压力容器设计制造质量事故案例综述

秦伟丰

(山西省机电设计研究院，山西 太原 030009)

1 引言

压力容器属于特种设备，依据工作压力、介质、工况环境及容积分类，不同类型的压力容器均有不同的设计、制造、安装及检验使用标准及运行规范监察规程。随着技术能力、工艺水平的提高，产品质量标准、安全管理体系持续更新完善，压力容器质量及安全性逐年提高，相关的问题及事故在逐年降低。

实际使用的部分或个别压力容器，由于设计、生产管理和使用监督的不足或部分缺失，设计、制造的压力容器不符合规范标准，未受到有效监督下的运行，对持续生产和工作环境安全可靠性造成隐患。此次叙述的三台压力容器为管壳式换热器，均使用不到一年时间，发生开裂泄漏，导致停产事故，造成一系列严重经济损失。通过对设备在设计、制造中存在不符合标准要求的质量问题综述，促进技术管理和安全质量意识提高，严格在标准规范、程序化质量管理条件下开展设计、制造，在全面管理质量体系下开展产品质量检验和服务。特种设备必须在安全技术机构有效监督下使用。

2 概述

2.1 某化工企业的两台一效管壳式换热器

某化工企业生产使用的一效管壳式换热器，生产能力为13 t/h、工作压力为0.30～0.45 MPa、工作水蒸气温度小于150 ℃。其中两台一效管壳式换热器，在系统调试生产运行9个月时，筒体均出现开裂泄漏，造成企业停产事故。

2.2 某污水处理厂的一台管壳式换热器

某工业污水处理厂采用蒸发式提盐工艺，管壳式换热器每小时蒸发量为 t、工作压力小于0.40 MPa、水蒸气温度小于160 ℃，系统调试生产运行11个月时，管壳式换热器发生开裂泄漏，造成污水处理停产事故。

2.3 与事故管壳式换热器相关部分标准

管壳式换热器是热交换器的一个结构类型，执行GB/T151-2011《热交换器》、GB150.3-2011《压力容器第3部分：设计》、GB150.4-2011《压力容器第4部分：制造 检验和验收》、HG20584-2011《钢制化工容器制造技术条件》及相关标准。

3 管壳换热器受损部位结构、状态分析

3.1 1号一效管壳式换热器

1号一效管壳式换热器，上部吊耳的方形垫板部位泄漏，拆除保温层，方形垫板与筒体之间左下部角焊缝部位，一主裂纹向右上方延伸，长度约为75mm，垫板与筒体为周圈焊接，垫板上无排气孔。将受损部位切割打开，内外对比观察，可见主裂纹呈枝杈延伸(图1、图2)。

吊耳垫板上无排气孔，不符合HG20584-2011《钢制化工容器制造技术条件》标准第6项：加工和成型，第6.0.8条：壳体上垫板、补强板等应至少开设1个φ10 mm或M10 mm的排气、讯号孔。如不设排气孔、讯号孔，在周边焊缝上应留出10 mm不焊接区的要求。

图1 垫板左下角裂纹向右上方扩展

3.2 2号一效管壳式换热器

2号一效管壳式换热器，筒体中部泄漏，拆除筒体上保温层，中部筒体一筒节高为210 mm，开裂泄漏部位微凸起，两条主裂纹曲折枝杈扩展至上下筒节环焊缝，其受损部位左上角，一处上下筒节对接的十字焊缝，位于十字焊缝的轴向焊缝距离开裂受损部位中心约170 mm(图3)。切割开受损部位，可见筒节中部两条主裂纹曲折延伸向筒节环焊缝(图4)。

图2 内表面的主裂纹呈枝杈扩展

开裂受损部位筒节制造高度不符合GB150.4-2011《压力容器第4部分：制造 检验和验收》标准第6项：冷、热加工成形与组装，第6.5条：圆筒与壳体，第6.5.5款：组装时，壳体上焊接接头的布置应满足以下要求：即c)组装筒体中，任何单个筒体的长度不得小于300 mm、d)不易采用十字焊缝的要求。

图3 开裂泄漏部位微凸起

图4 两条主裂纹曲折延伸向环焊缝

3.3 水处理管壳式换热器

水处理管壳式换热器筒体直径为Φ1400 mm，管箱筒体直径为Φ1600 mm、高为920 mm、壁厚为5.0 mm，Φ620 mm蒸汽管道与管箱焊接安装，无补强圈结构。蒸发器筒体与管箱筒体之间为圆弧锥形折边封头连接，壁厚为5.0 mm。上下封头圆弧表面四个部位均有周向裂纹，且裂纹分布位于蒸汽管道中心线的上下封头两边，呈对称形式分布，部分泄漏部位进行焊接修复。其中受损较严重部位，可见一条主裂纹由多个疲劳解理裂纹段形成，裂纹长约为75 mm，(图5)。对受损较严重的部位切割打开，内表面有锈迹，与外部对应的主裂纹由多个解理小裂纹段沿周向形成，外表面焊接修复部位对应内表面的热影响区有可见细长小裂纹(图6)。

Φ620 mm蒸汽管道与Φ1600 mm管箱筒体之间安装连接无补强圈，不符合GB150.3-2011《压力容器 第3部分：设计》标准第6项：开孔与开孔补强，第6.1条：范围及一般要求，第6.1.3款：不另行补强的最大开孔直径，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：即a)设计压力p≤2.5 MPa、c) 接管外径小于或等于89 mm的要求。

图5 圆弧锥形折边封头开裂及修复

图6 与外表面对应的内表面周向裂纹

4 管壳式换热器筒体材料理化性能试验分析

4.1 一效管壳式换热器筒体材料化学成分

筒体材料试样化学成分试验分析结果(表1)，筒体材料化学成分符合GB/T4237-2015《不锈钢热轧钢板和钢带》标准中07Cr19Ni10不锈钢成分范围及设计要求。

表1 化学成分分析结果

4.2 一效管壳式换热器筒体材料机械性能

筒体材料试样纵向力学性能试验分析结果(表2)，筒体材料机械性能符合GB/T4237-2015《不锈钢热轧钢板和钢带》标准中经固溶处理的07Cr19Ni10奥氏体型不锈钢板的力学性能。

4.3 水处理管壳式换热器筒体材料化学成分试验分析

筒体材料试样化学成分试验检测结果(表3)，筒体材料化学成分符合GB/T4237-2015《不锈钢热轧钢板和钢带》标准中022Cr17Ni12Mo2不锈钢化学成分范围及设计要求。

表2 力学性能试验分析结果

表3 检测结果

5 综合分析

压力容器使用寿命周期，与设计、制造、安装、工况环境和使用维护管理相关。三台管壳式换热器使用不到1年均出现开裂受损，通过现场了解压力容器开裂受损部位结构、制造工艺，对相应使用材料进行理化分析检验，其材料均符合相关标准和设计要求。各压力容器开裂部位结构、状态及成因分析如下。

1号一效管壳式换热器，吊耳的方形垫板与筒体之间为周圈焊接，垫板未加工排气孔，该制造工艺不符合标准要求。在管壳式换热器生产运行中系统温度、压力变化作用下，垫板与筒体形成密闭容器内空气受热膨胀产生内在作用力；管壳式换热器工作压力对筒体产生作用力；方形垫板与筒体之间直角焊缝焊接产生的焊接内应力；因此，密闭容器膨胀内在作用力+工作压力对筒体作用力+垫板与筒体之间直角焊缝内应力的共同作用下，角焊缝部位筒体形成的集中应力大于其设计许用应力时，受压力容器温度、压力高低变化影响，使应力集中部位发生周期性应力疲劳早期开裂。

2号一效管壳式换热器，一筒节高为210 mm，该筒节与上部筒节有一处十字焊缝，该筒节高度、十字焊缝均不符合其标准的要求。筒节高度不符合标准要求，对接焊接后易造成结构内应力增大；上下筒节的十字焊缝对其周圈易形成焊接内应力；管壳式换热器工作压力对筒体产生作用力；因此，筒节高不符合标准造成的结构内应力+十字焊缝产生的内应力+工作压力对筒体作用力的共同作用，筒体中部形成的集中应力大于其设计许用应力时，受压力容器温度、压力高低变化影响，使应力集中部位发生周期性应力疲劳早期开裂。

水处理管壳式换热器，Φ620 mm蒸汽管道与Φ1600 mm管箱筒体直接焊接安装，无补强圈结构，不符合设计标准要求。该问题结构表明，设计蒸汽管道与管箱筒体安装连接结构时，未计算分析设备运行的蒸汽压力作用下，管箱筒体轴向力、径向力的平衡性问题；管壳式换热器生产运行中系统温度、压力变化影响下，管箱筒体轴向力、径向力不平衡，造成上下封头两边圆弧部位产生的集中应力大于设计许用应力，应力集中和周期性疲劳作用下，致使管箱筒体封头上下四个部位均出现早期开裂泄漏。

6 结语

(1)1号一效管壳式换热器吊耳垫板无排气孔，其制造工艺不符合标准要求，是造成筒体开裂泄漏主要原因。

(2)2号一效管壳式换热器筒节高210 mm、筒节对接十字焊缝，其制造工艺均不符合标准要求，是造成筒体开裂泄漏主要原因。

(3)水处理管壳式换热器，蒸汽管道与管箱筒体安装连接无补强圈结构，其设计结构不符合标准要求，是造成其封头部位呈对称分布开裂的主要原因。

(4)压力容器设计制造质量事故的综述，促进认识产品标准是科学技术应用和不断发展完善的凝结，压力容器必须在标准规范下设计、制造、安装、使用及有效的监督下运行。