化工設(shè)備壓力容器破壞原因及預(yù)防分析

段軍軍，賀杠，劉艷雄

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719302）

壓力容器是一類特殊的化工生產(chǎn)設(shè)備，常用于環(huán)境相對惡劣或危險化學(xué)品的化工生產(chǎn)中，實際應(yīng)用時，壓力容器極易受到外界環(huán)境因素或各化學(xué)品腐蝕，導(dǎo)致壓力容器受損，繼而引發(fā)安全事故，因此，平時必須加強設(shè)備檢驗、檢修工作力度，確保能第一時間察覺到壓力容器的破壞問題，并及時更換設(shè)備或進(jìn)行檢修，避免安全事故發(fā)生。此外，在日常的工作中，應(yīng)進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，降低壓力容器破損概率，確保壓力容器在應(yīng)用時，始終處于安全、穩(wěn)定的狀態(tài)。

1 化工設(shè)備壓力容器的事故特點

化工生產(chǎn)中應(yīng)用的壓力容器是一類化工承壓設(shè)備，是在各種危險指數(shù)較高、涉及參與工作人員人身安全的承壓類特種設(shè)備，也是化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的安全附件。壓力容器由管道或鍋爐等基礎(chǔ)構(gòu)件組成，種類多樣。若以承壓方式分類，則可分為內(nèi)壓容器、外壓容器；若以壓力大小分類，則可分為高壓、低壓、中壓、超高壓容器；若以工作狀態(tài)下的溫度分類則可分為低溫、高溫及常溫壓力容器；若以制作方式分類則可分為鍛造、焊接、鑄造壓力容器。任何一類壓力容器在實際應(yīng)用時，都應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員制定嚴(yán)格的安全生產(chǎn)流程與操作標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)過程中的安全性與可靠性，避免在生產(chǎn)時因壓力容器破壞引發(fā)安全事故。

1.1 多為爆炸、泄漏與火災(zāi)

在化工企業(yè)生產(chǎn)時，參與其中的產(chǎn)品大多具有易燃易爆性、毒害性、反應(yīng)性或高溫高壓等特征。整體而言，化工生產(chǎn)行業(yè)的危險性極高。在生產(chǎn)過程中，壓力容器破壞引發(fā)的安全事故，多為爆炸、化工品泄漏或火災(zāi)，影響極為惡劣，且常會造成嚴(yán)重的人員傷亡事件。數(shù)據(jù)資料顯示，各化工企業(yè)因火災(zāi)、爆炸等事故死亡的人數(shù)，占因公死亡總?cè)藬?shù)的14%左右，位居化工企業(yè)因公死亡原因首位。

1.2 造成不同的環(huán)境污染

化工生產(chǎn)時各化工原料，化工產(chǎn)品、中間體與副產(chǎn)品等各類雜質(zhì)均屬于工業(yè)毒物，有嚴(yán)重污染性、腐蝕性或毒性。若未經(jīng)處理，便泄漏至自然環(huán)境中，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。此類化工產(chǎn)品引發(fā)的環(huán)境污染治理難度極大、耗時極長，治理過程中也可能會引發(fā)人員傷亡事故或造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 材質(zhì)加工問題及腐蝕

化工企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣，大部分化工設(shè)備均需長期在惡劣環(huán)境下運行。例如，高溫、高壓、強腐蝕性等環(huán)境，均是常見的設(shè)備工作環(huán)境。壓力容器在工作時，也會長期受內(nèi)部腐蝕性介質(zhì)的影響，或處于壓力波動、振動等工作狀態(tài)，容易產(chǎn)生金屬疲勞感，繼而影響設(shè)備的正常運行。

2 壓力容器損壞的原因

2.1 脆性損壞與韌性變形

脆性損壞的主要形成原因，為壓力容器焊接位置處理不當(dāng)或材料的抗壓性能較差，以至于壓力容器在工作時，外來壓力低于器壁極限，在受到環(huán)境或溫差影響后，便會出現(xiàn)脆性損壞。通常壓力容器的脆性損壞問題沒有明顯預(yù)兆，很難針對這一問題提前預(yù)防或維護(hù)。

韌性變形與脆性損壞不同，是壓力容器在工作時，外壁承擔(dān)的壓力過大，擠壓容器壁，并引發(fā)塑性變形。在器壁逐漸變薄的同時，容器瓶身也會越來越大，外部壓力持續(xù)增大后，突破容器外壁承壓極限數(shù)值時，便會導(dǎo)致壓力容器壁口開裂。韌性變形雖然不會造成碎片，但依然會影響化工產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。壓力容器日常工作時，產(chǎn)生韌性變形的原因與其日常工作狀態(tài)有關(guān)，如工作人員未按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行規(guī)范操作，或容器在工作中長期處于高負(fù)荷狀態(tài)等。

2.2 腐蝕破壞

壓力容器在參與化工生產(chǎn)時，需運輸或存放具有強腐蝕性的介質(zhì)。這類介質(zhì)在容器內(nèi)部流動時，會沖刷或腐蝕容器內(nèi)壁，致使容器內(nèi)壁逐漸變薄。若腐蝕性介質(zhì)在容器內(nèi)不流動，也會因介質(zhì)殘留腐蝕或侵蝕容器內(nèi)壁。腐蝕性介質(zhì)對容器內(nèi)壁的腐蝕并不均勻，長此以往，會導(dǎo)致壓力容器的耐壓性能降低，或容器內(nèi)壁各部位耐壓性能不同。壓力容器器壁內(nèi)壓失衡，薄弱部位便極易存在破損。在容器正常應(yīng)用時，內(nèi)壁自身會受到拉伸的應(yīng)力影響，容器器壁必然存在應(yīng)力集中位置，在腐蝕作用下，應(yīng)力會進(jìn)一步提升，最終導(dǎo)致設(shè)備破損。腐蝕破壞與壓力容器內(nèi)壁盛裝的介質(zhì)、容器自身材質(zhì)以及容器在工作時受到的拉伸應(yīng)力有關(guān)。

2.3 疲勞破裂

壓力容器設(shè)備的疲勞破裂問題，可以按機理分為低循環(huán)疲勞、與低應(yīng)力高循環(huán)疲勞兩種，即低周疲勞與高周疲勞。出現(xiàn)疲勞破損時，裂紋會先出現(xiàn)在金屬表皮上的駐留滑移帶或非金屬夾雜物的位置處，隨后沿容器內(nèi)最大切應(yīng)力方向的晶面，逐漸向內(nèi)延伸、擴張。在裂紋擴張的過程中，晶粒的位向不同，受到晶界的阻礙作用不同，裂紋方向也會漸漸偏移，直至與主應(yīng)力近似垂直，此時，進(jìn)入金屬疲勞破裂的第二階段。在第一階段，疲勞破裂產(chǎn)生的裂紋擴張速度極為緩慢，當(dāng)疲勞裂紋擴張方向與主應(yīng)力方向垂直后，裂紋的擴張途徑會穿過晶粒，擴張速率便會持續(xù)加快。

當(dāng)容器疲勞裂紋擴張至一定程度后，自然會引發(fā)疲勞斷裂。壓力容器疲勞破裂的核心特征，疲勞破損的容器無明顯的塑性變形，且疲勞斷裂斷口處的特征與脆性斷裂有所不同，可以通過肉眼判斷。壓力容器疲勞裂紋產(chǎn)生處、擴張期間以及疲勞斷裂處的斷口各具特色。疲勞裂紋產(chǎn)生處以及擴張過程中的斷口或裂縫相對光滑，而疲勞斷裂區(qū)則比較粗糙。壓力容器局部應(yīng)力較高處、容器制作時的材料銜接處、焊縫處等材料缺陷區(qū)，或容器壁的接管處極易出現(xiàn)疲勞破裂問題，且疲勞裂紋往往會穿透容器器壁，造成“未爆先漏”的問題。通常壓力容器的疲勞破裂，往往是由于容器操作環(huán)境溫度、壓力的波動幅度較大，或壓力容器頻繁啟動、頻繁停車等原因造成的。

2.4 蠕變破壞

壓力容器常處于高溫作業(yè)環(huán)境，加之壓力容器工作時受到的應(yīng)力集中作用，容器材料自身性能會逐步降低。這類變化并不明顯，但確實存在，且具備持續(xù)性特征，這類持續(xù)性性能變化會導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)蠕變破壞。在蠕變狀態(tài)下，容器自身的金屬材質(zhì)的剛度與硬度都會出現(xiàn)不同程度的下降，而高溫環(huán)境又會加快性能下降的速度，容器在持續(xù)工作時，受拉伸應(yīng)力影響，器壁厚度會漸漸降低，最終在容器內(nèi)部形成薄弱部位，在蠕變破壞下變形、開裂。蠕變破壞與壓力容器自身的材質(zhì)、性能及日常應(yīng)用時的保養(yǎng)、維護(hù)管理工作質(zhì)量有關(guān)。

3 壓力容器破壞的預(yù)防措施

3.1 壓力容器的脆性損壞預(yù)防

預(yù)防壓力容器的脆性損壞，需要從壓力容器的制作方向入手，考慮到當(dāng)前我國化工行業(yè)的主要發(fā)展趨勢及當(dāng)前壓力容器的應(yīng)用場景，選擇質(zhì)量更佳的優(yōu)質(zhì)材料，針對性提高壓力容器的質(zhì)量，確保壓力容器選用的材料，符合其工作需求，便可有效降低在應(yīng)用時出現(xiàn)脆性損壞的概率。

選擇材料時，需遵循科學(xué)性與合理性原則，結(jié)合不同材料的自身性能、材料特征及厚度等參數(shù)，判斷在制作容器時該材料是否需要接受沖擊試驗，并明確沖擊功指標(biāo)（沖擊功指標(biāo)應(yīng)包括該材料的焊接接頭）。與此同時，考慮到大部分常見金屬材料強度越高，其自身韌性便會越低這一特征，需要適當(dāng)提高最低沖擊功指標(biāo)。在制作壓力容器時，材料自身的缺陷越多，制作難度便會越大，而材料的抗拉強度恰恰與材料厚度成反比，因此，沖擊功指標(biāo)還應(yīng)根據(jù)材料最小厚度范圍內(nèi)最適宜的抗拉強度數(shù)值來確定。在焊接或安裝壓力容器時，要求相關(guān)工作人員嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作業(yè)，落實好焊接與安裝工作，確保壓力容器的焊接點位準(zhǔn)確，降低焊接處發(fā)生脆性損壞的可能性。

在壓力容器日常運轉(zhuǎn)時，要求相關(guān)工作人員定期檢驗其運行狀態(tài)，確保壓力容器運行穩(wěn)定，提高壓力容器作業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)督及質(zhì)量管理力度，加強化工企業(yè)生產(chǎn)實踐管理水平，真正做到防患于未然。

3.2 壓力容器的韌性變形預(yù)防

預(yù)防韌性變形時，應(yīng)確保壓力容器的設(shè)計方案合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，要求設(shè)計人員嚴(yán)格按照行業(yè)規(guī)范設(shè)計壓力容器，在外部設(shè)置相應(yīng)的超壓泄放裝置，使容器具備自動泄壓功能。在生產(chǎn)過程中，設(shè)置檢修巡視小組，定期檢查壓力容器的工作狀態(tài)，加大對壓力容器的維護(hù)力度。

3.3 腐蝕破裂預(yù)防措施

（1）加入緩蝕劑。緩蝕劑可以干擾金屬與介質(zhì)間的反應(yīng)進(jìn)程，能夠降低腐蝕性介質(zhì)對壓力容器造成的不利影響。因此，工作人員可以在壓力容器的金屬表面覆蓋一層緩蝕劑，以此控制腐蝕性介質(zhì)與金屬容器表面發(fā)生的正負(fù)極反應(yīng)，避免金屬表面遭到腐蝕。除此以外，還需要工作人員合理使用氧化膜、吸附膜或沉淀膜等方法，借助氧化膜中的氧化劑，使其與金屬表層發(fā)生反應(yīng)，形成可覆蓋于金屬容器外側(cè)的保護(hù)膜，或使容器金屬表面的電子氧化，以此保護(hù)壓力容器的金屬器壁。

（2）提高壓力容器焊接質(zhì)量。壓力容器的焊接部位是容器的薄弱環(huán)節(jié)，焊接接頭處極易受到腐蝕影響。為進(jìn)一步提高壓力容器的抗腐蝕性，要求在制作壓力容器時選擇硬度、強度均符合標(biāo)準(zhǔn)的焊接材料，提高焊接材料的質(zhì)檢力度，并選擇適宜的焊接工藝與焊接技術(shù)，嚴(yán)格控制焊接厚度。

（3）電化學(xué)防護(hù)法。在化工企業(yè)使用壓力容器時，可以應(yīng)用電化學(xué)防護(hù)法提高壓力容器的防腐蝕性能。工作人員需要將尚未出現(xiàn)腐蝕狀況的金屬部位轉(zhuǎn)化為原電池的陰極，隨后，利用該陰極，阻斷金屬內(nèi)部發(fā)生的陽極反應(yīng)，便可以有效降低金屬材料被腐蝕的速度。當(dāng)前，電化學(xué)防護(hù)法主要有增加電流陰極防護(hù)法與放棄陽極防護(hù)法這兩種。增加電流陰極防護(hù)法需要外接電流，強制通電，使電子通過介質(zhì)進(jìn)入金屬中，以此有效保護(hù)金屬陰極。在應(yīng)用該防護(hù)法時，工作人員需要保障外接電源的電流輸入穩(wěn)定，不可中斷。放棄陽極防護(hù)法需要借助鋁、鋅等金屬材料的還原特征，將此類金屬放置于容器之中作為陽極，以此控制腐蝕問題。

3.4 疲勞破裂的預(yù)防

預(yù)防壓力容器的疲勞破損，需要從壓力容器的制作、質(zhì)檢等工作環(huán)節(jié)入手，確保壓力容器在制作或安裝時，不存在先天或后天性結(jié)構(gòu)裂縫，降低壓力容器自身存在結(jié)構(gòu)缺陷的可能性。在應(yīng)用時，避免頻繁開、停車，有效控制壓力容器作業(yè)環(huán)境的溫度及工作狀態(tài)下的壓力波動，降低強震及周期性外荷載，確保壓力容器能持續(xù)穩(wěn)定的運行，避免或遏制疲勞裂縫的形成與擴張。在設(shè)計人員設(shè)計新型壓力容器時，需要考慮局部應(yīng)力集中問題。根據(jù)壓力容器的應(yīng)用場景及工作狀態(tài)，設(shè)計抗疲勞結(jié)構(gòu)，并選擇具備一定塑性應(yīng)變能力的抗疲勞性材料。

3.5 蠕變破裂預(yù)防措施

預(yù)防壓力容器的蠕變破裂，需要工作人員嚴(yán)格按照國家級行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加強容器制造時的質(zhì)量管控力度，選擇具備高溫力學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)材料制作壓力容器，提高壓力容器的自身性能。另外，在使用容器時，需合理控制容器壁溫度，在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，制定現(xiàn)場的巡檢制度，檢查壓力容器的工作狀態(tài)，在察覺壓力容器器壁出現(xiàn)塑性變形或破裂痕跡時，應(yīng)及時制定相應(yīng)的優(yōu)化或處理策略，避免蠕變破壞進(jìn)一步加大。

針對性的蠕變破裂預(yù)防措施應(yīng)從高溫預(yù)防與應(yīng)力預(yù)防兩方面入手。工作人員可以適當(dāng)降低應(yīng)力，盡可能避免壓力容器長時間在高溫環(huán)境下工作，以此降低蠕變破壞的速度。同時，提高容器的檢測維修頻率，檢測壓力容器的運行參數(shù)，便于及時發(fā)現(xiàn)蠕變破壞，降低蠕變產(chǎn)生的負(fù)面影響。

4 結(jié)語

壓力容器是化工企業(yè)生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，而在日常使用壓力容器時，可能會因其自身性能問題或工作環(huán)境等因素，導(dǎo)致壓力容器被破壞，以至于引發(fā)嚴(yán)重安全事故。常見的壓力容器破壞包括脆性損壞、韌性變形、腐蝕破裂、疲勞破裂以及蠕變破裂等，為了履行安全生產(chǎn)，確保化工企業(yè)能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、持續(xù)發(fā)展，工作人員應(yīng)基于以上五種壓力容器破壞問題，制定相應(yīng)的預(yù)防措施，堅持“以防為先”原則，不斷降低壓力容器破壞問題發(fā)生的可能性。