化工設(shè)備壓力容器破壞原因及預(yù)防分析

摘要：近年來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，壓力容器在生產(chǎn)領(lǐng)域每年以20%的數(shù)量增加，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。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(duì)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(duì)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。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)備? 壓力容器? 破壞原因? 預(yù)防措施

在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，壓力容器的結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜、類型多樣，在操作過(guò)程中有著極高的操作標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此安全管理工作成為壓力容器操作和使用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于壓力容器盛裝的氣體或液體具有易燃、易爆等特性，操作不當(dāng)將引發(fā)非常嚴(yán)重的事故，因此必須要加強(qiáng)對(duì)其的安全操作管理，提升其利用價(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(duì)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、中壓及超高壓容器。如果在分類的過(guò)程中，選擇的分類方式是工作溫度，包括低溫、高溫及常溫容器。如果按照制作方式對(duì)其進(jìn)行分類，其包括了鍛造、焊接及鑄造容器等不同的分類方式，其所分類出來(lái)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(guò)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。

1.1 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(huì)造成工作人員受傷或死亡，還會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 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(guò)處理的工業(yè)物質(zhì)，不僅會(huì)引起不同程度的環(huán)境污染，也會(huì)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(zhǎng)等特征。

1.3 影響設(shè)備正常運(yùn)行

化工企業(yè)對(duì)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(zhǎng)期在腐蝕與高溫和高壓等環(huán)境中運(yùn)行，受到振動(dòng)與內(nèi)部腐蝕介質(zhì)等因素影響，會(huì)使得設(shè)備金屬產(chǎn)生疲勞感等質(zhì)量問(wèn)題，會(huì)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(wèn)題。

2 化工壓力容器破壞的形式與原因及特征

2.1 過(guò)度塑性變形

一旦化工壓力容器自身的壓力荷載超過(guò)已經(jīng)既定的數(shù)值時(shí)，就會(huì)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(huì)由于其過(guò)度的塑形而成現(xiàn)形變，甚至導(dǎo)致容器直接破裂，如果過(guò)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(huì)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。

2.2 過(guò)度彈性變形

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(huì)漸漸地恢復(fù)到最初原來(lái)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(guò)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(huì)逐步向失穩(wěn)的程度過(guò)渡。

2.3 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(kāi)孔接管周?chē)然ぴO(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(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，進(jìn)而逐步向呈現(xiàn)微小裂紋過(guò)度。隨著裂紋兩端逐步增加和擴(kuò)展，最終形成的化工壓力設(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?yè)碛袠O高應(yīng)力。面對(duì)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(huì)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(guò)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(kāi)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。

2.4 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(huì)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。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)膜無(wú)法再次形成，這也會(huì)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(wú)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(duì)較為活躍的活性狀態(tài)，易形成腐蝕電池的陽(yáng)極，最終在交變應(yīng)力與腐蝕的雙重作用下，裂紋會(huì)不斷的發(fā)展，直到最終金屬呈現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

2.5 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(huì)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(huì)漸漸被加速，基礎(chǔ)造成的結(jié)果就是金屬表面的缺口會(huì)越來(lái)越大，直到最后的斷裂。

2.6 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。

2.7 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(guò)程中均屬處在高溫、高壓的情況下。為此，鋼的表面會(huì)吸附大量的氫分子。而氫分子會(huì)漸漸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(guò)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(huì)結(jié)合成氫分子，部分會(huì)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。而生成物在晶界原有的微小縫隙中會(huì)漸漸聚積，進(jìn)而逐步形成局部高壓及用力集中，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。

2.8 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(guò)長(zhǎng)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(huì)弱化金屬材料的剛性。除此之外，產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力會(huì)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 預(yù)防壓力容器破壞的質(zhì)量控制

3.1 合理應(yīng)用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)

疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋大都發(fā)生在金屬表面。常用磁粉或者滲透的方法進(jìn)行檢測(cè)。蠕變裂紋和焊接裂紋可能出現(xiàn)在金屬表面也可能出現(xiàn)在金屬內(nèi)部。常用的檢測(cè)方法有超聲和射線。上述4種檢測(cè)技術(shù)手段主要用于在制或者停機(jī)狀態(tài)的壓力容器和管道的檢測(cè)。無(wú)法應(yīng)用于對(duì)高溫、不停機(jī)的壓力容器和管道。目前，數(shù)字射線成像技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)因能夠克服上述問(wèn)題，成為了在用設(shè)備裂紋檢測(cè)的重要手段。其中，數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用原理上同膠片照相在射線透照方面的原理是相一致的，其不同之處便在于，成像器件對(duì)接收到的信息所采取的處理技術(shù)存在一定的差異性。數(shù)字成像主要是基于計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)字成像器件進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有射線光子向數(shù)字圖像的有效轉(zhuǎn)化，將其裂紋顯示在顯示器當(dāng)中。聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用，將會(huì)在構(gòu)件或者是材料在受力過(guò)程中出現(xiàn)裂紋時(shí)，通過(guò)彈性波的形式，對(duì)應(yīng)變能進(jìn)行釋放，憑借著接收聲發(fā)射信號(hào)針對(duì)構(gòu)件或者是材料展開(kāi)動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)工作，其在應(yīng)用的過(guò)程中能夠同電子計(jì)算機(jī)之間相配合展開(kāi)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理工作，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的檢驗(yàn)。聲發(fā)射技術(shù)還可以判斷裂紋的擴(kuò)張性，進(jìn)而識(shí)別出有危險(xiǎn)性的裂紋。

3.2 強(qiáng)化原材料和制造控制

對(duì)壓力容器和管道的原材料的控制，要嚴(yán)格落實(shí)入廠驗(yàn)收制度。尤其對(duì)合金鋼、奧氏體不銹鋼、高強(qiáng)鋼等材料，必須按照國(guó)家法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行資料驗(yàn)收、目視檢查、壁厚測(cè)定、金相檢測(cè)、表面檢測(cè)等工作。嚴(yán)把材料關(guān)，堅(jiān)決不使用不符合標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求的材料。驗(yàn)收合格的材料、待檢驗(yàn)的材料及不合格的材料要分開(kāi)標(biāo)識(shí)清楚并且分開(kāi)堆放。在生產(chǎn)過(guò)程中，需要強(qiáng)化落實(shí)對(duì)于各個(gè)環(huán)節(jié)的審查，進(jìn)一步提升生產(chǎn)流程的規(guī)范性和有效性。在制造控制方面，工作人員需要確保相關(guān)工藝流程技術(shù)的高質(zhì)量應(yīng)用，全面提高各項(xiàng)細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，以促使工藝流程整體可以同規(guī)范化的要求相適應(yīng)，最大限度地減少裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，最終達(dá)到提升壓力容器、壓力管道運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性的效果[1-2]。

3.3 全面落實(shí)檢驗(yàn)檢測(cè)

由于生產(chǎn)過(guò)程中的工藝條件波動(dòng)、原材料化學(xué)成分的波動(dòng)及生產(chǎn)量的波動(dòng)。壓力容器和管道的使用存在一定的復(fù)雜性，也存在一定的安全隱患。國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓力容器和管道應(yīng)當(dāng)定期開(kāi)展檢驗(yàn)工作。檢驗(yàn)工作是由社會(huì)或者行業(yè)內(nèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)承擔(dān)。檢驗(yàn)工作的目的是通過(guò)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)設(shè)備使用狀況的資料審查、選擇有代表性的局部進(jìn)行針對(duì)性的檢測(cè)，力求最大程度發(fā)現(xiàn)缺陷消除隱患的過(guò)程。企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極落實(shí)檢驗(yàn)檢測(cè)制度。為檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供必要的設(shè)計(jì)資料、制造資料、安裝資料、使用運(yùn)行資料、維修改造資料，使得檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)設(shè)備有更加全面了解。企業(yè)還應(yīng)當(dāng)為檢驗(yàn)提供必要的現(xiàn)場(chǎng)條件，保障檢驗(yàn)工作可以順利并且保質(zhì)保量地完成。必要時(shí)，使用單位可以針對(duì)某一類問(wèn)題，開(kāi)展專項(xiàng)檢測(cè)。專業(yè)檢測(cè)可以以月度檢查或者年度檢查的形式開(kāi)展，重點(diǎn)排查那些可能存在隱患的部位。檢驗(yàn)檢測(cè)人員應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)記錄，保證記錄的可追溯性，并及時(shí)向使用單位反饋壓力容器和管道的相關(guān)信息[3-4]。

3.4 提升使用管理水平

首先，使用單位應(yīng)當(dāng)在原有基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的管理體系進(jìn)行完善，形成良好的壓力容器壓力設(shè)備使用管理體系。并切實(shí)展現(xiàn)出其對(duì)于操作人員的規(guī)范性和約束性作用，進(jìn)而高質(zhì)量落實(shí)使用管理的相關(guān)要求，減少裂紋問(wèn)題的出現(xiàn)。其次，使用單位要結(jié)合自身工藝特點(diǎn)，識(shí)別裂紋出現(xiàn)可能性大的容器，并建立重點(diǎn)監(jiān)測(cè)臺(tái)賬，針對(duì)性地開(kāi)展對(duì)其使用管理，從源頭上降低裂紋產(chǎn)生的幾率。再者，使用單位建立相應(yīng)的巡檢檢查制度，形成工藝生產(chǎn)與設(shè)備檢查聯(lián)動(dòng)制度，全方位實(shí)現(xiàn)對(duì)于壓力容器和壓力管道的控制，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)其裂紋問(wèn)題，并第一時(shí)間采取妥善的解決措施。最后，應(yīng)當(dāng)提高管理人員的水平，不斷完善上述制度。壓力容器和管道管理人員的專業(yè)能力和工作態(tài)度將會(huì)對(duì)設(shè)備的應(yīng)用效果有著極大影響。可見(jiàn)，為提升實(shí)際的使用管理水平，還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化對(duì)管理人員技術(shù)能力培養(yǎng)。企業(yè)應(yīng)當(dāng)定期組織相關(guān)培訓(xùn)和交流，促進(jìn)管理人員在不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程中提升自身技術(shù)素養(yǎng)，提升對(duì)裂紋缺陷的預(yù)判和識(shí)別能力，進(jìn)而保障壓力容器和管道的長(zhǎng)周期使用[5-6]。

3.5 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(kù)，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(kù)內(nèi)，為信息技術(shù)智能與自動(dòng)監(jiān)測(cè)化工設(shè)備壓力容器的破壞情況和安全事故等質(zhì)量問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。例如，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(dòng)或頻繁加卸壓導(dǎo)致的低周疲勞損害和低周疲勞裂紋;長(zhǎng)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(kù)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(kāi)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(duì)性和有效性及可行性，這也對(duì)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。

4 結(jié)語(yǔ)

化工設(shè)備壓力容器的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，受腐蝕與裂紋及變形等破壞原因引起的質(zhì)量問(wèn)題，易引起致命性的傷害。因此，相對(duì)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(zhǎng)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。

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作者簡(jiǎn)介：劉鵬（1986—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榛ぴO(shè)備制造。