化工设备压力容器破坏原因及预防分析

摘要：近年来，随着工业生产规模的扩大，压力容器在生产领域每年以20%的数量增加，应用范围越来越广。在化工工业中，工业设备压力容器恶性事故的危害与影响不能忽视，要求工作人员提高对压力容器使用的认知度，严格按照规定要求，加强对密封质量与容器破裂危险因素的控制，同时提升容器的生产技术及管理技术水平，确保容器的安全性能，有效预防压力容器破裂的情况发生。

关键词：化工设备  压力容器  破坏原因  预防措施

在长期的发展过程中，压力容器的结构日渐复杂、类型多样，在操作过程中有着极高的操作标准和要求，因此安全管理工作成为压力容器操作和使用中的关键环节。由于压力容器盛装的气体或液体具有易燃、易爆等特性，操作不当将引发非常严重的事故，因此必须要加强对其的安全操作管理，提升其利用价值。

1 化工设备压力容器的事故特点

压力容器属于承压设备，是指危险性较大与涉及生命安全的承压类特种设备和安全附件，包括压力管道与锅炉等。压力容器的类型多样性，可以按照承压方式对其进行分类，将其分为内压与外压容器。如果分类方式选择压力大小，则可以将其分为高压、低压、中压及超高压容器。如果在分类的过程中，选择的分类方式是工作温度，包括低温、高温及常温容器。如果按照制作方式对其进行分类，其包括了锻造、焊接及铸造容器等不同的分类方式，其所分类出来的内容有所区别，但是任何一个化工设备压力容器在使用的过程中，都不能忽视其安全可靠性的把控。化工设备压力容器的事故特点，主要体现在以下几方面。

1.1 危险性大

化工产品有高温高压与毒性及易燃易爆等特点，压力容器发生火灾与泄漏及爆炸的可能性大，在危险性上是其他行业不能比拟的。由于部分化工原料的反应性与毒性和易燃性强，是促使化工企业内部频发恶性事故的主要原因。化工企业发生火灾爆炸与泄露等恶性事故后，不仅会造成工作人员受伤或死亡，还会引起较大的经济损失。

1.2 环境污染

化工生产时运用到的原料与产品及中间体和副产品等物质，有一定程度的工业毒性和腐蚀性。泄漏到水体或空气中，尤其是未经过处理的工业物质，不仅会引起不同程度的环境污染，也会引发经济损失和人员伤亡等。化工企业的恶性事故，普遍存在治理难度大与影响时间长等特征。

1.3 影响设备正常运行

化工企业对工业设备的运行要求较高，但大部分化工设备压力容器的运行环境恶劣，长期在腐蚀与高温和高压等环境中运行，受到振动与内部腐蚀介质等因素影响，会使得设备金属产生疲劳感等质量问题，会直接影响化工设备的正常运行，这也是化工企业在设备安全使用管理中不能忽视的问题。

2 化工压力容器破坏的形式与原因及特征

2.1 过度塑性变形

一旦化工压力容器自身的压力荷载超过已经既定的数值时，就会导致化工设备的压力容器壁渐渐变薄，甚至处于不稳定的状态。容器也会由于其过度的塑形而成现形变，甚至导致容器直接破裂，如果过度塑形而产生的破裂，其断口的状态是一种撕裂的效果，而容器中也会伴随着少量的碎块，或者是不产生破片。与此同时，化工设备压力容器爆破的能量，直接决定了容器爆破口的大小。

2.2 过度弹性变形

弹性变形，是指当化工压力容器固体受到外力的作用，进而产生了一定的形变，这种形变是一种直接表现形式，而当外力撤出之后，物体会渐渐地恢复到最初原来的形状。为此，可以将其称之为弹性性质。这是一种可逆性的变形，通常情况下，人们将之称为弹性变形，但是如果在使用化工压力容器中，出现了过度弹性变形时，易促使化工设备压力容器处于不稳定的状态，随着外力作用的增强，化工设备压力容器会逐步向失稳的程度过渡。

2.3 大应变疲劳

在交变应力的作用影响下，局部结构的不连续处或开孔接管周围等化工设备压力容器的局部区域，而其中金属晶粒受到的力最大，会出现滑移现象，进而逐步向呈现微小裂纹过度。随着裂纹两端逐步增加和扩展，最终形成的化工压力设备，其自身容易疲劳，并且容易受到明显的破坏。高压力的局部本身拥有极高应力。面对极高应力的局部区域，首先出现疲劳的现象，高应力会引起大应变部位的破坏。为此，也可以将其称为大应变疲劳，在目前分析化工压力设备容器在使用的过程中发现其所具有的疲劳破坏特征主要体现在以下几点，即容器变形不明显;破裂断口主要存在于疲劳裂纹产生至扩展区和最后断裂区的两个区域;化工设备压力容器因开裂泄露而失效;化工设备压力容器反复加卸载后更容易产生疲劳破坏。

2.4 腐蝕疲劳

共同作用下，进而形成的一种全新破坏形式，如果基于材料的腐蚀疲劳这一角度进行分析，能发现其会导致金属表面发生极为明显的局部破坏，导致金属产生疲劳裂纹。金属表面的保护膜在交变的拉伸应力作用下发生破坏，从而产生表面腐蚀。交变应力在破坏保护膜之后，保护膜无法再次形成，这也会导致在腐蚀坑中出现沉积，直接影响到氧的扩散，导致保护膜无法在短时间内恢复，其最终所形成的是一种恶性循环。然而，腐蚀坑的底部，则始终处于一种相对较为活跃的活性状态，易形成腐蚀电池的阳极，最终在交变应力与腐蚀的双重作用下，裂纹会不断的发展，直到最终金属呈现断裂的现象。

2.5 应力腐蚀

在分析应力腐蚀时，考虑到应力腐蚀主要是指拉伸应力与金属腐蚀介质联合作用，进而形成一种独特的破坏形式。当化工压力容器出现金属应力腐蚀这一现象后，由于应力腐蚀两个不同的作用因素，处于一种相互促进的状态，其中腐蚀会直接减少金属本身的有效截面积，并且在金属的表面渐渐形成一个缺口，促使其应力更加集中。同时，也需要考虑到基于预应力的作用下，腐蚀的进度会渐渐被加速，基础造成的结果就是金属表面的缺口会越来越大，直到最后的断裂。

2.6 脆性破裂

脆性破裂是指未显著塑性变形的断裂，脆性破裂的容器部位常有碎片飞出，并呈现出碎块状;通常在低温状况下发生破裂事故;中低强度制造的厚壁容器与高强度钢制的压力容器上，更容易发生脆性断裂。

2.7 氢腐蚀破裂

由于大部分的工业设备，其压力容器在制作和使用的过程中均属处在高温、高压的情况下。为此，钢的表面会吸附大量的氢分子。而氢分子会渐渐分解成为氢离子或原子，导致在钢表面层出现固溶现象，甚至会向钢内扩散，并通过氢腐蚀与氢脆等形式，不断破坏钢的性能。从氢腐蚀入手分析，氢离子或原子扩散到钢内，会结合成氢分子，部分会与非金属夹杂物或碳及碳化物产生化学反应，生成不容易溶解的气体生成物。而生成物在晶界原有的微小缝隙中会渐渐聚积，进而逐步形成局部高压及用力集中，促使晶界逐步变宽，并且产生一定的微裂纹，而钢的机械性能也在这一阶段渐渐地被弱化。

2.8 蠕变

金属容器在外部温度与应力作用的持续性变化影响下，经过长时间累计极易引起器壁的破损。蠕变与塑性变形不同，温度是蠕变的重要影响因素，高温会弱化金属材料的刚性。除此之外，产生的拉伸应力会逐步弱化压力容器的性能与质量，从而促使其出现损坏的现象。

3 预防压力容器破坏的质量控制

3.1 合理应用相关检测技术

疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹大都发生在金属表面。常用磁粉或者渗透的方法进行检测。蠕变裂纹和焊接裂纹可能出现在金属表面也可能出现在金属内部。常用的检测方法有超声和射线。上述4种检测技术手段主要用于在制或者停机状态的压力容器和管道的检测。无法应用于对高温、不停机的压力容器和管道。目前，数字射线成像技术、声发射技术因能够克服上述问题，成为了在用设备裂纹检测的重要手段。其中，数字成像检测技术在应用原理上同胶片照相在射线透照方面的原理是相一致的，其不同之处便在于，成像器件对接收到的信息所采取的处理技术存在一定的差异性。数字成像主要是基于计算机软件对数字成像器件进行控制，进而实现有射线光子向数字图像的有效转化，将其裂纹显示在显示器当中。声发射技术的应用，将会在构件或者是材料在受力过程中出现裂纹时，通过弹性波的形式，对应变能进行释放，凭借着接收声发射信号针对构件或者是材料展开动态的无损检测工作，其在应用的过程中能够同电子计算机之间相配合展开高质量的数据处理工作，进而更好地实现对裂纹的检验。声发射技术还可以判断裂纹的扩张性，进而识别出有危险性的裂纹。

3.2 强化原材料和制造控制

对压力容器和管道的原材料的控制，要严格落实入厂验收制度。尤其对合金钢、奥氏体不锈钢、高强钢等材料，必须按照国家法规、标准的规定进行资料验收、目视检查、壁厚测定、金相检测、表面检测等工作。严把材料关，坚决不使用不符合标准、规范及设计文件要求的材料。验收合格的材料、待检验的材料及不合格的材料要分开标识清楚并且分开堆放。在生产过程中，需要强化落实对于各个环节的审查，进一步提升生产流程的规范性和有效性。在制造控制方面，工作人员需要确保相关工艺流程技术的高质量应用，全面提高各项细节标准，以促使工艺流程整体可以同规范化的要求相适应，最大限度地减少裂纹现象出现的可能性，最终达到提升压力容器、压力管道运行稳定性以及安全性的效果[1-2]。

3.3 全面落实检验检测

由于生产过程中的工艺条件波动、原材料化学成分的波动及生产量的波动。压力容器和管道的使用存在一定的复杂性，也存在一定的安全隐患。国家法规标准规定，压力容器和管道应当定期开展检验工作。检验工作是由社会或者行业内特种设备检验机构承担。检验工作的目的是通过专业技术人员对设备使用状况的资料审查、选择有代表性的局部进行针对性的检测，力求最大程度发现缺陷消除隐患的过程。企业应当积极落实检验检测制度。为检验检测机构提供必要的设计资料、制造资料、安装资料、使用运行资料、维修改造资料，使得检验机构对设备有更加全面了解。企业还应当为检验提供必要的现场条件，保障检验工作可以顺利并且保质保量地完成。必要时，使用单位可以针对某一类问题，开展专项检测。专业检测可以以月度检查或者年度检查的形式开展，重点排查那些可能存在隐患的部位。检验检测人员应做好现场记录，保证记录的可追溯性，并及时向使用单位反馈压力容器和管道的相关信息[3-4]。

3.4 提升使用管理水平

首先，使用单位应当在原有基础上对相应的管理体系进行完善，形成良好的压力容器压力设备使用管理体系。并切实展现出其对于操作人员的规范性和约束性作用，进而高质量落实使用管理的相关要求，减少裂纹问题的出现。其次，使用单位要结合自身工艺特点，识别裂纹出现可能性大的容器，并建立重点监测台账，针对性地开展对其使用管理，从源头上降低裂纹产生的几率。再者，使用单位建立相应的巡检检查制度，形成工艺生产与设备检查联动制度，全方位实现对于压力容器和压力管道的控制，以便于及时发现其裂纹问题，并第一时间采取妥善的解决措施。最后，应当提高管理人员的水平，不断完善上述制度。压力容器和管道管理人员的专业能力和工作态度将会对设备的应用效果有着极大影响。可见，为提升实际的使用管理水平，还应当强化对管理人员技术能力培养。企业应当定期组织相关培训和交流，促进管理人员在不断学习的过程中提升自身技术素养，提升对裂纹缺陷的预判和识别能力，进而保障压力容器和管道的长周期使用[5-6]。

3.5 系统监测危险因素

提高工作人员的信息素养，灵活操作检验系统，建立数据库，将化工设备压力容器在运行中常出现的破坏形式及原因和危险因素及处理等内容，整理到数据库内，为信息技术智能与自动监测化工设备压力容器的破坏情况和安全事故等质量问题奠定基础。例如，化工设备压力容器部件损害的原因，或是热应力与交变的温度引起的疲劳裂纹;因高温蠕变使部件产生裂纹或塑性变形;压力波动或频繁加卸压導致的低周疲劳损害和低周疲劳裂纹;长期高温导致钢材组织恶化，包括热脆与石墨化及珠光体球化等，逐步弱化钢材的机械性能等。检验人员将这些部件损坏的危险因素，整理并归置于数据库内，为后续化工设备压力容器破坏的预防工作展开提供价值参照，促使质量控制与预防方案，更具有针对性和有效性及可行性，这也对工作人员的职业素养和业务能力提出了更高要求。

4 结语

化工设备压力容器的运行环境相对复杂，受腐蚀与裂纹及变形等破坏原因引起的质量问题，易引起致命性的伤害。因此，相对于破坏的事后处理，更应当注重事前预防与事中控制，确保化工设备压力容器的安全稳定运行，有效延长容器的使用寿命。由于化工设备压力容器的破坏形式与原因多样化，需在预防措施与管理手段等方面加强创新，以切实发挥化工设备压力容器管理的作用价值。

参考文献

[1] 吕荣斌.输油管道球形内检测器设计及泄漏信号采集研究[D].北京：北京交通大学，2021.

[2] 王冬臣.油气集输容器内防腐施工质量控制分析[J].全面腐蚀控制，2020，34（11）：79-81.

[3] 许锦水.压力容器的腐蚀案例分析及防腐措施[J].锅炉制造，2020（2）：50-51，62.

[4] 韩忠美.锅炉压力容器压力管道检验中裂纹问题及预防处理方法[J].中国设备工程，2020（6）：124-126.

[5] 韩霄.压力容器压力管道检验中裂纹问题的解决措施[J].化工管理，2021（31）：109-110.

[6] 曹亚龙.狭缝通道内气液两相流压降及流型可视化实验研究[D].西安：西安理工大学，2021.

作者简介：刘鹏（1986—），男，本科，工程师，研究方向为化工设备制造。