Welche sind die Hauptarten des Versagens von Druckbehältern?

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Wie im Titel beschrieben: Zusammenfassung, die ich während der Prüfungsvorbereitung erstellt habe. Ich möchte sie mit euch teilen und darüber diskutieren: Welche Arten von Versagen gibt es bei Druckbehältern? Antwort: Die Ausfälle von Druckbehältern lassen sich nach ihren Ursachen einteilen. Es gibt drei Hauptkategorien von Ausfallmustern: kurzfristige Ausfallmuster, langfristige Ausfallmuster und zyklische Ausfallmuster. Dabei umfassen die kurzfristigen Versagensmodi: (1) Sprödbruch ； (2) Zähbruch ； (3) Undichtigkeit der Verbindungen aufgrund übermäßiger Verformung ； (4) Rissbildung oder duktiles Reißen infolge überschüssiger lokaler Dehnung ； (5) Elastische, plastische oder elastoplastische Instabilität (Zusammenbruch) ； Zu den langfristigen Versagensmodi gehören: (6) Kriechbruch ； (7) Kreuzschub – Übermäßige Deformation an mechanischen Verbindungen oder eine nicht zulässige Lastübertragung ； (8) Kriechinstabilität ； (9) Erosion, Korrosion ； (10) Umgebungsbedingungen, die Rissbildung begünstigen (z. B. spannungskorrosionsbedingte Rissbildung, wasserstoffinduzierte Rissbildung) ； (11) Erweiterbare plastische Verformung ； (12) Wechselplastizität ； (13) Elastische Dehnungsermüdung (mittlere und hohe Zyklenzahl) oder elasto-plastische Dehnungsermüdung (niedrige Zyklenzahl) ； (14) Die Umgebung fördert die Ermüdung. Bei den Normen für Druckbehälter sind bei der Festlegung der Designkriterien und -methoden mindestens die folgenden Versagensmodi zu berücksichtigen: sprödes Versagen, duktiles Versagen, Undichtigkeit an Verbindungen, elastische oder plastische Instabilität sowie Kriechversagen. Welche Merkmale weist das spröde Versagen von Druckbehältern im Allgemeinen auf? Was ist die Ursache dafür? Welche Vorbeugungsmaßnahmen gibt es dagegen? Antwort: Das spröde Versagen ist ein plötzliches Versagen, das sehr gefährlich ist. Da es bei relativ niedrigen Spannungen auftritt, wird es auch als Niederdruckversagen bezeichnet. Die Merkmale des spröden Bruchs sind wie folgt: (1) Bei Behältern mit sprödem Versagen gibt es im Allgemeinen keine merkliche Dehnungsverformung; auch die Wanddicke des Behälters verringert sich in der Regel nicht ； (2) Die Risse sind parallel zueinander und stehen senkrecht zur Richtung der Hauptspannungen. In der Nähe der Bruchstelle ist die Querschnittsverringerung sehr gering; sie beträgt in der Regel nicht mehr als 3 %. An den Bruchflächen von Behältern mit dicken Wandungen finden sich oft Zickzack- oder strahlenförmige Streifen; dies ist eines der wichtigsten makroskopischen Merkmale des spröden Bruchs ； (3) Der Bruch beginnt stets an Stellen der Struktur, an denen es zu Spannungskonzentrationen kommt – also an Stellen mit Defekten oder plötzlichen geometrischen Veränderungen. Wenn die Risslänge eine kritische Größe erreicht hat, breitet sich der Riss schnell aus, wodurch die Struktur zerbricht ； (4) Die Zerstörung tritt meist augenblicklich ein; die Bruchgeschwindigkeit ist sehr hoch. Der Druck im Behälter kann sich kaum durch eine kleine Rissöffnung entladen, weshalb es bei sprödem Versagen häufig zu einem Zerbrechen in viele Stücke kommt, begleitet von herabfliegenden Fragmenten ； (5) Brüchigkeitsbruchunfälle treten meist bei niedrigen Temperaturen auf. Die Hauptgründe für sprödes Versagen sind: (1) Geringe Zähigkeit des Materials ； (2) Von Behältern und Schweißverbindungen ausgehende Spannungskonzentrationen ； (3) Es bestehen Restspannungen ； (4) Im Herstellungsprozess kam es zu unangemessener Kaltverformung. Zu den Hauptmaßnahmen zur Verhinderung von sprödem Bruch gehören: (1) Reduzierung der Spannungskonzentration in der Konstruktion und an den Schweißnähten sowie Beseitigung möglichst aller Defekte am Behälter. Daher ist darauf zu achten, dass bei den Arbeitsschritten wie Schweißkonstruktion, Materialauswahl, Schweißen und Prüfung die Spannungskonzentration möglichst gering gehalten wird. Die Verbindungsstellen sollen sanft übergehen, um Fehler wie Risse und Unterlaufungen zu vermeiden ； (2) Das Behältermaterial sollte eine gute Zähigkeit aufweisen. Die Materialwahl sollte anhand der Einsatzbedingungen des Behälters (insbesondere der Temperatur) erfolgen, damit er während seines Gebrauchs die nach den Vorschriften geforderten Zähigkeitswerte erreicht. Vermeiden Sie, dass es bei Start und Stopp zu einem zu schnellen Druckanstieg bzw. -abfall im Behälter kommt, da dies zu einer starken Verringerung der Zähigkeit des Materials führt ； (3) Beseitigung von Restspannungen. Daher ist es erforderlich, dass bei der Konstruktion und Herstellung die Schweißnähte sinnvoll angeordnet werden, während des Schweißens angemessene Maßnahmen ergriffen werden und nach dem Schweißen je nach Situation eine Wärmebehandlung durchgeführt wird ； (4) Stärkung der zerstörungsfreien Prüfung bei der Herstellung und im Einsatz. Die durchführung regelmäßiger Prüfungen und zerstörungsfreier Tests gemäß den geltenden Vorschriften ist eine äußerst wichtige Maßnahme, um zu verhindern, dass es zu bruchbedingten Unfällen bei Behältern kommt. Welche Merkmale weist die duktile Zerstörung von Druckbehältern im Allgemeinen auf? Was ist die Ursache dafür? Was sind die Vorbeugungsmaßnahmen? Antwort: Zu den Merkmalen des bruchhaften Versagens gehören: (1) Nach dem Versagen des Behälters weist die Wand eine deutliche plastische Verformung auf; die verbleibende Volumenverformung sowie die maximale Umfangsdehnung können bis zu 10 % betragen, in einigen Fällen sogar bis zu 20 % ； (2) Die Bruchfläche ist dunkelgrau und faserig; es gibt kein glänzendes Metallglanz ； Der Port ist nicht eben und bildet einen Winkel von 45° zur Richtung der Hauptspannungen ； Zerreißt aussehend ； (3) Nach dem Versagen von zylindrischen Behältern sind diese meist kegelförmig – mit kleinen Enden und einer größeren Mitte ； (4) Im Allgemeinen kommt es nicht zu einem Zerbrechen, d.h. es entstehen keine oder nur wenige Splitter; vielmehr entsteht lediglich ein Riss. Die Rissbildung hängt von der Expansionsenergie bei der Zerstörung des Behälters ab ； (5) Der tatsächliche Zerstörungsdruck des Behälters liegt in der Nähe des berechneten Zerstörungsdrucks; dieser Druck ist in der Regel mindestens so hoch wie die Zugfestigkeit oder Bruchfestigkeit des Materials. Zu den Ursachen für einen zyklischen Versagen gehören: (1) Überfüllung (bei Gasflaschen) ； (2) Überdruck während der Verwendung ； (3) Verringerung der Wanddicke des Behälters. Um ein plastisches Versagen von Druckbehältern zu verhindern, ist die grundlegendste Maßnahme sicherzustellen, dass unter allen Umständen die Gesamtmembranspannung an der Behälterwand unterhalb der Fließgrenze des Wandmaterials bleibt. Zu den wichtigsten Präventionsmaßnahmen gehören dabei: (1) Der verwendete Druckbehälter muss sorgfältig konstruiert werden, sodass er eine ausreichende Wanddicke aufweist, um bei dem vorgesehenen Betriebsdruck zu funktionieren und die Spannung in seiner Wand im zulässigen Bereich zu halten ； (2) Der Behälter muss gemäß den Vorschriften mit einer sicheren Druckentlastungseinrichtung ausgestattet werden, die empfindlich und intakt ist ； (3) Die Vorschriften für den Betrieb von Druckbehältern müssen sorgfältig befolgt werden, um zu verhindern, dass die Behälter unter Überdruck arbeiten ； (4) Die Wartung und Inspektion der im Einsatz befindlichen Behälter muss verstärkt werden. Es müssen wirksame Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass korrosive Stoffe sowie die Umweltbedingungen den Behältern schaden. Während der Inspektion sollte die weitere Verwendung eingestellt werden, falls festgestellt wird, dass die Wand des Behälters korrodiert ist, sodass ihre Dicke erheblich abgenommen hat, oder falls während des Betriebs eine deutliche plastische Verformung der Behälterwand auftritt. Welche Merkmale weist der Ermüdungsbruch von Druckbehältern im Allgemeinen auf? Was ist die Ursache dafür? Was sind die Vorbeugungsmaßnahmen? Antwort: Die Merkmale des Ermüdungsbruchs umfassen im Allgemeinen: (1) Nach dem Bruch des Behälters weist die Wand eine deutliche plastische Verformung auf; der Durchmesser nimmt nicht merklich zu, und die Wanddicke verringert sich in den meisten Fällen ebenfalls nicht signifikant ； (2) Am Bruchflächenbild bei Ermüdungsbruch sind in der Regel zwei deutlich unterscheidbare Bereiche zu erkennen: einerseits der Bereich, in dem die Ermüdungsrisse entstehen und sich ausbreiten, andererseits der Bereich des endgültigen Bruchs. Bei den meisten Druckbehältern ist die Zyklusdauer der Spannungsänderungen relativ lang und das Risswachstum verläuft eher langsam. Deswegen sind manchmal immer noch bogenförmige Muster des Risswachstums zu erkennen. Wenn die Ermüdungslinien an der Bruchstelle relativ klar erkennbar sind, kann man anhand davon auch den Ursprungspunkt des Ermüdungsrisses bestimmen. Es entsteht meist an Stellen mit Spannungskonzentration ； (3) Die Ermüdungsbruchschäden an Behältern führen meist dazu, dass ein Riss entsteht, wodurch der Behälter undicht wird und ausfällt ； (4) Das Zerbrechen tritt immer dann auf, wenn der Behälter wiederholt unter Druck gesetzt und entlastet wird. Die Hauptbedingungen für das Auftreten von Ermüdungsbruchunfällen sind: (1) Es besteht eine starke Spannungskonzentration in dem Behälter und den Schweißverbindungen ； (2) Die örtliche Spannung an einzelnen Stellen überschreitet die Fließgrenze des Materials. Die unnormalen Betriebsbedingungen, die zu Versagen durch Ermüdung führen, sind hauptsächlich Folge davon, dass der Behälter häufig gestartet und gestoppt wird – wodurch er einer übermäßigen Anzahl an wiederholten Belastungen ausgesetzt ist ； (2) Der Druck im Behälter ändert sich oder schwankt während des Betriebs in einem weiten Bereich ； (3) Die Betriebstemperatur des Behälters ändert sich periodisch in größerem Ausmaß, wodurch es zu wiederholter Einwirkung thermischer Spannungen auf die Behälterwand kommt ； (4) Der Behälter oder seine Anschlüsse weisen starke erzwungene Schwingungen auf, wodurch lokale Spannungen entstehen ； (5) Der Behälter wird periodischen äußeren Lasten ausgesetzt. Die Ermüdungsbruch von Behältern wird durch wechselnde Lasten sowie zu hohe örtliche Spannungen verursacht. Um solche Unfälle zu verhindern, sollte man im Betrieb möglichst auf unnötige häufige Druck- und Entlastungsvorgänge sowie starke Temperaturschwankungen verzichten. Noch wichtiger ist es jedoch, bei der Konstruktion von Behältern die lokalen Spitzenbelastungen so gering wie möglich zu halten, sodass sie den Dauerfestigkeitswert des Materials nicht überschreiten. Falls es tatsächlich unvermeidlich ist, dass an dem Behälter hohe örtliche Spannungen auftreten, sollten eine Ermüdungsanalyse und ein Ermüdungsdesign durchgeführt werden. Welche Merkmale hat das Kriechversagen von Druckbehältern? Welche Bedingungen führen zu einem Versagen durch Kreuzverschiebung? Antwort: Die Merkmale des Kriechversagens umfassen im Allgemeinen: (1) Eine deutliche Verformung, deren Ausmaß mit der Plastizität des Materials bei hohen Temperaturen zusammenhängt ； (2) Der Bruch zeigt ein sprödes Bruchbild ； (3) Im Stahl findet ein Graphitisierungsprozess statt. Die Bedingungen für Kreppbruchunfälle sind: (1) Unsachgemäße Materialauswahl – es werden Materialien verwendet, die bei Raumtemperatur plastisch sind, aber bei hohen Temperaturen spröde werden, oder es wird herkömmlicher Kohlenstoffstahl anstelle von Legierungsstählen mit guten Kriecheigenschaften eingesetzt ； (2) Uneinheitliche Konstruktion, unsachgemäße Bedienung sowie mangelnde Wartung können dazu führen, dass bestimmte Bereiche überhitzt werden. Wir heißen Kritik, Korrekturen, Diskussionen, Ergänzungen und Verbesserungen willkommen.