（51）開孔補強（Opening reinforcement）

　　　　鍋爐和壓力容器常常根據操作或檢修上的需要，在殼體上開孔。如人孔、手孔、物料進出口等。壓力容器開孔以后，不但因為減小了器壁的受力截面積，引起平均應力增加和容器強度減弱，而且還因為開孔破壞了結構的連續性，在開孔和接管處產生較大的附加彎曲應力。結果使這一局部地區的應力顯著增大。這種現象叫做“應力集中”。在這區域內的最大應力值稱之為“應力峰值”，一般用σmax表示。容器開孔邊緣的應力峰值可以達到它的薄膜應力的三、四倍，有時甚至五、六倍。這樣高的局部應力，再加上材料或制造過程可能存在的微小缺陷，使容器的開孔接管處成為疲勞破壞或脆性破壞的始裂點。為了減小孔邊的局部應力，就需要對開孔進行補強。開孔補強的基本方法就是采用各種結構型式，通過增加殼壁在開孔周圍的厚度或增大接管的壁厚，來降低開孔周圍的應力。補強的設計原則可以分為兩類，一類是從承壓的金屬截面積方向考慮，即所謂等面積補強法，它的基本要求是，在通過孔中心的殼體縱截面上，有效范圍內的補強金屬截面積不小于因開孔面減小的金屬截面積。這種方法計算簡便，概念也比較明確，多年的實踐證明，它還能保證容器開孔具有足夠的強度，所以長期以來一直被廣泛采用。它的缺點是只考慮在有效補強范圍內補強面積的數量，而沒考慮補強金屬在補強范圍內的具體分布狀況，而后者對補強效果的影響是十分大的。另一類方法是從孔邊的應力集中系數方面來考慮，即所謂極限載荷補強法和彈塑性失效補強法。前者要求開孔補強后，孔邊的應力集中系數不超過2.25；后者要求不超過3.0，即所謂“安定性要求”。容器開孔的補強結構型式，常用的有三種，即補強圈補強、厚壁接管補強和鍛件補強。補強圈補強結構簡單，元件制造容易，但補強效果較差，只宜用于常溫操作而壓力又不大波動的中低壓容器的開孔補強。不能用于高溫高壓容器、高強度和缺口敏感性強的材料制造的容器、載荷變動頻繁的容器。厚壁接管補強結構也比較簡單，補強效果較好，近年來已被廣泛采用。鍛件補強結構較為復雜，補強元件的制造也費材料，但效果較佳，具有較好的抗疲勞性能。這種補強結構多用于高強度（σ≥500MPa）材料焊制的容器以及承受低溫、高溫或反復載荷的容器的大直徑開孔補強。

　　　　（52）延性破裂（Ductile fracture）

　　　　鍋爐和壓力容器延性破裂是整個殼體和金屬壁經過大量的塑性變形以后產生的破裂。這種破裂方式的基本條件是殼體在內壓作用下，器壁整體截面上產生的應力達到或超過材料的強度。局部的高應力不會直接導致容器的延性斷裂。延性斷裂的承壓殼體，從外形上觀察，有一些明顯的特征：殼體整體或大部分器壁有明顯的塑性變形，主要表現為周長增大和器壁減薄；斷裂的部位一般是在筒體中部，多沿筒體的軸線方向開裂，裂縫端部有時分叉；裂縫的裂口大小則與器內的介質有關，液體介質容器裂口較窄而氣體較寬，液化氣體容器有時可開裂成部分的平板狀；斷裂面有切變邊，即斷面與筒體的切線方向成45?角；宏觀斷口無金屬光澤，呈暗灰色、纖維狀斷口。壓力容器延性破裂的常見原因主要是：

　　（1） 容器未經過設計計算，設計壁厚過小；

　　（2） 運行過程中器壁被腐蝕或磨損而致大面積減薄；

　　 （3） 因操作失誤（如關錯閥門等）或減壓閥等附件失靈，致使高壓氣體進入許用壓力較低的容器中，造成容器嚴重超壓；

　　 （4） 容器內產生的氣體，因閥等元件的失效發生阻塞而無法排出，使容器內壓力急劇升高；

　　 （5） 液化氣體容器因裝液過量而造成“滿液”，器內介質溫度升高，壓力顯著增大；

　　 （6） 液化氣體因受周圍環境的影響（如靠近高溫熱源）溫度升高，飽和蒸氣壓上升；

　　 （7） 器內殘留有可燃性物料，在適當條件下發生局部的燃燒反應；

　　 （8） 反應容器內因原料或設備方面的原因，發生異常的化學反應，使容器因超壓或材料強度降低而破裂。

　　　　（53）脆性破裂（Brittle fracture）

　　　　壓力容器脆性破裂是指殼體在較低的應力水平（例如器壁的當量應力低于材料的屈服強度）下未經塑性變形即發生的斷裂，所以又稱低應力脆性斷裂。脆性破裂的壓力容器，也具有一些明顯的特征：殼體沒有宏觀的塑性變形，斷裂后的器壁厚度基本不減薄，開裂截面的周長無明顯的增大；斷裂無一定的部位和規則的方向，常在有缺陷或幾何形狀突變處首先開裂；裂口水平，除了器壁表面可能有一層較薄的剪切邊外，其它部分無塑性流動的跡象；斷裂面垂直于最大主應力方向，即殼壁是沿著半徑（或壁厚）方向開裂；容器殼體一般破裂成大的碎塊；宏觀斷口呈金屬光澤，為結晶顆料組成的亮灰色斷口，在器壁較厚的容器斷口上，常可見到人字形紋路（輻射狀），尖端指向斷裂源，始裂點往往是原有的缺陷。壓力容器的脆性破裂，需要同時具有下列三個條件：

　　 （1） 存在一個起觸發作用的裂源，主要是裂紋等嚴重缺陷。例如焊縫及其附近的裂紋、焊縫咬邊、鋼材中的白點等；

　　 （2） 在工作條件和環境下，特別是使用溫度較低的情況下，材料呈脆性。或者說是材料的韌性較差；

　　 （3） 局部地區存在較高的應力，包括附加應力和殘余應力。

　　　　（54）疲勞破裂（Fatigue fractre）

　　　　承壓殼體的疲勞破裂是指殼體經歷過較多次數的反復應力作用以后，在不太高的名義應力下（遠低于材料的抗拉強度）發生的破裂。嚴格來說，金屬的“疲勞破壞”實際應是“反復應力破壞”，因為破壞的重要因素是應力的頻繁反復作用，而不是作用時間的長短。金屬構件的疲勞斷裂一般分為機械疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞三大類。按疲勞斷裂時載荷反復作用次數的多少，又有高度疲勞與低周疲勞之分。壓力容器疲勞破裂，主要是機械疲勞，也有少數是熱疲勞破裂的，例如鍋爐和其它高溫容器。一般的壓力容器不會經受105周的循環載荷,所以它的疲勞破裂基本上都屬于低周疲勞.壓力容器低周疲勞破裂，必須同進具備兩個基本條件：即容器經受過一定次數的循環載荷，包括開停、壓力大幅度變化等；和器壁的局部區域存在較高的應力，如開孔接管處的應力集中等。疲勞破裂的容器，在整體和外形上的特征是：容器沒有明顯的整體屈服變形；開裂的位置不固定，但大部分是在接管與殼體的連接處；一般不裂成碎塊，僅裂開一個小裂口，使容器因泄漏失效；斷裂面大部分是疲勞裂紋擴展區，垂直于主應力方向，剩下的最后斷裂區（瞬裂區）的斷裂面，中低強度鋼制容器常有較寬的剪切邊，高強度鋼制厚壁容器則有很小或沒有剪切邊；斷口宏觀形貌可以觀察到明顯的兩個區域，即疲勞裂紋擴展區瞬裂區。容器疲勞破裂的主要原因是：

　　 （1） 不良的設計結構。包括不合理的開孔接管和補強結構；不合理的輪廓和形狀，如太小，截面變化轉角形狀突變等；

　　 （2） 不正常的操作條件。包括頻繁的開車和停車，操作壓力的大幅度波動，溫度的周期性變化以及容器及其接管的激烈振動等；

　　 （3） 較嚴重的制造缺陷。主要是焊接缺陷，如焊縫咬邊，未焊透等；

　　 （4） 介質對器壁具有較強的腐蝕性。多數是因為操作條件發生變化而使介質的腐蝕性增強，使容器的疲勞強度降低。

　　　　（55）應力腐蝕破裂（Stress corrosion crack）

　　　　壓力容器應力腐蝕破裂是指容器殼體在腐蝕性介質和拉伸應力的共同作用下而產生的破裂。金屬構件的應力腐蝕，一般要具備兩個條件。一是金屬與環境介質的特殊組合，即某一種金屬只有在某一類介質中，并且還必須在某些特定的條件下，如溫度、壓力、濕度、濃度等，才有可能產生應力腐蝕。二是承受拉伸應力。包括構件在運行過程中產生的拉伸應力和制造加工過程中所留下的殘余應力、焊接應力、冷加工變形應力等。而這兩個條件，在某一些壓力容器中是完全具備的。應力腐蝕破裂的容器的特征是：容器整體無宏觀塑變形（有些文獻指出，應力腐蝕斷裂可以有0.5%的伸長率），斷裂口壁厚基本不減薄；斷裂無固定的方位，但總是發生在應力集中處和腐蝕性介質富集的部位；容器殼體一般不會破裂成碎片；斷裂面大部分垂直于主拉伸應力方向，而最后斷裂的瞬裂區一般都有剪切邊；斷口宏觀檢查通常可以觀察到裂紋源，斷口有明顯的裂紋擴展區和最后斷裂區。應力腐蝕的裂紋擴展區通常都比疲勞斷口顯得粗糙，沒有貝殼狀弧線，且腐蝕裂紋擴展區常殘留有腐蝕產物。比較容易對鋼制容器發生應力腐蝕的介質有以下幾種：液氨，雜質中含有較多硫化氫的氣體或液化氣體。熱堿溶液，含水的一氧化碳氣體等。

　　　　（56）蠕變破裂（Creep rupture）

　　　　鍋爐和壓力容器蠕變破裂是指殼體或其它承壓部件長期在較高的溫度下承受載荷，使金屬緩慢地產生塑性變形，最后導致破裂。金屬的蠕變斷裂的基本條件是溫度較高（高于金屬熔化溫度的25~35%，對碳鋼和低合金約為350~400℃），應力較大（一般高于材料的蠕變極限）和承載時間過長。壓力容器整個殼體在蠕變而破裂的情況是少見的，一般只發生在局部區域或其附件上，如鍋爐的過熱器、水冷壁等高溫部件就較易產生蠕變破裂。蠕變破裂的特征除了明顯的塑性變形外，主要表現在金屬的內部結構上，只有通過金相檢查才能判別。鍋爐壓力容器承壓部件的蠕變破裂常見于以下一些原因：選材不當，例如，由于設計時的疏忽或材料管理的混亂，錯用碳鋼來代替抗蠕變性能較好的合金鋼；結構不合理，使部件的局部區域產生過熱現象；制造時材料組織改變，抗蠕變性能降低；操作不當或維護不良使部件局部溫度升高等。

　　　　（57）氫脆（Htdrogen embrittlement）

　　　　壓力容器的氫脆（或稱氫損傷）是指它的器壁受到氫的侵蝕，造成材料塑性和強度降低，并因此而導致的開裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對鋼的損傷主要是因為氫以原子狀態滲入金屬內，并在金屬內部再結合成分子，產生很高的壓力，嚴重時會導致表面鼓包或皺折；氫與鋼中的碳結合，使鋼脫碳，或使鋼中的硫化物與氧化物還原。造成壓力容器氫脆破壞的氫，可以是設備中原來就存在的，例如。煉鋼、焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫，并溶解在液體金屬中。或設備在電鍍或酸洗時，鋼表面被吸附的氫原子過飽和，使氫滲入鋼中；也可以是使用后由介質中吸收進入的，例如在石油、化工容器中，就有許多介質中含氫或含混有硫化氫的雜質。鋼發生氫脆的特征主要表現在微觀組織上。它的腐蝕面常可見到鋼的脫碳鐵素體，氫脆層有沿著晶界擴展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴重的容器，宏觀上可以發現氫脆所產生的鼓包。介質中含氫（或硫化氫）的容器是否會發生氫脆，主要決定于操作溫度、氫的分壓、作用時間和鋼的化學成分。溫度愈高、氫分壓越大，碳鋼的氫脆層就越深，發生氫脆破裂的時間也愈短，其中溫度尤其是重要因素。鋼的含碳量越高，在相同的溫度和壓力條件下，氫脆的傾向越嚴重。鋼中添加有鉻、鈦、鋇等元素，可以阻止氫脆的產生

　　　　（58） 堿脆（Caustic embrittlement）

　　　　堿脆，又稱苛性脆化，是碳鋼或合金鋼在熱堿溶液和應力的作用產生的一種應力腐蝕現象。鋼的堿脆，一般要同時具備三個條件。一是較高濃度的氫氧化鈉溶液。試驗指出，濃度大于10%的堿液即足以引起鋼的堿脆；二是較高的溫度，堿脆的溫度范圍較寬，但最容易引起堿脆的溫度是在溶液的沸點附近；三是拉伸應力，可以是外載荷引的應力，也可以是殘余應力，或者是兩者的聯合作用。拉伸應力的大小雖然是堿脆的一個影響因素，但更重要的因素是應力的均勻與否，局部的拉伸應力最容易引起堿脆。堿脆通常發生在鍋爐的鍋筒等高溫承壓部件中，因為它有可能同時具備有發生堿脆的三個條件：在正常運行情況下，鍋筒等承壓部件就處在較高的溫度和拉伸應力的作用下，而開孔接管等局部區域也存在不均勻的拉伸應力。至于鍋水中的堿濃度雖然不會達到產生堿脆的程度，但在局部地方，常常會因為氫氧化鈉富集而使水的堿濃度增大。例如在鉚接、脹管及其它一些存在縫隙的地方，鍋水進入后常被逐漸濃縮，就很有可能達到堿脆所需要的濃度。所以鍋筒的堿脆絕大多數是在鉚接或脹接的接縫上發生的。我國曾不止一次發生過鍋爐堿脆爆炸事故，這類惡性事故國外也多次發生過。國內也有過超高壓容器因稀堿液局部濃縮而引起堿脆并導致爆炸的事例。

　　　　（59）蒸氣腐蝕（Corrosion by steam）

　　　　蒸氣腐蝕是鍋爐在運行過程中，蒸氣對高溫鋼構件所產生的氧化腐蝕。蒸氣與高溫的鐵接觸時，會產生下列反應：

　　　　

　　　　反應結果在鋼件表面生成氧化膜（四氧化三鐵），并放出氫原子。氧化膜在不太高的溫度下可以阻止構件繼續發生蒸氣腐蝕。但對于碳鋼，當溫度超過500℃后，這種氧化膜即失去其保護作用，于是構件被繼續腐蝕。而且蒸氣腐蝕所產生的氫原子如不能及時被蒸氣帶走，就有可能滲高溫的金屬內，并引起氫脆。鍋爐中可能產生蒸氣腐蝕的部件主要有：壁溫較高的蒸氣過熱器管、水冷壁中產生汽水分層且蒸氣停滯的局部地區。防止鍋爐過熱器產生蒸氣腐蝕的主要措施是選用鉻鉬合金鋼。因為鋼中的鉻和鉬能提高鋼的熱強性能，也可增強鋼的熱穩定性。

　　　　（60）焊縫系數（Welded seam efficiency）

　　　　焊縫系數或稱焊縫減弱系數，是計算焊接部件的強度時，考慮到焊縫對強度的影響而引入的一個參數。用焊縫強度與毋材強度的比值表示。實際上焊縫系數并不真正反映焊縫處材料強度被削弱的程度，而且一個經驗數據，表示焊縫質量的可靠程度。根據焊接方法、坡口形式、焊后檢驗手段、殘余應力大小等而定。根據有關標準的規定，對經檢驗合格的鍋爐與壓力容器的焊縫，焊縫系數可按以下兩個表選用。

　　　　

焊接方法	焊縫型式	焊縫系數
手工電焊或氣焊	有坡口雙面對接焊縫	1.00
	根部有墊板有坡口單面對接焊縫	0.80
	有氬弧焊打底的有坡口單面對接焊縫	0.90
	無氬弧焊打底的有坡口單面對接焊縫	0.75
熔劑層下的自動焊	雙面對接焊縫	1.00
	有坡口單面對接焊縫	0.85
	無坡口單面對接焊縫	0.80
電渣焊		1.00

　　　　表10-3鍋爐焊縫減弱系數

　　

焊縫型式	無損探傷的要求	焊縫系數
雙面對接焊縫	100%無損探傷	1.00
	局部無損探傷	0.85
	無法探傷	一
帶墊板單面對接焊縫	100%無損探傷	0.90
	局部無損探傷	0.80
	無法探傷	一
不帶墊板單面對接焊縫	局部無損探傷	一
	無法探傷	0.60*

　　　　表10-4鋼制壓力容器焊縫系數

　　　　注：*僅適用于厚度不超過16mm、直徑不超過600mm的殼體環焊縫。