18 第五章 高压容器的破裂 5-1 高压容器破裂的原因.pptx

第1页：第5章高压容器的破裂

5.高压容器的破裂

• 高压容器破裂的原因
• 破裂的能量
• 破裂的冲击波超压

第2页：第5章学习目标

5.高压容器的破裂——学习目标：

• 高压容器破裂的原因
• 容器超压的理论计算
• 破裂的能量计算

第3页：破裂的物理能量属性

破裂是爆炸的另一种形式，它所释放的能量主要是物理能量。对于装有高压气体或蒸汽压很高的液体原料的容器而言，存在着在某些意外情况下出现破裂的可能。

第4页：容器的缺陷

5.1 高压容器破裂的原因——5.1.1 容器的缺陷：高压容器大都是由金属材料压制成的曲面板焊接而成的，容器的缺陷常会导致高压状态下的破裂。这些缺陷既有设计方面的原因，也有制造方面的原因，比如结构不合理、连续性不好从而产生很大的峰值压力；若材料选择不当、不具备足够的冲击韧性，使容器具有原始缺陷，但通常的原因还是在于制造方面。

第5页：焊接错位与角变形

焊接的缺陷——焊接错位和角变形：两个焊接构件的正确对接应该是没有错位和角变形的，但通常在焊接操作过程中出现这种情况也是难免的（如图5.1）。当错位和角变形达到一定程度时，就会在对接处产生应力集中，甚至直接产生破裂，原始裂纹首先产生在图中的 A 处。

第6页：咬边

咬边

由于焊接不当产生咬边会引起应力集中：焊接外部凸起部分会产生外咬边，而焊接缩口部分会产生内咬边。如钢瓶瓶嘴的外焊缝处，由于咬边产生的应力集中系数高达2.6。

第7页：不良焊接外形

不良外形

不良的焊接外形会产生较严重的应力集中，有些容器的补强高度过大也会产生应力集中现象，这是引起疲劳破坏的主要因素。图5.2给出各种焊接形式产生疲劳的裂纹位置。

第8页：焊接残余应力与热输入

焊接残余应力

焊接是一个冶金过程，金属结晶后由于晶格不规则的排列会产生很大的残余应力，一般表现为拉应力。

焊接输入热量

焊接的热量输入对焊接影响区的性能有很大影响：输入热量过小会造成焊接影响区硬化和裂纹；输入热量过大又会使焊接影响区晶粒粗大、脆化，从而使强度降低。

第9页：热处理的目的

热处理方面的原因：锻件锻完后为什么还要进行热处理？目的在于细化锻造过程中所造成的粗大晶粒，消除加工硬化和残余应力，降低硬度，改善切削加工性能，防止在锻件内部产生白点，保证获得所需的金属组织和机械性能。

第10页：热处理裂纹

热处理加热温度上升速度太快，会导致各部分温度有差异，产生很大的局部热应力。厚度小于38mm的优质碳素结构钢或厚度小于31.75mm的合金钢很少发生热处理裂纹，但随着球形容器的大型化、厚度增加，热处理的裂纹也会增多。加热温度不够或保温时间不足，达不到热处理的预期效果。

第11页：腐蚀的类型

腐蚀：容器壳体受到腐蚀介质的作用导致破坏，同样会引起破裂。腐蚀有很多种，包括：均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀。

第12页：均匀腐蚀

均匀腐蚀

分布在整个材料接触面的腐蚀现象，它使构件的厚度逐渐减薄，当构件被严重腐蚀以至于剩余厚度不能承受外加荷载时构件即被破坏。均匀腐蚀是危险性比较小的一种腐蚀形式，因为它比较容易被发现，而且设计时通常都会留下一定的腐蚀裕量。

第13页：点腐蚀

点腐蚀

构件表面受到的点状局部腐蚀，包括局限在个别点上的深坑腐蚀、面积较大的密集斑点腐蚀等。碳钢、低合金钢以及不锈钢都会发生点腐蚀，点腐蚀的结果是构件产生穿透性孔洞而破坏。

第14页：晶间腐蚀与应力腐蚀

晶间腐蚀

是一种局部的、选择性的腐蚀，这种腐蚀沿着晶粒的边界进行，腐蚀介质渗入金属的深处，金属晶粒之间的结合力因腐蚀而破坏，材料的强度塑性几乎完全丧失，因而在很小的外力作用下即会破坏。

应力腐蚀（又称为腐蚀裂开）

是金属在腐蚀介质和拉伸应力共同作用下产生的一种破坏形式。应力腐蚀破坏的构件宏观特征是表面局部腐蚀严重、产生脆性破裂，但有时也不能从表面上看出来，这种情况尤为危险。

第15页：疲劳腐蚀

疲劳腐蚀（也称为腐蚀疲劳）

腐蚀过程和应力腐蚀基本相同。燃气介质中的硫份对钢制容器产生的应力腐蚀是非常危险的：硫化氢的腐蚀作用取决于它在钢的表面上产生的化学薄膜的性质，当燃气中含有水时这种腐蚀就会更加明显。

第16页：容器的超压

5.1.2 容器的超压：高压容器有一设计压力，其内部介质的压力只能在这一设计压力之下才能使用。但由于意外的原因，内部介质超压的情况是可能出现的，特别是在城市燃气工程中常用的液化石油气类的高压容器。

第17页：液化石油气超量灌装

1）液化石油气容器的超量灌装：灌装液化石油气的容器在某一灌装温度下均有一个最大灌装重量，也可以用容积充满度来表示。容积充满度的定义为：某一充装温度下容器允许充装的液体体积，是在容器内的液体温度达到其允许最大工作温度时液相正好充满容器的体积。

超量灌装

意味着容器达到最高工作温度时内部液相膨胀后的体积大于容器的容积，该情况的出现则使容器的壁面受到很大的压力，甚至造成容器破裂。

第18页：西班牙槽车爆炸事故

西班牙液化石油气槽车爆炸事故（充装过量）：1978年7月11日14:30，西班牙巴塞罗那市和巴莱西亚市之间风景区的双轨环形线的340号通道上一辆载满丙烷的槽车发生爆炸。800人在此度假，烈火浓烟使150人被烧死、120多人被烧伤，100多辆汽车和14座建筑物被烧毁。

爆炸的储罐容积为43m³，第一次爆炸时罐车槽壁炸出直径7cm的洞，数秒后发生第二次爆炸，车体飞出140m，燃烧的烟云升高30m，产生1500℃的高温，爆炸波及范围沿道路长约200m、从道路到海岸宽约30～80m。

说明：本页事故日期记为1978年7月11日，与本课程第2份课件中同一事故的日期表述（1978年11月14日）不一致，建议对照原图核对。

第19页：西班牙事故原因

事故原因：

• 充满过量引起，按规定液化石油气的充装不得超过容积的85%，而这辆槽车却充装了100%；
• 早晨充装时气温较低，随温度的上升体积膨胀，估计爆炸时内部压力大约上升到10MPa以上，大大超过了槽车的耐压能力（约3MPa）；
• 野营地的明火将丙烷气引燃，立即产生混合气体爆炸的巨大火球。

第20页：超压变化的推证

充装过量时容器的内部压力变化情况的推证：设容器的容积为 V，内部充装的液化石油气液相体积在温度 T₁ 时为 V₁、压力为 P₁，当温度增至 T₂ 时，如果液相不受容器容积的限制，液相的体积将增至 V₃，且有：

V₃＝V₁＋β(T₂−T₁)V₁＝V₁(1＋βΔT)　（5-1）

式中：β——液化石油气在 T₁—T₂ 温度区间的平均体积膨胀系数，1/℃；ΔT——液化石油气的温度差，℃。

第21页：液相未充满时的压力

如果不考虑容器由于温度增加引起的体积膨胀，且 V₃ 之值不大于 V，那么容器内的压力增高仅是由于温度的升高而导致的液体蒸汽压上升。若温度上升的值不超过容器允许的最高工作温度，则压力的上升不会导致容器的破裂。

第22页：液相受压缩与容器膨胀

当液相膨胀后的体积超过容器的容积时，液相将会受到压缩，有：

（5-2）式中：α——液化石油气的压缩系数，MPa⁻¹；ΔP——超压引起的压力增量，MPa。

同时，由于超压的存在、温差的存在，容器又会发生线膨胀和容积膨胀，容积由初始的 V 增至 V₂，且有：

V₂＝(1＋3β₀ΔT＋MΔp)V　（5-3）

式中：β₀——容器材料的线膨胀系数，℃⁻¹；M——容器在内压下的容积增大系数。

第23页：超压量计算式

那么有：将式（5-1）、式（5-3）代入式（5-4），得：由于 3αβΔT 和 αM 很小可以忽略，进而有（5-5）。

第24页：超压量的影响因素

• 该式反映了当灌装体积充满容器时，液相温度的增加导致的容器内超压量的增加值，它依赖于液相物质本身的体积膨胀系数和压缩系数，还与容器材料受热、受压时的膨胀与压缩性能有关；
• 钢制容器的线膨胀系数的取值一般为12×10⁻⁶，液化石油气钢瓶的 M 值见图5-3，该值与容器的直径、壁厚有关，一般通过测定得到；
• 可以证明当液化石油气钢瓶内的液相充满后，由于温度升高导致的压力上升是非常迅速的，很容易达到容器的爆破压力。

第25页：钢瓶容积增大系数图

本页为图5.3 钢瓶的容积增大系数曲线图：横轴为 m（容器的外径与内径之比），纵轴为容积增大系数 M。源文件未提取到图中坐标数值，建议对照原图补充。

第26页：容器的爆破压力

容器的爆破压力可由下式求得：

式中：P_k——容器的爆破压力，MPa；D——容器的内径，mm；δ——容器的壁厚，mm；σ_b——容器材料的强度极限，MPa。

对于 YSP-15 型液化石油气钢瓶，材料为20号钢，σ_b＝441.5MPa，δ＝3mm，D＝314mm。

第27页：钢瓶超压算例

若在15℃时钢瓶内充满液相的液化石油气，那么当温度升高时瓶内的压力上升情况可由式（5-5）求得：取 β₀＝12×10⁻⁶、β＝3.06×10⁻³、α＝1.38×10⁻³，查图5-3 得 M＝50×10⁻⁶，则：

这说明，充满液化石油气液相的钢瓶，当使用温度比灌装温度增加不到6℃时便可使瓶内压力超过钢瓶的爆破压力而产生破裂。

第28页：外部撞击

2.外部撞击

外部撞击也是高压容器产生破裂的原因之一，这就要求制作容器的材料有足够的抗冲击韧性，使之具有较强的抗冲击能力。