摘要：压力容器的结构并不复杂，但在使用过程中，常会由于设计结构不合理、制造质量不良、使用维护不当或其它原因而发生早期失效，导致容器破裂而发生事故。
关键词：压力容器；破坏机理；脆性破坏；屈服失效
1、压力容器韧性破裂
1.1韧性破裂的机理
金属材料的韧性断裂是显微空洞形成和长大的过程。金属材料特别是塑性较好的碳钢及低合金钢在发生韧性断裂时总是先发生大量的塑性变形。断裂首先是在塑性变形严重的地方形成显微空洞（微孔）。夹杂物是显微空洞成核的位置。在拉力作用下，大量的塑性变形使脆性夹杂物断裂，或使夹杂物与基体界面脱开而形成空洞。空洞一经形成，即开始长大和聚集，聚集的结果是形成裂纹，最后导致断裂。压力容器在韧性破裂前先产生大量的容积变形，这种现象对防止某些容器发生破裂事故也是有利的。例如，液化气体的气瓶会由于器内介质温度增加使压力急剧升高，容积的大量变形则有利于缓解容器内压力的激增，有时还会避免容器的破裂。对与一些器壁因严重腐蚀而减薄了的气瓶或其它容器，有时也会在冲装气体或进行耐压试验过程中因压力表突然停止不动而被发现。
1.2压力容器韧性破裂的預防方法
正确设计和规范操作压力容器，设置超压泄放装置，并正确选用和维护，以及保护设备完好状态是预防压力容器发生韧性破裂的重要措施。
2、压力容器脆性破裂
对压力容器脆性破裂进行探讨。
2.1脆性破裂的机理
发生脆性破裂的破坏事故的必须条件有四个：一是，压力容器本身结构中存在着残余应力；二是，压力容器和其焊接的接头中有应力集中；三是，材料韧性较差；四是，在压力容器的制造过程中有不符合设计的冷加工变形。大部分化肥、化工、炼油用的低温压力容器所受的载荷基本是属于静载荷范围，而制造这些容器所选用的钢材为具有体心立方晶格的铁素体钢。其断裂机理有剪切断裂和解理断裂两种。
2.2脆性破裂的预防
在容器的设计和制造方面减少容器结构及焊缝处应力集中；制造容器的材料在使用条件下要有较好的韧性；消除残余应力；加强对容器的检验在使用和管理方面防止容器的使用温度低于它的设计温度，因为金属材料的断裂韧性随着温度的降低而降低；开停容器时要防止压力或温度的急剧变化，因为金属材料的断裂韧性会因加载速度过大而降低，运行中容器在温度突变的情况下发生脆性破裂的亦有先例。
3、压力容器的疲劳破裂
针对压力容器的疲劳破裂两个阶段进行论述。
3.1疲劳破裂的机理
疲劳破裂按机理分为低循环疲劳（低周疲劳）和低应力高循环疲劳（高周疲劳）。疲劳裂纹的扩展也可以分为两个阶段。第一阶段，压力容器的裂纹通常是从金属表面上的驻留滑移带或非金属夹杂物等处开始，沿最大切应力方向（和主应力方向近似45°）的晶面向内扩展，由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻碍作用，裂纹的方向逐渐转向和主应力垂直，这一阶段的扩展速度是很慢的。裂纹扩展方向和主应力方向相垂直的一段为扩展的第二阶段，这一阶段扩展的途径是穿晶的，扩展的速率也较快。
3.2疲劳破裂的原因和特征
容器承受交变循环载荷、过高的局部应力；高强度低合金钢的广泛应用和特厚材料的应用增加，材料本身和焊缝处往往较容易形成各种缺陷。疲劳破裂的特征为容器破坏时无明显的塑性变形；疲劳断裂的断口形貌与脆性断裂不同由断口宏观分析可见，疲劳裂纹产生、扩展和最后断裂区域各具特色，前二者比较光滑，后者比较粗糙。；从产生开裂的部位来看，一般都是在结构局部应力较高或存在材料缺陷处（包括焊缝及其热影响区）的地区，疲劳裂纹穿透器壁，也称为“未爆先漏”，尤其是在容器壁的接管处极为常见。从裂纹的形状、扩展直到最后断裂，发展缓慢，不像脆性破裂那么迅速，而且破成许多碎片，疲劳破裂只是一般的开裂，出现初始裂纹源，使容器泄露而失效；疲劳破裂通常是在操作温度、压力大幅度波动且频繁启动、停车的情况下发生的。
3.3疲劳破裂的预防
针对以上疲劳破裂的发生原因，预防疲劳破裂的关键首先是应严格进行容器的制造和检验，减少附加的应力集中，避免焊接或安装过程中的先天或后天性裂纹或缺陷；其次，减少频繁开停车、压力或温度波动、外加强迫振动、周期性外载荷等，维持设备的稳定运行，以抑制或延缓裂纹扩展破裂。对于新设计的容器，则通过选择塑性应变能力好的抗疲劳材料，设计时采用不会造成局部高应力集中地抗疲劳结构；按照容器分析设计规范进行疲劳分析或基于断裂力学的抗疲劳断裂设计方法等。
4、压力容器的腐蚀破裂
针对压力容器最常见的腐蚀破裂进行描述。
4.1腐蚀破裂发生原因
高温、易产生局部过热区、处理CO、CO2烃类介质的设备，易发生渗碳腐蚀；高压、水分多、露点高条件下的合金材料易产生应力腐蚀；氢与硫共存、腐蚀条件恶劣，易发生硫化氢引起的应力腐蚀；高温、高压、碳含量高的铁碳合金设备，易发生氢脆；高温氯化物溶液下的奥氏体不锈钢设备，较高的冷作残余应力及振动应力、高温、高压的氯化物水溶液是发生氯离子引起的奥氏不锈钢应力腐蚀破裂的必要条件；CO、CO2或CO+CO2+H2O或CO+CO2+N2混合气体中加水，均会引起应力腐蚀。
4.2腐蚀破裂特征
腐蚀破裂的主要特征有：渗碳腐蚀的不锈钢金属表面呈孔蚀状，且在焊接部分和热影响区腐蚀特别严重；由氢脆而破裂的容器的金属表面及断口上有鼓泡现象；发生碱脆断裂的容器，其断口与主拉应力方向基本上垂直，且粘附有磁性氧化铁物质；发生硫化氢腐蚀容器的器壁上有一层银灰色、多孔、松散的易剥落层，这就是腐蚀生成的———硫化铁；发生氯脆的设备表面有腐蚀坑存在，其裂纹通常是穿晶型的，并且带分支，类似于河流花样形状。
5、结束语
总之，引起压力容器破裂的原因是多方面的，包括操作、设计、制造和维修等。通过对容器各种破裂形式的内在机理和外部特征的了解，探究诱发该种形式破裂的原因，针对性地提出预防事故发生的措施。
参考文献：
[1]胡艳兴.压力容器设计常见问题及防范对策[J].化工管理，2018，No.489（18）：48.
[2]张红霞，姬倩倩.化工压力容器的破裂及预防探讨[J].山东工业技术，2018（9）：15-15.
[3]张伟.焊接对压力容器强度的不良影响及设计对策[J].科技与创新，2018，No.106（10）：88-89.
[4]黄国家，李仕平，李茂东，等.塑料及其衬里压力容器的失效模式[J].广东化工，2018，v.45；No.371（9）：204+208-209.
（作者单位：大唐阜新能源化工工程有限公司）
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