压力容器常见缺陷分析及影响

张正棠，孙宝财，张秉乾，白崇晖

（1. 甘肃省特种设备检验检测研究院， 甘肃 兰州 730050； 2. 中国石化销售股份有限公司甘肃石油分公司， 甘肃 兰州 730030）

压力容器顾名思义是能够承受一定压力的一种密闭容器，它的用途比较广泛是石油化工、航空航天、核电等领域中必不可少的设备， 压力容器的发展速度直接影响一个国家的工业化进程，在对经济发展领域中起着至关重要的作用[1]，压力容器的安全使用也关系到整个国民经济的发展与民生安全，压力容器的运行环境都是出于各种复杂的运行环境，经常与其他设备连接配合使用，压力容器在制造、安装、运行中都会因为各种原因导致容器在使用过程中产生各种缺陷，这些缺陷在压力等操作因素反复变化下使得压力容器达到使用极限最终引起压力容器产生韧性破裂、疲劳、腐蚀、蠕变等破坏[2-4]，这些缺陷在很大程度上直接威胁着整个系统的安全稳定运行，因此必须防止压力容器产生缺陷。另外，压力容器在制造过程中，会涉及焊接问题，一旦压力容器焊接工艺、焊接人员操作出现问题，都会产生缺陷影响压力容器的使用，最终导致安全事故的发生[5]。因此，针对上述压力容器缺陷情况，必须熟悉压力容器各个部位的运行情况，及时检查压力容器本体质量，还需要对压力容器常见的焊接缺陷进行识别，并且了解缺陷产生的原因，这样才能预防和控制缺陷，降低压力容器使用的安全事故，获得更好的经济效益[6]。

压力容器缺陷产生的主要部位在焊缝处，影响焊缝质量的因素就是焊接方法、焊接工艺等，压力容器往往根据设备类型、规格不同选用的焊接方法也不一样，压力容器的焊接方法有手工焊、埋弧焊、氩弧焊、气体保护焊等，应当根据设备具体的情况经过焊接工艺评定合格后选择合适的焊接方法，这样才能保证设备的焊接质量。另外，除了要选择最优的焊接参数外，保证现场焊接环境也是减小焊接缺陷的一个重要原因。文章对压力容器缺陷产生及危害进行分析，进而在制造过程中尽量防止此类缺陷的产生。

1 缺陷类别

1.1 裂纹缺陷

裂纹缺陷是压力容器缺陷中最常见、最难以控制的缺陷，也是导致压力容器失效的因素，裂纹会出现在压力容器任何部位，主要集中在焊缝周围，有时候母材上也会出现裂纹，形成裂纹的原因多种多样，主要的原因有原材料、制造过程，运行中介质和使用参数变化导致的，根据压力容器多年检验经验来看大多数裂纹都发生在焊缝周围，裂纹首先是初步形成当深度发展到一定程度就会导致容器失效，因此，对压力容器检验中裂纹的检验最为重要，图1 为压力容器检验过程中焊缝附近热影响区上的裂纹。

图1 热影响区部位出现的裂纹

1.2 焊接缺陷

焊接过程及参数是压力容器产生缺陷的主要原因，好多缺陷都是由焊接缺陷发展而来的，影响焊接缺陷的因素主要有焊接工艺、参数、焊工熟练程度、现场环境等

1.2.1 咬边缺陷

咬边缺陷是母材高度低于周边高度，在焊接热影响区中。咬边缺陷在手工焊产生的原因一方面是输入的焊接电流过大、焊接速度太快，另一方面是焊接电弧太长，焊接角度不对，都有可能引起咬边缺陷。

1.2.2 焊接气孔

焊接气孔是待焊母材表面处理不好及焊接工艺参数选择不当引起的。 焊接之前要清理焊接表面上的氧化膜和污垢，倘若清理不干净很容易产生焊接气孔。Warnken 等学者[7-8]普遍认为焊接气孔的产生与焊接所产生的气体密切相关，特别是氢元素。赵海燕等[9-10]认为焊接气孔是在激光焊接中深熔焊中匙孔存在波动， 波出现衰竭和收缩引起的焊接气孔。焊接气孔是在焊接操作过程中熔池中气体逸出速度比金属凝固速度慢，从而部分气体未逸出留存在金属中导致空穴的形成。此外，导致焊接气孔产生的原因远不止上述情况，如焊接之前对坡口边缘的污垢清理不彻底；坡口表面残留水滴、油滴、锈迹；焊条和焊剂没有进行烘干，保存措施不严格，导致焊条焊芯有锈蚀现象；药皮放置时间过长出现变质。这些因素都会使得气体逸出的难度增加，部分气体滞留在焊缝金属中导致气孔产生。在焊接操作时，焊接操作人员的水平也有可能导致焊接气孔产生。

1.2.3 焊缝夹渣

夹渣留存在焊缝中直接影响压力容器焊缝的强度，焊接过程中形成焊缝夹渣的原因有如下：首先，各种条件的限制使得熔渣无法逸出熔池导致夹渣产生。其次，焊接坡口开设不合理。第三，焊接操作人员水平。

1.2.4 未焊透与未熔合

未焊透和未熔合是有共同特点的都是焊缝中存在有没有熔合的部分，而大多数未焊透缺陷主要是焊接速度过快或者氩弧焊未打底直接手工焊接，造成两焊件没有完全熔融。无论是未焊透还是未熔合，都会给压力容器焊缝造成极大的影响，它们的存在直接削弱了焊缝的承压强度。导致未熔合和未焊透的原因有待焊接的工件装配间隙过小以及焊接坡口角度不合适。

1.2.5 烧穿

烧穿缺陷顾名思义就是焊接参数过大将待焊工件直接烧透，形成孔洞的现象。烧穿缺陷最直接的影响是会使得焊件母材质量减少，焊缝不达到所需要求。

1.3 其他缺陷

1.3.1 错边与角变形缺陷

错边缺陷是两个待焊工件表面不在同一平面上，在厚度方向上错开。无论是错边缺陷还是角变形缺陷都会对压力容器焊缝产生影响，而错边和角变形缺陷也经常出现在压力容器焊接组装中。

1.3.2 分层缺陷

分层缺陷属于内部缺陷，分层缺陷出现在压力容器制造中的各个环节。大多数分层缺陷都是由于钢坯或钢锭的质量问题，在轧制钢板时未能很好地焊合。分层缺陷有可能会将钢板从中间分离成两层也有技术不成熟分层好多层的。一些分层缺陷在钢板制造完检测不出来往往在加工（如卷板、弯管）时才能发现。分层后的钢板性能、强度较正常钢板削弱了很多，往往钢板分层都打不到压力容器的设计要求，因此钢板的分层缺陷在压力容器中是不允许存在的。

2 压力容器制造缺陷对其安全性的影响

压力容器的各种缺陷主要造成壳体在几何形状上的不连续。这些不连续缺陷是应力集中的部位会降低压力容器的承压能力和强度。两种曲率半径不同壳体连接在一起，其产生的应力也不同，在应力作用下产生的变形也不一样。

2.1 内应力的影响

内应力是压力容器中危害最大的缺陷，几乎只要有缺陷就会有内应力产生，一般来说，压力容器在使用过程中产生的变形量越大的部位，往往是设备强度降低、内应力产生、失效可能性最大的部位。裂纹缺陷是在内应力发展中产生的，它的存在直接威胁着压力容器的安全使用。因此，在压力容器制造、使用中要控制缺陷的产生。

3 结论

文章从压力容器常见的缺陷出发分析压力容器中常见缺陷产生的原因，并对造成缺陷的因素进行分析，对以后压力容器制造生产过程中控制这些缺陷具有一定的意义。

压力容器是特种设备中常用的设备，它的应用环境具有一定的特殊性，一旦出现失效事故，其后果非常严重。因此，为了保证压力容器能够在规定条件下安全稳定使用，对其常见的缺陷问题进行有效的解决非常必要，尤其是焊接方面的。只有从源头上认识压力容器焊接中存在的缺陷，才能找出缺陷产生的原因，也就有目的的选择解决问题的方法，进而保证压力容器的焊接质量，确保压力容器的安全性。