從壓力容器事故處理談設備設計制造本質安全

李 進

（寧夏特種設備檢驗檢測院吳忠分院，寧夏吳忠 751100）

0 引言

壓力容器的風險是壓力容器在使用的過程中特殊的條件所導致，壓力容器內介質性能復雜，工藝條件參數壓力、溫度、液位、載荷等多變，由于壓力容器存在材料缺陷，設計制造缺陷，在這些因素的綜合作用影響下可能會導致這些缺陷擴展，最終致使壓力容器失效、發生事故，造成財產損失、人員傷亡。從事故處理過程中看，因設計制造缺陷導致的事故實例不少。

1 壓力容器設計缺陷

1.1 用戶提供的設計條件不全

用戶沒有充分提供包括操作參數，使用所在地的自然條件包括環境溫度，風和雪載荷，抗震設防烈度以及設計需要的其他必要條件。設計人員根據經驗，參照其他類似設備設計。

1.2 對壓力容器標準規范掌握不透徹

設計人員尤其是一些中小壓力容器制造企業的設計部門的設計人員對壓力容器標準規范掌握不透徹、實踐經驗不足。對壓力容器失效的各種模式機理研究掌握不透。主要表現在設計壓力容器選材不當，腐蝕防護不當等方面。例如，某氯堿生產企業的氯乙烯單體貯罐發生泄漏事故，經查是因為選材不當，腐蝕導致介質泄漏。

1.3 結構設計不合理

目前，壓力容器主體結構設計普遍很少有問題，結構設計缺陷主要發生在開孔、大開孔、開孔補強結構、結管與殼體聯接結構、法蘭等方面。主要是設計人員對技術標準掌握不全面導致的。在某制造企業的一臺塔器耐壓試驗過程中發現從人孔補強圈及一接管與筒體連接部位漏水。該塔器介質具有易燃易爆性按規范應該設計為全焊透結構，查設計圖紙為非全焊透，產品上也是非全焊透結構，而且這些部位還有焊接缺陷。

1.4 腐蝕防護方面問題

在壓力容器設計中，介質對材料的腐蝕，要綜合全面考慮介質的腐蝕特性，介質在容器中的流動、積存，壓力容器用材料選擇、制造工藝、熱處理等各個方面。隨著改革的發展，目前壓力容器設計不需許可，一些中小壓力容器制造企業只要有相關設計人員就可進行壓力容器設計。由于腐蝕方面的問題非常復雜，涉及到許多方面的知識，在設計過程中考慮不周，就會留下隱患。按腐蝕發生的面積大小，分為全面腐蝕和局部腐蝕。在壓力容器設計過程中，針對全面均勻腐蝕的措施是根據介質對材料的腐蝕速率，設計使用壽命確定腐蝕裕量來控制，通常不存在問題。對于局部腐蝕，卻不好處理。因為局部腐蝕機理復雜，處理起來更加困難，局部腐蝕主要有孔蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、電化學腐蝕、應力腐蝕、氫致開裂、腐蝕疲勞、沖刷腐蝕等。壓力容器設計工作不只是設計標準、設計規范、設計手冊的簡單疊加。一些設計人員被動地理解設計標準、規范，對這些問題處理不當就會留下隱患。在壓力容器使用檢驗過程中，由于局部腐蝕導致泄漏，發生火災、爆炸事故的案例不少，尤其在石油化工行業問題更為突出。

2 制造缺陷

2.1 材料選擇缺陷

在壓力容器制造過程中，一些制造企業由于庫存、采購壓力容器用材料以及工期等原因，會發生材料代用現象。“以優代劣”“以厚代薄”現象時有發生。由于所謂“以優代劣”問題，一種材料雖在某一方面的性能“優于”另外一種材料，但同時有可能在其他方面“劣于”另外一種材料。在制造過程中時有材料代用現象，雖然有利于壓力容器制造，但不利于壓力容器的使用、修理、改造、檢驗等后續過程。留下隱患。同樣“以厚板材代替薄板材”表面上看增加了強度。但實際上非常不合理。厚度增加使殼體的受力有可能從平面應力狀態變為平面應變狀態，更容易產生應變脆性斷裂。而且以厚代薄還會使后續設計的焊接要求、無損檢測要求、熱處理等工藝發生變化。同時殼體加厚，還會增加容器的重量，有可能使容器支座、基礎等受力狀況惡化。

2.2 焊接質量缺陷

對于開孔、大開孔、補強結構，接管與殼體連結結構，以及只要求局部無損檢測的容器殼體，由于制造過程控制不嚴，有的不嚴格按設計圖紙施工，在組對、焊接過程不嚴格執行工藝，檢查不到位，往往有焊接缺陷。在檢驗一臺液化石油氣貯罐過程中，通過磁粉探傷，發現排污口接管與殼體連接部位有表面裂紋，進一步進行超聲波檢測，發現有埋藏裂紋缺陷。經與焊接人員溝通，令人非常吃驚的是，焊接人員認為，該部位不需超聲波檢測，只要消除表面裂紋即可。可見對這些部位的重視程度不夠，失控較為嚴重。

2.3 熱處理隱患

壓力容器的熱處理主要分為成型受壓元件的恢復力學性能熱處理工藝、焊后消除應力熱處理和改善材料力學性能熱處理。熱處理工藝方案正確與否及執行是否到位，對壓力容器的安全運行的影響是不言而喻的。當前，受行業體制及經濟效益的影響，一些熱處理尤其是大型壓力容器的熱處理通常是分包的。由于目前對熱處理分包企業無資質許可認定。通常是由壓力容器制造企業對熱處理企業進行評估，監督控制熱處理質量。熱處理設備及儀表，操作人員是否完全要求，能否嚴格執行熱處理工藝對熱處理結果都有很大影響。過程控制不嚴，會留下隱患。此外，對于球罐等在使用現場組焊制造的大型壓力容器的焊后熱處理，受現場環境條件的制約，工藝執行不盡如人意，如果監督管理不嚴，熱處理效果難以達到設計文件的要求。對設備的安全運行埋下隱患。

3 無損檢測技術在壓力容器中的應用

3.1 射線檢測

射線檢測是現階段應用較為廣泛的一種壓力容器的無損檢測技術，其工作原理是根據壓力容器的器壁對于射線的吸收強度不同，進而觀察壓力容器器壁是否存在缺陷。射線檢測可完成對接焊縫的檢測，對壓力容器焊縫是否存在氣孔或夾渣等體積性缺陷具有較強的反應能力，通常對于薄壁容器焊縫檢測可以通過X 射線進行。對于壁厚大的容器焊縫檢測可以用放射性源進行檢測。

3.2 超聲檢測

超聲檢測也是現階段應用比較廣泛的一種無損檢測技術，超聲檢測的工作原理是基于壓電材料在一定頻率下能夠發射超聲波，超聲波在接觸到不同材質的物體是說返回的波長是不相同的，根據接收和分析返回的波長來判斷壓力容器內部是否存在缺陷。

超聲檢測的優勢是成本低、檢測速度較快、檢測面積大；而超聲檢測也有固有的缺陷，例如超聲檢測對于細小缺陷的反應程度較弱，一般來講只有缺陷的尺寸超過半波長的缺陷才能被檢查到。此外超聲檢測的操作也有一定難度，對操作人員的技術水平同樣要求較高，這是因為超聲在垂直狀態下對壓力容器內部進行發射，才可以接受到回波，但如果操作人員對壓力容器內部成斜狀射入，通常會導致超聲波回波無法被檢測。

隨著技術進步，超聲波檢測技術不斷改進，目前數字超聲波檢測技術逐漸成熟，可記錄的超聲波檢測儀檢測技術與射線檢測在壓力容器檢測中取得相同的地位，尤其是衍射時差法（TOFD）超聲檢測技術的成熟應用，在壓力容器制造檢測中已取得與射線完全相同的地位，但比射線檢測安全方便經濟，使得現場制造的球罐等大型壓力容器檢測時間大幅度減少，方便快捷可靠。

3.3 磁粉探傷檢測

這種檢測方式主要是利用壓力容器被磁化后會攜帶一定的磁性，帶有磁性的壓力容器在通過磁粉磁化檢測后會抵消壓力容器本身所攜帶的磁性，然而如果壓力容器存在缺陷或孔洞的現象，缺陷部位因為無法被磁粉的磁化影響導致這部分缺陷依然存在較大的磁性，在噴灑磁粉之后，這部分磁性較強的缺陷會形成較大的磁力場，以磁粉聚集狀態的方式對內部缺陷進行表現，這一現象也被稱之為缺陷漏磁現象。

缺陷漏磁的強度會受到缺陷本身的大小、種類和分布狀況，通常來講壓力容器本身因為其特殊的材質影響，很容易出現被磁化的現象。磁粉檢測的優勢在于這部分磁粉在應用完畢之后可以再次回收，也就極大的降低了在檢測過程中所造成的成本；但是磁粉檢測本身的缺陷也非常明顯，磁粉檢測只能檢測到壓力容器表面或近表面的缺陷。

3.4 滲透探傷檢測

滲透探傷檢測指的是利用毛細現象來檢測材料表面是否存在缺陷的一種無損檢測，滲透探傷檢測最早出現于20 世紀初期，被廣泛的利用與滲透能力較強的煤油檢查和機車零件的裂縫，在上世紀后半葉才出現開發出更多的應用方式。滲透探傷包含有熒光法和著色法兩種，其中應用較為廣泛的是熒光法，熒光法的應用原理是將帶有熒光性物質的滲透液敷在被檢測材料的表面，而根據毛細現象這部分滲透液會慢慢滲透入材料的缺陷內部。之后將檢測部位表面的滲透液擦拭干凈，通過觀察帶有熒光性質的滲透液，在材料內部所反映出來的形狀、深度、大小來判斷壓力容器內部所存在的缺陷。

滲透探傷檢測方式也有自己的優劣勢。其中滲透探傷的操作非常簡單，并且在操作的過程中不需要復雜的設備對這一操作過程進行輔助處理，帶有熒光性質的滲透液價格也相對低廉，整個過程所產生的結果非常明顯，可以說滲透檢測是現有技術中檢測最為靈敏的一種方式，滲透探傷檢測可以觀察到寬度＜1 μm的缺陷。滲透探傷檢測因為這個過程中不會受到被檢測材料的材質影響，因而被廣泛的應用于黑色和有色金屬鍛件、鑄件、焊接件等表面，滲透探傷檢測所反映的問題也非常多，例如裂紋、氣孔等都可以被反映出來；但是如果被檢測材料表面或內部具有較多的孔洞，則滲透探傷檢測的方式無法被使用。

4 結束語

介紹目前壓力容器常用的幾種無損檢測方法，嚴格的說是無損探傷，這些方法的主要作用就是在不損傷壓力容器金屬材料的前提下，檢測出容器表面、容器焊縫內部的缺陷以達到設計要求。但是，隨著技術進步，無損檢測不僅是檢測容器內外部缺陷。現在已可以測定壓力容器元件的成分（手持光譜檢測儀），容器元件的組織結構、晶粒度，金相組織（便攜式金相儀），硬度（便攜式硬度測試儀）、殘余應力，元件內部應力狀態的測定（X 射線衍射測定，聲發射儀測定），隨著這些技術的成熟應用，以及從設計制造環節盡可能做到本質安全，將極大減少壓力容器事故發生的概率。