压力容器的失效模式及预防措施

压力容器的失效模式分为（1）短期失效模式、（2）长期失效模式、（3）循环失效模式。每一种失效模式又可分为多种情况。但进行压力容器设计时并不需要考虑所有的失效模式，文末列出了应考虑的几种失效模式。短期失效模式短期失效模式是指压力容器在非循环载荷作用下突然发生的失效，包括:1.脆性断裂:是指元件在一次加载条件下无明显塑性变形而发生的断裂。容器在使用过程中发生脆性断裂的主要原因在于材料的脆化、材料本身的缺陷及应力影响。预防措施：可采取提出材料的断裂韧性要求、提出材料焊接后进行充分热处理的要求、规定水压试验的最低温度等措施。2.韧性断裂:是指元件在一次加载条件下存在明显的塑性变形而发生的断裂。容器在使用过程中超压或受到均匀性腐蚀使容器壁厚减薄,元件中的应力超过了材料屈服极限和强度极限，从而产生较大的塑性变形直至断裂。这种失效模式包括超量局部应变引起的裂纹或韧性撕裂，即容器某一局部区域应变过大而引起裂纹或断裂。预防措施：可采取对材料的屈服强度和拉伸强度规定安全系数等措施。3.超量变形引起的接头泄漏:是指在内压或外载荷作用下容器接头部位发生过量变形，导致容器内部介质泄漏而使容器丧失使用功能。最常见的接头泄漏是法兰接头泄漏，其原因可能是螺栓预紧力不足、垫片失去回弹能力、法兰刚度不足等。预防措施：可采取选用合适的密封垫片、限制接头变形量等措施。4.弹性失稳或弹塑性失稳(屈曲):是指元件在载荷作用下产生的压应力使元件的几何形状发生改变，而当载荷卸除以后，元件的几何形状不再自行恢复。当元件承受的压应力超过临界压力时将发生失稳。弹性失稳时其临界压力与元件的尺寸和材料的性质相关;弹塑性失稳时其临界压力与元件的尺寸、材料的性质和材料的强度相关。预防措施：可采取对结构的临界载荷规定安全系数、限制容器的几何偏差等措施。长期失效模式长期失效模式是指压力容器在非循环载荷作用下较长时间后发生的失效，包括:1.  蠕变断裂:在低于屈服极限的载荷作用下，高温容器或容器高温部分金属材料随时间推移缓慢发生塑性变形的过程称为蠕变。这种失效模式是指由蠕变变形导致构件实际承载截面收缩，应力升高，最终发生断裂。预防措施：可采取选用合适的材料、控制应力水平等措施。 2. 蠕变:指在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递。预防措施：可采取选用合适的材料、控制应力水平等措施。  3.   蠕变失稳:是指高温容器在压应力作用下由蠕变变形引起的失稳或垮塌。预防措施：可采取选用合适的材料、控制应力水平等措施。 4.   冲蚀、腐蚀:是指在介质冲刷、腐蚀的作用下金属材料发生损失造成壁厚减薄，使容器承载能力下降或局部穿孔引起泄漏。预防措施：可采取选用与介质相适应的材料、预先考虑腐蚀或磨蚀裕量等措施。 5.   环境助长开裂:是指在腐蚀性介质作用下材料发生的开裂。例如，应力腐蚀开裂、氢致开裂等。预防措施：可采取选用与介质相适应的材料、采用合适的制造方法、添加缓释剂等措施。循环失效模式循环失效模式是指压力容器在循环载荷作用下较长时间后发生的失效，包括: 1.   渐增性塑性变形:是指容器在多次加载条件下，某些部位发生塑性变形的累积引起过量变形而产生的失效。容器承受组合载荷时，有些载荷恒定，而有些载荷明显循环交变，这些重复变化的载荷会引起变形累积而导致失效。这种失效模式最常见的情况是热应力棘轮现象。预防措施：可采取按相应标准中的评定准则进行评定等措施。 2.   交替塑性:是指容器在多次加载条件下，某些部位反复发生反向塑性变形而导致的失效。容器某些部位的弹性名义应力超过材料屈服极限的2倍时，在加载、卸载过程中会出现反向塑形变形的累积，导致失效。预防措施：应采取使弹性名义应力低于2倍屈服极限等措施。 3.   疲劳:是指容器在循环载荷作用下，使材料发生裂纹失稳扩展断裂而产生的失效。在交变载荷的作用下，结构在应力集中部位产生局部损伤累积，导致裂纹萌生、扩展直至贯穿整个断面而失效。预防措施：可采取按相应标准进行疲劳分析、采用减少应力集中的结构、降低容器制造过程中产生的残余应力等措施。 4.   环境助长疲劳:是指容器在循环载荷和腐蚀介质联合作用下发生的开裂破坏。循环载荷和腐蚀性介质的联合作用将使容器过早发生破坏。预防措施：可采取选用与介质相适应的材料、采用减少应力集中的结构、降低容器制造过程中产生的残余应力等措施。设计时应考虑的失效模式在压力容器设计时，并不要求考虑所有失效模式，一般应考虑下列几种失效模式:1) 脆性断裂;2) 韧性断裂（包括超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂）;3) 超量变形引起的接头泄漏;4) 弹性或弹塑性失稳（屈曲）。

压力容器的失效模式主要包括短期失效、长期失效和循环失效。

1. 短期失效：
   - 脆性断裂：选择高韧性材料，进行适当热处理，规定水压试验温度。
   - 韧性断裂：设置安全系数，确保压力和应力不超过材料的屈服极限。
   - 接头泄漏：选用合适的密封垫片，控制接头变形。
   - 弹性或弹塑性失稳（屈曲）：规定结构临界载荷的安全系数，限制几何偏差。

2. 长期失效：
   - 蠕变断裂：选择适宜的材料，控制应力水平。
   - 冲蚀和腐蚀：使用与介质相适应的材料，预防腐蚀和磨损。
   - 环境助长开裂：采取合适的制造方法，使用缓释剂。

3. 循环失效：
   - 渐增性塑性变形：按标准进行评定。
   - 交替塑性：保证弹性名义应力低于2倍屈服极限。
   - 疲劳：进行疲劳分析，减少应力集中，降低残余应力。
   - 环境助长疲劳：减少应力集中，使用合适的材料。

在设计压力容器时，应考虑脆性断裂、韧性断裂、接头泄漏和失稳等失效模式。
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