壓力容器事故發(fā)生機理及其分析

1概述

近年來(lái)壓力容器爆炸事故時(shí)有發(fā)生，如1997年6月26日北京東方化工廠(chǎng)乙烯球罐發(fā)生爆炸，1998年3月5日陜西省西安市煤氣公司液化石油汽貯罐爆炸事故等。壓力容器爆炸時(shí)，不但會(huì )造成極大的人身傷亡事故，而且有時(shí)還會(huì )引起火災或更強烈的爆炸。因此，研究分析壓力容器爆炸事故，找出事故原因，對預防事故、保障設備安全有著(zhù)極其重要作用。

2壓力容器的破壞形式

根據國際《壓力容器、鍋爐和管道委員會(huì )》提出的方法，依照破壞形態(tài)和破壞原因，壓力容器破壞形式可分以下幾種：

2.1過(guò)度的塑性變形

當壓力載荷大大超過(guò)設計數值時(shí)，容器的器壁變薄，最后達到不穩定點(diǎn)，即當壓力稍許增加時(shí)，容器就會(huì )因過(guò)度塑性變形而發(fā)生破裂。當容器發(fā)生過(guò)度塑性變形破裂時(shí)，斷口為撕斷狀態(tài)，容器破壞時(shí)不產(chǎn)生碎片或者僅有少量碎塊，爆破口的大小視容器爆破的膨脹能量而定。除壓力的影響以外，金屬材料在高溫下的蠕變也是引起塑性變形的一個(gè)重要原因，在蠕變過(guò)程中，材料發(fā)生連續的塑性變形，在塑性變形積累到相當長(cháng)時(shí)間后，將以破裂而告終。

2.2過(guò)度的彈性變形

彈性變形是固體在外力的作用下表現出的一種行為，當外力撤出后，物體能夠恢復原來(lái)形狀的能力稱(chēng)為彈性性質(zhì)，而具有這種可逆性的變形就叫做彈性變形，過(guò)度的彈性變形可能使容器呈現不穩定狀態(tài)，甚至達到失穩程度。

2.3大應變疲勞

壓力容器在交變應力的作用下，位于容器的某些局部區域（如開(kāi)孔接管周?chē)�、局部結構不連續處等）受力最大的金屬晶粒將會(huì )產(chǎn)生滑移并逐漸發(fā)展成為微小裂紋，且裂紋兩端不斷擴展，最終導致容器的疲勞破壞。疲勞首先出現在上述高應力的局部區域，即出現在這些高應力引起的大應變的地方，這種破壞就稱(chēng)大應變疲勞。壓力容器的疲勞破壞一般具有以下特征：

（1）容器沒(méi)有明顯的變形

（2）破裂的斷口存在兩個(gè)區域：疲勞裂紋產(chǎn)生至擴展區和最后斷裂區

（3）容器常因開(kāi)裂泄漏而失效

（4）疲勞破壞總是在容器經(jīng)過(guò)反復的加載和卸載以后發(fā)生

2.4腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是金屬材料在腐蝕和應力的共同作用下引起的一種破壞形式。在材料的腐蝕疲勞中，一方面由于腐蝕使金屬表面局部損壞并促使疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展；另一方面，交變的拉伸應力破壞金屬表面的保護膜并促使表面腐蝕的產(chǎn)生。在交變應力的作用下，被破壞的保護膜無(wú)法再次形成，沉積在腐蝕坑中的腐蝕產(chǎn)物又阻止氧的擴散使保護膜難以恢復。所以腐蝕坑的底部始終處在活性狀態(tài)之下而構成了腐蝕電池的陽(yáng)極。就這樣在腐蝕與交變應力的聯(lián)合作用下，裂紋不斷發(fā)展直至金屬最后斷裂。

2.5應力腐蝕

應力腐蝕是金屬腐蝕介質(zhì)和拉伸應力的共同作用下而產(chǎn)生的一種破壞形式。金屬發(fā)生應力腐蝕時(shí)，腐蝕和應力這兩個(gè)因素是相互促進(jìn)的。一方面，腐蝕使金屬的有效截面積減小和表面形成缺口，產(chǎn)生應力集中；另一方面，應力的存在加速了腐蝕的進(jìn)展，使表面的腐蝕缺口向深處擴展，最后導致斷裂。

2.6脆性破裂

工程上把沒(méi)有明顯塑性變形的斷裂統稱(chēng)為脆性斷裂或破裂，而壓力容器的脆性破裂是指由塑性材料制成的壓力容器，破裂時(shí)呈脆性破裂特征。破裂容器的工作應力遠遠低于材料的強度極限，甚至低于材料的屈服極限。壓力容器發(fā)生脆性斷裂的特征是：

（1）容器器壁沒(méi)有明顯的伸長(cháng)變形，容器的厚度一般沒(méi)有改變。

（2）斷口呈金屬光澤的結晶狀，裂口齊平與主應力方向垂直。

（3）脆性破裂的容器常呈碎塊狀，且常有碎片飛出。

（4）破裂事故多數在溫度較低的情況下發(fā)生。

（5）脆性斷裂更容易在高強度鋼制的壓力容器和用中、低強度制造的厚壁容器上發(fā)生。

2.7氫腐蝕破壞

在高溫高壓下，吸附在鋼表面的氫分子部分分解為氫原子或離子而固溶于鋼表面層并向鋼內擴散，它以氫脆和氫腐蝕兩種方式影響著(zhù)鋼的性能。氫脆是由于氫擴散并溶解于金屬晶格中，使鋼在緩慢變形時(shí)產(chǎn)生脆性現象，此時(shí)鋼的塑性顯著(zhù)降低。氫腐蝕是指氫原子或離子擴散進(jìn)入鋼中，將結合成氫分子，并部分地與微孔壁上的碳或碳化物及非金屬夾雜物產(chǎn)生化學(xué)反應，這些不易溶解的氣體生成物聚積在晶界原有的微隙內，形成局部高壓，造成應力集中，使晶界變寬，發(fā)展成微裂紋，降低了鋼的機械性能。

3壓力容器事故分析方法

3.1宏觀(guān)檢查

對斷裂面進(jìn)行宏觀(guān)檢查是確定破壞事故原因和研究破壞現象微觀(guān)機理的重要手段，通過(guò)對斷口斷裂源區和斷裂方向以及斷口表面光澤、顏色、晶粒大小、斷口上的花紋、邊緣情況、冶金缺陷的宏觀(guān)分析，可以確定壓力容器的破壞類(lèi)型和破壞點(diǎn)等情況。

3.2微觀(guān)檢查

微觀(guān)檢查是對斷口的細部組織和微觀(guān)形態(tài)進(jìn)行仔細的觀(guān)察，它是在宏觀(guān)分析的基礎上進(jìn)行的，借以彌補宏觀(guān)檢查不到之處。目前采用的觀(guān)察手段主要是光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡。

3.3化學(xué)成分檢查

化學(xué)成分檢查是在破裂容器的某些部位中取樣，檢驗或校核壓力容器制造材料原有的化學(xué)成分。但并非每次事故都須逐項檢查其成分，而只有當懷疑材料的某些性能不良而發(fā)生事故時(shí)，即在失效部位取樣作化學(xué)成分檢查，重點(diǎn)分析檢驗對性能有影響的元素成分，以便復驗金屬的化學(xué)成分是否合乎壓力容器的技術(shù)要求。

3.4機械性能檢查

金屬材料的機械性能與它的斷裂有直接的關(guān)系。所以對破裂的壓力容器常需要在發(fā)生斷裂的部位和遠離斷口處取樣，作機械性能測定和對比性能試驗，以驗證其所用的材料是否與設計要求相符，可核對斷口附近處的組織和性能有沒(méi)有變化，材料的機械性能在加工過(guò)程中是否發(fā)生顯著(zhù)變化。從一系列的機械性能測定中可獲取壓力容器事故發(fā)生的原因。

3.5疲勞分析

隨著(zhù)壓力容器的大型化，安全系數的降低和工作條件的日趨苛刻，峰值應力的水平越來(lái)越高，加上近年來(lái)廣泛采用低合金高強度鋼，材料的屈強比較高，盡管容器的承載能力有所上升，但是材料的塑性?xún)�備、對應力集中的敏感性、耐疲勞的抗力卻有所降低，從而增加了壓力容器疲勞破壞的危險性。因此疲勞失效問(wèn)題在壓力容器設計中越來(lái)越引起重視，疲勞分析的方法在事故分析中成為極其重要的一種分析方法。目前涉及壓力容器疲勞分析的規范有美國ASME《鍋爐及壓力容規范》、《國際壓力容器標準ISO/DIS2694》和英國B(niǎo)S5500《非直接火焊制壓力容器規范》。

3.6斷裂力學(xué)分析

壓力容器發(fā)生事故的原因絕大多數是由于裂紋引起的，這些裂紋在一定的條件下迅速開(kāi)裂擴展發(fā)生壓力容器的低應力破壞，這種低應力的脆斷破壞按傳統的分析方法是無(wú)法解釋的。而斷裂力學(xué)正是研究帶有裂紋的材料的強度問(wèn)題，它與有關(guān)力學(xué)問(wèn)題相結合從而形成了一門(mén)新興的固體力學(xué)。斷裂力學(xué)不僅研究脆性斷裂，而且也研究塑性斷裂。因此，以研究結構材料中的裂紋發(fā)生與擴展規律而興起的斷裂力學(xué)，不僅在壓力容器的設計和應用上開(kāi)創(chuàng )了新的途徑，而且為壓力容器的事故分析提供了有效的方法。

3.7蠕變分析方法

壓力容器的高溫蠕變問(wèn)題比較復雜，不僅要考慮壓力容器產(chǎn)生蠕變變形后內部應力如何重新分配和計算，而且還要考慮在一定時(shí)間內將產(chǎn)生多大的蠕變變形量等等。通過(guò)計算蠕變后的應力和蠕變穩定階段的蠕變速度后，即可根據容器的使用期限，求取任意一點(diǎn)的應變，從而也可以計算出任意一點(diǎn)處直徑的擴大量，這些計算為事故分析提供了數據。