低溫絕熱壓力容器失效因素與檢驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題概述

張 耕，譚 粵，李 蔚，夏 莉，楊 剛

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 佛山 528000)

隨著低溫技術(shù)的發(fā)展與普及，液氮、液氧、液氬、液態(tài)二氧化碳、液化天然氣、液氫、液氦等低溫液體的應(yīng)用日趨廣泛，各行各業(yè)對(duì)貯存和輸送低溫液體的需求日益增長(zhǎng)。低溫壓力容器作為貯存和運(yùn)輸?shù)蜏匾后w的設(shè)備其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。以廣東省為例，目前我省固定式低溫壓力容器的保有量約為7000臺(tái)。低溫液體儲(chǔ)存設(shè)備通常為具有保冷效果的壓力容器，其作為壓力容器的安全性以及其作為絕熱容器的經(jīng)濟(jì)性已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。

就低溫壓力容器安全性而言，對(duì)其安全性起到監(jiān)控作用的單位主要有兩個(gè)，一是檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，二是使用單位。按照《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定：低溫壓力容器屬于特種設(shè)備范疇，必須由具有相應(yīng)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)，然而這種定期檢驗(yàn)通常的檢驗(yàn)周期為3-6年，而在這期間設(shè)備突發(fā)的運(yùn)行事故檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)目前是無(wú)法第一時(shí)間察覺(jué)的，因此，低溫壓力容器的安全監(jiān)控的主要責(zé)任應(yīng)該落到使用單位上面。但目前由于使用單位在低溫壓力容器管理及技術(shù)方面的能力參差不齊，而且大多數(shù)使用單位也缺乏低溫容器管理方面的技術(shù)人員，這就造成使用單位在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的前期甚至于問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)不能做出正確的判斷以及給出相應(yīng)的處理建議，最終引起安全事故的發(fā)生。

由于低溫壓力容器結(jié)構(gòu)為全封閉的真空夾層容器，內(nèi)部介質(zhì)為低溫液體，內(nèi)膽難以直接檢驗(yàn)。為了提高檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，需對(duì)低溫壓力容器運(yùn)行中影響安全的因素進(jìn)行全面的分析，了解其內(nèi)在規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)更好地檢驗(yàn)和監(jiān)管。

1 失效因素分析

1.1 材質(zhì)原因

封頭直邊端開(kāi)裂現(xiàn)象。真空絕熱壓力容器在內(nèi)容器方面通常采用的是奧氏體不銹鋼，奧氏體的耐低溫性較好，幾戶不存在低溫脆化的現(xiàn)象，而現(xiàn)階段我國(guó)的低溫液體介質(zhì)純度也基本不存在腐蝕的現(xiàn)象。但在了解多個(gè)生產(chǎn)單位返修容器失效因素的案例中，我們發(fā)現(xiàn)封頭直邊端是十分容易受到多種因素的影響而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生這一問(wèn)題主要是因?yàn)橹圃旆忸^的過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行了重新分配，使得直邊端承受了超過(guò)極限的應(yīng)力從而導(dǎo)致開(kāi)裂。其次，在材料熱處理過(guò)程中，冷卻方式處理不當(dāng)導(dǎo)致的材料成分不均勻和不可控。

輕量化技術(shù)可以節(jié)約材料，降低能耗，符合安全與經(jīng)濟(jì)并重、安全與資源節(jié)約并重的發(fā)展理念，已經(jīng)成為壓力容器的主導(dǎo)發(fā)展方向[1]。室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)作為一種輕量化技術(shù)，可大幅提高奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力，顯著減薄容器壁厚，降低重容比，已廣泛應(yīng)用于奧氏體不銹鋼制深冷容器制造。而應(yīng)變強(qiáng)化的常溫下鋼經(jīng)過(guò)塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化，晶粒沿著變形最大的方向被拉長(zhǎng)，晶格被扭曲，從而提高了材料的抗變形能力[1]。但是，國(guó)內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化工藝并不成熟，形變和應(yīng)力容易誘發(fā)馬氏體相變，從而造成局部出現(xiàn)分布不均勻的硬脆相。通常我們用鐵素體含量檢測(cè)儀檢測(cè)來(lái)測(cè)試材料中的鐵素體含量，鐵素體含量檢測(cè)儀利用電磁感應(yīng)原理能方便快速準(zhǔn)確測(cè)量鐵素體含量，利用磁導(dǎo)率測(cè)定。而在奧氏體不銹鋼冷加工過(guò)程中，隨著冷加工的進(jìn)行，形變和應(yīng)力都會(huì)誘發(fā)馬氏體相變，原有奧氏體組織會(huì)部分轉(zhuǎn)化成馬氏體，使得冷加工后組織為馬氏體加奧氏體。奧氏體是面心立方，無(wú)磁性的組織，通常是?-Fe中固溶少量碳的無(wú)磁性固溶體；鐵素體是碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體，溶碳量極小，是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，具有鐵磁性；而我們關(guān)注的硬脆相馬氏體是碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體，和鐵素體具有相同的體心立方晶體結(jié)構(gòu)至少碳容量為過(guò)飽和，具有鐵磁性。根據(jù)鐵素體檢測(cè)儀的原理，和冷加工過(guò)程的相變分析，判斷測(cè)得的鐵素體檢測(cè)儀的含量顯示即表示的整體的馬氏體含量。但這種方法對(duì)于馬氏體含量和分布的監(jiān)測(cè)并不準(zhǔn)確，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的材料進(jìn)行全覆蓋，非期望的硬脆相分布引起的應(yīng)力集中增加了局部開(kāi)裂的可能性。

且?jiàn)A套與氣、液相接管連接的角焊縫時(shí)常存在泄漏情況，在日常使用過(guò)程中，由于反復(fù)充裝，低溫介質(zhì)溫度到達(dá)零下一百多度，復(fù)溫后達(dá)到室溫，內(nèi)外溫差較大且瞬間產(chǎn)生部分沖擊力導(dǎo)致接管與殼體的連接處存在溫差變化，導(dǎo)致接管與殼體的連接處存在交變應(yīng)力。若夾套材料采用碳鋼的低溫容器，與接管連接部位的夾套位置母材及低碳鋼角焊縫處的溫度，又是甚至低于材料本身韌脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫容器長(zhǎng)期使用過(guò)程中，接管與夾套連接處的角焊縫易出現(xiàn)穿透性裂紋，造成夾層真空度喪失。

1.2 真空失效

設(shè)備的真空度和日蒸發(fā)率與容器的絕熱性和使用壽命之間緊密關(guān)聯(lián)，按照《固定式壓力容器安全技術(shù)檢查規(guī)程》，評(píng)價(jià)固定式真空絕熱壓力容器的兩個(gè)重要指標(biāo)就是真空度及日蒸發(fā)率。低溫壓力容器的絕熱問(wèn)題，核心就是真空夾層的真空維持的問(wèn)題。對(duì)于真空夾層來(lái)說(shuō)，漏放氣是無(wú)法消除的，漏氣是本體或接口等部位出現(xiàn)泄漏，而內(nèi)部承裝介質(zhì)側(cè)發(fā)生泄漏的概率極低，而對(duì)于一個(gè)檢漏合格的低溫容器來(lái)說(shuō)，與低溫容器構(gòu)成真空夾層的材料放氣量相比，它的漏氣量很小，可以忽略不計(jì)。因此，低溫容器的漏放氣問(wèn)題其實(shí)就是指低溫容器構(gòu)成真空夾層的材料放氣問(wèn)題，任何固體材料在制造過(guò)程中和大氣環(huán)境下都能溶解并吸附一些氣體，當(dāng)材料置于真空中時(shí)，原有的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，這些氣體在材料內(nèi)部和表面進(jìn)行擴(kuò)散解溶，表面吸附的氣體將會(huì)脫附，于是就發(fā)生材料放氣[2-3]。而放氣是一個(gè)持續(xù)累加的過(guò)程，所以容器真空度過(guò)高時(shí)則需要進(jìn)行抽空處理或者返廠維修。對(duì)于低溫絕熱容器而言，真空失效已成為其中最嚴(yán)重的問(wèn)題之一，實(shí)際使用過(guò)程中，真正影響夾層真空度和絕熱性能的影響因素則更加難以預(yù)測(cè)。同時(shí)，真空夾層中的絕熱材料的物理性能和形態(tài)上存在一定程度的差異，導(dǎo)熱率也隨之變化。

2 低溫壓力容器的定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題分析

國(guó)家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東)結(jié)合多年以來(lái)廣東省內(nèi)低溫壓力容器的定期檢驗(yàn)情況并進(jìn)行了匯總和分析。目前，低溫壓力容器在我省的保有量約為7000臺(tái)，國(guó)內(nèi)低溫壓力容器的數(shù)量就更為龐大，未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)低溫液體的應(yīng)用將更為廣范，這也預(yù)示著上百萬(wàn)臺(tái)的低溫液體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備將投入運(yùn)行。就廣東省內(nèi)低溫壓力容器的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，每年有近10%的設(shè)備出現(xiàn)不同程度的問(wèn)題。這些問(wèn)題絕大多數(shù)是檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，然而這種定期檢驗(yàn)的周期通常為3-6年，因此還有大量潛在的隱患存在于運(yùn)行的設(shè)備中。

檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，存在以下與容器關(guān)系密切的不合格原因和相關(guān)問(wèn)題，諸如：真空度變差、真空規(guī)管損壞、容器出現(xiàn)內(nèi)外漏、安全附件失效、異常升壓等等，根據(jù)對(duì)全省過(guò)去三年的一個(gè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總分析，不合格率為在3%～4%之間。

2.1 真空規(guī)管損壞或誤判

絕大多數(shù)低溫容器安裝在室外，環(huán)境負(fù)責(zé)，經(jīng)受風(fēng)吹日曬，局部積累的水汽、潮氣容易在規(guī)管口上聚集，造成針腳腐蝕或斷裂，無(wú)法連接真空計(jì)接頭。由于現(xiàn)行法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于真空規(guī)管的保護(hù)罩并無(wú)規(guī)定，部分設(shè)備甚至未設(shè)置保護(hù)罩或保護(hù)罩嚴(yán)重?fù)p壞。

2.2 真空度失效

大部分低溫容器使用環(huán)境都是室外，日常管理和使用情況復(fù)雜，有的罐體原本真空度和絕熱性能就不好。再加上低溫容器日積月累本身絕熱材料熱導(dǎo)率上升[4]、夾層氣體含量增加，夾層內(nèi)各種材料的漏放氣現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致真空度下降。同時(shí)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的檢查，對(duì)于異常結(jié)霜、結(jié)露現(xiàn)象；有無(wú)壓力異常升高的情況，安全閥、爆破片有無(wú)頻繁異常起跳、破裂的情況，若有異常現(xiàn)象，且經(jīng)常出現(xiàn)安全保護(hù)裝置異常釋放動(dòng)作，此時(shí)應(yīng)懷疑真空失效。定期檢驗(yàn)時(shí)，完成計(jì)量的真空計(jì)測(cè)得的容器夾層真空度數(shù)值，成為檢驗(yàn)評(píng)級(jí)的依據(jù)。

絕熱性能最直觀的數(shù)值體現(xiàn)就是夾層的真空度，對(duì)于固定式真空絕熱壓力容器，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[5]里對(duì)于真空度測(cè)量結(jié)果在表1范圍內(nèi)，不影響定級(jí)；大于表1中規(guī)定指標(biāo)，但不超過(guò)其兩倍，可以定為3級(jí)或4級(jí)；否則定為4級(jí)或5級(jí)。

表1 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定指標(biāo)

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)低溫絕熱壓力容器進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和闡述，并在此基礎(chǔ)之上，對(duì)低溫絕熱壓力容器的失效，以及檢驗(yàn)評(píng)定等方面展開(kāi)了簡(jiǎn)要的分析和闡述。由于真空絕熱壓力容器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，無(wú)法像常規(guī)容器那樣進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、埋藏缺陷檢測(cè)、材料分析、強(qiáng)度校核、耐壓試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)，但同時(shí)只要對(duì)低溫絕熱壓力容器失效的原因有著清晰的了解，加強(qiáng)低溫絕熱壓力容器檢驗(yàn)評(píng)定技術(shù)的有效利用，就可以有效的提升低溫絕熱壓力容器檢驗(yàn)評(píng)定的水平，保證低溫絕熱壓力容器安全、穩(wěn)定等性能[6-7]。