压力容器失效模式介绍

　　压力容器的失效是损伤积累到一定程度，容器的强度、刚度或功能不能满足使用要求的状态。那么损伤是怎么产生的呢？其实损伤是一个过程，容器在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下，材料性能下降、结构不连续或承载能力下降，这便是损伤。发生损伤后不一定失效，而发生失效则一定存在损伤。
　　失效模式是压力容器的设计基础，设计方法（准则）针对失效模式，压力容器设计的第一步骤就应该是确定容器有可能发生的失效模式；对于第III类压力容器，设计时还要求出具包括主要失效模式、风险控制等内容的风险评估报告。另外对压力容器检验结果的评价，也是建立在失效模式的基础上。
　　2 ISO 16528关于失效模式的分类
　　正在制定的压力容器国际标准ISO 16528 Boilers and pressure vessels综合世界主要工业国家的技术标准，参照欧洲标准的内容，针对锅炉和压力容器常见的失效形式，在标准中将失效模式归纳为三大类、14种，明确了针对失效模式的设计理念。
　　2.1第一大类：短期失效模式
　　（Short term failure modes）
　　1）脆性断裂（Brittle fracture）
　　容器没有明显的塑性变形，且器壁中的应力值远远小于材料的强度限
　　甚至低于材料的屈服限而发生的断裂。脆性断裂的主要原因在于材料的脆化（材料选择不当、材料加工工艺不当、应变时效、运行环境恶劣）和材料本身的缺陷。
　　2）韧性断裂（Ductile rupture）
　　在压力等荷载作用下，产生的应力值达到或接近器壁材料的强度限而发生的断裂。通常碳钢压力容器的韧性断裂的主要原因是壁厚过薄（设计壁厚不足和厚度因腐蚀而变薄）、内压过高或选材不当、安装不符合安全要求。
　　3）超量变形引起的接头泄漏（Leakage at joints due to excessive deformations）
　　容器的各种接口密封面失效或胀接管口松动发生泄漏而引起的失效，泄漏介质可能引起燃烧、爆炸和中毒事故，并造成严重的环境污染。
　　4）超量局部应变引起的裂纹形成或韧性断裂（Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains）
　　5）弹性、塑性或弹塑性失稳（垮塌）（Instability-elastic, plastic or elastic-plastic）
　　在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质，但当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非弹性失稳时，临界压力还与材料的强度有关。
　　2.2第二大类：长期失效模式
　　（Long term failure modes）
　　1）蠕变断裂（Creep rupture）
　　压力容器在高温下长期受载，随着时间增加材料发生缓慢的塑性变形，塑性变形经长期积累而造成厚度明显减薄或鼓胀变形，终导致容器断裂。压力容器发生蠕变时，一般壁温达到或超过其材料熔化温度的25%～35%。蠕变断裂的变形量取决于材料的韧性，断裂时的应力值低于材料使用温度下的强度限。
　　2）蠕变-在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递（Creep-excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load）
　　3）蠕变失稳（Creep instability）
　　随着时间的推移逐渐积累的变形为蠕变变形，蠕变变形发展到一定程度会出现蠕变失稳。
　　4）冲蚀、腐蚀（Erosion, corrosion）
　　压力容器材料在腐蚀介质作用下，如碳钢罐，因均匀腐蚀导致壁厚减薄
　　及材料组织结构改变或局部腐蚀造成的凹坑，使材料力学性能降低，容器承载能力不足而发生的断裂。压力容器腐蚀机理有化学腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀形态有均匀腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀、双金属腐蚀等。
　　5）环境助长开裂，如应力腐蚀开裂、氢开裂等（Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc）
　　2.3 第三大类：循环失效模式
　　（Cyclic failure modes）
　　1）扩展性塑性变形（Progressive plastic deformation）
　　2）交替塑性（Alternating plasticity）
　　3）弹性应变疲劳（中周和高周疲劳）或弹塑性应变疲劳（低周疲劳）（Fatigue under elastic strains（medium and high cycle fatigue） or under elastic-plastic strains （low cycle fatigue））
　　4）环境助长疲劳（Environmentally assisted fatigue）
　　3 GB150-2011对于失效模式的考虑
　　经过多年的时间和参照国际上同类标准的技术内容，GB150-2011《压力容器》在技术内容中直接和间接考虑了如下失效模式，并针对所考虑的失效模式确定了相应的设计准则和强度理论：
　　脆性断裂（Brittle fracture）：通过材料选用要求、材料韧性要求、制造和检验要求、以及结构形式要求，防止脆性断裂的发生；
　　韧性断裂（Ductile rupture）：通过材料选用要求、结构强度设计方法、许用应力规定，防止韧性断裂的发生；
　　接头泄漏（Leakage at joints）：通过法兰设计方法和特殊密封结构的设计方法，结构要求以及对密封垫片和螺柱、螺母的要求，防止接头泄漏的发生；
　　弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）：通过外压结构设计方法防止整体失稳；通过局部局部的应力分析和评定，控制局部塑性失稳；
　　蠕变断裂（Creep rupture）：通过限制材料的使用温度范围控制蠕变断裂的发生。
　　腐蚀是压力容器的常见失效模式，但在不同的工程应用中差别大，不可能在标准中进行规定，因此GB150规定了由设计人员考虑腐蚀失效模式，并在选择材料、结构设计、腐蚀防护等方面采取措施，保证容器的设计寿命。
　　4 其他标准涉及到的失效模式
　　承压设备损伤模式在国外已经建立了相应的标准，如美国石油协会的API 571、API 579 、API 580 、API 581标准中均有压力容器损伤模式的相关内容。在API 571标准中，介绍了一般工业中四大类、44种损伤模式，以及炼油工业中三大类、18种损伤模式。在美国的NB23标准中、欧盟的PED指令、英国的BS7910标准、美国的NACE标准对承压设备的损伤模式也都有涉及。
　　我国目前正在制定《承压设备损伤模式识别》标准，拟提出一套比较完整的，适合我国承压设备现状的损伤模式和识别方法，其内容主要包括承压设备主要损伤模式和失效机理的理论描述、形态、影响因素、敏感材料、可能发生失效的设备或构件、检测方法等。《承压设备损伤模式识别》标准草案将我国承压设备的损伤模式分为五大类、73种，其中腐蚀减薄25种、环境开裂13种、材质裂化15种、机械损伤11种、其他损伤9种。已经颁布的GB/T 26610.1-2011《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第1部分：基本要求和实施程序》也参考采用了该标准草案中的损伤模式分类方法。