浅析化工机械中承压设备常见的失效形式

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摘要：笔者认为尽管失效的原因多种多样，失效的最终表现形式通常为泄漏。过度变形和断裂。 关键词：化工机械；承压设备 国内外每年都有承压设备爆炸和泄漏事故发生，造成人员伤亡、企业停产、财产损失和环境污染等。事故调查和分析表明：常见的承压设备的失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效等四大类。

一，强度失效

1)总体塑性变形总体塑性变形是指承压设备在静载荷作用下，随着载荷的逐渐增大，整个壁厚的材料达到屈服，从而使承压设备沿壁厚全部产生塑性变形。在介质压力或其它机械载荷的作用，当某些点的材料发生屈服后，承压设备在局部区域开始出现小的塑性区。由于该局部区域的塑性变形被其周围的低应力弹性材料所包围，因此，塑性变形的进一步发展扩大受到了限制。随着载荷的持续增加，塑性区的范围越来越大，当载荷增大到一定程度时，塑性区扩展到整个结构的壁厚，产生显著的塑性流动，使承压设备失去了继续承载的能力。这时，其塑性变形即为总体塑性变形；例如，承受介质压力的平封头，当外载荷增大到使其在全厚度范围内的材料都发生屈服时的塑性变形即为总体塑性变形。因此，承压设备的总体塑性变形是由于其承受了过量的静载荷产生的，如果载荷不加以限制，最终会导致承压设备的破裂。

2)渐增塑性变形在实际问题中，外载荷往往在一定范围内变化。当载荷在一定范围内做周期性的变化或按其它规律变化时，则称此载荷为变动载荷。在变动加载作用下，要计算承压设备的安定载荷。当外载荷控制在安定载荷以下时，承压设备除了在最初几次加载循环中产生少量的塑性变形外，在以后的加载历史中将始终保持弹，不会出现新的塑性变形。如果承压设备在经历有限次塑性变形而达到一定的残余应力状态后，外载荷的继续作用将使该承压设备在此残余应力之上仍作弹性响应的话，则可认为承压设备是安全的，我们就称之处于安定状态。当外载荷超过安定载荷以后，每次加载循环都会产生新的塑性变形，经过有限次循环后，塑性变形的不断累积将导致承压设备的最终破坏。

在循环载荷的作用下，失去安定以后，承压设备有两种典型的破坏形式：(1)循环塑性破坏又称塑性疲劳或低周疲劳其特点是：在每次加载循环的前半周和后半周，在承压设备的同一部位(有时这个部位的范围会有些调整)，相继产生方向相反的塑性流动。当循坏结束后，每次循环的总塑性变形几乎等于零，但每次循环的半周中的塑性功并不为零，因此塑性变形不断累积起来，经过有限次循环后(其次数与应力水平有关，应力越高，循环次数越少。开始形成疲劳裂纹，然后裂纹逐步扩展直至贯穿整个截面而导致断裂或泄漏。(2)渐增塑性破坏又称棘轮现象。其特点是：在每一次加载循环的前半周和后半周，在承压设备的不同部位(有时两个不同部位的范围会有些重叠)，轮流产生方向相同的塑性流动。每次循环后都残留下一定量的永久塑性变形，就像机械制造工业中的棘轮机构一样，被一步一步的累积起来，直至因过度塑性变形导致承压设备破坏。这种因塑性变形的累积的破坏就是承压设备发生了渐增塑性变形(棘轮)失效。 二，刚度失效 由于承压设备过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。刚度失效和强度失效的本质是不同的，它所指的是承压设备及其零部件虽然不会因强度不足而发生破裂或过量的塑性变形，但由于弹性变形过大也会使其丧失正常工作的能力。例如：法兰、螺栓等密封联接件，由于刚性不足，在内压作用下，因为法兰变形过大会使密封结构发生泄漏；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。因此，承压设备设计时必须使构件在载荷作用下的变形数值不超过工程中所给定的允许范围，从而保证它的正常使用，也就是确保构件有足够的刚度。 三、失稳失效 在压应力作用下，承压设备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。当承压设备所承受的横向外压达到某极限值时，其横断面会突然失去原来的圆形，被压扁或出现有规则的波纹，此种现象称为外压设备的周向失稳；当承压设备所承受的轴向外压或轴向均布载荷达到某极限值时，其轴向截面会突然形成有规则的波纹，则称为承压设备的轴向失稳。对于薄壁外压承压设备，失稳破坏往往在强度破坏之前发生，即失稳时承压设备中的应力低于材料的强度极限。因此，稳定性计算是薄壁外压承压设备设计中应主要考虑的问题。承受外压的承压设备失稳时的器壁应力如果低于材料的屈服强度，则称为承压设备的弹性失稳，承压设备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，主要取决于设备的尺寸和材料的弹性性质。

当承压设备中的应力水平超过材料的屈服强度而发生失稳时，则称为承压设备的塑性失稳。承压设备的塑性失稳就是随着所受外压的增加，材料首先屈服，继而产生失稳。这时，承压设备失稳的临界压力还与材料的强度有关。当承压设备所承受的外压小于临界压力时，即使产生微小的变形也不会导致失稳。但当外压达到临界压力时，承压设备由稳定平衡转为不稳定平衡，其横截面对正圆形任意微小的偏离都会使弯曲应力及其变形突然增加而形成一定的波纹数。所以，承压设备失稳的根本原因并不是承压设备材料的不均匀和几何形状的初始偏差，但承压设备材料的不均匀和几何形状的初始偏差 初始不圆度会导致其临界压力数值的降低。例如：受轴向压缩载荷作用的薄壁圆柱壳当其轴向压缩应力达到某一数值时，就会发生轴向失稳，失稳时在轴向截面产生有规则的波纹。 四，泄漏失效 由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。承压设备的连接部位包括密封件、连接件和辅助装置等的型式、结构或材料选择不当等引起泄漏失效；在制造过程中如果存在渗漏性缺陷，如焊接过程中形成的各种裂纹、气孔等缺陷，容易造成泄漏；安装不当、化学介质对密封的腐蚀、辅助密封件的损坏、工作温度和压力的波动、机械振动或冲击、密封材料的高温退化或蠕变疲劳等都能够引起泄漏。

五、结束语

化工机械中承压设备是指以压力为基本载荷涉及生命安全、危险性较大的压力容器(含气瓶)、压力管道、高压氧舱等，是化工、石油、核能、电力、轻工、食品、纺织、医药、宇航、海洋开发、国防等行业具有潜在泄漏和爆炸危险的关键设备，确保其在全寿命内安全可靠地运行，对保障人民群众生命和财产安全、促进国民经济发展具有重要的意义。