压力容器疲劳失效机理研究

耿雪峰

摘要：在压力容器普遍失效形式中疲劳失效是其中之一。压力容器的开始结束工作、压力或者外载的波动、提高降低介质温度都会对其造成疲劳损伤，不断积累的疲劳损伤可能破坏容器。随着压力容器逐步向大型化发展，在制造过程中更加容易产生裂纹等问题，日益提升的设计应力水平，都会增加疲劳失效的可能性，因此世界各国都开始积极重视压力容器疲劳失效问题，分析压力容器疲劳失效特点、原因等，以便能够更好的避免发生疲劳失效事故。

关键词：压力容器;疲劳失效;机理分析;金属材质

1.疲劳分析方法

1.1应力疲劳法与应变疲劳法

我们可以将构件承受交变荷载的疲劳过程划分为应力疲劳与应变疲劳，承受循环载荷的大小是其划分的主要根据。首先，应力疲劳是指通过应力参量对疲劳过程进行控制与描述，这一过程的疲劳过程需要符合一个条件，其循环载荷最大应力应当在材料自身的屈服应力范围内。此时的应力水平很低，寿命较高，因此，也可以称为高周疲劳。反之，循坏载荷最大应力在材料自身的屈服应力范围之外。此时应力水平较高，寿命短暂，因此，称其为低周期疲劳。在循环次数方面高周疲劳和低周疲劳体现为：当循环寿命比104低时，称其为低周疲劳，反之，当循环寿命比104高时，称其为高周疲劳。

1.2断裂力学法

研究缺陷构件的疲劳问题过程中需要采取断裂力学法。很多学者利用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学深入分析了裂纹扩展肌理与控制方式。不同于应力疲劳法与应变疲劳法，断裂力学法着重对裂纹扩展进行考虑，而忽略了裂纹的萌生。具体根据的是裂纹扩展速率公式理论基础，通过某一参量对扩展裂纹速率进行控制，采取断裂力学理论对断裂临界裂纹长度进行推断，因此从初始裂纹扩展至临界裂纹这个过程，便是疲劳寿命。

2.压力容器失效分析思路

2.1失效模式的判别

压力容器失效过程信息具体是指由于内部诱发因素推断的物理、化学过程信息，具体包含各类规则、机制、模型等信息，它通过树结构方式利用科学的搜索对策采取一定的解释程序进一步推理失效过程。

因此，我们将压力容器作为对象，利用各类措施对其科学分析，进一步获得失效信息，见图1。之后联系各类失效信息根据一定的方法实行处理，对失效模式进行判断。

图1压力容器失效分析

2.2失效原因的判断及预防措施

通过研究很多的失效案例可知，失效分析具体从对压力容器使用寿命因素造成影响的因素入手，分别是结构设计、材料、工艺和装配、环境等方面实施分析。

結构设计因素：部件大小截面、圆角半径、表面光洁程度、几何形状等是否科学;缺口与截面图表综合影响应力;载荷特点、速率、大小;形成残余应力影响构件的程度等。

工艺因素：包含熔炼材料方法与冶金质量对功能造成的影响。制造零部件工艺以及热处理之后的氧化脱碳;加工形成的表面残余应力;热处理零部件之后校直对零件造成的影响。

材料因素：选择材料是否合理，材料成分、冶金质量、表面状态是否正常，尤其需要关注材料强韧性的各类因素。

装配与环境因素：在装配过程中由于不正确的操作容易引发失效问题，一些零件同心度的偏差也容易造成失效。而这些因素通常不容易被制造与使用人员检验出来，在失效分析中应当引起关注。

2.3失效分析总体思路

分析压力容器失效，首先能够判断失效模式并且对失效原因进行分析，最终提出预防处理方法。

图2压力容器失效分析整体框架

3.压力容器失效机理

3.1破裂或爆破失效机理

3.1.1韧性迫切失效机理

在断裂以前出现显著的宏观塑性变形断裂称为韧性破裂。其是金属材料破坏的方式之一。当韧性良好的材料所承受的载荷大于该材料强度极限时，便会形成韧性破坏。

（1）失效特点

断口周围形成显著的宏观塑性变形;一般出现杯锥状拉伸断口，并且与主应力有效垂直，锥面和最大切应力平行，大概和主应力形成45°角，有时整个宏观断口和最大切应力平行，并且产生45°的剪切断口;断口出现纤维状表面;颜色是灰暗色。

（2）失效原因

违规进行操作;安全附件失灵;压力容器内部发生了化学异常反应;缺乏强度，材质产生劣化等。

（3）预防措施

严格实施管理;根据科学规定设置安全泄压装置;联系工艺要求进行操作，严格杜绝混料和串料;科学选择材料，完善工艺。

3.1.2脆性破裂失效机理

脆性破裂失效具体是指裂缝在稳定与失稳扩展过程中，没有出现显著的塑性变形进一步造成了断裂失效。在工程结构中脆性破裂属于一种十分危险的断裂。

（1）失效特点

在断裂之前没有发现塑性变形，一般断口垂直于正应力，断口表面齐平，其边缘缺少剪切唇口，或者唇口较小。有时断口颜色十分光亮，有时偏暗。脆性光亮的断口宏观浮雕有时在迅速扩展裂纹过程中产生发射性的线条，当断口发生转动时，会出现反光的小平面。脆性偏暗断口在宏观状态则形成粗糙的没有定型的表面，有时外形也会出现晶粒。

（2）失效原因

出现突变温度或者操作温度比材料转变韧性温度低;结构中产生了缺陷，形成了较大的残余应力;材质出现晶间腐蚀等较大的损伤。

（3）预防措施

科学选择材料，在低温下严格禁止采用非低温用钢;改良结构设计，通过热处理对残余应力有效消除;提升材料的抗蚀能力，采用表面防护方法。

3.1.3疲劳破裂失效机理

在变动载荷与应变长时间作用下的金属材料或者零件，与损伤积累进一步造成的断裂问题形成疲劳破裂失效。具体过程是通过一个疲劳裂缝发生、扩展为疲劳裂缝亚临界状态、最终导致扩展疲劳裂缝失稳。

（1）失效特点

第一，在变动载荷作用下操作，通过一定周次循环形成的断裂问题;疲劳破裂过程体现出低应力脆断突发特点;

第二，疲劳破裂失效过程体现出局部选择性;

第三，在变动载荷作用下，失效零件断口周围没有宏观塑性变形特点，断口体现出显著的贝壳纹花样;

（2）失效原因

压力或者温度交变载荷造成集中应力区域疲劳裂纹向失稳破裂扩展;交变载荷与腐蚀介质同时发挥作用，进而产生腐蚀疲劳破裂。

（3）预防措施

设计过程中应当尽可能避免集中应力，运行过程中防止频繁的不必要的交变载荷，强化定期检验;选择具有较高抗蚀能力的材料，将残余应力有效消除，采用表面防腐措施等。

3.1.4蠕变破裂失效机理

在恒温恒应力情况下金属材料长期作用形成缓慢塑性变形便是金属蠕变。

（1）失效特点

第一，工作条件为恒温、恒力与长期作用，缓慢的永久变形速度;

第二，宏观断口存在显著的氧化色或者黑色;

第三，微观断口一般是沿晶断裂，不会产生疲劳条痕特点。

（2）失效原因

无法正确选择材料，应用温度明显比材料蠕变温度高;材质劣化;长期在高温环境中应用容器造成材质渗碳。

（3）预防措施

科学选择材料，避免超温运作以及局部过热;强化定期检验材质性能;积极分析剩余寿命等。

3.2腐蚀失效机理

3.2.1均匀腐蚀失效机理

均匀的在金属整个表面出现腐蚀作用。

（1）失效特点

受到腐蚀的金属拥有均匀的化学成分以及显微组织的表面，同时腐蚀环境均匀并且不受限制的包围金属表面;均匀腐蚀可以理解为在金属表面出现的局部电解腐蚀;均匀腐蚀拥有色泽偏暗且光滑的表面形貌，也可能由于大片金属遭遇腐蚀而使表面较为粗糙。

（2）失效原因

金属所处环境中拥有较高或者较低浓度的腐蚀剂;提高温度，也会增加金属的腐蚀率。

（3）预防措施

对金属所在环境中腐蚀剂的浓度严格实行检测，对环境介质的温度有效降低等。

3.2.2点腐蚀失效机理

点腐蚀失效是指游离物质在金属材料和环境中彼此发生化学作用进一步造成的失效。

（1）失效特点

局部集中出现了腐蚀，形成尖锐小孔，进一步扩成深部孔穴甚至发生穿透;在潮湿环境或者大气中水膜凝聚在金属表面时常发生点腐蚀;金属点蚀坑直观放大且拥有平滑边沿，并且由于覆盖了腐蚀产物，坑底为深灰色;与蚀坑磨片垂直观察，可知蚀坑大部分体现为圆形或者多边形，腐蚀观察，表明点蚀扩展并不是选择沿晶界。

（2）失效原因

材料金属和环境介质缺乏恰当组合，湿度不适直接损害了氧化膜;材料金属表面呈现不均状态。

（3）预防措施

对介质环境有效改善，减少氧化阳离子，将适当元素添加至不锈钢之中，提升耐孔蚀性能，完善设计，防止出现停滞;表面保证清洁。

3.2.3缝隙腐蚀失效机理

缝隙腐蚀失效机理具体是指由于腐蚀介质进入金属材料缝隙并且滞留形成电化学腐蚀作用进一步造成的失效。

（1）失效特点

在金属表面的缝隙处出现腐蚀，两块金属表面联接的缝隙位置，或者某一固体物质颗粒在金属表面上形成的缝隙位置;一般缝隙腐蚀发生在几微米宽的缝隙中。

（2）失效原因

没有科学选择材料，耐缝隙腐蚀性能不佳;缺乏合理的结构设计，容易产生缝隙，导致形成表面沉积的几何条件等。

（3）预防措施

科学选择材料，选择拥有良好耐缝隙腐蚀性能的不锈钢或者合金;改良设计，防止出现缝隙、结构死角，当无法避免时，利用焊接方式填实缝隙。

3.2.4应力腐蚀失效机理

通过静载拉力与既定腐蚀环境一起作用金属材料形成的局部分离造成的破裂称为应力腐蚀失效。

（1）失效特点

第一，形成应力与敏感的腐蚀介质工作环境;

第二，腐蚀破裂区域瞬断区两部分共同构成了宏观断口。应力腐蚀破裂区通常表现为暗灰色，断口组织较为粗糙，同时覆盖了腐蚀产物;瞬断区新鲜断口呈现纤维状并且伴随着辐射棱线;

第三，应力腐蚀裂缝出现树枝状形貌，分叉裂缝也就是腐蚀产物体积效应形成的结果;

（2）失效原因

应力腐蚀失效出现的原因或者影响因素具体包含环境、力学和冶金因素。

第一，一般温度越高越容易形成应力腐蚀失效;

第二，對于应力腐蚀来说失效腐蚀介质形成了一个浓度的临界数值。比该数值低时，不会形成腐蚀失效，比该数值高时，随着不断提升的介质浓度，也会加快应力腐蚀速度;

第三，对于金属的应力腐蚀来说溶液PH数值也产生了极大的影响。当增加PH数值时，也会加快应力腐蚀速速;

第四，通过一定应力与腐蚀介质共同作用形成了应力腐蚀;

（3）预防措施

隔绝腐蚀环境;减少零件应用拉应力，降低残余拉应力，影响了过盈配合、强制装配、减少表面粗糙程度、增加过渡圆角度以及减少集中应力。

4.压力容器失效分析专家系统实例验证

4.1H2S吸收塔失效状况

4.1.1失效鉴定

在H2S吸收塔中应用压力容器10年之后形成的裂纹，并且在喷嘴位置发生泄漏。在失效前几个月，容器外表面曾经在火焰中暴露，采用低碳钢板制作容器，并且在内部放置了一个环形支撑架。

在环形角钢支撑架焊缝和嘴子附近焊缝的凹槽中，形成了一条裂纹，其每一端是Y形树枝状，在嘴子附近焊缝中没有出现裂纹，嘴子自身无裂纹，同时在支架与嘴子焊缝远离位置，也没有出现裂纹。

认真分析一条从支撑架焊缝扩展至上焊缝，并且向器壁上扩展的裂纹。一层密致暗棕色与黑色的氧化皮覆盖在裂纹表面。其中包含了两个三角形区域，全部是平滑且无塑性迹象，在焊缝的顶上形成了一个区域，在器壁外表面上形成了另一个区域。余下的断口表面体现出一些拥有塑性迹象的平面，说明拉力过载形成了失效。裂纹面与主断面形成了45°角，十分光滑，覆盖了一层黄褐色的腐蚀产物，通过高倍观察可知，一些部位产生了塑性变形而另一些部位则产生了腐蚀凹坑。其和突然解理之间出现了一种典型的应力腐蚀起裂方法。裂纹超过6.35mm之后迅速发展至焊缝内部，灰色腐蚀产物在裂纹面上覆盖，裂纹通过波浪式不断发展，并且形成了分枝。极少甚至没有再形成解理部分。

计算容器内壁的载荷应力，可知周向应力最大。但是由于过于集中的焊缝与嘴子应力，焊接残余和热应力的作用，所以容器内壁形成了较大的实际应力，为应力腐蚀提供了重要条件。

4.1.2判断失效模式

通过鉴定分析可知，这一吸收塔失效具体是由于集中应力与腐蚀敏感介质，并且形成了树枝状裂纹形貌，腐蚀产物出现在微观断口，晶界面上形成了腐蚀凹坑。因此可以判断，这一压力容器属于应力腐蚀失效。

4.1.3失效原因

这一压力容器拥有极高的集中应力，具体包含了残余和热应力，由于存在的KOH导致普通碳钢出现了碱脆，进一步形成了吸收塔的应力腐蚀失效。

4.1.4处理手段

在较高的位置上安装环形角钢支撑架，避免应力过于集中;能够淬水之后自回水，降低残余应力，清除有害金相组织;科学选择材料，改良条件，尽可能避免腐蚀环境。

4.2实例验证

设计专家系统，直接进入系统界面，根据系统相关提示录入H2S吸收塔的宏观与微观特点，推理失效模式，在获得判断腐蚀失效模式之后，就能够进入判断失效原因界面，根据输入特点，点击就能够获得失效原因与处理措施。有关界面见图3。

图3应力腐蚀失效分析图

在本系统中验证该实例，推理结果与分析报告结果相同。从推理结果可知，利用本系统可以迅速推断出压力容器的失效原因，并且获得处理方式。

5.结论

伴随着我国经济的快速发展，工业化的发展进步，在石油化工行业以及日常生活中已经大量开始应用压力容器。压力容器和各种承压设备全部是在复杂的载荷环境中开展工作，容易造成结构疲劳失效问题，进一步引发巨大的破坏。随着石油化工装置的大型化发展，在技术领域中压力容器的疲劳断裂问题逐渐获得了重视。根据相关方面数据分析可知，在压力容器损坏事故中由于逐渐扩展的疲劳裂纹问题大概占40%，因此，对疲劳失效特点、原因和措施进行系统研究具有重要意义。

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