壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的四種基本失效模式
本文對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的脆性斷裂、韌性斷裂、超量變形引起的接頭泄漏和彈性或彈塑性失穩(wěn)(屈曲)四種失效模式做介紹，并提供了不同壓力容器失效模式的應(yīng)對(duì)方法供大家參考。
由中石化寧波工程公司主編的HG/T20580-2020《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)范》2021年應(yīng)該就能取代現(xiàn)行的2011版而正式實(shí)施。新HG/T20580-2020附錄A給出了壓力容器常見(jiàn)的失效模式，按照A.0.3條內(nèi)容，本文對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的四種基本失效模式做介紹。
壓力容器常見(jiàn)的四種失效模式
1、脆性斷裂
壓力容器脆性斷裂失效模式是指元件在一次加載條件下無(wú)明顯塑性變形而發(fā)生的斷裂。容器在使用過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂的主要原因在于材料的脆化、材料本身的缺陷及應(yīng)力影響。
【壓力容器失效模式應(yīng)對(duì)措施之如何應(yīng)對(duì)壓力容器脆性斷裂】：為防止壓力容器脆性斷裂類型失效的發(fā)生，可采取提出材料的斷裂韌性要求、提出材料焊接后進(jìn)行充分的熱處理要求、規(guī)定水壓試驗(yàn)的溫度等措施。
鋼材脆性斷裂的危險(xiǎn)性在于，在名義應(yīng)力很低(不是實(shí)際應(yīng)力)的情況下，內(nèi)部裂紋迅速擴(kuò)展，發(fā)生斷裂，斷口的塑性變形很小(或幾乎不發(fā)生)，吸收的能量很小。高強(qiáng)度鋼制容器、低溫條件下服役的容器、中低強(qiáng)度鋼制的厚壁容器等，都可能出現(xiàn)脆性斷裂。
壓力容器脆性斷裂的原因
①高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比都較大，材料的韌性較差；
②溫度下降，材料的強(qiáng)度增強(qiáng)，屈強(qiáng)比變大，韌性下降，并且，在某一低溫值，材料會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)脆轉(zhuǎn)變；
③鋼板厚度較厚，裂紋的應(yīng)力場(chǎng)由平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變，裂紋性變形受到限制，容易發(fā)生脆斷。
2、壓力容器韌性斷裂
壓力容器韌性斷裂失效模式是指元件在一次加載條件下存在明顯的塑性變形而發(fā)生的斷裂。容器在使用過(guò)程中超壓或受到均勻性腐蝕使容器壁厚減薄，元件中的應(yīng)力超過(guò)了材料屈服極限和強(qiáng)度極限，從而產(chǎn)生較大的塑性變形直至斷裂。這種失效模式包括超量局部應(yīng)變引起的裂紋形成或韌性撕裂，即容器某一局部區(qū)域應(yīng)變過(guò)大而引起裂紋或斷裂。
【壓力容器失效模式應(yīng)對(duì)措施之如何應(yīng)對(duì)壓力容器韌性斷裂】：為防止壓力容器韌性斷裂類型失效的發(fā)生，可采取對(duì)材料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度規(guī)定安全系數(shù)等措施：
①防止韌性斷裂，就是避免元件中的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，一是要防止超壓，二是材料要取安全系數(shù)。
②凡是有可能出現(xiàn)超壓工況的，都要設(shè)置安全泄放裝置，這個(gè)通常由設(shè)計(jì)院工藝專業(yè)統(tǒng)籌考慮。(考慮到換熱器換熱管可能破裂，低壓側(cè)也要設(shè)置安全閥)
③非高溫的情況下，材料的許用應(yīng)力主要由室溫下的強(qiáng)度極限、室溫下的屈服極限、設(shè)計(jì)溫度下的屈服極限決定。
④需要注意的是，并不是元件中的應(yīng)力水平達(dá)到或稍微超過(guò)許用應(yīng)力就會(huì)失效(安全系數(shù)白取了？)，如果在失效分析中使用這樣的結(jié)論，是不符合邏輯的。
3、超量變形引起的接頭泄漏
超量變形引起的接頭泄漏失效模式是指在內(nèi)壓或外載荷作用下容器接頭部位發(fā)生過(guò)量變形，導(dǎo)致容器內(nèi)部介質(zhì)泄漏而使容器喪失使用功能。見(jiàn)接頭泄漏是法蘭接頭泄漏，其原因可能是螺栓預(yù)緊力不足、墊片失去回彈能力、法蘭剛度不足等。
【壓力容器失效模式應(yīng)對(duì)措施之如何應(yīng)對(duì)壓力容器超量變形引起的接頭泄漏】：為防止超量變形引起的接頭泄漏類型失效的發(fā)生，可采取選用合適的密封墊片、限制接頭變形量等措施。
4、壓力容器彈性或彈塑性失穩(wěn)(屈曲)
彈性或彈塑性失穩(wěn)(屈曲)失效模式是指元件在載荷作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力使元件幾何形狀發(fā)生改變，而當(dāng)載荷卸除以后，元件的幾何形狀不再能自行恢復(fù)。當(dāng)元件承受的壓應(yīng)力超過(guò)臨界壓力時(shí)將發(fā)生失穩(wěn)。彈性失穩(wěn)時(shí)其臨界壓力與元件的尺寸和材料的性質(zhì)相關(guān)；彈塑性失穩(wěn)時(shí)其臨界壓力與元件的尺寸、材料的性質(zhì)和材料的強(qiáng)度相關(guān)。
【壓力容器失效模式應(yīng)對(duì)措施之如何應(yīng)對(duì)壓力容器彈性或彈塑性失穩(wěn)(屈曲)】：為防止彈性或彈塑性失穩(wěn)(屈曲)類型失效的發(fā)生，可采取對(duì)結(jié)構(gòu)的臨界載荷規(guī)定安全系數(shù)、限制容器的幾何偏差等措施。
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