幾種常見壓力容器的失效形式

馬輝 宋娜 郭廣棟

【摘要】介紹壓力容器失效形式，重點介紹儲罐、換熱器、塔等幾種常見的壓力容器的失效機理，分析原因并提出相應(yīng)的修復(fù)措施及設(shè)計準(zhǔn)則。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；失效；應(yīng)力腐蝕；設(shè)計準(zhǔn)則

1、引言

壓力容器是承載壓力的密閉設(shè)備，廣泛應(yīng)用在石化、能源、核電、軍工等各個領(lǐng)域，由于介質(zhì)腐蝕性、載荷壓力、材料缺陷等各種原因，壓力容器易發(fā)生各種形式的失效，導(dǎo)致生產(chǎn)停產(chǎn)、設(shè)備損壞、介質(zhì)泄露，甚至?xí)?dǎo)致爆炸，造成災(zāi)難性事故。因此，了解壓力容器失效形式，找出引起失效的因素并提出預(yù)防措施，具有重大現(xiàn)實意義。

本文針對幾種在工業(yè)生產(chǎn)中常用的壓力容器，具體介紹其普遍發(fā)生的失效形式，分析產(chǎn)生失效的原因并給出相應(yīng)的預(yù)防措施，以求設(shè)備安全運行。

2、儲罐失效

儲罐的失效形式主要有表面損傷失效、斷裂失效、泄露失效等。

2.1表面損傷失效

磨損、接觸疲勞、腐蝕等均可造成表面損傷，由于儲存的氣體或液體中大多含有氫、硫、氯離子等，儲罐最容易發(fā)生的是應(yīng)力腐蝕引起開裂。常見的液化石油氣儲罐，介質(zhì)中含有水和硫化氫，形成具有腐蝕條件的濕硫化氫環(huán)境，在焊縫及附近的影響區(qū)，存在焊接殘余應(yīng)力和冷加工殘余應(yīng)力，同時殼體又受到工作壓力，此時低合金高強度鋼將會導(dǎo)致氫致開裂型應(yīng)力腐蝕，形成微裂紋，在外加拉伸及殘余拉伸應(yīng)力作用下，最終擴展成裂紋導(dǎo)致破壞。為防止應(yīng)力腐蝕發(fā)生，首先應(yīng)合理選材 。Ni、Mn、Si、S、P等元素有利于應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，設(shè)計中要限制其含量。其次要降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度，消除焊接殘余應(yīng)力。在容器焊后進(jìn)行熱處理，可以殘余應(yīng)力，降低淬硬組織硬度，提高抗腐蝕性。此外還應(yīng)按要求對儲罐及時進(jìn)行全面檢查，掌握設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的程度，及時消除隱患。

2.2斷裂失效

韌性斷裂失效是因儲罐承受的壓力超過材料的屈服極限，材料發(fā)生屈服或全面屈服，當(dāng)壓力超過材料的強度極限時，則發(fā)生斷裂。最經(jīng)常導(dǎo)致儲罐韌性斷裂失效的原因是過量充裝，因此應(yīng)嚴(yán)格按照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，裝填量不得大于0.95。

脆性斷裂失效是指儲罐在正常壓力范圍內(nèi)，無塑性變形的情況下突然發(fā)生的破裂稱為脆性斷裂失效。脆性斷裂在較低應(yīng)力時發(fā)生，安全閥不會動作，因此后果比韌性斷裂嚴(yán)重。脆性斷裂主要是由材料脆性和缺陷導(dǎo)致，即低溫、長期在高溫下運行使材料脆化，材料原始缺陷和焊接缺陷等。因此在選材時保證材料無夾渣、分層，焊后退火熱處理消除儲罐的殘余應(yīng)力，并定期對儲罐進(jìn)行檢驗，重點對裂紋性缺陷進(jìn)行檢驗和無損探傷。

2.3泄露失效

儲罐盛裝的多是易燃易爆、受熱膨脹和腐蝕性強的介質(zhì)，一旦泄漏，極易與空氣混合形成爆炸性混合物，容易發(fā)生爆炸燃燒，造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。導(dǎo)致泄露的原因可能多種：儲罐原材料存在缺陷；焊接質(zhì)量不符合要求；罐壁、罐底受到腐蝕變?。贿^量盛裝或超壓；閥門法蘭密封墊片老化；高溫烘烤使罐體內(nèi)部產(chǎn)生高壓；機械碰撞使容器損壞；人為操作失誤等等。為防止泄露，必須保證罐體的耐壓強度，消除焊接等質(zhì)量缺陷，設(shè)備材料具有一定的防腐性能，防止應(yīng)力腐蝕等造成的器壁變薄，管道盡量采用無縫鋼管，罐體定期進(jìn)行檢測、維修。

3、換熱器失效

換熱器主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，是提高能源利用率的主要設(shè)備之一，其中列管式換熱器采用最廣泛，其常見失效形式主要為結(jié)垢和泄漏。

3.1結(jié)垢

結(jié)垢會導(dǎo)致傳熱效率下降，過水?dāng)嗝鏈p小，水力阻抗增加，動力消耗增多，造成能源浪費[1]。造成的垢下腐蝕會導(dǎo)致泄漏，給安全生產(chǎn)帶來隱患，嚴(yán)重時會導(dǎo)致事故的發(fā)生，同時也縮短了設(shè)備的使用壽命。

影響結(jié)垢的因素有操作參數(shù)（流體速度，換熱面溫度，流體溫度），流體性質(zhì)，換熱器參數(shù)（材料，換熱器表面構(gòu)造，換熱器構(gòu)型）。流體速度的提高可以引起沉積物脫卸速率的增加；換熱面溫度對化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢及負(fù)溶解性鹽類的析出結(jié)垢有顯著的影響；換熱面污垢熱阻一般隨流體主體溫度增加而增大。因此，針對操作參數(shù)，可通過采取提高流速，控制水溫的措施來緩解垢污的沉積。溫度，壓力和流速等均不可波動太大，否則會加劇結(jié)垢腐蝕，降低傳熱效果，縮短使用壽命，甚至造成損壞。

3.2泄露

管束與管板之間的連接方式有焊接及脹接。脹接不存在溫度變化和嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕，比較理想，但由于對管束端部表面質(zhì)量、硬度、管板的機加工精度、脹管經(jīng)驗要求很高，因此大多數(shù)換熱器管束都采用焊接方式，但該方式管子與管板間存在著一定的間隙（死區(qū)），在間隙內(nèi)流體不流動，容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，焊縫處很容易產(chǎn)生間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕。如果采用脹焊結(jié)合，既可降低對管孔的加工精度、管束的表面光潔度、硬度等參數(shù)的要求，又消除了間隙，從而消除間隙腐蝕與應(yīng)力腐蝕，實現(xiàn)減少泄漏的機率的目的[2]。

管束及殼體的泄漏主要是由于在運行過程中流體及結(jié)垢的腐蝕造成的。同時，振動也是造成管束磨損、開斷、以及導(dǎo)致管板與管子連接處產(chǎn)生間隙，從而造成泄漏的重要原因。針對管束和殼體的腐蝕，我們應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)措施確保裝置的正常運行。保養(yǎng)方法主要是定期檢查和清洗垢污。對于振動，可采取加緩沖器，降低管內(nèi)流體速度，增加支撐等方法解決。

4、壓力管道失效

壓力管道主要失效形式主要有振動和腐蝕。

4.1管道振動

一般的生產(chǎn)線是由動、靜設(shè)備通過管道串聯(lián)來完成工藝流程的。在壓力和流速的作用下，管道壁上會承受流體動壓力。在生產(chǎn)中，非定常的管流會引起管道的振動。動力設(shè)備、流體輸送機械操作振動和外部環(huán)境的激勵使管道產(chǎn)生隨機振動。管線若長期受到振動會產(chǎn)生疲勞破壞，尤其是在應(yīng)力集中處。疲勞破壞可進(jìn)而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄，引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為消除管道振動，可以在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊，在管道的固定支撐的部位放置緩沖器，縮短支承點距離，在動設(shè)備進(jìn)出口設(shè)置緩沖器，盡量減少使用彎頭等。

4.2管道腐蝕

管道腐蝕又主要分為外壁腐蝕及應(yīng)力腐蝕兩種。外壁腐蝕主要是由于管道在大氣環(huán)境或有害介質(zhì)的環(huán)境中，天長日久產(chǎn)生的外管壁均勻腐蝕和局部腐蝕。管道的保溫，通常采用玻璃纖維棉或珍珠巖等保溫保冷材料，外包鍍鋅板或鋁板，因管道相鄰設(shè)備或管道的滴漏現(xiàn)象，造成腐蝕性介質(zhì)對防護(hù)金屬板的腐蝕破壞，并在保溫層內(nèi)積存；另外由于防護(hù)金屬板的接縫有縫隙，使雨水將保溫材料的可溶性物質(zhì)溶解。當(dāng)這些腐蝕性介質(zhì)和可溶性目有腐蝕性的溶解物質(zhì)在保溫層中積聚后，不斷受熱濃縮，加劇了對管道的腐蝕，甚至引發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋。它往往發(fā)生于管道的上下側(cè)和易積液部位，腐蝕最嚴(yán)重處位于管道的底部[3]。

應(yīng)力腐蝕裂紋及斷裂是管道在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下發(fā)生的破壞。管道應(yīng)力腐蝕破壞主要發(fā)生于主蒸汽管線、旁路管線及輸送含有氯化物介質(zhì)的奧氏體不銹鋼管道。應(yīng)力腐蝕裂紋多發(fā)生于管道的縱、環(huán)焊縫及熱影響區(qū)，伴有嚴(yán)重的孔蝕及其它一般性腐蝕。腐蝕性介質(zhì)、溫度因素和應(yīng)力集中是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要根源。為盡可能消除應(yīng)力腐蝕，可采用退火消除材料的內(nèi)部拉應(yīng)力，控制焊縫化學(xué)成分，控制應(yīng)力水平，定期檢查。

5、結(jié)束語

本文介紹了幾種壓力容器失效形式，分析引起失效的因素并提出相應(yīng)的設(shè)備預(yù)防失效措施，為減少安全事故、提高設(shè)備安全可靠性、保證企業(yè)經(jīng)濟效益提供了一些經(jīng)驗參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙本興。換熱器結(jié)垢原因分析及阻垢防腐蝕措施的設(shè)計[J]。全面腐蝕控制，1997

[2]李立國。淺議大型靜設(shè)備的泄漏檢修[J]。 科技致富向?qū)В?010

[3] 喬禎遴。在役壓力管道的失效與安全使用[J]。石油化工設(shè)備技術(shù)，1999