Introdução aos modos de falha do vaso de pressão

A falha de um vaso de pressão é um estado em que o dano se acumulou até certo ponto e a resistência, rigidez ou função do vaso não pode atender aos requisitos de uso. Então, como o dano acontece? Na verdade, o dano é um processo. Sob a ação da força mecânica externa, meio ambiente, ação térmica, etc. isoladamente ou em combinação, o desempenho do material diminui, a estrutura é descontínua ou a capacidade de carga diminui, o que é um dano. Depois que o dano ocorre, ele não necessariamente falha e, quando ocorre a falha, deve haver dano.

O modo de falha é a base do projeto do vaso de pressão. O método de projeto (critérios) visa o modo de falha. O primeiro passo no projeto do vaso de pressão deve ser determinar o possível modo de falha do vaso; Relatório de avaliação de risco sobre os principais modos de falha, controle de risco, etc. Além disso, a avaliação dos resultados da inspeção do vaso de pressão também é baseada no modo de falha.

2 Classificação ISO 16528 de modos de falha

A norma internacional ISO 16528 Caldeiras e vasos de pressão, que está sendo desenvolvida, integra as normas técnicas dos principais países industrializados do mundo e refere-se ao conteúdo das normas europeias. Para os modos de falha comuns de caldeiras e vasos de pressão, os modos de falha são resumidos em três categorias na norma: 14 tipos, esclarecendo o conceito de projeto para modos de falha.

2.1 A primeira categoria: modos de falha de curto prazo

(Modos de falha de curto prazo)

1) Fratura frágil

O recipiente não tem deformação plástica óbvia e o valor da tensão na parede é muito menor que o limite de resistência do material.

Fraturas que ocorrem mesmo abaixo do limite de escoamento do material. As principais razões para a fratura frágil são a fragilização do material (seleção imprópria do material, tecnologia de processamento imprópria do material, envelhecimento por deformação, ambiente operacional hostil) e os defeitos do próprio material.

2) Ruptura dúctil

Sob a ação da pressão e outras cargas, o valor da tensão gerada atinge ou se aproxima do limite de resistência do material da parede e ocorre a fratura. Normalmente, as principais razões para fratura dúctil de vasos de pressão de aço carbono são espessura de parede muito fina (espessura de parede de projeto insuficiente e afinamento devido à corrosão), alta pressão interna ou seleção inadequada de material e instalação que não atende aos requisitos de segurança.

3) Vazamento nas juntas devido a deformações excessivas

A falha das superfícies de vedação das várias interfaces do recipiente ou o vazamento das juntas do tubo de expansão é causado pela falha. O meio vazado pode causar acidentes de combustão, explosão e envenenamento, além de causar grave poluição ambiental.

4) Formação de rachaduras ou rasgos dúcteis devido a tensões locais excessivas

5) Instabilidade-elástico, plástico ou elástico-plástico

Sob a ação de tensões compressivas, a falha causada pela perda repentina de sua geometria regular original do vaso de pressão é chamada de falha por flambagem. Uma característica importante da instabilidade elástica do recipiente é que a deflexão elástica não é proporcional à carga, e a pressão crítica não tem nada a ver com a resistência do material, que depende principalmente do tamanho do recipiente e das propriedades elásticas. do material, mas quando o nível de tensão no recipiente excede o limite de escoamento do material e A pressão crítica também está relacionada à resistência do material quando ocorre instabilidade inelástica.

2.2 A segunda categoria: modos de falha de longo prazo

(Modos de falha de longo prazo)

1) Ruptura de deslizamento

O vaso de pressão é submetido a uma carga de longo prazo em alta temperatura, e o material sofre deformação plástica lenta à medida que o tempo aumenta, e a deformação plástica se acumula por um longo tempo, resultando em uma redução significativa na espessura ou deformação de abaulamento, o que eventualmente leva a a ruptura do vaso. Quando o vaso de pressão se arrasta, a temperatura da parede geralmente atinge ou excede 25% a 35% da temperatura de fusão do material. A quantidade de deformação de ruptura por fluência depende da tenacidade do material, e o valor da tensão na fratura é menor que o limite de resistência do material na temperatura de serviço.

2) Deformações excessivas de fluência nas juntas mecânicas ou resultando em transferência inaceitável de carga

3) Instabilidade de fluência

A deformação acumulada gradualmente ao longo do tempo é a deformação por fluência, e a instabilidade por fluência ocorrerá quando a deformação por fluência se desenvolver até certo ponto.

4) Erosão, corrosão

Sob a ação do meio corrosivo, o material do vaso de pressão, como o tanque de aço carbono, reduzirá a espessura da parede devido à corrosão uniforme

E os pites causados ​​pela mudança da estrutura do material ou corrosão local, as propriedades mecânicas do material são reduzidas, e a fratura ocorre devido à insuficiente capacidade de suporte do recipiente. Os mecanismos de corrosão de vasos de pressão incluem corrosão química e corrosão eletroquímica. As formas de corrosão incluem corrosão uniforme, corrosão por pites, corrosão intergranular, corrosão sob tensão, corrosão em frestas, corrosão por hidrogênio, corrosão bimetálica, etc.

5) Rachaduras assistidas pelo meio ambiente, como trincas por corrosão sob tensão, trincas por hidrogênio, etc.

2.3 A terceira categoria: modos de falha cíclicos

(Modos de falha cíclica)

1) Deformação plástica progressiva

2) Plasticidade alternada

3) Fadiga sob deformações elásticas (fadiga de ciclo médio e alto) ou sob deformações elástico-plásticas (fadiga de baixo ciclo)

4) Fadiga ambientalmente assistida

3 GB150-2011 Consideração dos modos de falha

Após anos e referindo-se ao conteúdo técnico de padrões internacionais semelhantes, GB150-2011 "Vaso de Pressão" considerou direta e indiretamente os seguintes modos de falha no conteúdo técnico e determinou os critérios de projeto correspondentes e a teoria de resistência para o considerados modos de falha. :

Fratura frágil: evite a ocorrência de fratura frágil por meio de requisitos de seleção de materiais, requisitos de resistência do material, requisitos de fabricação e inspeção e requisitos de forma estrutural;

Ruptura dúctil: evite a ocorrência de ruptura dúctil por meio de requisitos de seleção de materiais, métodos de projeto de resistência estrutural e regulamentações de tensões permitidas;

Vazamento nas juntas: Através do método de projeto de flange e método de projeto de estrutura de vedação especial, requisitos estruturais e requisitos para juntas de vedação, pinos e porcas, a ocorrência de vazamento de junta é evitada;

Instabilidade elástica ou plástica (Instabilidade elástica ou plástica): evitar a instabilidade geral através de métodos de projeto estrutural de pressão externa; controlar a instabilidade plástica local através da análise e avaliação de tensões locais;

Ruptura por fluência: Controlar a ocorrência de ruptura por fluência limitando a faixa de temperatura do material.

A corrosão é um modo de falha comum de vasos de pressão, mas varia muito em diferentes aplicações de engenharia e não pode ser especificada na norma. Portanto, GB150 estipula que o projetista deve considerar o modo de falha por corrosão e escolher materiais, projeto estrutural, proteção contra corrosão, etc. Tome medidas para garantir a vida útil do contêiner.

4 modos de falha envolvidos em outros padrões

Padrões correspondentes foram estabelecidos para o modo de dano de equipamentos sob pressão em países estrangeiros. Por exemplo, API 571, API 579, API 580 e API 581 do American Petroleum Institute contêm conteúdo relevante sobre o modo de dano de vasos de pressão. No padrão API 571, são introduzidas quatro categorias principais e 44 modos de dano na indústria geral, e três categorias principais e 18 modos de dano na indústria de refino. No padrão NB23 dos Estados Unidos, a diretiva PED da União Européia, o padrão BS7910 do Reino Unido e o padrão NACE dos Estados Unidos, os modos de dano de equipamentos de pressão também estão envolvidos.

meu país está atualmente formulando o padrão de "Reconhecimento de Modos de Danos de Equipamentos de Pressão" e planeja propor um conjunto relativamente completo de modos de danos e métodos de identificação adequados para a situação atual de equipamentos de pressão em meu país. O conteúdo inclui principalmente a teoria dos principais modos de dano e mecanismos de falha de equipamentos sob pressão. Descrição, forma, fatores de influência, materiais sensíveis, equipamentos ou componentes que podem falhar, métodos de teste, etc. O projeto de padrão de "Reconhecimento de Padrões de Danos para Equipamentos de Pressão" divide os padrões de danos de equipamentos de pressão em meu país em cinco categorias e 73 tipos, incluindo 25 tipos de afinamento por corrosão, 13 tipos de rachaduras ambientais, 15 tipos de rachaduras de materiais, 11 tipos de danos mecânicos e outros danos. 9 tipos. O já promulgado GB/T 26610.1-2011 "Diretrizes de Implementação para Inspeção Baseada em Risco de Sistemas de Equipamentos de Pressão Parte 1: Requisitos Básicos e Procedimentos de Implementação" também se refere ao método de classificação do modo de dano no rascunho da norma.