化工設備壓力容器破壞原因及預防分析

張友鵬

（大連理工大學，黑龍江 伊春 153000）

1 化工設備壓力容器的事故特點

1.1 危險性大

由于化工產品具有高溫高壓、有毒且易燃易爆的特點，所以，化工生產過程中，壓力容器發生火災、泄漏、爆炸等安全事故的概率也相對更大。化工原材料具有的反應性、毒性與易燃性較強等特點，是導致化工企業惡性安全生產事故發生的主要原因之一，一旦化工企業在生產過程中發生了火災爆炸或化工原料泄漏等安全事故后，必然會造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。

1.2 環境污染

化工生產中使用的原材料以及產品中含有的副產品等物質，具有腐蝕性與毒性較強的特點。一旦未經處理的副產品泄漏到空氣或水體中，不但會破壞和污染環境，嚴重的還會威脅工作人員的生命安全。

2 化工企業壓力容器破壞形式及其預防措施

2.1 韌性破壞

塑性變形是金屬材料使用過程中最常見的變形問題之一，如果金屬材料發生了塑性變形，那么變形處產生的大量細孔中填充的雜質，在外力作用下與基體分離后，所形成的裂紋，就會導致容器出現破裂的問題。一般情況下，金屬容器在發生塑性變形時，會出現破裂前兆緩解容器破裂的時間，如果在這期間工作人員未能采取措施予以解決，那么隨著時間的推移，金屬容器發生破裂的概率也隨之增大。金屬壓力容器使用期間出現的液化氣壓充裝過量，壓力容器在使用或維護過程中造成不當造成的容器壁變薄，造成的容器承受力下降等都是造成容器發生韌性破壞問題的主要原因。化工企業應該從以下幾方面著手，做好容器韌性破壞的預防工作：首先，保證壓力容器設計的正確合理。設計人員在設計壓力容器時，不但要嚴格按照規范設計，而且還應通過在壓力容器外部設置超壓泄放裝置的方式，幫助容器自動泄壓，以確保容器的安全穩定運行不受影響。其次，充分重視壓力容器維護的重要性，選擇恰當的方式開展牙瘤容器的維護工作，避免因為壓力容器維護方式不當，影響壓力容器的穩定運行。

2.2 脆性破壞

壓力容器制造過程中出現的材料韌性不足是導致壓力容器出現脆性破壞問題的主要原因之一，而壓力容器制造環節出現的焊接接頭力學、物理學、化學性能設計不合理，不僅影響了壓力容器制造的質量，同時，也增加了容器破裂問題發生的概率。一般情況下，如果在低溫環境下，壓力容器承載的負荷主要以靜負荷為主，如果溫度持續降低，那么容器在使用過程中就會出現韌度下降的情況，最終出現容器剪切斷裂的問題。雖然壓力容器在使用過程中發生的脆性破壞沒有任何前兆且容器也不會出現嚴重塑性變形情況。但是，壓力容器在脆性變形發生后，容器表面局部會出現細微的變形問題，即便是進行相應的檢修也不易發現。也就是說，低溫環境壓力容器出現的細微變形缺陷是導致壓力容器發生脆性變形的關鍵。化工企業應該制定科學合理的應對措施，預防脆性問題的發生。首先，確保壓力容器生產過程中容器質量以及相關指標達到設計標準和規范。選擇韌性較好的材料，容器接頭焊接過程中，采取有效措施消除容器內部的殘余應力，壓力容器制造完成后，應該進行容器的全面檢查，保證容器的質量達到設計標準。其次，嚴格按照操作規范使用壓力容器，仔細觀察壓力容器周圍的溫度變化情況，如果發現環境溫度超過溫度范圍，必須立即停止運行，避免因為環境溫度變化過大，導致壓力容器發生脆性破裂。最后，工作人員在維護壓力容器時，應該按照固定壓力容器安全技術監察規程開展壓力容器的定期檢查工作，如果發現容器出現變形、缺陷以及操作人員違規操作的問題，必須及時制止，將容器發生的脆性破裂控制在最小的范圍內。

2.3 疲勞裂紋

壓力容器表面形成的駐留滑移帶是造成疲勞破裂問題發生的主要原因，壓力容器內部切應力在裂紋的影響下在容器內部不斷擴張，并在轉向與主應力垂直方向后，導致疲勞破裂問題的發生。雖然疲勞破裂問題的擴展進度相對緩慢，但是，如果工作人員未能在裂紋發生后采取措施及時處理，那么隨著壓力容器使用時間的增加，裂紋在穿過晶面后迅速向主應力垂直方向擴展，最終導致容器表面出現大面積裂紋。壓力容器在使用過程中承受的循環負荷變化過大超出容器設計承受壓力以及容器制造過程中使用的厚度較大的高強度低合金鋼材，增加了容器焊接的難度，不但影響了容器焊接的整體質量，而且增加了疲勞破裂問題的發生率。此外，壓力容器使用環境溫度變化過大也是造成破裂問題發生的重要因素之一，針對壓力容器疲勞破裂的預防，工作仍然必須做好以下幾方面工作。（1）確保壓力容器生產過程中相關指標達到設計標準，選擇抗疲勞能力強的材料，進行容器疲勞分析，降低壓力容器疲勞破裂問題的發生率。（2）避免壓力容器使用過于頻繁。工作人員在壓力容器使用過程中，應該采取有效措施，避免因為壓力容器頻繁使用，導致容器發生裂紋，確保壓力容器的安全穩定運行。

2.4 腐蝕破裂

腐蝕破裂是壓力容器使用過程中常見的破裂形式之一，壓力容器在實際使用過程中，由于溫度過高導致壓力容器局部出現發熱，但其他部分并未產生熱量，造成壓力容器內部出現溫差，工作人員在處理壓力容器內的一氧化碳與二氧化碳時產生的滲碳腐蝕問題，最終導致壓力容器發生腐蝕破裂的現象。針對壓力容器腐蝕破裂問題的預防，工作人員應該采用以下相應措施。（1）增加緩蝕劑。緩蝕劑具有干擾金屬介質產生腐蝕反應的功能，通過在金屬壓力容器表面覆蓋緩蝕劑的方式，即可通過對金屬壓力容器表面正負極反應的控制，防止金屬壓力容器發生腐蝕問題。另外，化工企業在化工生產過程中，應該根據企業自身生產的特點和要求，合理運用氧化膜、吸附膜、沉淀膜等控制壓力容器可能出現的物理腐蝕，充分利用氧化膜中含有的氧化劑與金屬發生作用后，形成的覆蓋于金屬壓力容器表面的保護膜，促進容器表面產生電子氧化，從而達到降低腐蝕破裂問題發生率的目的。（2）提高容器接頭焊接質量。為了有效提升不銹鋼材料焊接的質量，壓力容器制造企業在選擇壓力容器焊接材料時，不但要保證產品焊接的質量，而且還應嚴格地按照要求檢測材料的質量，從金屬材料硬度、強度、焊接厚度等幾方面著手，選擇和使用符合要求的焊接工藝和技術，才能在避免壓力容器出現瑕疵的同時，提高壓力容器接頭的焊接質量和效率。（3）電化學防護法的應用。電化學防護實際上就是將尚未發生腐蝕情況的金屬材料，轉變為原電池中的陰極，然后，利用陰極阻斷金屬內部的陽極反應，從而達到降低金屬腐蝕速度的目的。目前，常用的電化學防護法主要有放棄陽極防護法與增加電流陰極防護法等幾種。其中，放棄陽極防護法，主要是充分發揮鋁、鋅等金屬材料的還原特性，然后，將其放置于容器中當作陽極，防止腐蝕問題的發生。而增加電流陰極防護法則主要是采取額外增加電流的方式，迫使電子通過介質進入金屬容器中，從而達到保護容器中陰極的目的。該方法在實際應用時，要求工作人員必須保證操作電流始終保持在最大狀態，且供電不能中斷。

2.5 蠕變破裂

如果壓力容器長期處在高溫工作環境下，那么，隨著時間的推移，壓力容器材料性能的下降，不僅會導致器壁發生變形的問題，而且隨著容器體積逐漸變大，材料韌性降低的同時，就會導致容器破裂，而這也就是壓力容器使用過程中常見的蠕變疲勞破裂。工作人員應該針對壓力容器蠕變疲勞破裂發生的實際情況，采取相應的措施予以有效的預防。首先，嚴格按照國家相關標準和要求，生產制造壓力容器時，必須選擇符合高溫性能要求的材料，避免壓力容器長時間在高溫環境下運行，控制容器壁溫度，如果發現容器發生塑性變形痕跡，必須立即采取措施進行處理，避免容器在使用過程中發生蠕變破裂。最后，加強壓力容器運行狀態檢查工作的力度，如果發現壓力容器出現破裂的問題，應該立即采取相應的措施預防，確保壓力容器始終保持安全穩定的運行狀態。

3 化工企業壓力容器破壞形式優化措施

3.1 金屬材料熱處理控制

采用正火法處理后的金屬材料構件，不僅材料均勻性與結構完整性得到顯著提高，而且有效降低了材料熱處理產生的內應力，避免了后期使用過程中材料變形問題的發生，提高了材料使用的可靠性與穩定性。工作人員在采用退火處理法加工材料時，根據材料熱處理的要求，必須嚴格地按照要求調整材料淬火過程中的冷卻溫度，才能達到有效減少材料變形量的目的。目前，常用的淬火介質主要有水和油等幾種。如果工作人員選擇水油為淬火介質時，水油溫度處于450～550℃時，冷卻速度應該為500℃/S。如果水油溫度下降至到250～350℃時，冷卻速度就會下降至280℃/S。如果將鹽水作為淬火介質，那么材料淬火冷卻的溫度較之水油冷卻的速度提高了2倍，所以，為了避免因為材料淬火冷卻過程中冷卻過快而出現材料變形問題，工作人員必須嚴格地按照金屬材料的特性，選擇淬火介質，控制淬火介質的溫度，才能確保金屬材料淬火冷卻處理后的質量達到設計標準。此外，金屬材料熱處理過程中，針對材料的加工處理，必須是在熱處理之前，才能保證金屬材料在熱處理前，產生足夠的變形量。金屬材料熱處理工藝完成后，工作人員應該根據材料變形的規律，對材料進行相應的加工處理，才能在有效提升金屬材料變形率的基礎上，為后續金屬材料加工工藝的實施打下良好的基礎。

3.2 提升使用壽命

為了提高壓力容器使用的壽命，設計人員必須在設計壓力容器時，充分考慮壓力容器使用的環境，分析和研究材料性能，測算壓力容器內外部的壓力差與耐腐蝕性能力，才能科學合理地計算出壓力容器的使用壽命，提高壓力容器運行的安全性與穩定性。此外，設計人員在設計壓力容器時，還應充分考慮壓力容器使用過程中，操作人員可能出現的操作不當的現象，并將其標注于設計圖紙中，針優化壓力容器使用條件，從而達到延長壓力容器使用壽命的目的。

3.3 優化工藝控制策略

工作人員在制造壓力容器時，不僅要選擇和使用性能優良的材料，而且還應按照壓力容器設計標準采用先進的制造工藝，避免因為材料使用和制造工藝等環節出現問題，導致壓力容器出現損壞的情況。首先，加大壓力容器工裝設計與工藝準備階段的控制力度。壓力容器制造過程中，采用的工裝設計標準必須與制造工藝保持一致，安排專人負責工裝環節的驗證工作，并在確定工裝設計準確無誤后，簽署工裝圖，保證工裝使用的安全性達到設計標準。另外，為了保證壓力容器工裝符合操作規范和標準，操作人員應該在做好外來文件有效性、合規性、合法性審查工作的基礎上，繪制完整的壓力容器工裝工藝流程圖，編制壓力容器工裝材料數據匯總表，按照設計文件的內容和要求開展壓力容器的工裝操作流程。其次，工藝設計人員必須在壓力容器設計制造過程中，既要注重壓力容器模具、工裝設計的科學性與合理性，而且還應深入分析火焰切割引發的材料變形問題。如果材料在切割過程中發生了變形問題，即便材料性能已經達到理想狀態，但切割墊與切割周圍的材料性能同樣會受到影響。所以，工作人員應該采取積極有效的措施，加大材料硬度變化與碳層滲透程度的控制力度，合理運用機械消除的方式切削滲碳層，從而達到提高壓力容器材料性能的目的。

4 結語

總而言之，化工生產中工業設備壓力容器發生的惡性安全事故，對化工企業的安全生產產生了嚴重的影響。化工企業在化工生產過程中，必須在提高熱力容器使用認知度的基礎上，嚴格按照操作規范和要求，加大壓力容器密封質量與容器破裂危險因素的控制力度，提高壓力容器生產技術與管理技術水平，才能在保證壓力容器安全使用的基礎上，降低壓力容器破裂等惡性事故的發生率，為化工企業的安全生產提供全方位的支持。