低溫絕熱壓力容器失效因素與檢驗(yàn)評(píng)定技術(shù)思考

郭素琴 周　靜

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000）

低溫絕熱壓力容器失效因素與檢驗(yàn)評(píng)定技術(shù)思考

郭素琴 周靜

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000）

在運(yùn)行過程中低溫絕熱壓力容器很容易出現(xiàn)失效的問題，這時(shí)候就需要認(rèn)真分析失效的原因，選擇恰當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)和評(píng)定方式，只有這樣才能妥善處理失效的低溫絕熱壓力容器。本文對(duì)導(dǎo)致低溫絕熱壓力容器失效的因素進(jìn)行了分析，并且對(duì)其檢驗(yàn)評(píng)定技術(shù)進(jìn)行了探討。

低溫絕熱壓力容器；失效因素；真空度；檢驗(yàn)評(píng)定

真空絕熱容器是用來(lái)對(duì)液態(tài)的氮?dú)?、氧氣和氬氣進(jìn)行存儲(chǔ)的容器，近年來(lái)人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，推動(dòng)了深冷真空絕熱容器的發(fā)展，也帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，目前的壓力容器行業(yè)中深冷容器是發(fā)展最快的，也是最有前景的產(chǎn)業(yè)。

低溫絕熱壓力容器和普通壓力容器的結(jié)構(gòu)不同，具有獨(dú)特的真空夾套式結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)以設(shè)計(jì)要求為依據(jù)使用不同的隔熱方式來(lái)隔開密閉金屬內(nèi)膽和外殼體，例如纖維材料絕熱、多層絕熱、真空粉末絕熱等，為夾層的真空度提供保障。該類容器從其設(shè)計(jì)、制造到使用均有異于普通壓力容器，因此，相應(yīng)的檢驗(yàn)技術(shù)也不同，雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)有良好的保冷效果，由于其全封閉式的結(jié)構(gòu)，在不拆除外殼體的條件下，無(wú)法檢驗(yàn)其金屬內(nèi)膽的損傷情況，《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSGR7001—2013）雖然有提供無(wú)損檢測(cè)方法，但是對(duì)于真空絕熱壓力容器來(lái)說(shuō)并不適用。目前主要以真空度來(lái)作為檢驗(yàn)評(píng)定的主要依據(jù)，雖然還沒有出現(xiàn)真空絕熱壓力容器因?yàn)椴缓细竦恼婵斩榷斐扇藛T傷亡的情況，但是低溫液體具有溫度較低、較大氣液體積比等特點(diǎn)，所以可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的爆炸、火災(zāi)事故等，因此需要對(duì)其檢驗(yàn)以及評(píng)定方法進(jìn)行認(rèn)真地研究。

1.定期進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)定

1.1失效因素分析

1.1.1開裂問題

真空絕熱壓力容器多使用奧氏體不銹鋼制作內(nèi)膽，但是對(duì)于不銹鋼容器來(lái)說(shuō)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)封頭直邊端斷裂的情況。造成這種現(xiàn)象的原因一是因?yàn)樵谥谱鞣忸^的過程中原有的應(yīng)力形態(tài)被打破，形成新的應(yīng)力形態(tài)，直邊處出現(xiàn)了殘余應(yīng)力，增加了斷裂的幾率。另外，奧氏體不銹鋼在加工的過程中，冷卻方式不同，導(dǎo)致冷卻速度不一樣，大多數(shù)廠家采用自然冷卻的方式，冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，在此過程中可能會(huì)有馬氏體組織的出現(xiàn)。同時(shí)很多廠家選擇形變強(qiáng)化后的不銹鋼板，這種材料不僅可以保證強(qiáng)度提升，還能大幅降低生產(chǎn)成本，但是壁厚有所減薄，如果熱處理不當(dāng)，變形之后會(huì)有馬氏體組織的出現(xiàn)，這兩種情況都會(huì)有淬硬組織的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致封頭開裂。

1.1.2真空失效問題

低溫絕熱壓力容器使用壽命以及其真空絕熱性，可以說(shuō)是由夾層真空度和日蒸發(fā)率這兩個(gè)因素決定的，真空可以根據(jù)類型分為兩種，真空粉末型以及高真空多層絕熱型，很多原因都能造成真空度喪失，具體包括：（1）夾層中絕熱鋁箔等絕熱材料帶來(lái)的影響，因?yàn)榻^熱材料具有不同的物理性能和物理性狀，所以在導(dǎo)熱率方面也有差異，而且同樣的絕熱材料處于真空度不同的情況下的時(shí)候，也會(huì)有不同的導(dǎo)熱性能，一般來(lái)說(shuō)真空度降低的時(shí)候?qū)崧蕰?huì)上升。（2）真空夾層材料出現(xiàn)放氣情況帶來(lái)的影響，材料在放置一段時(shí)間以后難免會(huì)出現(xiàn)放氣現(xiàn)象，這必然會(huì)降低真空度。（3）真空夾層氣體的影響，降低了真空度的話會(huì)增加真空夾層內(nèi)所含的氣體，導(dǎo)致導(dǎo)熱上升。（4）溫度帶來(lái)的影響，傳熱情況穩(wěn)定的話，溫度和絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是成正比的，會(huì)共同降低。

雖然在《容檢規(guī)》中判斷真空絕熱壓力容器能否繼續(xù)使用的主要依據(jù)是日蒸發(fā)率以及真空度，但是真空規(guī)管形式多樣，如果不能合理的處理內(nèi)部介質(zhì)，對(duì)于真空檢測(cè)的結(jié)果帶來(lái)的影響是非常不利的，很容易造成錯(cuò)判。

1.1.3夾層和氣、液相連接的管道角焊縫出現(xiàn)泄漏情況

返回制造單位進(jìn)行修理的低溫容器中，很多都是因?yàn)閵A套與氣、液相連接的接管角焊縫出現(xiàn)了泄漏的問題，因?yàn)閺S家在對(duì)低溫容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，忽略了接管是導(dǎo)熱體這個(gè)情況。在反復(fù)充裝的過程中，接管與殼體連接處有一定的溫度變化，易產(chǎn)生交變應(yīng)力；低溫容器的夾套如果是碳鋼的話，連接部分的夾套低碳鋼角焊縫溫度以及母材溫度有時(shí)候會(huì)比他們的脆性轉(zhuǎn)變溫度還低。低溫容器經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的使用，夾套連接接管的角焊縫可能就會(huì)有穿透性裂紋的產(chǎn)生，使得夾層的真空性失效。關(guān)閉閥門可以控制在控制閥以外的管路發(fā)生事故的情況，降低其危險(xiǎn)性，但是火災(zāi)除外。

1.2檢驗(yàn)評(píng)定中出現(xiàn)的問題

1.2.1真空規(guī)管因素

一些研究人員認(rèn)為因?yàn)榈蜏厝萜靼惭b的地方多為室外，外界相對(duì)容器來(lái)說(shuō)有較高的溫度，真空規(guī)管局部會(huì)有水汽出現(xiàn)，受到腐蝕作用可能會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況，無(wú)法將其和真空計(jì)連接起來(lái)。對(duì)于這一方面我國(guó)并沒有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，有的廠家甚至沒有進(jìn)行保護(hù)罩墊片的安裝，真空規(guī)管就更容易被損壞了。

1.2.2級(jí)別判定依據(jù)不合理

在《容檢規(guī)》中已經(jīng)比較全面地闡述了移動(dòng)式真空絕熱壓力容器檢驗(yàn)的各個(gè)方面，其檢驗(yàn)項(xiàng)目主要包括以下幾點(diǎn)：審查資料、宏觀檢驗(yàn)、對(duì)筒體與底盤連接情況的檢驗(yàn)、檢驗(yàn)附屬設(shè)施的連接情況、檢驗(yàn)隔熱層、安全附件、組裝情況并且進(jìn)行氣密性以及耐壓程度的相關(guān)試驗(yàn)，最后要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。

在有實(shí)測(cè)壁厚的前提下才能進(jìn)行強(qiáng)度校核，但是真空絕熱壓力容器不需要進(jìn)行壁厚測(cè)定，這樣一來(lái)就不能進(jìn)行強(qiáng)度校核，另外雖然檢測(cè)了其氣密性，但是絕大多數(shù)的管線都是隱蔽起來(lái)的，這些隱藏的管路無(wú)法進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)。如果內(nèi)膽出現(xiàn)泄漏，也沒辦法進(jìn)行判斷，有泄露情況出現(xiàn)以后真空度同樣會(huì)產(chǎn)生變化，如果要檢驗(yàn)其氣密性的話資金投入方面是比較大的。

另外在檢測(cè)固定式真空絕熱壓力容器的時(shí)候，其安全等級(jí)的判斷與真空度以及日蒸發(fā)率相掛鉤，因?yàn)檎婵战^熱壓力容器沒有入口，所以不能檢查其內(nèi)部實(shí)際情況，也沒辦法按照《容檢規(guī)》種的規(guī)定來(lái)判定安全等級(jí)。

1.2.3錯(cuò)誤判斷了真空度

一是因?yàn)檎婵找?guī)管形式的多樣性，而檢驗(yàn)單位使用的都是型號(hào)單一的檢測(cè)設(shè)備，所以不能順利地匹配接口；二是因?yàn)檎婵斩鹊臋z測(cè)可能會(huì)受到測(cè)量環(huán)境以及容器內(nèi)介質(zhì)的含量多少的影響；三是因?yàn)橛械膶W(xué)者認(rèn)為真空度合格標(biāo)準(zhǔn)是由介質(zhì)成分決定的，不能單純地以某一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行判定，否則可能會(huì)失誤判斷真空度，所以在檢測(cè)設(shè)備的過程中，應(yīng)該綜合的分析檢測(cè)結(jié)果，區(qū)別對(duì)待真空度超標(biāo)的情況。

2.設(shè)定檢驗(yàn)項(xiàng)目以及檢驗(yàn)結(jié)論

2.1設(shè)定檢驗(yàn)項(xiàng)目

和普通壓力容器類似，首先要審查技術(shù)資料，包括設(shè)備的出廠資料、制造、安裝資料、日常運(yùn)行記錄、歷次檢驗(yàn)報(bào)告等，保證這些資料齊全，重點(diǎn)留意上一次的檢驗(yàn)報(bào)告中有沒有記載問題，對(duì)于低溫絕熱壓力容器來(lái)說(shuō)要注意其運(yùn)行記錄，可以對(duì)絕熱性能進(jìn)行一定的反應(yīng)。

其次對(duì)容器本體進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，除了常規(guī)檢查還要對(duì)容器的保溫層、外殼、隔熱層進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否有損傷情況，設(shè)備基礎(chǔ)有沒有出現(xiàn)開裂、傾斜等問題，容器地腳螺栓的穩(wěn)定性如何等。還要確定外殼表面的腐蝕情況，嚴(yán)重腐蝕的話需要測(cè)定其腐蝕厚度。安全閥、溫度計(jì)、壓力表、緊急切斷閥等都是低溫液體儲(chǔ)存容器的安全附件，需要做好檢查工作并且定期更換爆破片和安全閥。有必要時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度校核（外殼），耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)在有需要時(shí)進(jìn)行（移動(dòng)式應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)）

檢驗(yàn)氣密性一般要檢查容器各個(gè)部件是否緊密連接起來(lái)了，同時(shí)檢查是否有泄漏情況，這樣做的目的是如果內(nèi)膽或者其中任何一個(gè)夾層有泄漏問題，就不能保證儀器整體的真空度，這樣一來(lái)外殼也可能會(huì)出現(xiàn)異常情況例如結(jié)露等，對(duì)容器使用性能造成負(fù)面的影響。其次是如果有泄漏情況發(fā)生的話，也只能檢查露在外面的管線，內(nèi)部情況無(wú)從得知，只檢查氣密性是無(wú)法確定泄露點(diǎn)的。再次是如果泄露情況不嚴(yán)重的話，可以檢測(cè)真空度從而進(jìn)行判斷。最后是檢驗(yàn)氣密性需要的成本資金是比較高的，所以盡量不要使用這種方法來(lái)檢查真空絕熱壓力容器的氣密性。低溫絕熱容器不僅結(jié)構(gòu)形式比較特殊，管路系統(tǒng)也比一般的壓力容器更復(fù)雜，所以尤其要重視氣密性試驗(yàn)，對(duì)圖紙上有要求的部分必須檢測(cè)氣密性。如果是惰性介質(zhì)例如液氮等，可以用介質(zhì)直接進(jìn)行，其他的必須按照檢驗(yàn)規(guī)程中的介質(zhì)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)出現(xiàn)了腐蝕深度超出了腐蝕裕量、存在不合理結(jié)構(gòu)或者檢驗(yàn)人員對(duì)其強(qiáng)度有懷疑時(shí)，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，所以說(shuō)對(duì)于定期檢驗(yàn)來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度校核是用于判斷缺陷會(huì)不會(huì)為壓力容器的正常運(yùn)行帶來(lái)影響。但是不管是常規(guī)的強(qiáng)度校核計(jì)算還是對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行分析，壁厚測(cè)定都是前提，而真空絕熱壓力容器的壁厚是無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)的，所以對(duì)于真空絕熱壓力容器來(lái)說(shuō)強(qiáng)度校核這種方法并不適用。

2.2檢驗(yàn)結(jié)論

評(píng)定安全狀況等級(jí)的時(shí)候主要是從材質(zhì)使用過程中出現(xiàn)的劣化、裂紋、機(jī)械損傷、腐蝕、母層分層、原始焊接時(shí)有否缺陷、結(jié)構(gòu)不合理等缺陷方面進(jìn)行考慮，從評(píng)定項(xiàng)目可以看出來(lái)，主要是對(duì)受壓元件進(jìn)行評(píng)定，而對(duì)于真空絕熱壓力容器，內(nèi)膽封頭容易出現(xiàn)脆化的情況，進(jìn)而導(dǎo)致失去了真空度的效果。在使用的時(shí)候是沒有辦法對(duì)內(nèi)膽封頭進(jìn)行檢驗(yàn)，因此《容檢規(guī)》第四十七條列出了真空度及日蒸發(fā)率的測(cè)量結(jié)果范圍，以此來(lái)進(jìn)行級(jí)別判定。

結(jié)語(yǔ)

由于真空絕熱壓力容器自身結(jié)構(gòu)比較特殊，所以在進(jìn)行檢驗(yàn)的時(shí)候普通的檢驗(yàn)方法是行不通的，檢驗(yàn)工作有一定的難度。但是必須要選擇合理并且適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)進(jìn)行有效地檢驗(yàn)并進(jìn)行級(jí)別判定。在檢驗(yàn)中以下幾個(gè)方面的工作要切實(shí)到位：

（1）確定真空絕熱壓力容器失效的具體模式，從而進(jìn)行檢驗(yàn)項(xiàng)目的合理選擇，然后科學(xué)地實(shí)施檢驗(yàn)，避免出現(xiàn)檢驗(yàn)過度的情況。

（2）保證產(chǎn)品運(yùn)行安全程度的前提是夾層真空度，同時(shí)也是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，所以應(yīng)該對(duì)真空度降低的速率進(jìn)行計(jì)算，來(lái)確定檢驗(yàn)周期。

（3）檢驗(yàn)項(xiàng)目主要是審查資料、宏觀檢驗(yàn)、檢測(cè)真空度以及檢驗(yàn)安全附件，必要的時(shí)候可以對(duì)耐壓性和氣密性進(jìn)行試驗(yàn)。

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