疲勞斷裂失效機(jī)理
在交變載荷與應(yīng)變長時間作用下的金屬材料或者零件，其損傷因不斷積累而造成的斷裂形成疲勞斷裂失效。疲勞裂紋的具體過程是疲勞裂縫發(fā)生、損傷擴(kuò)展為疲勞裂縫亞臨界狀態(tài)、最后擴(kuò)展為疲勞裂縫失穩(wěn)。其失效特點(diǎn)為：在交變載荷作用下，經(jīng)過一定量的周次循環(huán)而產(chǎn)生的斷裂問題;疲勞斷裂的過程中會出現(xiàn)低應(yīng)力脆斷突發(fā)特點(diǎn);疲勞斷裂失效過程體現(xiàn)為局部區(qū)域性;在交變載荷作用下，金屬構(gòu)件的失效斷口周圍沒有出現(xiàn)宏觀的塑性變形特點(diǎn)，斷口呈現(xiàn)出明顯的貝殼紋花樣。
要求
工業(yè)吸收塔應(yīng)具備以下基本要求：
1.塔內(nèi)氣體與液體應(yīng)有足夠的接觸面積和接觸時間。
2.氣液兩相應(yīng)具有強(qiáng)烈擾動，減少傳質(zhì)阻力，提高吸收效率。
3.操作范圍寬，運(yùn)行穩(wěn)定。
4.設(shè)備阻力小，能耗低。
5.具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力。
6.結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和檢修。
常用類型
填料塔
它由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進(jìn)出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。
填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。
填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定的機(jī)械強(qiáng)度、密度小、價格低廉等。
常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料，20世紀(jì)80年代后開發(fā)的新型填料如QH-1型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為*的填料塔設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
填料塔適用于快速和瞬間反應(yīng)的吸收過程，多用于氣體的凈化。
該塔結(jié)構(gòu)簡單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時間長，氣量變化時塔的適應(yīng)性強(qiáng)，塔阻力小，壓力損失為300～700Pa，與板式塔相比處理風(fēng)量小，空塔氣速通常為～/s，氣速過大會形成液泛，噴淋密度6～8m3/(m2，h)以保證填料潤濕，液氣比控制在2～10L/m3。
填料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設(shè)計(jì)時應(yīng)克服塔內(nèi)氣液分布不均的問題。
湍球塔
它是填料塔的一種特殊形式，運(yùn)行時塔內(nèi)填料處于運(yùn)動狀態(tài)，以強(qiáng)化吸收過程。
在塔內(nèi)柵板間放置一定數(shù)量的輕質(zhì)小球填料(直徑29～38mm)，吸收劑自塔頂噴下，濕潤小球表面，氣體從塔底進(jìn)入，小球被吹起湍動旋轉(zhuǎn)，由于氣、液、固三相充分接觸，小球表面液膜不斷更新，增加了吸收推動力，提高了吸收效率。
該塔制造、安裝、維修較方便，可以用大小、質(zhì)量不同的小球改變操作范圍。
該塔處理風(fēng)量較大，空塔氣速～/s，噴淋密度20～110m3/(m2·h)，壓力損失1500～3 800Pa，而且還可處理含塵氣體。
其缺點(diǎn)是塑料小球不能承受高溫，小球易裂(一般～1年)，需經(jīng)常更換，成本高。
板式塔
板式塔是在塔內(nèi)裝有一層層的塔板，液體從塔頂進(jìn)入。氣體從塔底進(jìn)入，氣液的傳質(zhì)、傳熱過程是在各個塔板上進(jìn)行。
板式塔種類很多。
大致可分為二類：一類是降液管式，如泡罩塔、篩孔板塔、浮閥塔、S形單向流板塔、舌形板塔、浮動噴射塔等;另一類是穿流式板塔，如穿流柵孔板塔(淋降板塔)、波紋穿流板塔、菱形斜孔板塔、短管穿流板塔等。
(1)篩孔板塔
篩孔直徑一般取5～10mm，篩孔總面積占篩板面積的10%～18%。
為使篩板上液層厚度保持均勻，篩板上設(shè)有溢流堰，液層厚度一般為40mn左右，篩板空塔風(fēng)速約為～/s，篩板小孔氣速6～13m/s，每層篩板阻力300～600Pa。
篩孔板塔主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，處理風(fēng)量大，并能處理含塵氣體。
不足之處是篩孔堵塞清理較麻煩，塔的安裝要求嚴(yán)格，塔板應(yīng)保持水平;操作彈性較小。
(3)文氏管吸收器
文氏管吸收器通常由文氏管、噴霧器和旋風(fēng)分離器組成，操作時將液體霧化噴射到文氏喉管的氣流中，氣流速度為60～100m/s，處理100m3/min的廢氣需液體霧化噴人量為40L/min。
文氏管吸收器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備小、占空間少、氣速高、處理量大、氣液接觸好、傳質(zhì)較容易，特別適用于捕集氣流中的微小顆粒物。
但因氣液并流，氣液接觸時間短，不適合難溶或反應(yīng)速度慢的氣液吸收，而且壓力損失大(800～9000h)，能耗高。
吸收設(shè)計(jì)
吸收塔(absorption tower)用以進(jìn)行吸收操作的塔器。
利用氣體混合物在液體吸收劑中溶解度的不同，使易溶的組分溶于吸收劑中，并與其他組分分離的過程稱為吸收。
操作時，從塔頂噴淋的液體吸收劑與由塔底上升的氣體混合物在塔中各層填料或塔盤上密切接觸，以便進(jìn)行吸收。
伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收叫化學(xué)吸收。按吸收時氣液作用方式吸收塔可分為表面式、膜式、噴淋式和鼓泡式等。
設(shè)計(jì)步驟
(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案;
(2)針對物系及分離要求，選擇適宜填料;
(3)確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸(考慮噴淋密度);
(4)計(jì)算塔高、及填料層的壓降;
硫化氫吸收塔的疲勞失效分析
失效模式的判別
壓力容器失效過程信息是指由內(nèi)部誘發(fā)因素推斷的物理、化學(xué)過程信息，具體包含各類規(guī)則、機(jī)制、模型等，它通過樹結(jié)構(gòu)方式，利用科學(xué)的搜索對策，采取一定的解釋程序進(jìn)一步推理失效過程。
2)脆性斷裂失效機(jī)理
脆性斷裂失效是指構(gòu)件的裂紋在穩(wěn)定的擴(kuò)展過程中，并未出現(xiàn)明顯的塑性變形而造成的斷裂失效模式。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，脆性斷裂是十分危險的一種失效模式。脆性斷裂的失效特點(diǎn)為：在斷裂之前沒發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，但實(shí)際分析案例中發(fā)現(xiàn)，通常其斷口垂直于正應(yīng)力，且斷口表面齊平;但往往其邊緣會缺少剪切唇口，或者斷口的剪切唇口較小。構(gòu)件脆性斷裂的斷口顏色呈現(xiàn)光亮或偏暗的情況。有時脆性斷裂的光亮斷口宏觀浮雕在迅速擴(kuò)展裂紋過程中，產(chǎn)生了發(fā)射性的線條，當(dāng)脆性斷口發(fā)生轉(zhuǎn)動時，通常會出現(xiàn)反光的小平面;而對于脆性偏暗的斷口;其宏觀狀態(tài)則形成粗糙且未定型的表面，偶爾其斷口的外形也會出現(xiàn)晶粒。
4)蠕變斷裂失效機(jī)理
恒溫恒應(yīng)力長期作用于金屬材料而形成緩慢塑性變形即為金屬蠕變。其失效特點(diǎn)為：工作條件為恒溫、恒力與長期作用，緩慢的變形速度;宏觀斷口存在顯著的氧化色或者黑色;微觀斷口一般是沿晶斷裂，不會產(chǎn)生疲勞條痕特點(diǎn)。
5)均勻腐蝕失效機(jī)理
金屬整個表面均勻地出現(xiàn)腐蝕作用，其失效特點(diǎn)為：受腐蝕的金屬構(gòu)件化學(xué)成分均勻的以及顯微組織的表面平均，均勻地腐蝕環(huán)境不受限制的覆蓋于金屬表面;均勻腐蝕可以理解為在金屬表面出現(xiàn)的局部電解腐蝕;均勻腐蝕下的金屬有色澤偏暗且光滑的表面形貌，或因大片金屬遭遇腐蝕而使表面較為粗糙。
6)點(diǎn)腐蝕失效機(jī)理
點(diǎn)腐蝕失效指游離物質(zhì)在金屬材料和環(huán)境中發(fā)生化學(xué)作用造成的失效。其失效特點(diǎn)為：構(gòu)件局部區(qū)域出現(xiàn)腐蝕，有明顯的尖銳小孔，小孔進(jìn)一步擴(kuò)展為深孔甚至發(fā)生穿透;在潮濕的環(huán)境或者大氣中水膜凝聚于金屬表面，使得金屬表面時常發(fā)生點(diǎn)腐蝕;點(diǎn)蝕坑經(jīng)直觀放大發(fā)現(xiàn)其邊沿平滑，且由于孔底被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，坑底為深灰色;蝕坑經(jīng)過磨片垂直觀察，發(fā)現(xiàn)蝕坑大部分體現(xiàn)為圓形或者多邊形。
7)應(yīng)力腐蝕失效機(jī)理
在靜載拉力和腐蝕環(huán)境共同作用下，金屬材料形成的局部腐蝕破裂稱為應(yīng)力腐蝕失效。其失效特點(diǎn)為：敏感的腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力作用的工作環(huán)境中;腐蝕斷裂區(qū)和瞬斷區(qū)兩區(qū)域出現(xiàn)宏觀斷口。應(yīng)力腐蝕斷裂區(qū)表現(xiàn)為暗灰色，斷口組織較為粗糙，同時被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋;瞬斷區(qū)出現(xiàn)的新鮮斷口大多呈現(xiàn)纖維狀且伴隨著輻射棱線;應(yīng)力腐蝕裂紋呈現(xiàn)樹枝狀形貌，分叉裂紋也是腐蝕產(chǎn)物累積效應(yīng)形成的結(jié)果。
失效原因的判斷及預(yù)防措施
1、失效原因判斷
失效原因的判斷應(yīng)分別從是選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境、運(yùn)行操作等方面實(shí)施分析。
(1)選材：材料的選擇是否合理，材料的化學(xué)成分、冶金過程質(zhì)量、表面狀態(tài)是否正常，尤其需要了解材料強(qiáng)度、剛度、韌性等各類因素。若無法正確選材，應(yīng)用溫度明顯比材料蠕變溫度高;或材質(zhì)劣化，長期在高溫環(huán)境中應(yīng)用時易造成材質(zhì)滲碳。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：構(gòu)件的幾何形狀、截面大小、圓角半徑大小、表面光潔程度等是否科學(xué);結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的缺陷，形成了較大的殘余應(yīng)力等。
(3)環(huán)境因素：金屬所處環(huán)境中擁有較高或者較低濃度的腐蝕劑;溫度的提高也會增加金屬的腐蝕速率;金屬材料和環(huán)境介質(zhì)的相容性較差，且因濕度不適應(yīng)而直接破壞了材料表面的氧化膜;材料表面呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。
(4)運(yùn)行操作因素：違規(guī)進(jìn)行操作或安全附件失靈導(dǎo)致出現(xiàn)溫度突變或操作溫度比材料韌性轉(zhuǎn)變溫度低;使壓力容器內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)異常反應(yīng);下或者交變載荷作用下，使得應(yīng)力集中區(qū)域疲勞裂紋逐漸向失穩(wěn)斷裂擴(kuò)展;在交變載荷與腐蝕介質(zhì)的共同作用下，最后產(chǎn)生腐蝕疲勞斷裂。
2、 失效預(yù)防措施
(1)科學(xué)選材，在低溫下嚴(yán)格禁止采用非低溫用鋼，選擇高抗蝕的材料。
(2)改良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，盡量采用圓滑過度以減少構(gòu)件的應(yīng)力集中;設(shè)備運(yùn)行過程中，應(yīng)盡可能地避免頻繁的交變載荷，避免超溫運(yùn)作及局部過熱，防止出現(xiàn)水停滯，通過熱處理對殘余應(yīng)力有效消除。
(3)強(qiáng)化材質(zhì)性能的定期檢驗(yàn)，對金屬構(gòu)件或設(shè)備所處的環(huán)境的腐蝕劑濃度實(shí)行嚴(yán)格檢測，并降低環(huán)境介質(zhì)的有效溫度等。
(4)改善介質(zhì)環(huán)境，減少氧化陽離子，將適當(dāng)元素添加至材料中，提升材料的抗蝕能力，采用表面防護(hù)方法。
通過相應(yīng)的公式計(jì)算吸收塔內(nèi)壁所承受應(yīng)力值，由所計(jì)算出的結(jié)果可知，吸收塔的周向應(yīng)力值。但由于焊縫與噴嘴附近的應(yīng)力過于集中，以及焊縫在焊接殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下，最終使得吸收塔的內(nèi)壁形成較大的應(yīng)力，這為應(yīng)力腐蝕提供了十分重要的條件。通過對失效破壞的吸收塔進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，吸收塔的失效是由于集中應(yīng)力與腐蝕敏感介質(zhì)的共同作用，從而產(chǎn)生了樹枝狀形貌的裂紋，在微觀斷口出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，在晶界面上有腐蝕凹坑。因此可判斷，吸收塔屬于應(yīng)力腐蝕失效。吸收塔的局部區(qū)域應(yīng)力集中較高，如殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，以及因 KOH 引起材料的堿脆，這些因素加劇了吸收塔的應(yīng)力腐蝕失效?？茖W(xué)選材，改良條件，盡可能避免腐蝕環(huán)境;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為避免應(yīng)力過于集中，在吸收塔應(yīng)力集中區(qū)域安裝環(huán)形角鋼支撐架，從而降低殘余應(yīng)力。壓力容器損壞事故中由于逐漸擴(kuò)展的疲勞裂紋問題大概占 40%，因此，對疲勞失效特點(diǎn)、原因和措施進(jìn)行系統(tǒng)研究具有重要意義。
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