化工設(shè)備壓力容器破壞原因及預(yù)防分析

＊紀(jì)賢炎

（福建眾和利達(dá)化工裝備有限公司 福建 365050）

引言

化工設(shè)備壓力容器的運(yùn)行環(huán)境相對復(fù)雜，受腐蝕與裂紋及變形等破壞原因引起的質(zhì)量問題，易引起致命性的傷害。因此，相對于破壞的事后處理。更應(yīng)當(dāng)注重事前預(yù)防與事中控制，確?；ぴO(shè)備壓力容器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效延長容器的使用壽命。由于化工設(shè)備壓力容器的破壞形式與原因多樣化，需在預(yù)防措施與管理手段等方面加強(qiáng)創(chuàng)新，以切實(shí)發(fā)揮化工設(shè)備壓力容器管理的作用價(jià)值。

1.化工設(shè)備壓力容器的事故特點(diǎn)

壓力容器屬于承壓設(shè)備，是指危險(xiǎn)性較大與涉及生命安全的承壓類特種設(shè)備和安全附件，包括壓力管道與鍋爐等。壓力容器的類型多樣性，可以按照承壓方式對其進(jìn)行分類，將其分為內(nèi)壓與外壓容器。如果分類方式選擇壓力大小，則可以將其分為高壓、低壓與中壓以及超高壓容器。如果在分類的過程中，選擇的分類方式是工作溫度，那么其包括了低溫、高溫以及常溫容器。如果按照制作方式對其進(jìn)行分類，其包括了鍛造、焊接以及鑄造容器等不同的分類方式，其所分類出來的內(nèi)容有所區(qū)別，但是任何一個(gè)化工設(shè)備壓力容器在使用的過程中，都不能忽視其安全可靠性的把控?；ぴO(shè)備壓力容器的事故特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)危險(xiǎn)性大

化工產(chǎn)品有高溫高壓與毒性及易燃易爆等特點(diǎn)，壓力容器發(fā)生火災(zāi)與泄漏及爆炸的可能性大，在危險(xiǎn)性上是其他行業(yè)不能比擬的。由于部分化工原料的反應(yīng)性與毒性和易燃性強(qiáng)，是促使化工企業(yè)內(nèi)部頻發(fā)惡性事故的主要原因。化工企業(yè)發(fā)生火災(zāi)爆炸與泄露等惡性事故后，不僅會造成工作人員受傷或死亡，還會引起較大的經(jīng)濟(jì)損失。

(2)環(huán)境污染

化工生產(chǎn)時(shí)運(yùn)用到的原料與產(chǎn)品及中間體和副產(chǎn)品等物質(zhì)，有一定程度的工業(yè)毒性和腐蝕性。泄漏到水體或空氣中，尤其是未經(jīng)過處理的工業(yè)物質(zhì)，不僅會引起不同程度的環(huán)境污染，也會引發(fā)經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡等?；て髽I(yè)的惡性事故，普遍存在治理難度大與影響時(shí)間長等特征。

(3)影響設(shè)備正常運(yùn)行

化工企業(yè)對工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行要求較高，但大部分化工設(shè)備壓力容器的運(yùn)行環(huán)境惡劣，長期在腐蝕與高溫和高壓等環(huán)境中運(yùn)行，受到振動與內(nèi)部腐蝕介質(zhì)等因素影響，會使得設(shè)備金屬產(chǎn)生疲勞感等質(zhì)量問題，會直接影響化工設(shè)備的正常運(yùn)行，這也是化工企業(yè)在設(shè)備安全使用管理中不能忽視的 問題[1]。

2.化工壓力容器破壞的形式與原因及特征

(1)過度塑性變形

一旦化工壓力容器自身的壓力荷載超過已經(jīng)既定的數(shù)值時(shí)，就會導(dǎo)致化工設(shè)備的壓力容器壁漸漸變薄，甚至處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。容器也會由于其過度的塑形而成現(xiàn)形變，甚至導(dǎo)致容器直接破裂，如果過度塑形而產(chǎn)生的破裂，其斷口的狀態(tài)是一種撕裂的效果，而容器中也會伴隨著少量的碎塊，或者是不產(chǎn)生破片。與此同時(shí)，化工設(shè)備壓力容器爆破的能量，直接決定了容器爆破口的大小。

(2)過度彈性變形

所謂彈性變形，是指當(dāng)化工壓力容器固體受到外力的作用，進(jìn)而產(chǎn)生了一定的形變，這種形變是一種直接表現(xiàn)形式，而當(dāng)外力撤出之后，物體會漸漸地恢復(fù)到最初原來的形狀。為此，可以將其稱之為彈性性質(zhì)。這是一種可逆性的變形，通常情況下，人們將之稱為彈性變形，但是如果在使用化工壓力容器中，出現(xiàn)了過度彈性變形時(shí)，易促使化工設(shè)備壓力容器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著外力作用的增強(qiáng)，化工設(shè)備壓力容器會逐步向失穩(wěn)的程度過渡。

(3)大應(yīng)變疲勞

在交變應(yīng)力的作用影響下，局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)處或開孔接管周圍等化工設(shè)備壓力容器的局部區(qū)域，而其中金屬晶粒受到的力最大，會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，進(jìn)而逐步向呈現(xiàn)微小裂紋過度。隨著裂紋兩端逐步的增加和擴(kuò)展，最終所形成的化工壓力設(shè)備，其自身容易疲勞，并且容易受到明顯的破壞。高壓力的局部本身擁有極高應(yīng)力。面對極高應(yīng)力的局部區(qū)域，首先出現(xiàn)疲勞的現(xiàn)象，高應(yīng)力會引起大應(yīng)變部位的破壞。為此，也可以將其稱為大應(yīng)變疲勞，在目前分析化工壓力設(shè)備容器在使用的過程中發(fā)現(xiàn)其所具有的疲勞破壞特征主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)，即容器變形不明顯；破裂斷口主要存在于疲勞裂紋產(chǎn)生至擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)的兩個(gè)區(qū)域；化工設(shè)備壓力容器因開裂泄露而失效；化工設(shè)備壓力容器反復(fù)加卸載后更容易產(chǎn)生疲勞破壞。

(4)腐蝕疲勞

共同作用下，進(jìn)而形成的一種全新破壞形式，如果基于材料的腐蝕疲勞這一角度進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)其會導(dǎo)致金屬表面發(fā)生極為明顯的局部破壞，導(dǎo)致金屬產(chǎn)生疲勞裂紋。二是金屬表面的保護(hù)膜，在交變的拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生表面腐蝕。交變應(yīng)力在破壞保護(hù)膜之后，保護(hù)模無法再次形成，這也會導(dǎo)致在腐蝕坑中出現(xiàn)沉積，直接影響到氧的擴(kuò)散，導(dǎo)致保護(hù)膜無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，其最終所形成的是一種惡性循環(huán)。然而腐蝕坑的底部，則始終處于一種相對較為活躍的活性狀態(tài)，易形成腐蝕電池的陽極，最終在交變應(yīng)力與腐蝕的雙重作用下，裂紋會不斷的發(fā)展，直到最終金屬呈現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

(5)應(yīng)力腐蝕

在分析應(yīng)力腐蝕時(shí)，考慮到應(yīng)力腐蝕主要是指拉伸應(yīng)力與金屬腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用，進(jìn)而形成一種獨(dú)特的破壞形式。當(dāng)化工壓力容器出現(xiàn)金屬應(yīng)力腐蝕這一現(xiàn)象后，由于應(yīng)力腐蝕兩個(gè)不同的作用因素，處于一種相互促進(jìn)的狀態(tài)，其中腐蝕會直接減少金屬本身的有效截面積，并且在金屬的表面漸漸形成一個(gè)缺口，促使其應(yīng)力更加集中。同時(shí)也需要考慮到基于預(yù)應(yīng)力的作用下，腐蝕的進(jìn)度會漸漸的被加速，基礎(chǔ)造成的結(jié)果就是金屬表面的缺口會越來越大，直到最后的斷裂。

(6)脆性破裂

脆性破裂是指未顯著塑性變形的斷裂，脆性破裂的容器部位常有碎片飛出，并呈現(xiàn)出碎塊狀；通常在低溫狀況下發(fā)生破裂事故；中低強(qiáng)度制造的厚壁容器與高強(qiáng)度鋼制的壓力容器上，更容易發(fā)生脆性斷裂。

(7)氫腐蝕破裂

由于大部分的工業(yè)設(shè)備，其壓力容器在制作和使用的過程中均屬處在高溫、高壓的情況下。為此，鋼的表面會吸附大量的氫分子。而氫分子會漸漸的分解成為氫離子或原子，導(dǎo)致在鋼表面層出現(xiàn)固溶現(xiàn)象，甚至?xí)蜾搩?nèi)擴(kuò)散，并通過氫腐蝕與氫脆等形式，不斷破壞鋼的性能。從氫腐蝕入手分析，氫離子或原子擴(kuò)散到鋼內(nèi)，會結(jié)合成氫分子，部分會與非金屬夾雜物或碳及碳化物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成不容易溶解的氣體生成物。而生成物再晶界原有的微小縫隙中會漸漸的聚積，進(jìn)而逐步形成局部高壓以及用力集中，促使晶界逐步變寬，并且產(chǎn)生一定的微裂紋，而鋼的機(jī)械性能也在這一階段漸漸地被弱化。

(8)蠕變

金屬容器在外部溫度與應(yīng)力作用的持續(xù)性變化影響下，經(jīng)過長時(shí)間累計(jì)極易引起器壁的破損。蠕變與塑性變形不同，溫度是蠕變的重要影響因素，高溫會弱化金屬材料的剛性。除此之外，產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力會逐步弱化壓力容器的性能與質(zhì)量，從而促使其出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。

3.壓力容器破壞事故的分析方法

壓力容器發(fā)生事故的幾率大，一旦發(fā)生惡性事件，會引起停工停產(chǎn)，腐蝕作用等屬于工業(yè)設(shè)備壓力容器事故的直接原因，而壓力容器設(shè)備治理混亂與技術(shù)檔案資料不完整、安全生產(chǎn)職責(zé)落實(shí)不到位、安全生產(chǎn)整改監(jiān)視檢查不足等要素，是引起容器事故的間接原因。除了需要通過簡單的調(diào)查分析之外，還需要提供檢驗(yàn)容器是否具有斷裂，其破裂處的斷口又是一種怎樣的狀態(tài)，容器的理化性能。要想真正找到事故發(fā)生的原因，必要時(shí)可進(jìn)行容器破壞性的模擬試驗(yàn)等。在技術(shù)檢驗(yàn)與事故調(diào)查的同時(shí)，制定針對性的處理和預(yù)防措施。

4.壓力容器破壞的預(yù)防措施

定期檢驗(yàn)與預(yù)防化工設(shè)備壓力容器發(fā)生破壞的意義，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在與潛在的設(shè)備缺陷和隱患，查清容器的安全狀況，消除與監(jiān)控各種危險(xiǎn)因素，降低化工設(shè)備壓力容器發(fā)生事故的幾率，促使壓力容器能夠安全運(yùn)行。

(1)預(yù)防疲勞性破損

疲勞破損是典型的壓力容器破壞，預(yù)防出現(xiàn)疲勞破損的措施，是避免工業(yè)設(shè)備壓力容器的長期超負(fù)荷操作。工業(yè)設(shè)備壓力容器承受的作用力局限，需適當(dāng)減輕容器的加壓，以此控制壓力容器的損壞可能性。

(2)預(yù)防韌性變形與脆性損壞

根據(jù)運(yùn)行工況等實(shí)際，合理選擇容器制備的強(qiáng)度材料，避免出現(xiàn)韌性變形與脆性破壞。針對于出現(xiàn)變形的工業(yè)設(shè)備壓力容器，除非是輕微的局部凹陷，其它的變形需停止容器的繼續(xù)使用。工業(yè)設(shè)備壓力容器發(fā)生變形后，容器壁厚會變薄，變形材料的耐腐蝕性與韌性隨之弱化。針對于輕微的鼓包與面積較小與對其它部位影響小和容器材料有較好焊性的工業(yè)設(shè)備壓力容器，可挖去鼓包部位后，補(bǔ)焊相同的材料與形狀板塊，同時(shí)檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量。

(3)預(yù)防腐蝕性破壞

在制作工業(yè)設(shè)備壓力容器時(shí)，建議選擇高品質(zhì)的金屬材料，降低體內(nèi)雜質(zhì)的含量，以確保工業(yè)設(shè)備壓力容器的耐腐蝕性達(dá)標(biāo)?；て髽I(yè)在壓力容器的投入使用前，建議在器壁內(nèi)安裝阻隔材料，避免容器壁直接接觸有腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)。使用完畢后及時(shí)清理，做好工業(yè)設(shè)備壓力容器的檢查養(yǎng)護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與替換處理出現(xiàn)裂縫的壓力容器。從防腐作業(yè)入手分析，可有效解決工業(yè)設(shè)備壓力容器的表面腐蝕現(xiàn)象，表面防腐以表面噴砂和表面噴劑的兩種方案為主，在表面防腐作業(yè)前，需利用噴砂機(jī)去除表面鋼材上的銹跡與氧化物等預(yù)處理操作，確保表面干凈清潔無異物后，再合理調(diào)配防腐劑，嚴(yán)格控制調(diào)配的比例。防腐作業(yè)步驟與方法，需嚴(yán)格按照國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

(4)預(yù)防蠕變

壓力容器的蠕變問題，主要受高溫環(huán)境與應(yīng)力作用的影響。因此，要想高效解決蠕變破裂問題，需避免應(yīng)力作用與高溫條件同時(shí)出現(xiàn)在容器內(nèi)。要想規(guī)避蠕變的影響因素，首先需定期檢查維護(hù)。其次，及時(shí)替換處理損壞的工業(yè)設(shè)備壓力容器，避免蠕變問題逐步擴(kuò)張。最后，加強(qiáng)對工業(yè)設(shè)備壓力容器自身品質(zhì)的控制，制定完善的工業(yè)設(shè)備壓力容器采購計(jì)劃，引進(jìn)高質(zhì)量的工業(yè)設(shè)備壓力容器，降低安全事故發(fā)生率，延長工業(yè)設(shè)備壓力容器的使用壽命[2]。

5.壓力容器破壞的質(zhì)量控制

(1)制造前的質(zhì)量檢驗(yàn)

首先，嚴(yán)格審查施工圖紙。圖紙是壓力容器投入生產(chǎn)的技術(shù)參考和重要依據(jù)。因此，應(yīng)當(dāng)加大審查工業(yè)設(shè)備壓力容器設(shè)計(jì)圖的力度，確保其符合我國現(xiàn)行的規(guī)范要求和制造標(biāo)準(zhǔn)及制造條件等。其次，加工工藝流程的合理編制。壓力容器的生產(chǎn)流程與制造工藝，需嚴(yán)格依據(jù)相應(yīng)的工藝流程進(jìn)行。統(tǒng)一編制批量生產(chǎn)的壓力容器的加工工藝，以提高生產(chǎn)效率，促使加工流程有序?qū)嵤?。?yīng)用新技術(shù)與新工藝和新材料的容器，圍繞加工需求合理制定工藝流程。最后，加強(qiáng)對原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)。要求工藝設(shè)備壓力容器選用的材料達(dá)標(biāo)，符合加工工藝與生產(chǎn)條件的要求。生產(chǎn)企業(yè)需盡快完善監(jiān)管體制和制度，加大集中監(jiān)管化工設(shè)備壓力容器材料質(zhì)量的力度。

(2)控制焊接質(zhì)量

首先，從焊接材料的質(zhì)量控制入手分析。焊接材料的管理控制環(huán)節(jié)較多，涉及采購與驗(yàn)收和復(fù)驗(yàn)及烘干與發(fā)放等控制點(diǎn)。嚴(yán)格按照壓力容器材料的規(guī)定選用焊接材料，要求焊接材料的質(zhì)量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。其次，從焊接工藝控制入手分析。要求焊工具備焊工合格證件，能夠得心應(yīng)手的展開焊接工作。嚴(yán)格按照焊接工藝書或焊接工藝卡施焊。壓力容器施焊前，合理編制焊接工藝方案，方案內(nèi)容涉及坡口形式與焊接方法選定、焊接材料、無損檢測等內(nèi)容。要想確保工藝的貫徹執(zhí)行與焊縫的質(zhì)量，要求責(zé)任工程師加強(qiáng)對工藝規(guī)程執(zhí)行情況的監(jiān)督，嚴(yán)格控制焊接順序和焊前預(yù)熱及焊材選擇等細(xì)節(jié)問題。加強(qiáng)焊縫檢驗(yàn)，包括無損探傷檢驗(yàn)與外觀檢驗(yàn)，本著引進(jìn)來與走出去的原則，引用先進(jìn)的探傷方法與技術(shù)設(shè)備，避免出現(xiàn)誤判等情況，以提高工業(yè)設(shè)備壓力容器的整體質(zhì)量。

(3)加強(qiáng)設(shè)備的質(zhì)量控制

化工設(shè)備壓力容器在生產(chǎn)與投入使用中的安全隱患問題不能忽視，化工設(shè)備壓力容器屬于危設(shè)備，在使用中需加強(qiáng)對容器的質(zhì)量控制，并將質(zhì)量控制的理念與制定和措施，貫穿容器使用的各環(huán)節(jié)。在制定質(zhì)量控制制度前，廣泛收集工作人員的意見想法，促使質(zhì)量控制更貼近于化工設(shè)備壓力容器應(yīng)用的實(shí)際情況。為提高質(zhì)量控制的有效性，建立完善的自我檢查流程與互相檢驗(yàn)程序，引入精細(xì)化與流程管理等現(xiàn)代化的管理手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理化工設(shè)備壓力容器的裂紋等破壞因素?；て髽I(yè)需強(qiáng)化壓力容器事故的預(yù)防觀念，根據(jù)化工設(shè)備壓力容器的使用情況，建立完善的監(jiān)測使用體系，將容器事故的可能性降到最低。根據(jù)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題，采取針對性的措施進(jìn)行維護(hù)處理，實(shí)現(xiàn)資源的整合優(yōu)化與高效利用。

(4)提供人才保障

化工企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)完善人才培養(yǎng)考核機(jī)制，要求工作人員深入了解化工設(shè)備壓力容器的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)體系及技術(shù)參數(shù)等內(nèi)容，將其從傳統(tǒng)的工作模式與態(tài)度及觀念中脫離出來，加強(qiáng)對化工設(shè)備壓力容器安全運(yùn)行的重視。輔助監(jiān)測化工設(shè)備壓力容器的使用情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理各種質(zhì)量問題，為化工設(shè)備壓力容器破壞問題的管理方案完善獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。尤其是化工設(shè)備壓力容器安全狀況的檢查與試驗(yàn)人員，需了解《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等法規(guī)的內(nèi)容，定期檢驗(yàn)化工設(shè)備壓力容器，并熟練掌握水壓試驗(yàn)和內(nèi)外部檢驗(yàn)及外部檢驗(yàn)等方法。

(5)系統(tǒng)監(jiān)測危險(xiǎn)因素

提高工作人員的信息素養(yǎng)，靈活操作檢驗(yàn)系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)庫，將化工設(shè)備壓力容器在運(yùn)行中常出現(xiàn)的破壞形式及原因和危險(xiǎn)因素及處理等內(nèi)容，整理到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為信息技術(shù)智能與自動監(jiān)測化工設(shè)備壓力容器的破壞情況和安全事故等質(zhì)量問題奠定基礎(chǔ)[3]。如化工設(shè)備壓力容器部件損害的原因，或是熱應(yīng)力與交變的溫度引起的疲勞裂紋；因高溫蠕變使部件產(chǎn)生裂紋或塑性變形；壓力波動或頻繁加卸壓導(dǎo)致的低周疲勞損害和低周疲勞裂紋；長期高溫導(dǎo)致鋼材組織惡化，包括熱脆與石墨化及珠光體球化等，逐步弱化鋼材的機(jī)械性能等。檢驗(yàn)人員將這些部件損壞的危險(xiǎn)因素，整理并歸置于數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為后續(xù)化工設(shè)備壓力容器破壞的預(yù)防工作展開提供價(jià)值參照，促使質(zhì)量控制與預(yù)防方案，更具有針對性和有效性及可行性，這也對工作人員的職業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務(wù)能力提出了更高要求。

6.總結(jié)

在化工工業(yè)中，工業(yè)設(shè)備壓力容器惡性事故的危害與影響不能忽視。要求工作人員提高對壓力容器使用的認(rèn)知度，嚴(yán)格按照規(guī)定要求，加強(qiáng)對密封質(zhì)量與容器破裂危險(xiǎn)因素的控制，同時(shí)提升容器的生產(chǎn)技術(shù)及管理技術(shù)水平，確保容器的安全性能，有效預(yù)防壓力容器破裂的情況發(fā)生。