压力容器事故发生机理及其分析张宏元雷云琴任少华・31
・
压力容器事故发生机理及其分析
张宏元(原劳动部事故调查分析技术中心, 北京
雷云琴(北京化工大学, 北京100029)
任少华()
摘要查步骤。
事故分析调查步骤概述
近年来压力容器爆炸事故时有发生, 如1997年6月26日北京东方化工厂乙烯球罐发
1
100029)
过度的弹性变形
弹性变形是固体在外力的作用下表现出的一种行为, 当外力撤出后, 物体能够恢复原来形状的能力称为弹性性质, 而具有这种可逆性的变形就叫作弹性变形, 过度的弹性变形可能使容器呈现不稳定状态, 甚至达到失稳程度。213大应变疲劳
压力容器在交变应力的作用下, 位于容器的某些局部区域(如开孔接管周围、局部结构不连续处等) 受力最大的金属晶粒将会产生滑移并逐渐发展成为微小裂纹, 且裂纹两端不断扩展, 最终导致容器的疲劳破坏。疲劳首先出现在上述高应力的局部区域, 即出现在这些高应力引起的大应变的地方, 这种破坏就称大应变疲劳。压力容器的疲劳破坏一般具有以下特征:
(1) 容器没有明显的变形
(2) 破裂断口存在两个区域:疲劳裂纹产
212
生爆炸, 1998年3月5日陕西省西安市煤气公司液化石油汽贮罐爆炸事故等。压力容器爆炸时, 不但会造成极大的人身伤亡事故, 而且有时还会引起火灾或更强烈的爆炸。因此, 研究分析压力容器爆炸事故, 找出事故原因, 对预防事故、保障设备安全有着极其重要的作用。2压力容器的破坏形式
根据国际《压力容器、锅炉和管道委员会》提出的方法, 依照破坏形态和破坏原因, 压力容器破坏形式可分以下几种:
过度的塑性变形
当压力载荷大大超过设计数值时, 容器的器壁变薄, 最后达到不稳定点, 即当压力稍许增加时, 容器就会因过度塑性变形而发生破裂。当容器发生过度塑性变形破裂时, 断口为撕断状态, 容器破坏时不产生碎片或者仅有少量碎块, 爆破口的大小视容器爆破的膨胀能量而定。除压力的影响以外, 金属材料在高温下的蠕变也是引起塑性变形的一个重要原因, 在蠕变过程中, 材料发生连续的塑性变形, 在塑性变形积累到相当长时间后, 将以破裂而告终。
211
生至扩展区和最后断裂区
(3) 容器常因开裂泄漏而失效
(4) 疲劳破坏总是在容器经过反复的加载
和卸载以后发生214腐蚀疲劳
腐蚀疲劳是金属材料在腐蚀和应力的共同作用下引起的一种破坏形式。在材料的腐蚀疲
・32・劳动保护科学技术1998年第18卷第5期
劳中, 一方面由于腐蚀使金属表面局部损坏并促使疲劳裂纹的产生和发展:另一方面, 交变的拉伸应力破坏金属表面的保护膜并促使表面腐蚀的产生。在交变应力的作用下, 被破坏的保护膜无法再次形成, 沉积在腐蚀坑中的腐蚀产物又阻止氧的扩散使保护膜难以恢复。所以腐蚀坑的底部始终处在活性状态之下而构成了腐蚀电池的阳极。就这样在腐蚀与交变应力的联合作用下, 裂纹不断扩展直至金属最后断裂。215应力腐蚀
应力腐蚀时, 进的。一方面, 腐蚀使金属的有效截面积减小和表面形成缺口, 产生应力集中; 另一方面, 应力的存在加速了腐蚀的进展, 使表面的腐蚀缺口向深处扩展, 最后导致断裂。216脆性破裂
工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂或破裂, 而压力容器的脆性破裂是指由塑性材料制成的压力容器, 破裂时呈脆性破裂特征。破裂容器的工作应力远远低于材料的强度极限, 甚至低于材料的屈服极限。压力容器发生脆性断裂的特征是:
(1) 容器器壁没有明显的伸长变形, 容器的厚度一般没有改变。
(2) 断口呈金属光泽的结晶状, 裂口齐平
晶格中, 使钢在缓慢变形时产生脆性现象, 此时钢的塑性显著降低。氢腐蚀是指氢原子或离子扩散进入钢中, 将结合成氢分子, 并部分地与微孔壁上的碳或碳化物及非金属夹杂物产生化学反应, 这些不易溶解的气体生成物聚积在晶界原有的微隙内, 形成局部高压, 造成应力集中, 使晶界变宽, 发展成微裂纹, 降低了钢的机械性能。
3原因和研究破坏现象微观机理的重要手段, 通过对断口断裂源区和断裂方向以及断口表面光泽、颜色、晶粒大小、断口上的花纹、边缘情况、冶金缺陷的宏观分析, 可以确定压力容器的破坏类型和破坏点等情况。312微观检查
微观检查是对断口的细部组织和微观形态进行仔细的观察, 它是在宏观分析的基础上进行的, 借以弥补宏观检查不到之处。目前采用的观察手段主要是光学显微镜和电子显微镜。313化学成分检查
化学成分检查是在破裂容器的某些部位中取样
, 检验或校核压力容器制造材料原有的化学成分。但并非每次事故都须逐项检查其成分, 而只有当怀疑材料的某些性能不良而发生事故时, 即在失效部位取样作化学成分检查, 重点分析检验对性能有影响的元素成分, 以便复验金属的化学成分是否合乎压力容器的技术要求。314机械性能检查
金属材料的机械性能与它的断裂有直接的关系。所以对破裂的压力容器常需要在发生断裂的部位和远离断口处取样, 作机械性能测定和对比性能试验, 以验证其所用的材料是否与设计要求相符, 可核对断口附近处的组织和性能有没有变化, 材料的机械性能在加工过程中是否发生显著变化。从一系列的机械性能测定中可获取压力容器事故发生的原因。
与主应力方向垂直。
(3) 脆性破裂的容器常呈碎块状, 且常有
碎片飞出。
(4) 破裂事故多数在温度较低的情况下发生。(5) 脆性断裂更容易在高强度钢制的压力
容器和用中、低强度制造的厚壁容器上发生。氢腐蚀破坏
在高温高压下, 吸附在钢表面的氢分子部分分解为氢原子或离子而固溶于钢表面层并向钢内扩散, 它以氢脆和氢腐蚀两种方式影响着钢的性能。氢脆是由于氢扩散并溶解于金属
217
压力容器事故发生机理及其分析
疲劳分析
随着压力容器的大型化, 安全系数的降低和工作条件的日趋苛刻, 峰值应力的水平越来越高, 加上近年来广泛采用低合金高强度钢, 材料的屈强比较高, 尽管容器的承载能力有所上升, 但是材料的塑性储备、对应力集中的敏感性、耐疲劳的抗力却有所降低, 从而增加了压力容器疲劳破坏的危险性。因此疲劳失效问题在压力容器设计中越来越引起重视, 疲劳分分析方法。有美国ASME 力容器标准和英国BS5500《非直接火焊制压力容器规范》。316断裂力学分析
压力容器发生事故的原因绝大多数是由于裂纹引起的, 这些裂纹在一定的条件下迅速开裂扩展发生压力容器的低应力破坏, 这种低应力的脆断破坏按传统的分析方法是无法解
收集资料
张宏元雷云琴任少华・33・
315
释的。而断裂力学正是研究带有裂纹的材料的
强度问题, 它与有关力学问题相结合从而形成了一门新兴的固体力学。断裂力学不仅研究脆性断裂, 而且也研究塑性断裂。因此, 以研究结构材料中的裂纹发生与扩展规律而兴起的断裂力学, 不仅在压力容器的设计和应用上开创了新的途径, 而且为压力容器的事故分析提供了有效的方法。
, 不仅何重新分配和计算, 而且还要考虑在一定时间内将产生多大的蠕变变形量等等。通过计算蠕变后的应力和蠕变稳定阶段的蠕变速度后, 即可根据容器的使用期限, 求取任意一点的应变, 从而也可以计算出任意一点处直径的扩大量, 这些计算为事故分析提供了数据。4事故调查分析步骤
3N
Y
附图事故调查分析步骤
5
1
参考文献
卓震, 奚桂明1高压容器事故分析1中国劳动出版社,
19941
23
范钦珊1压力容器的应力分析与强度计算1原子能出版社,19791
李泽震1压力容器安全评定1中国劳动出版社,19871
压力容器事故发生机理及其分析张宏元雷云琴任少华・31
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压力容器事故发生机理及其分析
张宏元(原劳动部事故调查分析技术中心, 北京
雷云琴(北京化工大学, 北京100029)
任少华()
摘要查步骤。
事故分析调查步骤概述
近年来压力容器爆炸事故时有发生, 如1997年6月26日北京东方化工厂乙烯球罐发
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100029)
过度的弹性变形
弹性变形是固体在外力的作用下表现出的一种行为, 当外力撤出后, 物体能够恢复原来形状的能力称为弹性性质, 而具有这种可逆性的变形就叫作弹性变形, 过度的弹性变形可能使容器呈现不稳定状态, 甚至达到失稳程度。213大应变疲劳
压力容器在交变应力的作用下, 位于容器的某些局部区域(如开孔接管周围、局部结构不连续处等) 受力最大的金属晶粒将会产生滑移并逐渐发展成为微小裂纹, 且裂纹两端不断扩展, 最终导致容器的疲劳破坏。疲劳首先出现在上述高应力的局部区域, 即出现在这些高应力引起的大应变的地方, 这种破坏就称大应变疲劳。压力容器的疲劳破坏一般具有以下特征:
(1) 容器没有明显的变形
(2) 破裂断口存在两个区域:疲劳裂纹产
212
生爆炸, 1998年3月5日陕西省西安市煤气公司液化石油汽贮罐爆炸事故等。压力容器爆炸时, 不但会造成极大的人身伤亡事故, 而且有时还会引起火灾或更强烈的爆炸。因此, 研究分析压力容器爆炸事故, 找出事故原因, 对预防事故、保障设备安全有着极其重要的作用。2压力容器的破坏形式
根据国际《压力容器、锅炉和管道委员会》提出的方法, 依照破坏形态和破坏原因, 压力容器破坏形式可分以下几种:
过度的塑性变形
当压力载荷大大超过设计数值时, 容器的器壁变薄, 最后达到不稳定点, 即当压力稍许增加时, 容器就会因过度塑性变形而发生破裂。当容器发生过度塑性变形破裂时, 断口为撕断状态, 容器破坏时不产生碎片或者仅有少量碎块, 爆破口的大小视容器爆破的膨胀能量而定。除压力的影响以外, 金属材料在高温下的蠕变也是引起塑性变形的一个重要原因, 在蠕变过程中, 材料发生连续的塑性变形, 在塑性变形积累到相当长时间后, 将以破裂而告终。
211
生至扩展区和最后断裂区
(3) 容器常因开裂泄漏而失效
(4) 疲劳破坏总是在容器经过反复的加载
和卸载以后发生214腐蚀疲劳
腐蚀疲劳是金属材料在腐蚀和应力的共同作用下引起的一种破坏形式。在材料的腐蚀疲
・32・劳动保护科学技术1998年第18卷第5期
劳中, 一方面由于腐蚀使金属表面局部损坏并促使疲劳裂纹的产生和发展:另一方面, 交变的拉伸应力破坏金属表面的保护膜并促使表面腐蚀的产生。在交变应力的作用下, 被破坏的保护膜无法再次形成, 沉积在腐蚀坑中的腐蚀产物又阻止氧的扩散使保护膜难以恢复。所以腐蚀坑的底部始终处在活性状态之下而构成了腐蚀电池的阳极。就这样在腐蚀与交变应力的联合作用下, 裂纹不断扩展直至金属最后断裂。215应力腐蚀
应力腐蚀时, 进的。一方面, 腐蚀使金属的有效截面积减小和表面形成缺口, 产生应力集中; 另一方面, 应力的存在加速了腐蚀的进展, 使表面的腐蚀缺口向深处扩展, 最后导致断裂。216脆性破裂
工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂或破裂, 而压力容器的脆性破裂是指由塑性材料制成的压力容器, 破裂时呈脆性破裂特征。破裂容器的工作应力远远低于材料的强度极限, 甚至低于材料的屈服极限。压力容器发生脆性断裂的特征是:
(1) 容器器壁没有明显的伸长变形, 容器的厚度一般没有改变。
(2) 断口呈金属光泽的结晶状, 裂口齐平
晶格中, 使钢在缓慢变形时产生脆性现象, 此时钢的塑性显著降低。氢腐蚀是指氢原子或离子扩散进入钢中, 将结合成氢分子, 并部分地与微孔壁上的碳或碳化物及非金属夹杂物产生化学反应, 这些不易溶解的气体生成物聚积在晶界原有的微隙内, 形成局部高压, 造成应力集中, 使晶界变宽, 发展成微裂纹, 降低了钢的机械性能。
3原因和研究破坏现象微观机理的重要手段, 通过对断口断裂源区和断裂方向以及断口表面光泽、颜色、晶粒大小、断口上的花纹、边缘情况、冶金缺陷的宏观分析, 可以确定压力容器的破坏类型和破坏点等情况。312微观检查
微观检查是对断口的细部组织和微观形态进行仔细的观察, 它是在宏观分析的基础上进行的, 借以弥补宏观检查不到之处。目前采用的观察手段主要是光学显微镜和电子显微镜。313化学成分检查
化学成分检查是在破裂容器的某些部位中取样
, 检验或校核压力容器制造材料原有的化学成分。但并非每次事故都须逐项检查其成分, 而只有当怀疑材料的某些性能不良而发生事故时, 即在失效部位取样作化学成分检查, 重点分析检验对性能有影响的元素成分, 以便复验金属的化学成分是否合乎压力容器的技术要求。314机械性能检查
金属材料的机械性能与它的断裂有直接的关系。所以对破裂的压力容器常需要在发生断裂的部位和远离断口处取样, 作机械性能测定和对比性能试验, 以验证其所用的材料是否与设计要求相符, 可核对断口附近处的组织和性能有没有变化, 材料的机械性能在加工过程中是否发生显著变化。从一系列的机械性能测定中可获取压力容器事故发生的原因。
与主应力方向垂直。
(3) 脆性破裂的容器常呈碎块状, 且常有
碎片飞出。
(4) 破裂事故多数在温度较低的情况下发生。(5) 脆性断裂更容易在高强度钢制的压力
容器和用中、低强度制造的厚壁容器上发生。氢腐蚀破坏
在高温高压下, 吸附在钢表面的氢分子部分分解为氢原子或离子而固溶于钢表面层并向钢内扩散, 它以氢脆和氢腐蚀两种方式影响着钢的性能。氢脆是由于氢扩散并溶解于金属
217
压力容器事故发生机理及其分析
疲劳分析
随着压力容器的大型化, 安全系数的降低和工作条件的日趋苛刻, 峰值应力的水平越来越高, 加上近年来广泛采用低合金高强度钢, 材料的屈强比较高, 尽管容器的承载能力有所上升, 但是材料的塑性储备、对应力集中的敏感性、耐疲劳的抗力却有所降低, 从而增加了压力容器疲劳破坏的危险性。因此疲劳失效问题在压力容器设计中越来越引起重视, 疲劳分分析方法。有美国ASME 力容器标准和英国BS5500《非直接火焊制压力容器规范》。316断裂力学分析
压力容器发生事故的原因绝大多数是由于裂纹引起的, 这些裂纹在一定的条件下迅速开裂扩展发生压力容器的低应力破坏, 这种低应力的脆断破坏按传统的分析方法是无法解
收集资料
张宏元雷云琴任少华・33・
315
释的。而断裂力学正是研究带有裂纹的材料的
强度问题, 它与有关力学问题相结合从而形成了一门新兴的固体力学。断裂力学不仅研究脆性断裂, 而且也研究塑性断裂。因此, 以研究结构材料中的裂纹发生与扩展规律而兴起的断裂力学, 不仅在压力容器的设计和应用上开创了新的途径, 而且为压力容器的事故分析提供了有效的方法。
, 不仅何重新分配和计算, 而且还要考虑在一定时间内将产生多大的蠕变变形量等等。通过计算蠕变后的应力和蠕变稳定阶段的蠕变速度后, 即可根据容器的使用期限, 求取任意一点的应变, 从而也可以计算出任意一点处直径的扩大量, 这些计算为事故分析提供了数据。4事故调查分析步骤
3N
Y
附图事故调查分析步骤
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参考文献
卓震, 奚桂明1高压容器事故分析1中国劳动出版社,
19941
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范钦珊1压力容器的应力分析与强度计算1原子能出版社,19791
李泽震1压力容器安全评定1中国劳动出版社,19871