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压力容器设计涉及的失效模式

1已有 50 次阅读  2021-05-06 16:07

压力容器由于机械载荷或温度载荷过高而丧失正常工作的能力,称之为失效。随着对压力容器失效机理研究的深入,现在的国际压力容器领域已经达成了基于失效模式设计的共识,各国标准中都引入了失效模式的概念,针对不同的失效模式建立起相应的设计准则,使压力容器的设计更加合理和可靠。


压力容器的失效模式
ISO16528《锅炉和压力容器》综合世界主要工业国家的技术标准规定,针对锅炉和压力容器常见的失效形式,在标准中将其归类为三大类共14种失效模式,明确了针对失效模式的设计技术应用理念。
(1)短期失效模式( Shortterm failure modes)

- 脆性断裂( Brittle fracture)

- 韧性断裂( Ductile rupture)

- 超量变形引起的接头泄露( Leakage at jointsdue to excessive deformations)

- 超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂( Crack formation or ductile tearing due to excessivelocal strains)

- 弹性、塑性或弹塑性失稳(垮塌) ( Instability- elastic,plastic or elastic - plastic)

(2)长期失效模式( Longterm failure modes)

- 蠕变断裂( Creep rupture)

- 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 inunacceptable transferof load)

- 蠕变失稳( Creep instability)

- 冲蚀、腐蚀( Erosion,corrosion)

- 环境助长开裂,如:应力腐蚀开裂、氢致开裂( Environmentally assisted cracking e.g.stresscorrosion cracking,hydrogen induced cracking,etc)

(3)循环失效模式( Cyclic failure modes)

- 扩展性塑性变形( Progressive plastic deformation)

- 交替塑性( Alternating plasticity)

- 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 elasticstrains (medium and high cycle fatigue) orunder elastic- plastic strains ( low cycle fatigue) )

- 环境助长疲劳( Environmentally assisted fatigue)

 

分析设计考虑的失效模式

失效模式多种多样,而分析设计通过对容器进行详细的应力分析,主要解决以下四类问题:

一是强度问题。所谓强度问题,是指容器在确定的压力(或其它外部载荷)作用下,会不会发生破裂或过量的塑性变形。例如锅炉汽包或反应堆压力壳,会因所承受的内压过大,而产生塑性变形,使其直径不断扩大,器壁越来越薄,最后发生裂缝,导致容器破坏。

二是刚度问题。这类问题和强度问题不同,它所指的是容器或容器的零部件虽然不会因强度不足而发生破裂或过量塑性变形,但由于弹性变形过大也会使其丧失正常工作能力。例如,换热器中的管板,在介质压力作用下,如果变形过大,会使换热管变弯,因而影响传热效果,又如反应堆堆芯的栅格板,如果变形过大,就会影响控制棒的插入和提升,因而影响反应堆的正常运行。

三是稳定性问题。稳定性问题的主要特征是容器在外压或其它外部载荷作用下,形状发生突然改变,因而丧失正常工作能力。例如列管式换热器中的管子,受热后膨胀,但是,这种膨胀受到两端管板的限制,因而产生很大的压力。温度越高,压力越大,当温度升高到一定的程度,管子就会在两端压力的作用下,突然由直变弯。又如,反应堆中的燃料元件的包壳,如果壁很薄,就会在外压作用下,突然被压瘪。

四是疲劳问题。随着石油化工和其他工业的迅速发展,元件结构和载荷的日趋复杂,疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。尽管人们对疲劳问题已引起足够重视,但疲劳破坏事故仍然不断发生。所以,对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。

针对各个失效模式的有不同的设计和分析方法,我们将在后续的文章中介绍。关于棘轮和疲劳这样两个实施模式的介绍,可以参阅设备圈第5657次在线组会和相关课程,详细咨询可加设备圈客服咨询。

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