如何避免压力容器的脆性断裂？

本文主要参考以下文献的第4章：王志文, 关凯书. 过程设备失效分析[M]. 北京: 化学工业出版社, 2017.

该书主编即为经典教材《化工容器设计》编者之一王志文老师。不过《过程设备失效分析》这书比较贵，要两百多块钱，但知识无价，哈。

事实上，我们讨论过压力容器的防脆断，见《压力容器的防脆断设计》。

目前，防止承压设备的脆性断裂，主要从材料防脆和结构防脆两方面着手，具体措施包括：

1. 确保材料始终有足够的韧性

这是防止结构发生脆断最为重要的措施。

在选材阶段，不仅要注重材料的强度，也要重视材料的韧性。因为材料的强度越高，其韧性越低，材料发生脆断的可能性就会增加。对于大型或高参数设备，选用高强钢可以大大减小壁厚，节约材料，节省资源，但必须保证材料有足够的韧性和可焊性。低温容器和管道用材，首要问题就是保证材料在最低温度下钢材及焊缝区仍够具有足够的韧性及可焊性。

专门的板材、管材、锻件标准及GB/T 150等，对材料的韧性指标（如冲击功等）都有最低要求。对于常温和中温下使用的碳钢和低合金钢，也必须做0℃或至-20℃的冲击试验，低温容器用钢就更不用说了。

有关冲击功和韧性指标的内容，还可参考我们之前的文章《GB/T150.2中有关冲击试验规定的简要梳理》《“冷门“韧性指标：侧向膨胀量》。

从冶金的角度讲，适当添加V、Nb或Ni等元素可以改善材料的韧性。另外，对钢材进行正火处理，也能够细化晶粒，改善材料韧性。

顺便介绍一下抗氢致开裂钢（即HIC钢），HIC钢在冶炼时要进行彻底的脱S、P、O，更纯净，不容易出现大块的夹杂物。因为，若有夹杂物，环境氢侵入后会在夹杂物处以分子态存在，常温下无法逃逸，氢的大量聚集会使得氢气团内压力升高，引起开裂或鼓泡。

对于高强钢，其韧性储备本来就有限，若焊接工艺不当，容易萌生裂纹，在特定条件下会快速扩展，导致材料的脆断。例如，某些材料如果预热不到位，会使焊接接头的冷却速度过快造成淬硬，容易产生裂纹。再比如，焊条、焊剂不烘干（含有水分），或没有及时进行消氢处理，会引起氢致开裂。

有关材料的焊接性及各种裂纹的问题，可参考之前的文章：《低合金钢的焊接特点》，《文摘丨Cr-Mo钢容器制造工艺分析》，《焊接冷裂纹控制》，《焊接冷裂纹成因》，《焊接“热裂纹”的成因及防止对策》，《再热裂纹的成因及控制》。

在中高温下长期服役的设备，材质容易出现损伤劣化，导致材料韧脆转变温度上升。工程上通常取样做一系列温度下的冲击试验，确定韧脆转变温度区间，使用温度应高于这个区间，保证材料处于较好的韧性状态。特别是在开停车阶段，例如停工时须先降压再缓慢降温，而开工时应先缓慢预热再加压，预热温度要高于韧脆转变温度。缓慢降温或升温是为了控制温差应力。

有关材料损伤的内容，可以参考我们之前的文章：《承压设备损伤 之 材质劣化（一）》，《承压设备损伤 之 材质劣化（二）》。

2. 避免和降低结构的应力集中

低温容器和高强钢制容器，由于材料的韧性储备不很充实，对缺口的应力集中比较敏感。裂纹处容易出现应力集中，应力集中处也容易出现裂纹，在拉应力的作用下裂纹会出现扩展，扩展至临界尺寸时就会发生断裂。

所以在设计或制造中，对于突变部位要圆滑过渡，控制错边量和变形，防止过分的焊缝堆高及咬边，防止未焊透及裂纹的出现。

3. 采取必要的工艺措施

消氢处理防止氢脆和氢致开裂，即焊后加热到300℃左右，将焊接材料或环境中引入的氢排除，避免在材料或焊接接头中扩散引起裂纹。消氢处理应在焊后及时进行，如果焊后能够及时进行焊后热处理PWTH，可不进行消氢处理。

用消除应力退火工艺消除设备的残余应力，冷加工产生的残余塑性变形，焊接时不均匀的冷却收缩，都不可避免地会产生残余应力，但前者的分布广，后者只存在于焊接接头。所以，必要时应进行恢复性能热处理或焊后热处理。

另之前的文章供参考：《压力容器钢板的供货状态及热处理》，《压力容器需要热处理的情况》，《辨析丨恢复性能热处理与焊后热处理的区别》

加强制造时的无损检测，焊缝中的未焊透、未熔合、裂纹等，是造成低应力脆断的主要原因，因此无损检测是控制产品质量的重要环节。在无损检测的实施中，应避免当检不检或漏检，对于重要设备还应多种检测方法并用，RT、UT互查，再辅以表面检测等，因为每种检测方法有所长也有所短。

此前，有关无损检测的内容，我们也讨论了不少：《典型焊接结构的无损检测技术规定》，《射线检测RT与超声检测UT的适用场合》，《DN<250管口B,D类焊缝的检测（修订重发）》，《RT和UT组合检测规定的演变》，《小直径管环焊缝磁粉检测存在的问题》。