壓力容器設備失效分析

【摘要】如今，人們越來越重視產品質量和設備可靠性，這已成為爭取市場的決定因素。因此，科學技術界和工程界亟須研究機器設備失效的具體原因以便于分析及完善預防措施。本文詳細闡述了失效分析的基本概念、方法和程序，并介紹了壓力容器缺陷相關的基礎知識。本文深入探討了設備失效分析的理論基礎、方法、實際工程價值和發展前景。

【關鍵詞】壓力容器；失效分析

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.033

Failure Analysis of Pressure Vessel Equipment

LI Bin

（Haicheng Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute， Haicheng 114201， China）

Abstract： Nowadays， people are increasingly valuing product quality and equipment reliability， which has become the determining factor in competing for the market. Therefore， it is urgent for the scientific and technological community and the engineering community to study the specific causes of machine equipment failures and improve preventive measures. This article elaborates on the basic concepts， methods， and procedures of failure analysis， and introduces the basic knowledge related to pressure vessel defects. The article delves into the theoretical basis， methods， practical engineering value， and development prospects of equipment failure analysis.

Key words： pressure vessel； failure analysis

0引言

隨著化工產業規模的擴大，設備的功率和參數逐漸提高，這標志著過去幾十年的技術進步。然而，這也導致了嚴重的失效事故增加。

例如，某化工廠氯堿車間大型液氯儲罐突然發生爆裂事故，液氯流出氣化擴散，在風力的影響下，形成扇面形擴散，造成多人中毒到醫院治療。其中輕度20人，重度3人，總經濟損失達110萬元。事后分析原因，該設備在安裝時，考慮氯堿的特殊性，沒有設計安裝安全閥，改用平衡管代替，為了便于操作，在與之相鄰的其他儲罐上搭建了平臺樓梯，平臺樓梯直接焊在了罐體上。在發生事故后，經檢驗發現，該液氯儲罐無安全泄放裝置、未安裝壓力表、液位計因損壞拆除，所有閥門處于關閉狀態，外面的保溫層有多處大面積破損脫落，局部腐蝕嚴重，且為點狀腐蝕，搭建在罐體上的操作平臺與罐體表面接觸處，形成溝槽狀腐蝕。該溝槽即為爆裂裂口發生處，在現場未發現火源、電源、熱源等能夠引起爆炸的可疑物質，罐體內部也無其他物質進入的可能，排除外部因素引起爆炸和發生化學反應爆炸的可能性，破口處橫截面呈黑灰色，沒有陳舊性裂紋和碎片，經過化學分析和力學性能分析，表明該次事故不屬于疲勞和應力腐蝕脆性斷裂。根據斷面分析，斷口黑灰色，無碎片，且有較大的塑性變形，根據這些特征結合檢驗情況綜合判斷，此次事故的主要原因：有罐體外壁局部腐蝕減薄嚴重，形成溝槽產生應力集中；安全附件損壞；所有閥門關閉。綜合分析此次事故是由于保溫層脫落使之保溫性能變差，致使罐內液氯升溫，罐內壓力逐漸升高，所有閥門關閉使罐內壓力無法泄放，壓力最終達到被腐蝕成溝槽狀腐蝕處的壁厚的極限強度，致使此處發生失效、斷裂形成安全生產責任事故。

1失效分析的概念

失效指的是設備或零部件無法正常發揮其初始設計時所規定的各項功能，表現為在使用中產生過度變形、裂紋斷裂、內外表面磨損等缺陷。失效分析是根據企業在長期生產和使用壓力容器設備過程中所積累的經驗進行總結。盡管失效分析的興起可以追溯到很久以前，但它作為一門獨立學科的發展大致始于工業革命的時期，近年來才逐漸成為一門新興學科。

2失效分析應用

失效分析旨在研究和分析失效機制、失效發生以及在使用過程中的發展過程，便于準確找出能夠導致設備產生失效的重要因素和可以控制的因素，及時提出解決方案，達到提出預防措施或延長使用壽命、明確責任等目的。作為新興的專業技術學科，失效分析涉及金屬學、金屬材料、金屬力學、腐蝕學、加工設備和制作工藝流程等領域，同時還涉及概率學、系統工程、質量管理和人員心理等知識。此外，失效分析還需要借助現代化的科研實驗技術和各領域多方面人才的通力協作才能完成，失效分析本身對這些科學技術的發展也具有促進作用。失效分析能夠提前發現設備隱患和故障產生，從而達到避免事故發生并延長設備使用年限的目的。前期失效無法避免，通常通過設備運行前的試運轉來發現問題并在正式運行期間并嚴格地遵守運行管理制度才能有助于防止和減少意外失效，提高可靠性，延長設備的平均使用壽命。例如，美國通過船舶在寒冷海域戰爭中損失事故的分析結果，不僅明確提出了在鋼材生產過程中必須滿足鋼材低溫低壓沖擊韌性的要求，同時還加快了冶金工業的技術革新，從而發展出一門新的學科——斷裂力學。

3失效分析方法

失效分析常用的方法包括經驗法和系統工程法。經驗法是一種常用于不太復雜設備系統的“順藤摸瓜”式的相關性思考方法。系統工程法則是一門綜合性管理工程技術，它運用數學、控制論、信息論、計算機技術等現代科學技術，并與各領域的具體技術相結合。失效系統工程方法有很多種，常見的包括因素圖分析法、事件時序樹分析法和故障樹分析法。具體分析如下。

3.1因素圖分析法

因素圖分析法，又稱“魚骨圖分析”，是將已掌握的失效和異常現象，以及能夠產生這些表現的各種因素用魚骨圖的形式表現出來，通過分析找出造成這些現象的直接原因。

3.2事件時序樹分析法

事件時序樹分析法是從認定是故障產生原因的最開始事件起始，最后到設備或系統產生故障的最終事件為止，依照工件的使用功能和使用順序，在防止故障產生上的成功或失效的案例繪制成樹形圖形進行分析。

3.3故障樹分析法

美國空軍委托貝爾電站研究所對系統安全工程學法進行研究，于1961年創立了故障樹分析法。故障樹分析的概念源自數學圖論中的樹概念和計算機算法，是為評價安全性（可靠性）而發展起來的一門技術。

在故障樹分析法中（見圖1），設備無論大小都被視為一個系統，而組成設備的零部件則被稱為系統的組元。故障樹分析法的目的是分析各種事件之間的邏輯關系，區分正常事件和異常事件（故障事件），以便找出失效原因。故障樹分析法有三個主要目標：

1）查明與事故發生有關的所有原因；

2）作為一種手段，利用樹形圖明確地表示分析對象的過程或結果；

3）利用這一方法，可以方便地計算系統失效的概率。

4壓力容器缺陷評估

壓力容器在眾多領域如石油化工設備、核反應堆和宇宙飛船中發揮著重要作用。近年來，壓力容器呈現出大型化、高參數（高壓、高溫、低溫）和使用高強度材料的趨勢。由于壓力容器通常是焊接結構，且使用環境惡劣（如腐蝕、輻射等），壓力容器爆炸事故時有發生。因此，許多國家制定了壓力容器設計、制造和缺陷評估標準。

4.1缺陷評估基礎

過去，人們普遍認為壓力容器不能有裂紋。然而，由于焊接設備、焊接人員、焊接環境等因素及檢測儀器的精度限制，無法確保壓力容器在生產過程中完全無裂紋。此外，設備在使用過程中也可能產生裂紋，且裂紋產生的時間難以預測。有些設備在發現裂紋后也無法立即停機，如核反應堆和電廠設備。斷裂力學方法解決了這一問題，不僅可以對已知裂紋的設備進行安全性評估，還可以估算裂紋擴展速率，從而保證在一定期限內的可靠性。

缺陷檢測是缺陷評估的前提。早在20世紀20年代，美國便開始使用γ射線探傷。至今，射線探傷仍是許多國家檢測壓力容器缺陷的重要手段。在20世紀60年代，英國率先采用超聲波探傷，它可以較準確地判斷缺陷的性質。近年來，聲發射技術已開始應用于容器檢測，實時監測裂紋擴展。隨著現代探測技術的發展，裂紋形狀和大小及深度的檢測越來越精確，使得缺陷評估工作更加準確。

應力分析是缺陷評估的關鍵環節。對于復雜結構，可以采用有限元方法進行應力計算或進行光彈性實驗應力測量等，并需要進行應力分類。不同類型的應力會對裂紋產生不同影響，計算K或J值時需要給予不同的修正系數。材料斷裂韌性值的確定也是一個復雜問題，某些材料韌性值測較為困難，如裂紋起始點的確定、應力狀態的控制以及實際工況的模擬（如高溫、腐蝕等）。在進行缺陷評估時，專家們在條件受限的情況下，有時會綜合國內外文獻并根據經驗估算材料的韌性值。

近年來，一種新技術——結構完整性技術已在許多重要設備（如核反應堆）中應用。它將斷裂力學與設計、材料、制造、檢驗和在役使用等各方面相結合，形成了結構完整性技術，缺陷評估就是利用斷裂力學方法對缺陷進行容限分析。對于新制造的容器，往往需要進行質量控制，這是技術要求；而對于在役容器，則通常根據缺陷評估結果，以確保安全為原則，在節省資金的前提下進行合理使用。

4.2缺陷評估標準

缺陷評估標準可分為三類。一類是以線彈性斷裂力學K因子理論為主；另一類是以COD理論為主，中國CVDA—84屬于這一類；還有一類是以J積分理論為主。由于斷裂力學理論不斷發展，尤其是J積分理論在工程應用方面取得了許多成就，近年來英國中央電力局（CEGB）制定的R/H/R6—ReV1《缺陷結構完整性的評定》已經普遍地被各國檢驗機構所認可。它不僅可以估計容器裂紋的開裂臨界值，還可以評估開裂后亞臨界穩定擴展的全過程。我國“八五”攻關項目成果SAP—9S就是采用J積分重新制定的缺陷評估標準。

5結束語

失效分析已深入到人們生活的各個領域，它是提升機械產品質量的關鍵途徑，也是順利推進經濟建設的必要環節。在20世紀80年代，德國在失效分析工作的組織化程度上處于領先地位，隨后，日本經濟超過德國，這與其采用失效分析技術密切相關。我國已經舉辦過多次失效分析會議，并出版了許多相關書籍，科研單位和高等院校也開設了相關課程，可見失效分析工作在我國已取得了一定的成果，這在1988年5月的第三次全國機械裝備失效分析會議上也得到了體現。自我國開始開展在役壓力容器缺陷評定工作以來，已完成數千臺帶缺陷容器的評估工作，至今沒有發生任何爆炸事故。隨著現代失效分析技術和材料科學的發展，失效分析將越來越造福于人類。

【參考文獻】

[1]壓力容器：GB/T 150.1～GB 150.4—2011[S]

[2]壓力容器術語：GB/T 26929—2011[S].

[3]鋼制壓力容器—分析設計標準：JB 4732—1995[S].

[4]固定式壓力容器安全技術監察規程：TSG 21—2016[J].

【作者簡介】

李斌，男，1973年出生，高級工程師，學士，研究方向為特種設備安全運行。

（編輯：李鈺雙）