（51）开孔补强（Opening reinforcement）

　　　　锅炉和压力容器常常根据操作或检修上的需要，在壳体上开孔。如人孔、手孔、物料进出口等。压力容器开孔以后，不但因为减小了器壁的受力截面积，引起平均应力增加和容器强度减弱，而且还因为开孔破坏了结构的连续性，在开孔和接管处产生较大的附加弯曲应力。结果使这一局部地区的应力显著增大。这种现象叫做“应力集中”。在这区域内的最大应力值称之为“应力峰值”，一般用σmax表示。容器开孔边缘的应力峰值可以达到它的薄膜应力的三、四倍，有时甚至五、六倍。这样高的局部应力，再加上材料或制造过程可能存在的微小缺陷，使容器的开孔接管处成为疲劳破坏或脆性破坏的始裂点。为了减小孔边的局部应力，就需要对开孔进行补强。开孔补强的基本方法就是采用各种结构型式，通过增加壳壁在开孔周围的厚度或增大接管的壁厚，来降低开孔周围的应力。补强的设计原则可以分为两类，一类是从承压的金属截面积方向考虑，即所谓等面积补强法，它的基本要求是，在通过孔中心的壳体纵截面上，有效范围内的补强金属截面积不小于因开孔面减小的金属截面积。这种方法计算简便，概念也比较明确，多年的实践证明，它还能保证容器开孔具有足够的强度，所以长期以来一直被广泛采用。它的缺点是只考虑在有效补强范围内补强面积的数量，而没考虑补强金属在补强范围内的具体分布状况，而后者对补强效果的影响是十分大的。另一类方法是从孔边的应力集中系数方面来考虑，即所谓极限载荷补强法和弹塑性失效补强法。前者要求开孔补强后，孔边的应力集中系数不超过2.25；后者要求不超过3.0，即所谓“安定性要求”。容器开孔的补强结构型式，常用的有三种，即补强圈补强、厚壁接管补强和锻件补强。补强圈补强结构简单，元件制造容易，但补强效果较差，只宜用于常温操作而压力又不大波动的中低压容器的开孔补强。不能用于高温高压容器、高强度和缺口敏感性强的材料制造的容器、载荷变动频繁的容器。厚壁接管补强结构也比较简单，补强效果较好，近年来已被广泛采用。锻件补强结构较为复杂，补强元件的制造也费材料，但效果较佳，具有较好的抗疲劳性能。这种补强结构多用于高强度（σ≥500MPa）材料焊制的容器以及承受低温、高温或反复载荷的容器的大直径开孔补强。

　　　　（52）延性破裂（Ductile fracture）

　　　　锅炉和压力容器延性破裂是整个壳体和金属壁经过大量的塑性变形以后产生的破裂。这种破裂方式的基本条件是壳体在内压作用下，器壁整体截面上产生的应力达到或超过材料的强度。局部的高应力不会直接导致容器的延性断裂。延性断裂的承压壳体，从外形上观察，有一些明显的特征：壳体整体或大部分器壁有明显的塑性变形，主要表现为周长增大和器壁减薄；断裂的部位一般是在筒体中部，多沿筒体的轴线方向开裂，裂缝端部有时分叉；裂缝的裂口大小则与器内的介质有关，液体介质容器裂口较窄而气体较宽，液化气体容器有时可开裂成部分的平板状；断裂面有切变边，即断面与筒体的切线方向成45?角；宏观断口无金属光泽，呈暗灰色、纤维状断口。压力容器延性破裂的常见原因主要是：

　　（1） 容器未经过设计计算，设计壁厚过小；

　　（2） 运行过程中器壁被腐蚀或磨损而致大面积减薄；

　　 （3） 因操作失误（如关错阀门等）或减压阀等附件失灵，致使高压气体进入许用压力较低的容器中，造成容器严重超压；

　　 （4） 容器内产生的气体，因阀等元件的失效发生阻塞而无法排出，使容器内压力急剧升高；

　　 （5） 液化气体容器因装液过量而造成“满液”，器内介质温度升高，压力显著增大；

　　 （6） 液化气体因受周围环境的影响（如靠近高温热源）温度升高，饱和蒸气压上升；

　　 （7） 器内残留有可燃性物料，在适当条件下发生局部的燃烧反应；

　　 （8） 反应容器内因原料或设备方面的原因，发生异常的化学反应，使容器因超压或材料强度降低而破裂。

　　　　（53）脆性破裂（Brittle fracture）

　　　　压力容器脆性破裂是指壳体在较低的应力水平（例如器壁的当量应力低于材料的屈服强度）下未经塑性变形即发生的断裂，所以又称低应力脆性断裂。脆性破裂的压力容器，也具有一些明显的特征：壳体没有宏观的塑性变形，断裂后的器壁厚度基本不减薄，开裂截面的周长无明显的增大；断裂无一定的部位和规则的方向，常在有缺陷或几何形状突变处首先开裂；裂口水平，除了器壁表面可能有一层较薄的剪切边外，其它部分无塑性流动的迹象；断裂面垂直于最大主应力方向，即壳壁是沿着半径（或壁厚）方向开裂；容器壳体一般破裂成大的碎块；宏观断口呈金属光泽，为结晶颗料组成的亮灰色断口，在器壁较厚的容器断口上，常可见到人字形纹路（辐射状），尖端指向断裂源，始裂点往往是原有的缺陷。压力容器的脆性破裂，需要同时具有下列三个条件：

　　 （1） 存在一个起触发作用的裂源，主要是裂纹等严重缺陷。例如焊缝及其附近的裂纹、焊缝咬边、钢材中的白点等；

　　 （2） 在工作条件和环境下，特别是使用温度较低的情况下，材料呈脆性。或者说是材料的韧性较差；

　　 （3） 局部地区存在较高的应力，包括附加应力和残余应力。

　　　　（54）疲劳破裂（Fatigue fractre）

　　　　承压壳体的疲劳破裂是指壳体经历过较多次数的反复应力作用以后，在不太高的名义应力下（远低于材料的抗拉强度）发生的破裂。严格来说，金属的“疲劳破坏”实际应是“反复应力破坏”，因为破坏的重要因素是应力的频繁反复作用，而不是作用时间的长短。金属构件的疲劳断裂一般分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三大类。按疲劳断裂时载荷反复作用次数的多少，又有高度疲劳与低周疲劳之分。压力容器疲劳破裂，主要是机械疲劳，也有少数是热疲劳破裂的，例如锅炉和其它高温容器。一般的压力容器不会经受105周的循环载荷,所以它的疲劳破裂基本上都属于低周疲劳.压力容器低周疲劳破裂，必须同进具备两个基本条件：即容器经受过一定次数的循环载荷，包括开停、压力大幅度变化等；和器壁的局部区域存在较高的应力，如开孔接管处的应力集中等。疲劳破裂的容器，在整体和外形上的特征是：容器没有明显的整体屈服变形；开裂的位置不固定，但大部分是在接管与壳体的连接处；一般不裂成碎块，仅裂开一个小裂口，使容器因泄漏失效；断裂面大部分是疲劳裂纹扩展区，垂直于主应力方向，剩下的最后断裂区（瞬裂区）的断裂面，中低强度钢制容器常有较宽的剪切边，高强度钢制厚壁容器则有很小或没有剪切边；断口宏观形貌可以观察到明显的两个区域，即疲劳裂纹扩展区瞬裂区。容器疲劳破裂的主要原因是：

　　 （1） 不良的设计结构。包括不合理的开孔接管和补强结构；不合理的轮廓和形状，如太小，截面变化转角形状突变等；

　　 （2） 不正常的操作条件。包括频繁的开车和停车，操作压力的大幅度波动，温度的周期性变化以及容器及其接管的激烈振动等；

　　 （3） 较严重的制造缺陷。主要是焊接缺陷，如焊缝咬边，未焊透等；

　　 （4） 介质对器壁具有较强的腐蚀性。多数是因为操作条件发生变化而使介质的腐蚀性增强，使容器的疲劳强度降低。

　　　　（55）应力腐蚀破裂（Stress corrosion crack）

　　　　压力容器应力腐蚀破裂是指容器壳体在腐蚀性介质和拉伸应力的共同作用下而产生的破裂。金属构件的应力腐蚀，一般要具备两个条件。一是金属与环境介质的特殊组合，即某一种金属只有在某一类介质中，并且还必须在某些特定的条件下，如温度、压力、湿度、浓度等，才有可能产生应力腐蚀。二是承受拉伸应力。包括构件在运行过程中产生的拉伸应力和制造加工过程中所留下的残余应力、焊接应力、冷加工变形应力等。而这两个条件，在某一些压力容器中是完全具备的。应力腐蚀破裂的容器的特征是：容器整体无宏观塑变形（有些文献指出，应力腐蚀断裂可以有0.5%的伸长率），断裂口壁厚基本不减薄；断裂无固定的方位，但总是发生在应力集中处和腐蚀性介质富集的部位；容器壳体一般不会破裂成碎片；断裂面大部分垂直于主拉伸应力方向，而最后断裂的瞬裂区一般都有剪切边；断口宏观检查通常可以观察到裂纹源，断口有明显的裂纹扩展区和最后断裂区。应力腐蚀的裂纹扩展区通常都比疲劳断口显得粗糙，没有贝壳状弧线，且腐蚀裂纹扩展区常残留有腐蚀产物。比较容易对钢制容器发生应力腐蚀的介质有以下几种：液氨，杂质中含有较多硫化氢的气体或液化气体。热碱溶液，含水的一氧化碳气体等。

　　　　（56）蠕变破裂（Creep rupture）

　　　　锅炉和压力容器蠕变破裂是指壳体或其它承压部件长期在较高的温度下承受载荷，使金属缓慢地产生塑性变形，最后导致破裂。金属的蠕变断裂的基本条件是温度较高（高于金属熔化温度的25~35%，对碳钢和低合金约为350~400℃），应力较大（一般高于材料的蠕变极限）和承载时间过长。压力容器整个壳体在蠕变而破裂的情况是少见的，一般只发生在局部区域或其附件上，如锅炉的过热器、水冷壁等高温部件就较易产生蠕变破裂。蠕变破裂的特征除了明显的塑性变形外，主要表现在金属的内部结构上，只有通过金相检查才能判别。锅炉压力容器承压部件的蠕变破裂常见于以下一些原因：选材不当，例如，由于设计时的疏忽或材料管理的混乱，错用碳钢来代替抗蠕变性能较好的合金钢；结构不合理，使部件的局部区域产生过热现象；制造时材料组织改变，抗蠕变性能降低；操作不当或维护不良使部件局部温度升高等。

　　　　（57）氢脆（Htdrogen embrittlement）

　　　　压力容器的氢脆（或称氢损伤）是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。造成压力容器氢脆破坏的氢，可以是设备中原来就存在的，例如。炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中。或设备在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中；也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在石油、化工容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发生氢脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严重的容器，宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包。介质中含氢（或硫化氢）的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度愈高、氢分压越大，碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也愈短，其中温度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。钢中添加有铬、钛、钡等元素，可以阻止氢脆的产生

　　　　（58） 碱脆（Caustic embrittlement）

　　　　碱脆，又称苛性脆化，是碳钢或合金钢在热碱溶液和应力的作用产生的一种应力腐蚀现象。钢的碱脆，一般要同时具备三个条件。一是较高浓度的氢氧化钠溶液。试验指出，浓度大于10%的碱液即足以引起钢的碱脆；二是较高的温度，碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近；三是拉伸应力，可以是外载荷引的应力，也可以是残余应力，或者是两者的联合作用。拉伸应力的大小虽然是碱脆的一个影响因素，但更重要的因素是应力的均匀与否，局部的拉伸应力最容易引起碱脆。碱脆通常发生在锅炉的锅筒等高温承压部件中，因为它有可能同时具备有发生碱脆的三个条件：在正常运行情况下，锅筒等承压部件就处在较高的温度和拉伸应力的作用下，而开孔接管等局部区域也存在不均匀的拉伸应力。至于锅水中的碱浓度虽然不会达到产生碱脆的程度，但在局部地方，常常会因为氢氧化钠富集而使水的碱浓度增大。例如在铆接、胀管及其它一些存在缝隙的地方，锅水进入后常被逐渐浓缩，就很有可能达到碱脆所需要的浓度。所以锅筒的碱脆绝大多数是在铆接或胀接的接缝上发生的。我国曾不止一次发生过锅炉碱脆爆炸事故，这类恶性事故国外也多次发生过。国内也有过超高压容器因稀碱液局部浓缩而引起碱脆并导致爆炸的事例。

　　　　（59）蒸气腐蚀（Corrosion by steam）

　　　　蒸气腐蚀是锅炉在运行过程中，蒸气对高温钢构件所产生的氧化腐蚀。蒸气与高温的铁接触时，会产生下列反应：

　　　　反应结果在钢件表面生成氧化膜（四氧化三铁），并放出氢原子。氧化膜在不太高的温度下可以阻止构件继续发生蒸气腐蚀。但对于碳钢，当温度超过500℃后，这种氧化膜即失去其保护作用，于是构件被继续腐蚀。而且蒸气腐蚀所产生的氢原子如不能及时被蒸气带走，就有可能渗高温的金属内，并引起氢脆。锅炉中可能产生蒸气腐蚀的部件主要有：壁温较高的蒸气过热器管、水冷壁中产生汽水分层且蒸气停滞的局部地区。防止锅炉过热器产生蒸气腐蚀的主要措施是选用铬钼合金钢。因为钢中的铬和钼能提高钢的热强性能，也可增强钢的热稳定性。

　　　　（60）焊缝系数（Welded seam efficiency）

　　　　焊缝系数或称焊缝减弱系数，是计算焊接部件的强度时，考虑到焊缝对强度的影响而引入的一个参数。用焊缝强度与毋材强度的比值表示。实际上焊缝系数并不真正反映焊缝处材料强度被削弱的程度，而且一个经验数据，表示焊缝质量的可靠程度。根据焊接方法、坡口形式、焊后检验手段、残余应力大小等而定。根据有关标准的规定，对经检验合格的锅炉与压力容器的焊缝，焊缝系数可按以下两个表选用。

　　　　表10-3锅炉焊缝减弱系数

　　　　表10-4钢制压力容器焊缝系数

　　　　注：*仅适用于厚度不超过16mm、直径不超过600mm的壳体环焊缝。

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