中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽第八章鍋爐壓力容器斷裂及預(yù)防第一節(jié)

失效分析簡介第二節(jié)承壓部件的斷裂形式第三節(jié)鍋爐壓力容器爆炸能量及事故危害中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽第一節(jié)失效分析簡介一、失效分析及其目的二、失效分析的主要內(nèi)容三、斷裂形式主要類別四、斷口的一般特征五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽一、失效分析及其目的定義：失效分析是研究機械產(chǎn)品失效模式，查找產(chǎn)品失效機理和原因，提出預(yù)防再失效對策的技術(shù)活動及管理活動。目的：失效分析是機械產(chǎn)品設(shè)計、制造的重要依據(jù)，它可為改善產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，消除現(xiàn)有同類產(chǎn)品的隱患，防止重復(fù)失效的發(fā)生，確保機械產(chǎn)品安全及生產(chǎn)安全作出重要貢獻。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽二、失效分析的主要內(nèi)容

失效分析的主要內(nèi)容：第一，對失效機械產(chǎn)品、失效環(huán)境及相關(guān)人員進行調(diào)查：第二，判斷失效模式，即判定失效的宏觀表現(xiàn)形式及過程規(guī)律；第三，查找失效原因；第四，探索失效機理及與失效模式的關(guān)系；第五，失效責任與后果分析；第六，提出預(yù)防再失效的對策。構(gòu)件強度失效中的斷裂失效是其主要的失效形式，斷裂形式及斷口分析是斷裂失效分析的一個主要環(huán)節(jié)。經(jīng)驗表明，斷裂時的斷口形貌，與導(dǎo)致斷裂的原因和斷裂機制之間有著必然的聯(lián)系。因此，分析斷裂形式與斷口形貌，就成為分析斷裂事故原因的最直接技術(shù)手段。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽三、斷裂形式主要類別工程構(gòu)件或機械產(chǎn)品破壞、破裂、斷裂，其意義相同，可以通用而不加區(qū)別。構(gòu)件破壞的形式很多，可以從不同的角度分類。根據(jù)破壞前塑性變形的大小分：延性斷裂和脆性斷裂。延性斷裂的構(gòu)件在斷裂前發(fā)生了顯著的塑性變形，也叫塑性斷裂或韌性斷裂；脆性斷裂的構(gòu)件在斷裂前沒有或僅有少量塑性變形。根據(jù)金屬斷裂時裂紋擴展的途徑分：可把構(gòu)件破壞分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂的裂紋穿過晶粒內(nèi)部，沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴展。穿晶斷裂又可以分為：解理斷裂和剪切斷裂。解理斷裂是在正應(yīng)力作用下的脆性穿晶斷裂；剪切斷裂是在切應(yīng)力作用下而造成的滑移面滑移及分離斷裂，其中常見的為微孔聚積型斷裂。根據(jù)構(gòu)件受力狀態(tài)分：靜載斷裂、沖擊斷裂和疲勞斷裂。根據(jù)構(gòu)件工作條件分：冷脆斷裂、高溫蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕及氫脆斷裂等。

中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽四、斷口的一般特征光滑圓柱金屬棒：其在室溫下承受靜載拉伸作用，其破裂斷口的形貌具有典型性：整個斷口呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個區(qū)域組成，這三個區(qū)域通常被稱作斷口三要素，如右圖所示。拉伸斷口三個區(qū)域的示意圖中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)纖維區(qū)部位：纖維區(qū)位于斷口中央，呈粗糙的纖維狀圓環(huán)形花樣。形成過程：纖維區(qū)是裂紋形成并緩慢擴展的區(qū)域。當拉伸載荷產(chǎn)生的應(yīng)力超過強度極限時試件產(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、缺陷等處形成，并不斷擴大、連接，使夾雜物之間的基本金屬產(chǎn)生內(nèi)縮頸，拉斷夾雜物或使之與基本金屬分離，形成顯微空洞。在進一步受拉伸直到斷裂的過程中，纖維區(qū)底部的晶粒被拉長得象纖維一樣，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45o，說明纖維區(qū)的形成實質(zhì)上是切應(yīng)力作用下的斷裂。特征：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，表面粗糙不平，呈暗灰色。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)放射區(qū)部位：放射區(qū)在纖維區(qū)的四周，其基本特點是有放射花樣或放射線。放射區(qū)是裂紋迅速擴展的區(qū)域，放射線平行于裂紋擴展的方向，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。形成過程：放射花樣也是由材料的剪切變形造成的，不過它與纖維區(qū)的剪切斷裂不同，是在裂紋達臨界尺寸后快速低能量撕裂的結(jié)果。這時，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志。特征：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)。因為這類斷裂塑性變形很小，所以斷口的放射線極細。材料越脆，放射線越細，直至消失。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)剪切唇部位：它在斷裂過程的最后階段形成，表面平滑，與拉應(yīng)力方向呈45o，通常稱為“拉邊”。在剪切唇區(qū)域，裂紋也快速擴展，但材料的塑性變形量很大，是延性斷裂區(qū)。不同斷裂剪切唇表現(xiàn)：延性斷裂與脆性斷裂之間并沒有明顯的界限。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，即為延性斷裂；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，即為脆性斷裂。由于實際構(gòu)件的尺寸形狀、材料性能、工作條件與試驗時斷口產(chǎn)生的條件大不相同，所以實際構(gòu)件斷裂時情況要復(fù)雜得多。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)剪切唇特征：以上是光滑圓柱試件承受拉伸靜載斷裂時的斷口。其他斷口也都有“三要素”及大體相同的形貌，但是，當試樣尺寸、形狀及材料性能不同，以及受力狀態(tài)、加載速度、試驗溫度不同時，斷口三個區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置都會發(fā)生變化。材料強度增高，塑性降低，則放射區(qū)所占比例增大；試樣尺寸加大，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，其三個區(qū)不呈同心分布，而是依沖擊方向依次分布等。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析鍋爐壓力容器爆炸——斷裂事故發(fā)生后，事發(fā)單位應(yīng)立即報告上級主管部門及當?shù)劐仩t壓力容器安全監(jiān)察部門，由主管部門及安全監(jiān)察部門有關(guān)人員組成事故調(diào)查組，并盡快到現(xiàn)場進行觀察和調(diào)查，對事故設(shè)備原來安裝的位置、爆炸時部件破碎的情況、炸脫件飛出的方向和距離、安全裝置散落地點及狀況、建筑物損壞情況、人員傷亡情況等，進行拍照、錄相、繪圖或記錄。在這些工作完成之前，除傷員救護外，不應(yīng)改動和破壞現(xiàn)場。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析要仔細查找首先破裂的缺口，并詳細檢查記錄其斷口的情況。設(shè)備破裂成片時，收集的碎片應(yīng)盡可能齊全，并注意查找確定首先斷裂的部分。斷口上的沉積或粘附物質(zhì)，除腐蝕性介質(zhì)外，一般暫不清除，待進行仔細的斷口觀察后再作處理。了解事故現(xiàn)場安全裝置的狀況，對確定事故原因十分重要，如壓力表指針的位置、安全閥的啟閉情況、鍋爐主汽閥的開關(guān)位置及事故前安全裝置的完好情況、事故中安全裝置的損壞情況等，都應(yīng)仔細觀察記錄。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析應(yīng)當盡可能通過詢問當班運行操作人員及查閱運行記錄，了解事故發(fā)生之前設(shè)備的運行工況，如壓力、溫度、水(液)位、鍋爐燃燒情況、設(shè)備出力、設(shè)備有無異常以及運行人員有無脫崗睡崗情況等。對事故發(fā)生時的情況，如聲響、振動及其他異常，應(yīng)通過周圍人員盡量了解。對設(shè)備平常的管理情況，可通過知情人員了解。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析應(yīng)盡可能系統(tǒng)地收集下列原始資料：①設(shè)計圖紙，強度計算書；②材料質(zhì)量及焊接質(zhì)量說明書；③安裝質(zhì)量證明書；④歷年檢驗、修理、改造記錄；⑤近期運行記錄及交接班記錄等。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析斷口觀察。包括未經(jīng)清洗的初步觀察及清洗后的仔細觀察，通過觀察尋找斷裂源并分析斷裂種類。機械性能試驗。當懷疑材質(zhì)用錯或材質(zhì)性能發(fā)生變化時，可在斷口附近及遠離斷口處取樣作機械性能試驗。其中最簡單的是進行硬度試驗，通過硬度換算抗拉強度；必要時可直接進行常規(guī)拉伸試驗和沖擊試驗，確定材料的σb，

σs

，AKV及K1C

。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析金相檢驗。一般在斷口附近截取與斷口垂直的試樣，必要時再與其他部位的試樣作比較，判別顯微組織是否正常，有無缺陷，必要時也可進行斷口金相分析?；瘜W分析。整體材料的化學分析可鑒定材料成分是否符合標準要求，以評估材質(zhì)優(yōu)劣。必要時，可對腐蝕產(chǎn)物進行分析。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、鍋爐壓力容器斷裂事故調(diào)查分析(一)現(xiàn)場調(diào)查和記錄(二)事故前設(shè)備運行情況及事故發(fā)生情況的調(diào)查(三)原始資料的收集(四)技術(shù)鑒定(五)綜合分析在完成上述各項工作后，可將所得原始數(shù)據(jù)、資料和試驗結(jié)果匯總進行分析研究。分析者應(yīng)通曉鍋爐壓力容器安全所涉及的各方面的技術(shù)知識；分析應(yīng)該公正客觀、實事求是。通過分析，從鍋爐壓力容器設(shè)計、材質(zhì)、制造、安裝、運行管理、維護保養(yǎng)、改造、環(huán)境等因素中找出產(chǎn)生斷裂事故的原因，并提出改進措施。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽第二節(jié)承壓部件

的斷裂形式一、延性斷裂二、脆性斷裂三、疲勞斷裂四、應(yīng)力腐蝕斷裂五、蠕變斷裂中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽一、延性斷裂(一)承壓部件的變形與延性斷裂延性斷裂：鍋爐壓力容器承壓部件的延性斷裂是指其器壁材料發(fā)生破壞的形式屬于延性斷裂。延性斷裂特性：承壓部件的延性斷裂是在器壁發(fā)生大量的塑性變形之后產(chǎn)生的。器壁的變形將引起容器容積的變化，而器壁的變形又是在壓力載荷下產(chǎn)生的，所以對于具有一定的直徑與壁厚的容器，它的容積變形與它承受的壓力有密切關(guān)系。若以容器的容積變形率(%)為橫坐標，容器承受的內(nèi)壓為縱坐標，則可以得到壓力一容積變形率關(guān)系圖，此圖與器壁材料的拉伸曲線圖基本相似。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽一、延性斷裂壓力較小時，器壁的當量應(yīng)力也較小，器壁產(chǎn)生彈性變形，容器的容積與壓力成正比增加，二者保持線性關(guān)系。如果卸除載荷——即把容器內(nèi)的壓力降下——容器的容積即恢復(fù)原來的大小，基本上不產(chǎn)生容積殘余變形。當壓力升高至使容器器壁上的當量應(yīng)力超過材料的彈性極限時，變形曲線開始偏離直線，容器的容積變形不再與壓力成正比關(guān)系，且在壓力載荷卸除之后，容器不能完全恢復(fù)原來的形狀而保留小量殘余變形。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽一、延性斷裂當壓力升高至使器壁上的當量應(yīng)力達到材料的屈服點時，由于器壁產(chǎn)生明顯的塑性變形，容器容積將迅速增大，在壓力不再增高甚至下降的情況下，容積變形仍在繼續(xù)增加。這種現(xiàn)象與材料在拉伸時的屈服現(xiàn)象是相同的，即容器進入全面屈服狀態(tài)。此時相應(yīng)的壓力即為該容器的實際屈服壓力。承壓部件在延性斷裂前產(chǎn)生大量容積變形有利于防止某些容器的斷裂。例如，充裝過量的液化氣體氣瓶會因溫升而使介質(zhì)壓力劇增，此時容器的大量變形可有效緩解器內(nèi)壓力的增高，有時還會避免容器的破裂。對于一些器壁嚴重減薄的氣瓶或其他容器，有時會在充氣或水壓試驗中，因壓力表突然停止不動而使試驗操作者意識到屈服及破裂的危險。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽一、延性斷裂壓力超過屈服壓力之后如果卸壓，容器會留下較大的容積殘余變形，有時用肉眼或直尺檢查即可發(fā)現(xiàn)。圓筒形容器的變形總是呈現(xiàn)為中部直徑增大的腰鼓形，因而發(fā)生屈服變形的容器是不難被發(fā)現(xiàn)的。容器在全面屈服后如果承受的壓力繼續(xù)增加，容積變形也將繼續(xù)增加，至器壁上的當量應(yīng)力達到材料的抗拉強度時，容器即發(fā)生延性斷裂。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)延性斷裂的特征①斷裂容器發(fā)生明顯變形。金屬的延性斷裂是在大量的塑性變形后發(fā)生的斷裂，塑性變形使金屬斷裂后在受力方向留存下較大的殘余伸長，表現(xiàn)在容器上則是直徑增大和壁厚減薄。所以，具有明顯的形狀改變是容器延性斷裂的主要特征。從許多爆破試驗和爆炸事故的容器上所測得的數(shù)據(jù)表明，延性斷裂的容器，最大圓周伸長率常達10％以上，容積增大率也往往高于10%，有的甚至達20%~30%。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)延性斷裂的特征②斷口呈暗灰色纖維狀。碳鋼和低合金鋼延性斷裂時，由于纖維空洞的形成、長大和聚集，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45o。承壓部件延性斷裂時，其斷口也具有上述金屬延性斷裂的特征。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)延性斷裂的特征③容器一般不發(fā)生碎裂。延性斷裂的容器，一般不破碎成塊(片)，而只是裂開一個裂口。壁厚比較均勻的圓筒形容器，常常是在中部沿軸向裂開，裂口的大小與容器破裂時釋放的能量有關(guān)。盛裝常溫受壓水的容器，破裂時因釋放膨脹功很小，所以破口也?。皇⒀b受壓飽和水及液化氣體的容器，破裂時因閃蒸產(chǎn)生大量氣體，器壁的裂口也較大。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)延性斷裂的特征④實際爆破壓力接近計算爆破壓力，屬于超壓或超載破壞。容器的延性斷裂是載荷引起的當量應(yīng)力達到抗拉強度時產(chǎn)生的斷裂，其實際爆破壓力往往與計算爆破壓力相接近，遠遠超過了容器的許用壓力及正常工作壓力，屬于超壓或超載破壞（器壁因腐蝕或磨損減薄時例外）。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)延性斷裂事故

及其預(yù)防1、常見的鍋爐壓力容器延性斷裂事故鍋爐壓力容器承壓部件的大量塑性變形和延性斷裂，只有在部件整個截面上的材料都處于屈服狀態(tài)后才會發(fā)生，而這種情況在正確設(shè)計制造及合理使用的設(shè)備中一般是不會出現(xiàn)的，因而延性斷裂事故也是完全可以避免的。但實際使用中鍋爐壓力容器的延性斷裂事故并不少見，這類斷裂常發(fā)生于以下情況：中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)延性斷裂事故

及其預(yù)防液化氣體容器充裝過量。有些盛裝高臨界溫度液化氣體的氣瓶、氣罐、氣桶，由于操作疏忽、計量錯誤或其他原因造成過量充裝，在運輸或使用過程中，器內(nèi)介質(zhì)溫度因環(huán)境溫度影響或太陽曝曬而升高，介質(zhì)體積膨脹滿液后使器內(nèi)壓力急劇上升，最終導(dǎo)致容器延性斷裂。鍋爐壓力容器在使用中超壓。由于違反操作規(guī)程、操作失誤或其他原因，造成設(shè)備內(nèi)壓力升高并超過其許用壓力，而設(shè)備又沒有裝設(shè)安全泄壓裝置或安全泄壓裝置失靈，最終造成延性斷裂。設(shè)備維護不良引起壁厚減薄。由于介質(zhì)對器壁腐蝕或磨損，或設(shè)備長期閑置不用而又未進行可靠防護，造成器壁嚴重減薄，使部件在正常工作壓力下發(fā)生延性斷裂。對腐蝕減薄部位來說，這也屬于超載高應(yīng)力斷裂。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)延性斷裂事故

及其預(yù)防2、鍋爐壓力容器延性斷裂的預(yù)防要防止鍋爐壓力容器發(fā)生延性斷裂事故，最根本的是保證部件器壁上的當量應(yīng)力在任何情況都不超過材料的屈服點，這就必須做到：鍋爐壓力容器必須按規(guī)定進行設(shè)計，承壓部件必須經(jīng)過強度驗算，未經(jīng)正規(guī)設(shè)計計算的鍋爐壓力容器禁止使用。禁止將一般生活鍋爐改裝成承壓鍋爐；防止不承壓的容器因結(jié)構(gòu)或操作原因在器內(nèi)產(chǎn)生壓力。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)延性斷裂事故

及其預(yù)防鍋爐壓力容器應(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，并使其始終處于靈敏可靠的狀態(tài)。認真執(zhí)行安全操作規(guī)程，操作人員不得擅自離開工作崗位，注意監(jiān)督檢查，防止鍋爐壓力容器超壓。作好鍋爐壓力容器的維護保養(yǎng)工作，采取有效措施防止腐蝕性介質(zhì)及大氣對設(shè)備的腐蝕。對長期停用的鍋爐及容器，應(yīng)妥善保養(yǎng)防護。嚴格定期檢驗制度，檢驗時若發(fā)現(xiàn)承壓部件器壁被腐蝕而致厚度嚴重減薄，或容器在使用中曾發(fā)生過顯著的塑性變形時，即應(yīng)停用。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽二、脆性斷裂(一)鍋爐壓力容器脆性斷裂事例盡管鍋爐壓力容器材料一般具有較好的塑性和韌性，但由于鋼材在不同的使用條件下有各種產(chǎn)生脆性及脆化的可能，所以脆性斷裂是鍋爐壓力容器一種常見的破壞形式。特別是高參數(shù)、厚截面的大型容器，通常采用低合金高強鋼制造，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。國內(nèi)外都不乏這樣的破壞事例，其中有多起鍋爐鍋筒、容器在水壓試驗時的脆性斷裂事故。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)鍋爐壓力容器

脆性斷裂事例[案例1]英國大型氨合成塔脆性斷裂1965年英國約翰·湯姆生公司制造的一臺氨合成塔，在制成后進行水壓試驗時突然斷裂，端部法蘭完全裂透，開裂成兩片。與法蘭連接的筒節(jié)也完全裂開，裂縫擴展到第3節(jié)筒節(jié)，總長近6m。有4塊碎片從筒體飛出，其中有一塊重2t，飛出46.4m。該合成塔內(nèi)徑約1.7m，壁厚約150mm，全長18.3m，總重164t。筒體由10節(jié)單層卷焊的筒節(jié)和一個端部法蘭及一個平封頭焊接而成。筒節(jié)鋼板和端部法蘭材料均為錳鉻鉬釩鋼，抗拉強度554~641MPa，120℃時的屈服點(σ0.2)為347MPa。容器設(shè)計壓力為35.2MPa，設(shè)計溫度200℃，規(guī)定在室溫下的水壓試驗壓力為47.9MPa。結(jié)果在水壓試驗中加壓至34.5MPa，即未到設(shè)計壓力就發(fā)生了斷裂。經(jīng)計算，容器在斷裂時內(nèi)壁的圍向應(yīng)力約為材料屈服點的55%。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)鍋爐壓力容器

脆性斷裂事例[案例2]日本大型球形容器脆性斷裂60年代以來，日本曾經(jīng)發(fā)生過多起球形容器脆性斷裂事故，其中以1968年4月先后在德山工廠及千葉煉油廠發(fā)生的兩起事故最為嚴重。德山工廠在水壓試驗時發(fā)生脆性斷裂的一臺球形容器，容積為2226m3，內(nèi)徑16.2m，頂板厚28mm，底板厚29mm，鋼板抗拉強度為813MPa，屈服點為642MPa，容器設(shè)計壓力為1.82MPa。制成后進行水壓試驗，當加壓至2.5MPa時突然斷裂。裂縫從球體下溫帶縱向焊縫開始，向上經(jīng)熱帶環(huán)、上溫帶環(huán)、頂極板一直擴散到對面的上溫帶環(huán)和熱帶環(huán)，向下擴展到底極板。裂縫全長達球體圓周的3/4。根據(jù)計算，容器在破裂壓力(2.5MPa)下殼壁上的應(yīng)力僅為材料屈服點的56.5%。千葉煉油廠球形容器容積為1000m3，內(nèi)徑12.5m，頂板厚27mm，底板厚28mm。鋼板抗拉強度為676MPa，屈服點為568MPa，容器設(shè)計壓力為1.76MPa。在水壓試驗壓力達到1.78MPa時發(fā)生爆破。破裂時有一塊碎片從容器飛出，裂口沿著下溫帶與底極板的環(huán)焊縫開裂，約占周長的2/3。球體在爆破壓力(1.78MPa)下的應(yīng)力僅為殼體材料屈服點的36.6%。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)鍋爐壓力容器

脆性斷裂事例[案例3]國內(nèi)某鍋爐廠高壓容器的脆性斷裂

1970年國內(nèi)某鍋爐廠首次用70mm厚的錳鉬釩氮調(diào)質(zhì)鋼制成一臺直徑為900mm的高壓容器，設(shè)計壓力為40.2MPa，經(jīng)常規(guī)檢驗制造質(zhì)量合格。規(guī)定的水壓試驗壓力為51MPa，在水壓試驗中當壓力達50MPa時發(fā)生爆破，容器破裂成4塊，破裂壓力下容器壁面中的應(yīng)力也遠低于鋼材的屈服點。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)脆性斷裂的特征1、容器沒有明顯的殘余變形由于金屬的脆斷一般沒有留下殘余伸長，因此脆性斷裂后的容器沒有明顯的殘余變形。許多在水壓試驗時脆性斷裂的容器，其試驗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)。有些脆裂成塊的容器，將碎塊拼組起來基本上還是原容器的形狀，其周長與原周長相差無幾，容器的壁厚也沒有減薄。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)脆性斷裂的特征2、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，所以斷口平齊且與主應(yīng)力方向垂直。容器脆斷的縱縫裂口與器壁表面垂直；環(huán)向脆斷時，裂口與容器的中心線相垂直。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。在器壁很厚的容器脆性斷口上，還常有人字形放射花紋，其尖端指向裂紋源，始裂點往往是缺陷處或形狀突變處。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)脆性斷裂的特征3、容器常破裂成碎塊由于容器脆性斷裂時材料韌性較差，脆性斷裂的過程又是裂紋迅速擴展的過程，破壞往往在一瞬間發(fā)生，容器內(nèi)的壓力和能量無法通過一個裂口釋放，因此脆性斷裂的容器常裂成碎塊，且常有碎片飛出。如果容器是在使用中脆性斷裂，器內(nèi)介質(zhì)為氣體或液化氣體，則碎裂的情況將遠較水壓試驗時嚴重，造成的后果常比延性斷裂嚴重得多。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)脆性斷裂的特征4、斷裂時的名義應(yīng)力較低金屬的脆性斷裂是因裂紋擴展造成的，斷裂時器壁中的一次應(yīng)力——名義應(yīng)力通常不高，往往低于鋼材的屈服點，因而這類斷裂可以在容器正常操作壓力或水壓試驗壓力下發(fā)生。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)脆性斷裂的特征5、斷裂多在溫度較低的情況下發(fā)生由于常用的鍋爐壓力容器鋼材多有冷脆傾向，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溫度和較低的使用溫度。此外，脆性斷裂常見于高強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。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)脆性斷裂的特征中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽（三）脆性斷裂

事故的預(yù)防1、減少部件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中裂紋是造成脆性斷裂的主要因素，而應(yīng)力集中是產(chǎn)生裂紋的重要原因。許多鋼結(jié)構(gòu)破壞事故都是在應(yīng)力集中處先產(chǎn)生裂紋，然后裂紋逐步擴展到一定程度并快速擴展而造成結(jié)構(gòu)斷裂的。承壓部件結(jié)構(gòu)形狀不連續(xù)，焊縫及開孔布置不當，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝不合理等，均可能造成應(yīng)力集中，必須用切實可靠的設(shè)計、工藝措施避免和降低應(yīng)力集中。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽（三）脆性斷裂

事故的預(yù)防2、確保材料在使用條件下具有較好的韌性合理選材，確保其在使用溫度及其他使用條件下具有較好韌性。在低溫下使用的容器，其材料應(yīng)按規(guī)定進行低溫沖擊試驗并合格。既要防止焊接、熱處理不當造成材料韌性降低，也要防止惡劣的使用條件造成材料韌性降低。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽（三）脆性斷裂

事故的預(yù)防3、消除殘余應(yīng)力有的容器雖然工作載荷造成的名義應(yīng)力不大，但結(jié)構(gòu)中存在較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力與載荷應(yīng)力疊加，使得結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)力水平達到裂紋失穩(wěn)擴展需要的應(yīng)力值，造成結(jié)構(gòu)脆斷。焊接殘余應(yīng)力是焊制容器最主要的殘余應(yīng)力，必須通過熱處理等方式消除焊接殘余應(yīng)力。此外也應(yīng)注意因冷加工變形、強制對口產(chǎn)生的殘余應(yīng)力或附加應(yīng)力。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽（三）脆性斷裂

事故的預(yù)防4、加強對設(shè)備的檢驗對在用鍋爐壓力容器定期檢驗，及早發(fā)現(xiàn)缺陷，及時消除或嚴格監(jiān)控，也是防止設(shè)備發(fā)生脆性斷裂的有效措施。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽三、疲勞斷裂疲勞斷裂是鍋爐壓力容器承壓部件較為常見的一種斷裂方式。據(jù)英國統(tǒng)計，在運行期間發(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%。國外還有資料估計，壓力容器運行中的破壞事故有75%以上是由疲勞引起的。由此可見，鍋爐壓力容器的疲勞斷裂是絕不能忽視的。宏觀斷口—疲勞斷裂宏觀斷口—疲勞斷裂裂紋低載荷有缺口應(yīng)力集中條件下產(chǎn)生的單向彎曲疲勞斷裂中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)金屬疲勞現(xiàn)象承受交變載荷的金屬構(gòu)件，在載荷長期反復(fù)作用下，盡管載荷引起的最大應(yīng)力不一定很高，也會引起構(gòu)件突然斷裂，且無明顯的塑性變形。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，可以是機械載荷及機械應(yīng)力，例如內(nèi)壓及相應(yīng)的膜應(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間發(fā)生周期性變化的一類載荷。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)金屬疲勞現(xiàn)象1、疲勞曲線與疲勞極限多次實驗表明，金屬承受交變載荷時，最大應(yīng)力越大，疲勞壽命越短——即斷裂時載荷交變的總周次N越少；最大應(yīng)力σmax越小，疲勞壽命越長，總周次N越多。這種σmax與N的關(guān)系所繪成的曲線稱作金屬疲勞曲線(見圖9-2)。疲勞曲線的水平段表明，當最大應(yīng)力σmax不越過某特定值時，疲勞壽命可為無窮大，此特定應(yīng)力值稱作材料的疲勞極限，以σr表示。下標r即應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)，對稱循環(huán)的疲勞極限以σ-1表示。實驗表明，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞極限與其抗拉強度有一定的比例關(guān)系。對稱循環(huán)的疲勞極限約為抗拉強度的40％。金屬疲勞斷裂過程是金屬中疲勞裂紋萌生、亞臨界擴展、失穩(wěn)擴展的過程。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)金屬疲勞現(xiàn)象圖9-2金屬疲勞曲線中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)金屬疲勞現(xiàn)象2、高周疲勞與低周疲勞高周疲勞：一般轉(zhuǎn)動機械發(fā)生的疲勞斷裂，往往應(yīng)力水平較低而疲勞壽命較高，疲勞斷裂時載荷交變周次N≥1×105，稱作高周疲勞或簡稱疲勞。低周疲勞：若交變載荷引起的最大應(yīng)力超過材料的屈服點，而疲勞壽命N=102~104，則為大應(yīng)變低周疲勞或簡稱低周疲勞。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)金屬疲勞現(xiàn)象3、鍋爐壓力容器承壓部件的疲勞斷裂鍋爐壓力容器承受的壓力載荷通常被認為是靜載荷，在常規(guī)強度設(shè)計中人們關(guān)心的主要是承壓部件的靜載強度失效問題。但實踐表明，由于鍋爐壓力容器存在啟動停運、調(diào)荷變壓、反復(fù)充裝等問題，從宏觀上說鍋爐壓力容器承受的壓力載荷仍是交變的，只是交變頻率較低，周期較長，且大體上屬于脈動載荷（r=0）而已。隨著鍋爐壓力容器參數(shù)的提高和高強鋼的應(yīng)用，鍋爐壓力容器的疲勞斷裂問題不僅在國外，而且在國內(nèi)也日益受到關(guān)注。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)金屬疲勞現(xiàn)象

承壓部件的疲勞斷裂，絕大多數(shù)屬于金屬的低周疲勞。許多壓力容器都具備產(chǎn)生低周疲勞的條件：(1)存在較高的局部應(yīng)力承壓部件的接管、開孔、轉(zhuǎn)角及其他幾何形狀不連續(xù)的部位，焊縫及其他隱含缺陷之處，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)計應(yīng)力大好幾倍，可能達到并超過材料的屈服點。反復(fù)的加載和卸載，將會在受力最大處產(chǎn)生伸縮塑性變形并產(chǎn)生裂紋，裂紋逐步擴展最終導(dǎo)致斷裂。

(2)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器壁中的反復(fù)應(yīng)力可產(chǎn)生于：①間歇操作的設(shè)備經(jīng)常進行反復(fù)的加壓和卸壓；②在運行過程中設(shè)備壓力在較大范圍內(nèi)變動；③設(shè)備介質(zhì)溫度及器壁溫度反復(fù)變化；④部件強迫振動并引起較大局部附加應(yīng)力；⑤氣瓶多次充裝，等等。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)低周疲勞的規(guī)律低周疲勞的特點是應(yīng)力較高而疲勞壽命較低。試驗表明，低周疲勞壽命N取決于交變載荷引起的總應(yīng)變幅度。從曲軸上斷下的一端斷口形貌，箭頭所示處為裂源，該處系鍵槽的尖角處。斷口具有明顯的呈纖維狀的弧線，為高應(yīng)力低周疲勞特征。高應(yīng)力低周疲勞中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)疲勞斷裂的特征1、部件沒有明顯的塑性變形承壓部件的疲勞斷裂，首先是在局部應(yīng)力較高的部位產(chǎn)生微細裂紋，然后逐步擴展，最后剩余截面上的應(yīng)力達到材料的抗拉強度而發(fā)生開裂。它和脆性斷裂相似，一般沒有明顯的塑性變形。即使它的最后斷裂區(qū)是延性斷裂，也不會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，大部分壁厚也沒有明顯的減薄。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)疲勞斷裂的特征2、斷口存在兩個區(qū)域一個是疲勞裂紋產(chǎn)生與擴展區(qū)，另一個是最后斷裂區(qū)。對于對稱循環(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。在壓力容器的疲勞斷口上，由于載荷的脈動性質(zhì)且變化周期較長，裂紋擴展較緩慢，斷口無法受到反復(fù)的擠壓研磨，因而裂紋產(chǎn)生與擴展區(qū)不象對稱循環(huán)斷口那樣光滑，裂紋前沿的擴展條紋也不那樣規(guī)則，但仍能區(qū)別光滑區(qū)與粗糙區(qū)，有時也可看到弧形條紋，如圖9-4所示。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)疲勞斷裂的特征圖9-4疲勞斷裂宏觀斷口

(a)旋轉(zhuǎn)彎曲試樣疲勞斷口(b)疲勞斷口示意圖中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)疲勞斷裂的特征3、設(shè)備常因開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，而只是開裂一個破口，使設(shè)備或部件因泄漏而失效。開裂部位常是開孔接管處或其他應(yīng)力集中及溫度交變部位。4、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)一定時間的。疲勞斷裂的過程要比脆性斷裂緩慢得多。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(四)鍋爐壓力容器

疲勞斷裂的預(yù)防鍋爐壓力容器疲勞斷裂的預(yù)防有以下幾個方面：第一，在保證結(jié)構(gòu)靜載強度的前提下，選用塑性好的材料。第二，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量避免或減小應(yīng)力集中。第三，在運行中盡量避免反復(fù)頻繁地加載和卸載，減少壓力和溫度波動。第四，加強檢驗，及時發(fā)現(xiàn)和消除結(jié)構(gòu)缺陷。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽四、應(yīng)力腐蝕斷裂(一)應(yīng)力腐蝕及其特點定義：金屬構(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、危害最大的一種。應(yīng)力腐蝕是特殊的腐蝕現(xiàn)象和腐蝕過程，是應(yīng)力腐蝕的最終結(jié)果。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)應(yīng)力腐蝕及其特點應(yīng)力腐蝕及其斷裂特點：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，也可是焊接、裝配或熱處理引起的內(nèi)應(yīng)力(殘余應(yīng)力)。壓縮應(yīng)力不會引起應(yīng)力腐蝕及斷裂。純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞，但幾乎所有的合金在特定的腐蝕環(huán)境中，都會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。極少量的合金或雜質(zhì)都會使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。各種工程實用材料幾乎都有應(yīng)力腐蝕敏感性。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)應(yīng)力腐蝕及其特點應(yīng)力腐蝕及其斷裂特點：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，即當二者是某種特定組合時才會發(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9-1所示。表9-1常用金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)材料可以發(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；碳酸鹽或硝酸鹽水溶液；海水；液氨；濕的CO-CO2-空氣；硫酸-硝酸溶液；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；熱氟化物溶液；鋁合金潮濕空氣；活水氯化物的水溶液；汞鈦合金海水；鹽酸；發(fā)煙硝酸；300℃以上的氯化物；汞中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)應(yīng)力腐蝕及其特點產(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，即當二者是某種特定組合時才會發(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9-1所示。表9-1常用金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)材料可以發(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；碳酸鹽或硝酸鹽水溶液；海水；液氨；濕的CO-CO2-空氣；硫酸-硝酸溶液；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；熱氟化物溶液；鋁合金潮濕空氣；活水氯化物的水溶液；汞鈦合金海水；鹽酸；發(fā)煙硝酸；300℃以上的氯化物；汞中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)應(yīng)力腐蝕及其特點④應(yīng)力腐蝕是一個電化學腐蝕過程，包括應(yīng)力腐蝕裂紋萌生、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展等階段，失穩(wěn)擴展即造成應(yīng)力腐蝕斷裂。

鍋爐壓力容器中常見的應(yīng)力腐蝕有：液氨對碳鋼及低合金鋼的應(yīng)力腐蝕，硫化氫對鋼制容器的應(yīng)力腐蝕，苛性堿對鍋爐鍋筒或容器的應(yīng)力腐蝕(堿脆或苛性脆化)，潮濕條件下一氧化碳對氣瓶的應(yīng)力腐蝕等。國內(nèi)外均發(fā)生過多起鍋爐壓力容器應(yīng)力腐蝕斷裂事故。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)應(yīng)力腐蝕

斷裂的特征1、應(yīng)力腐蝕斷裂屬于脆性斷裂，斷口平齊，沒有明顯的塑性變形，斷裂方向與主應(yīng)力垂直。2、應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，其斷口一般可分出裂紋擴展區(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。3、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，沒有明顯規(guī)律。但應(yīng)力腐蝕裂紋擴展過程中均會發(fā)生裂紋分叉現(xiàn)象，即有一主裂紋擴展得最快，其余是擴展得較慢的支裂紋。4、引起斷裂的因素中均有特定介質(zhì)及拉伸應(yīng)力。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)應(yīng)力腐蝕

斷裂的預(yù)防由于在學術(shù)上對應(yīng)力腐蝕的機理尚缺乏深入的了解和一致的看法，因而在工程技術(shù)實踐中，常以控制應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的特點和條件作為預(yù)防應(yīng)力腐蝕的主要措施，其中常見的有：選用合適的材料，盡量避開材料與敏感介質(zhì)的匹配，比如不以奧氏體不銹鋼作接觸海水及氯化物的容器；在結(jié)構(gòu)設(shè)計中避免過大的局部應(yīng)力；采用涂層或襯里，把腐蝕性介質(zhì)與容器承壓殼體隔離；在制造中采用成熟合理的焊接工藝及裝配成形工藝，并進行必要合理的熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力及其他內(nèi)應(yīng)力；應(yīng)力腐蝕常對水分及潮濕氣氛敏感，使用中應(yīng)注意防濕防潮，對設(shè)備加強管理和檢驗。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(四)氫脆斷裂

與應(yīng)力腐蝕在介紹鋼材的脆性與脆化時，我們曾提到氫脆。失效分析中常把氫脆與應(yīng)力腐蝕聯(lián)系起來，認為氫脆斷裂是一種廣義的應(yīng)力腐蝕斷裂，它與一般應(yīng)力腐蝕斷裂既有共同之處，也有顯著區(qū)別。共同之處：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。區(qū)別：①氫脆斷裂是陰極反應(yīng)的結(jié)果，即在電化學腐蝕反應(yīng)過程中由于陰極吸氫而造成脆性斷裂，而一般應(yīng)力腐蝕斷裂屬于陽極反應(yīng)，是以金屬陽極溶解損傷為基礎(chǔ)的；中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(四)氫脆斷裂

與應(yīng)力腐蝕氫脆斷裂既可產(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)力腐蝕斷裂裂紋都是分叉的。有的應(yīng)力腐蝕通過陽性反應(yīng)在消耗金屬陽極的同時還產(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)同時發(fā)生，金屬結(jié)構(gòu)最后斷裂的機制也更加復(fù)雜。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽五、蠕變斷裂(一)蠕變過程及蠕變斷裂

蠕變：在應(yīng)力和一定溫度的共同作用下，隨著時間的增加金屬不斷產(chǎn)生塑性變形的持續(xù)過程，最終導(dǎo)致蠕變斷裂。蠕變速度：蠕變過程通常通過蠕變曲線表示。蠕變曲線是蠕變過程中變形與時間的關(guān)系曲線，如圖9-5所示。曲線的斜率表示應(yīng)變隨時間的變化率，叫蠕變速度。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)蠕變過程及蠕變斷裂中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)蠕變過程及蠕變斷裂對一定材料，在一定的載荷及溫度作用下，其蠕變過程一般包括三個階段。oa段表示試件加載時的初始變形，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。蠕變第一階段為蠕變的減速期，以曲線的ab段表示。即試件開始蠕變時速度較快，隨后逐步減慢，這一段是不穩(wěn)定蠕變期。第二階段為蠕變的恒速期，如曲線的bc段所示。bc近似為一條直線，當應(yīng)力不太大或溫度不太高時，這一段持續(xù)時間很長，是蠕變壽命的主要構(gòu)成部分，也叫穩(wěn)定蠕變階段。第三階段為蠕變的加速期，如曲線上cd段所示。此時蠕變速度越來越快，直至d點試件斷裂。蠕變斷裂是蠕變過程的結(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，但均包含上述三個階段，不同蠕變曲線的主要區(qū)別是恒速期的長短。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)蠕變過程及蠕變斷裂實際在高溫下運行的構(gòu)件，一般難于避免蠕變現(xiàn)象和蠕變過程，但可以控制蠕變速度，使之在規(guī)定的服役期限內(nèi)僅發(fā)生減速及恒速蠕變，而不發(fā)生蠕變加速及蠕變斷裂。鍋爐中的鍋筒、鍋殼、爐膽等大型結(jié)構(gòu)，盡管接觸火焰或受熱介質(zhì)，但由于介質(zhì)的可靠冷卻及介質(zhì)溫度較低，使得這些部件的金屬壁溫達不到蠕變溫度，因而在正常運行工況下不會產(chǎn)生蠕變及蠕變斷裂。換熱容器和反應(yīng)容器也多是這種情況。只是在非正常工況下有可能產(chǎn)生蠕變斷裂問題。但大型高溫高壓鍋爐的過熱器及蒸汽管道，在正常運行工況下即有蠕變及蠕變斷裂問題。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)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，斷裂后的伸長率高，往往形成縮頸，斷口呈延性形態(tài)，因而也叫蠕變延性斷裂。沿晶型蠕變斷裂在斷裂前塑性變形很小，斷裂后的伸長率甚低，縮頸很小或者沒有，在晶體內(nèi)常有大量細小裂紋，這種斷裂也叫蠕變脆性斷裂。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，發(fā)生穿晶型蠕變延性斷裂；在低應(yīng)力及較高溫度下蠕變時，發(fā)生沿晶型蠕變脆性斷裂。鍋爐的過熱器管及蒸汽管道，由于直徑相對于壁厚較小，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。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(三)蠕變斷裂的預(yù)防1、合理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和介質(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)局部高溫及過熱。2、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度。3、采用合理的焊接、熱處理及其他加工工藝，防止在制造、安裝、修理中降低材料的抗蠕變性能。4、嚴格按規(guī)定的操作規(guī)程運行設(shè)備，防止總體或局部超溫超壓從而降低蠕變壽命。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽第三節(jié)鍋爐壓力容器爆炸能量及事故危害一、蒸汽鍋爐爆炸時水汽介質(zhì)的狀態(tài)變化及爆炸能量二、永久氣體容器的爆炸能量三、液化氣體容器的爆炸能量四、爆炸沖擊波及其破壞作用五、爆炸產(chǎn)生的其他危害中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽一、蒸汽鍋爐爆炸時水汽介質(zhì)的狀態(tài)變化及爆炸能量蒸汽鍋爐鍋筒正常工作時，其內(nèi)是帶壓的飽和蒸汽與同壓力飽和水并存的狀態(tài)。一旦鍋筒破裂，則幾乎同時發(fā)生以下兩個過程：原飽和蒸汽膨脹降壓的過程；原飽和水因壓力驟降而使其一部分突然汽化的過程。兩過程的結(jié)果都分別形成大氣壓力下的汽水混合物。由于伴隨著瞬時猛烈的體積膨脹，來不及與周圍進行熱量交換，一般將這兩個過程看作絕熱膨脹過程，并近似按定熵過程——可逆絕熱過程進行分析。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)爆炸前后狀態(tài)

參數(shù)的變化對飽和蒸汽來說，絕對壓力為P的飽和蒸汽定熵膨脹至大氣壓力，變?yōu)楦啥葹閤”的汽水混合物：則中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽對飽和水來說，絕對壓力為P的飽和水定熵膨脹至大氣壓力，變?yōu)楦啥葹榈钠旌衔铮簞t式中，，分別為絕對壓力為P時飽和水及飽和蒸汽的熵；和分別為大氣壓力下飽和水及飽和蒸汽的熵，均可由水蒸汽熱力性質(zhì)表查得。(一)爆炸前后狀態(tài)

參數(shù)的變化中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)爆炸前后狀態(tài)

參數(shù)的變化對鍋筒中的飽和蒸汽，爆炸前絕對壓力為p時的比容為，爆炸膨脹后汽水混合物的比容為,則體積膨脹倍數(shù)為：對鍋筒中的飽和水，爆炸前絕對壓力為p時的比容為，爆炸膨脹后汽水混合物的比容為

，則體積膨脹倍數(shù)為：式中，、分別為大氣壓力下飽和水及飽和蒸汽的比容。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)飽和蒸汽及飽和水的爆炸能量

定熵膨脹過程介質(zhì)對外界釋放的能量或?qū)ν饨缢鞯墓砂聪率接嬎悖菏街衭1,u2分別為介質(zhì)在膨脹前、膨脹后具有的內(nèi)能，kJ/kg。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)飽和蒸汽及飽和水的爆炸能量對鍋筒中的飽和蒸汽：對鍋筒中的飽和水：式中，、

分別為1kg飽和蒸汽及飽和水所具有的爆炸能量，kJ/kg，p，p1分別為爆炸前后介質(zhì)的絕對壓力，MPa，其中p1≈0.1MPa；、分別為絕對壓力為p時飽和蒸汽及飽和水的焓值，kJ/kg；、分別為大氣壓力下飽和蒸汽及飽和水的焓值，kJ/kg，r1為大氣壓力下水的汽化潛熱，kJ/kg。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)飽和蒸汽及飽和水的爆炸能量若絕對壓力為p時飽和蒸汽及飽和水的比容分別為v”p和v’p

，則相應(yīng)于鍋筒中原1m3飽和蒸汽及飽和水，介質(zhì)所具有的爆炸能量為：式中，、稱為爆炸能量系數(shù)，kJ/m3。鍋爐常用壓力下對應(yīng)的也列于表9-2。

中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)飽和蒸汽及飽和水的爆炸能量表9-2蒸汽鍋爐筒爆炸的介質(zhì)狀態(tài)變化及爆炸能量絕對壓力p/MPa爆炸后介質(zhì)干度體積膨脹系數(shù)爆炸能量系數(shù)/kJ·m-3飽和蒸汽x''飽和水x'飽和蒸汽n''飽和水n'飽和蒸汽

飽和水0.50.9110.0924.12143.500.64×1032.79×1040.80.8850.1236.24187.731.29×1034.16×1041.10.8630.1458.24217.542.06×1035.37×1041.40.8530.16210.26239.602.80×1036.46×1041.70.8420.17612.22257.053.60×1037.44×1042.60.8150.21017.87196.916.24×1039.58×1043.90.7890.24426.10331.681.05×1041.23×1059.90.7130.33966.09396.933.50×1041.92×10513.80.6740.38197.20403.255.58×1042.18×10516.80.6420.411126.96296.817.62×1042.31×10517.50.6340.419135.26394.018.16×1042.32×10522.10.5160.516268.28268.281.86×1051.86×105中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(二)飽和蒸汽及飽和水的爆炸能量由表9-2可以看出：第一，鍋筒中原有的飽和水爆炸膨脹后變?yōu)槠旌衔?，其汽化份額隨壓力升高而增大，但至臨界壓力也僅為0.516；第二，水汽介質(zhì)的爆炸能量系數(shù)隨壓力的升高而增大，僅在接近臨界壓力時，飽和水的爆炸能量系數(shù)隨壓力升高而稍有下降；第三，壓力相同時，飽和水的爆炸能量系數(shù)遠大于飽和蒸汽的爆炸能量系數(shù)。在低中壓時，前者約為后者的幾十倍或十幾倍。隨著壓力的升高，二者的差異逐漸減小，直至相等(臨界壓力)。由于通常鍋筒內(nèi)容納汽水各半，可以近似認為，低中壓鍋爐鍋筒破裂爆炸時，其主要爆炸能量是飽和水釋放的。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽二、永久氣體容器的

爆炸能量永久氣體容器發(fā)生破裂時，其內(nèi)介質(zhì)迅速泄壓膨脹，既無集態(tài)變化，也來不及與周圍進行熱量交換，可視作一個簡單的絕熱膨脹過程。容器爆炸釋放的能量即等于介質(zhì)絕熱膨脹所作的功，近似將實際爆炸過程按定熵過程處理，則有：中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽二、永久氣體容器的

爆炸能量空氣、氧、氮、氫、一氧化碳等常用氣體的絕熱指數(shù)均為1.4或接近1.4，以K=1.4代入式(9-10)，則永久氣體容器的爆炸能量系數(shù)或單位體積爆炸能量為：中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽二、永久氣體容器的

爆炸能量不同壓力下常用永久氣體容器的爆炸能量系數(shù)如表9-3所示。表9-3永久氣體容器爆炸能量系數(shù)絕對壓力P/MPa0.30.50.70.91.11.72.7爆炸能量系數(shù)Cp.kJ·m-32.0×1024.6×1027.5×1021.1×1031.4×1032.4×1033.9×103絕對壓力P/MPa4.15.16.515.132.140.1爆炸能量系數(shù)Cp.kJ·m-36.7×1038.6×1031.1×1032.9×1036.5×1038.2×103中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽三、液化氣體容器的

爆炸能量介質(zhì)為液化氣體的壓力容器，破裂時的情況與永久氣體容器不同，而與蒸汽鍋爐鍋筒爆破較為相似，即除了氣體迅速膨脹降壓外，還包括有液體急劇蒸發(fā)的過程，產(chǎn)生相當于鍋爐水蒸氣爆炸的某種蒸氣爆炸。由于容器內(nèi)的介質(zhì)是氣液兩態(tài)，所以這類容器破裂時所釋放的能量也應(yīng)包括器內(nèi)飽和蒸氣的爆炸能量及飽和液的爆炸能量。而在大多數(shù)情況下，器內(nèi)主要是飽和液，它的能量比飽和蒸氣大得多，所以計算時常把飽和蒸氣忽略不計。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽三、液化氣體容器的

爆炸能量液化氣體形成的蒸氣爆炸也是在瞬間完成的，也是一個絕熱過程。承壓飽和液在絕熱條件下膨脹至大氣壓力所作的功或飽和液的爆炸能量，可按下式計算：中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽三、液化氣體容器的

爆炸能量上述分析計算，僅涉及介質(zhì)機械能及熱能的釋放，即由于介質(zhì)壓力及集態(tài)改變而釋放的能量，或者說計算的是物理性爆炸的爆炸能量。當介質(zhì)在容器內(nèi)因劇烈化學反應(yīng)引起壓力驟升造成容器爆炸，或可燃介質(zhì)排出容器后與空氣混合遇火源引起二次爆炸時，由于在很短時間內(nèi)發(fā)生了劇烈化學反應(yīng)，所以爆炸時釋放的能量一般很大，但難于準確計算。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽四、爆炸沖擊波

及其破壞作用鍋爐壓力容器破裂爆炸時，所釋放的能量除少量消耗于將容器撕裂并將容器或其碎片拋出之外，大部分產(chǎn)生沖擊波。沖擊波是一種強擾動的傳播波。鍋爐壓力容器破裂時，器內(nèi)帶壓氣體突然大量噴出，周圍空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動，使其壓力、密度、溫度等產(chǎn)生突躍變化，這種擾動在空氣中傳播就成為沖擊波。沖擊波的破壞作用主要是由波面上的超壓引起的。中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)沖擊波超壓的估算在爆炸源附近某點沖擊波超壓的大小，首先與爆炸能量的大小直接相關(guān)，同時也與該點同爆炸源的距離有關(guān)。在爆炸源或爆炸中心，空氣沖擊波超壓可達幾百甚至幾千千帕；距爆炸源越遠，沖擊波超壓越小，逐漸衰減為零。炸藥爆炸時，沖擊波超壓△p是藥量q及距離R的函數(shù)，即△p=f(q,R)。盡管目前尚未得出該函數(shù)的具體表達式，但已通過大量實驗獲得了所謂“比例法則”?！氨壤▌t”確定，不同數(shù)量的同類炸藥產(chǎn)生相同沖擊波超壓的條件是，二者與爆炸中心距離之比等于其炸藥量之比的三次方根，用公式表示為：中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院安全工程倪曉陽(一)沖擊波超壓的估算如果