升壓、降壓的次數，防止壓力溫度波動過大制造前做疲勞設計5.2.4腐蝕破裂

腐蝕破裂指壓力容器在腐蝕性介質作用下，引起容器壁由厚變薄或材料組織結構改變、力學性能降低，使壓力容器承載能力不夠而發(fā)生的破壞形式。高壓容器破裂的原因按腐蝕破壞形態(tài)分均勻腐蝕局部腐蝕按腐蝕機理分化學腐蝕電化學腐蝕按腐蝕環(huán)境分介質腐蝕海水腐蝕晶間腐蝕斷裂腐蝕氫損傷土壤腐蝕中?；瘜W天野分公司C爐水冷壁爐管材質劣化管內跑酸導致氫腐蝕，其表現為脫碳和開裂北京東方化工廠裂解爐爐管大量活動性裂紋外表面內表面端面露點工況下的氯離子應力腐蝕脫碳和開裂脫碳分層線

1.腐蝕破裂的機理化學腐蝕電化學腐蝕

容器金屬與周圍介質直接發(fā)生化學反應而引起的金屬腐蝕。高溫氧化、高溫硫化、鋼的滲碳與脫碳、氫腐蝕等。

容器金屬在電解質中，由電化學引起的腐蝕稱為電化學腐蝕。既有電子得失，又有電流形成。2.腐蝕破裂的原因壓力容器維護保養(yǎng)不當結構不合理，或焊接不符合規(guī)范要求選材不當或未采取有效防腐措施介質中雜質的影響

6月25日福建焦化裝置加熱爐對流室注水管泄漏著火，裝置停工。檢查發(fā)現對流室注水管上兩排管腐蝕嚴重，有一根腐蝕穿孔。本次非計劃停工7天。1、福建焦化裝置加熱爐對流室注水管腐蝕情況原設計進水溫度90度，由于預換熱停用，進水溫度只有25度左右，造成嚴重露點腐蝕。

7月6日燕化中壓加氫裂化裝置新氫壓縮機入口壓力突降，壓縮機聯(lián)鎖停車，再次啟動壓縮機時氫系統(tǒng)壓力難以建立，脫丁烷塔壓力突然上升，裝置被迫停工。經過檢查發(fā)現E－504A/B發(fā)生腐蝕內漏，搶修時兩臺換熱器共堵管38根。本次非計劃停工4.32天2、燕化中壓加氫裂化裝置中壓加氫裂化換熱器E－504A堵管情況燕化中壓加氫裂化E－504A換熱管焊口焊肉減薄情況該管束應用了10年，從本周期開始出現腐蝕

7月15日茂名渣油加氫裂化裝置一系列空冷AC101A出現泄漏，裝置被迫停工處理。搶修對泄漏的空冷管束進行了更