化工設備壓力容器破壞原因及預防分析

摘要：近年來，隨著工業(yè)生產規(guī)模的擴大，壓力容器在生產領域每年以20%的數量增加，應用范圍越來越廣。在化工工業(yè)中，工業(yè)設備壓力容器惡性事故的危害與影響不能忽視，要求工作人員提高對壓力容器使用的認知度，嚴格按照規(guī)定要求，加強對密封質量與容器破裂危險因素的控制，同時提升容器的生產技術及管理技術水平，確保容器的安全性能，有效預防壓力容器破裂的情況發(fā)生。

關鍵詞：化工設備? 壓力容器? 破壞原因? 預防措施

在長期的發(fā)展過程中，壓力容器的結構日漸復雜、類型多樣，在操作過程中有著極高的操作標準和要求，因此安全管理工作成為壓力容器操作和使用中的關鍵環(huán)節(jié)。由于壓力容器盛裝的氣體或液體具有易燃、易爆等特性，操作不當將引發(fā)非常嚴重的事故，因此必須要加強對其的安全操作管理，提升其利用價值。

1 化工設備壓力容器的事故特點

壓力容器屬于承壓設備，是指危險性較大與涉及生命安全的承壓類特種設備和安全附件，包括壓力管道與鍋爐等。壓力容器的類型多樣性，可以按照承壓方式對其進行分類，將其分為內壓與外壓容器。如果分類方式選擇壓力大小，則可以將其分為高壓、低壓、中壓及超高壓容器。如果在分類的過程中，選擇的分類方式是工作溫度，包括低溫、高溫及常溫容器。如果按照制作方式對其進行分類，其包括了鍛造、焊接及鑄造容器等不同的分類方式，其所分類出來的內容有所區(qū)別，但是任何一個化工設備壓力容器在使用的過程中，都不能忽視其安全可靠性的把控。化工設備壓力容器的事故特點，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 危險性大

化工產品有高溫高壓與毒性及易燃易爆等特點，壓力容器發(fā)生火災與泄漏及爆炸的可能性大，在危險性上是其他行業(yè)不能比擬的。由于部分化工原料的反應性與毒性和易燃性強，是促使化工企業(yè)內部頻發(fā)惡性事故的主要原因。化工企業(yè)發(fā)生火災爆炸與泄露等惡性事故后，不僅會造成工作人員受傷或死亡，還會引起較大的經濟損失。

1.2 環(huán)境污染

化工生產時運用到的原料與產品及中間體和副產品等物質，有一定程度的工業(yè)毒性和腐蝕性。泄漏到水體或空氣中，尤其是未經過處理的工業(yè)物質，不僅會引起不同程度的環(huán)境污染，也會引發(fā)經濟損失和人員傷亡等。化工企業(yè)的惡性事故，普遍存在治理難度大與影響時間長等特征。

1.3 影響設備正常運行

化工企業(yè)對工業(yè)設備的運行要求較高，但大部分化工設備壓力容器的運行環(huán)境惡劣，長期在腐蝕與高溫和高壓等環(huán)境中運行，受到振動與內部腐蝕介質等因素影響，會使得設備金屬產生疲勞感等質量問題，會直接影響化工設備的正常運行，這也是化工企業(yè)在設備安全使用管理中不能忽視的問題。

2 化工壓力容器破壞的形式與原因及特征

2.1 過度塑性變形

一旦化工壓力容器自身的壓力荷載超過已經既定的數值時，就會導致化工設備的壓力容器壁漸漸變薄，甚至處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。容器也會由于其過度的塑形而成現(xiàn)形變，甚至導致容器直接破裂，如果過度塑形而產生的破裂，其斷口的狀態(tài)是一種撕裂的效果，而容器中也會伴隨著少量的碎塊，或者是不產生破片。與此同時，化工設備壓力容器爆破的能量，直接決定了容器爆破口的大小。

2.2 過度彈性變形

彈性變形，是指當化工壓力容器固體受到外力的作用，進而產生了一定的形變，這種形變是一種直接表現(xiàn)形式，而當外力撤出之后，物體會漸漸地恢復到最初原來的形狀。為此，可以將其稱之為彈性性質。這是一種可逆性的變形，通常情況下，人們將之稱為彈性變形，但是如果在使用化工壓力容器中，出現(xiàn)了過度彈性變形時，易促使化工設備壓力容器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著外力作用的增強，化工設備壓力容器會逐步向失穩(wěn)的程度過渡。

2.3 大應變疲勞

在交變應力的作用影響下，局部結構的不連續(xù)處或開孔接管周圍等化工設備壓力容器的局部區(qū)域，而其中金屬晶粒受到的力最大，會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，進而逐步向呈現(xiàn)微小裂紋過度。隨著裂紋兩端逐步增加和擴展，最終形成的化工壓力設備，其自身容易疲勞，并且容易受到明顯的破壞。高壓力的局部本身擁有極高應力。面對極高應力的局部區(qū)域，首先出現(xiàn)疲勞的現(xiàn)象，高應力會引起大應變部位的破壞。為此，也可以將其稱為大應變疲勞，在目前分析化工壓力設備容器在使用的過程中發(fā)現(xiàn)其所具有的疲勞破壞特征主要體現(xiàn)在以下幾點，即容器變形不明顯;破裂斷口主要存在于疲勞裂紋產生至擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)的兩個區(qū)域;化工設備壓力容器因開裂泄露而失效;化工設備壓力容器反復加卸載后更容易產生疲勞破壞。

2.4 腐蝕疲勞

共同作用下，進而形成的一種全新破壞形式，如果基于材料的腐蝕疲勞這一角度進行分析，能發(fā)現(xiàn)其會導致金屬表面發(fā)生極為明顯的局部破壞，導致金屬產生疲勞裂紋。金屬表面的保護膜在交變的拉伸應力作用下發(fā)生破壞，從而產生表面腐蝕。交變應力在破壞保護膜之后，保護膜無法再次形成，這也會導致在腐蝕坑中出現(xiàn)沉積，直接影響到氧的擴散，導致保護膜無法在短時間內恢復，其最終所形成的是一種惡性循環(huán)。然而，腐蝕坑的底部，則始終處于一種相對較為活躍的活性狀態(tài)，易形成腐蝕電池的陽極，最終在交變應力與腐蝕的雙重作用下，裂紋會不斷的發(fā)展，直到最終金屬呈現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

2.5 應力腐蝕

在分析應力腐蝕時，考慮到應力腐蝕主要是指拉伸應力與金屬腐蝕介質聯(lián)合作用，進而形成一種獨特的破壞形式。當化工壓力容器出現(xiàn)金屬應力腐蝕這一現(xiàn)象后，由于應力腐蝕兩個不同的作用因素，處于一種相互促進的狀態(tài)，其中腐蝕會直接減少金屬本身的有效截面積，并且在金屬的表面漸漸形成一個缺口，促使其應力更加集中。同時，也需要考慮到基于預應力的作用下，腐蝕的進度會漸漸被加速，基礎造成的結果就是金屬表面的缺口會越來越大，直到最后的斷裂。

2.6 脆性破裂

脆性破裂是指未顯著塑性變形的斷裂，脆性破裂的容器部位常有碎片飛出，并呈現(xiàn)出碎塊狀;通常在低溫狀況下發(fā)生破裂事故;中低強度制造的厚壁容器與高強度鋼制的壓力容器上，更容易發(fā)生脆性斷裂。

2.7 氫腐蝕破裂

由于大部分的工業(yè)設備，其壓力容器在制作和使用的過程中均屬處在高溫、高壓的情況下。為此，鋼的表面會吸附大量的氫分子。而氫分子會漸漸分解成為氫離子或原子，導致在鋼表面層出現(xiàn)固溶現(xiàn)象，甚至會向鋼內擴散，并通過氫腐蝕與氫脆等形式，不斷破壞鋼的性能。從氫腐蝕入手分析，氫離子或原子擴散到鋼內，會結合成氫分子，部分會與非金屬夾雜物或碳及碳化物產生化學反應，生成不容易溶解的氣體生成物。而生成物在晶界原有的微小縫隙中會漸漸聚積，進而逐步形成局部高壓及用力集中，促使晶界逐步變寬，并且產生一定的微裂紋，而鋼的機械性能也在這一階段漸漸地被弱化。

2.8 蠕變

金屬容器在外部溫度與應力作用的持續(xù)性變化影響下，經過長時間累計極易引起器壁的破損。蠕變與塑性變形不同，溫度是蠕變的重要影響因素，高溫會弱化金屬材料的剛性。除此之外，產生的拉伸應力會逐步弱化壓力容器的性能與質量，從而促使其出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。

3 預防壓力容器破壞的質量控制

3.1 合理應用相關檢測技術

疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋大都發(fā)生在金屬表面。常用磁粉或者滲透的方法進行檢測。蠕變裂紋和焊接裂紋可能出現(xiàn)在金屬表面也可能出現(xiàn)在金屬內部。常用的檢測方法有超聲和射線。上述4種檢測技術手段主要用于在制或者停機狀態(tài)的壓力容器和管道的檢測。無法應用于對高溫、不停機的壓力容器和管道。目前，數字射線成像技術、聲發(fā)射技術因能夠克服上述問題，成為了在用設備裂紋檢測的重要手段。其中，數字成像檢測技術在應用原理上同膠片照相在射線透照方面的原理是相一致的，其不同之處便在于，成像器件對接收到的信息所采取的處理技術存在一定的差異性。數字成像主要是基于計算機軟件對數字成像器件進行控制，進而實現(xiàn)有射線光子向數字圖像的有效轉化，將其裂紋顯示在顯示器當中。聲發(fā)射技術的應用，將會在構件或者是材料在受力過程中出現(xiàn)裂紋時，通過彈性波的形式，對應變能進行釋放，憑借著接收聲發(fā)射信號針對構件或者是材料展開動態(tài)的無損檢測工作，其在應用的過程中能夠同電子計算機之間相配合展開高質量的數據處理工作，進而更好地實現(xiàn)對裂紋的檢驗。聲發(fā)射技術還可以判斷裂紋的擴張性，進而識別出有危險性的裂紋。

3.2 強化原材料和制造控制

對壓力容器和管道的原材料的控制，要嚴格落實入廠驗收制度。尤其對合金鋼、奧氏體不銹鋼、高強鋼等材料，必須按照國家法規(guī)、標準的規(guī)定進行資料驗收、目視檢查、壁厚測定、金相檢測、表面檢測等工作。嚴把材料關，堅決不使用不符合標準、規(guī)范及設計文件要求的材料。驗收合格的材料、待檢驗的材料及不合格的材料要分開標識清楚并且分開堆放。在生產過程中，需要強化落實對于各個環(huán)節(jié)的審查，進一步提升生產流程的規(guī)范性和有效性。在制造控制方面，工作人員需要確保相關工藝流程技術的高質量應用，全面提高各項細節(jié)標準，以促使工藝流程整體可以同規(guī)范化的要求相適應，最大限度地減少裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，最終達到提升壓力容器、壓力管道運行穩(wěn)定性以及安全性的效果[1-2]。

3.3 全面落實檢驗檢測

由于生產過程中的工藝條件波動、原材料化學成分的波動及生產量的波動。壓力容器和管道的使用存在一定的復雜性，也存在一定的安全隱患。國家法規(guī)標準規(guī)定，壓力容器和管道應當定期開展檢驗工作。檢驗工作是由社會或者行業(yè)內特種設備檢驗機構承擔。檢驗工作的目的是通過專業(yè)技術人員對設備使用狀況的資料審查、選擇有代表性的局部進行針對性的檢測，力求最大程度發(fā)現(xiàn)缺陷消除隱患的過程。企業(yè)應當積極落實檢驗檢測制度。為檢驗檢測機構提供必要的設計資料、制造資料、安裝資料、使用運行資料、維修改造資料，使得檢驗機構對設備有更加全面了解。企業(yè)還應當為檢驗提供必要的現(xiàn)場條件，保障檢驗工作可以順利并且保質保量地完成。必要時，使用單位可以針對某一類問題，開展專項檢測。專業(yè)檢測可以以月度檢查或者年度檢查的形式開展，重點排查那些可能存在隱患的部位。檢驗檢測人員應做好現(xiàn)場記錄，保證記錄的可追溯性，并及時向使用單位反饋壓力容器和管道的相關信息[3-4]。

3.4 提升使用管理水平

首先，使用單位應當在原有基礎上對相應的管理體系進行完善，形成良好的壓力容器壓力設備使用管理體系。并切實展現(xiàn)出其對于操作人員的規(guī)范性和約束性作用，進而高質量落實使用管理的相關要求，減少裂紋問題的出現(xiàn)。其次，使用單位要結合自身工藝特點，識別裂紋出現(xiàn)可能性大的容器，并建立重點監(jiān)測臺賬，針對性地開展對其使用管理，從源頭上降低裂紋產生的幾率。再者，使用單位建立相應的巡檢檢查制度，形成工藝生產與設備檢查聯(lián)動制度，全方位實現(xiàn)對于壓力容器和壓力管道的控制，以便于及時發(fā)現(xiàn)其裂紋問題，并第一時間采取妥善的解決措施。最后，應當提高管理人員的水平，不斷完善上述制度。壓力容器和管道管理人員的專業(yè)能力和工作態(tài)度將會對設備的應用效果有著極大影響。可見，為提升實際的使用管理水平，還應當強化對管理人員技術能力培養(yǎng)。企業(yè)應當定期組織相關培訓和交流，促進管理人員在不斷學習的過程中提升自身技術素養(yǎng)，提升對裂紋缺陷的預判和識別能力，進而保障壓力容器和管道的長周期使用[5-6]。

3.5 系統(tǒng)監(jiān)測危險因素

提高工作人員的信息素養(yǎng)，靈活操作檢驗系統(tǒng)，建立數據庫，將化工設備壓力容器在運行中常出現(xiàn)的破壞形式及原因和危險因素及處理等內容，整理到數據庫內，為信息技術智能與自動監(jiān)測化工設備壓力容器的破壞情況和安全事故等質量問題奠定基礎。例如，化工設備壓力容器部件損害的原因，或是熱應力與交變的溫度引起的疲勞裂紋;因高溫蠕變使部件產生裂紋或塑性變形;壓力波動或頻繁加卸壓導致的低周疲勞損害和低周疲勞裂紋;長期高溫導致鋼材組織惡化，包括熱脆與石墨化及珠光體球化等，逐步弱化鋼材的機械性能等。檢驗人員將這些部件損壞的危險因素，整理并歸置于數據庫內，為后續(xù)化工設備壓力容器破壞的預防工作展開提供價值參照，促使質量控制與預防方案，更具有針對性和有效性及可行性，這也對工作人員的職業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務能力提出了更高要求。

4 結語

化工設備壓力容器的運行環(huán)境相對復雜，受腐蝕與裂紋及變形等破壞原因引起的質量問題，易引起致命性的傷害。因此，相對于破壞的事后處理，更應當注重事前預防與事中控制，確保化工設備壓力容器的安全穩(wěn)定運行，有效延長容器的使用壽命。由于化工設備壓力容器的破壞形式與原因多樣化，需在預防措施與管理手段等方面加強創(chuàng)新，以切實發(fā)揮化工設備壓力容器管理的作用價值。

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作者簡介：劉鵬（1986—），男，本科，工程師，研究方向為化工設備制造。