快开门式压力容器安全联锁装置定期检验技术初探

刘相庭 贺小刚 吕 洪

（北京市特种设备检测中心 北京 100029）

快开门式压力容器在医药、橡胶、印染、建材、检疫检测、航天航空、食品及化工等领域，因其具有快速启闭容器门盖、方便物料进出等优点，被广泛地应用[1]。安全联锁装置是保障快开门式压力容器安全使用的关键部件，但现行的标准体系中，对安全联锁装置的设计、制造、使用、检验和维护保养等环节缺少量化可执行的指导和监管，加之使用单位的主体责任意识淡薄和制造单位在销售与售后服务制度不健全等原因[2]，造成安全联锁装置失效甚至缺失，导致快开门式压力容器事故频发。依据《特种设备典型事故案例集（2005—2013）》的统计，快开门式压力容器事故共收入40起，占压力容器类事故的17%，造成上百人伤亡[3]。本文从某省在役快开门式压力容器安全抽查案例分析开始，总结出快开门式压力容器定期检验的现存问题，分析对比国内外不同标准体系对安全联锁装置的专项要求，尝试提出在定期检验中以安全状况等级对安全联锁装置进行安全评价，为相关标准的修订和发展提出针对性建议。

1 案例分析

2020年9月底，山东、浙江、新疆等地连续发生快开门式压力容器相关事故，国家市场监督管理总局发文《市场监管总局办公厅关于开展快开门式压力容器专项隐患排查治理的通知》（市监特设〔2020〕109号），要求使用单位发挥主体责任，检验机构做好检验技术把关，开展回访抽查行动。本次抽查共对某省125台在役快开门式压力容器进行了回访，涉及产品种类包含脉动真空灭菌器、医用灭菌器、立式灭菌柜和夹层锅等。在回访结果中，停用整改快开门式压力容器3台，收集一般问题4项、重点问题2项、争议存疑问题2项。

在抽查中一般问题主要包括设计资料无关于安全联锁装置专项要求、无安全联锁装置维护保养记录、无关于安全联锁装置操作人员培训资料和记录、无对安全联锁装置开展的月度、年度检查记录；重点问题包括安全联锁装置失效、故障和快开门式压力容器无安全联锁装置；存疑问题是某医用灭菌器和进口某立式灭菌锅（见图1）存在安全风险，模拟使用过程的误操作和部分传感器失效后，快开门式压力容器能进行升压或升温。

图1 抽查过程中安全联锁装置设计存疑的快开门式压力容器

图1（a）中红圈处的传感器用于判断门盖是否闭合到位，当其被挤压时，脉动灭菌柜内置PLC判断容器关闭，此时可以启动与管道连通高温高压蒸汽的阀门。现场模拟该传感器复位弹簧卡住或复位失效时，即使是开门状态，PLC仍判断容器闭合到位，即在这种异常情况下，脉动灭菌柜在开门状态升温升压，不满足TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（下文简称《固容规》）要求，存在较大安全风险。图1（b）立式灭菌柜通过红圈处控制插销进出，以此判断容器是否闭合，但从照片可以看出，不闭合门盖只将插销拨至信号传输位置，就可启动灭菌柜升温，在这种操作条件下，该立式灭菌柜也存在安全风险。

《固容规》在第3.2.16条中规定快开门式压力容器安全联锁装置应该满足：“当快开门达到预定关闭部位，方能升压运行；当压力容器的内部压力完全释放，方能打开快开门”[4]。《固容规》并没有指明快开门式压力容器是仅在正常操作条件下满足此项要求，还是在各种工况条件下均需要该设计规则保证容器的安全使用。本条规则也缺少关于安全联锁装置量化指标，导致在设计种类繁多的快开门式压力容器的定期检验中可执行性差。例如，《固容规》要求的容器内部压力完全释放，快开门式压力容器主要通过压力传感器判断内部压力，多数传感器在较低压力状态存在失效、失真可能，而且同类产品在不同大气压地区“内部压力完全释放”的压力值不同，更导致了该条规则可行性差。另外国内大部分快开门式压力容器因相关法规标准约束不足，在设计时对安全联锁装置重视度不高，造成使用单位主体责任无法落实，制造监督检验和定期检验依赖检验员经验和个人能力较强，导致快开门式压力容器的应用整体处于较高风险水平。

2 国内外不同标准体系对比

针对快开门式压力容器技术特点，通过对比ANSI／NB 23—2011《美国国家锅炉压力容器检验师协会检验规范》第2卷检验（下文简称NB）、ASMEVIII—2013《锅炉及压力容器规范国际性规范》第一册压力容器建造规则（下文简称ASME）和EN 13445.5—2014《非受火压力容器 第5部分：检验和试验》（下文简称EN）的不同要求，分析和讨论快开门式压力容器安全联锁装置的技术重点。

NB、ASME和EN采用章节形式，对快开门式压力容器做出建议或者要求，主要内容包括引言、职责、设计、安全联锁装置、安装、检验、维护保养和其他几个方面，本文将分章节对涉及内容开展对比和讨论[5-7]。

2.1 引言

3本标准在引言章节介绍规则约束程度和快开门式压力容器定义范围。NB以导则形式进行论述，该标准为行业协会编写，内容侧重检验检测，多为美国各州政府提供技术支持，一般具有一定的法律效力；ASME是制造标准，对快开门式压力容器以建议形式提出要求，介绍内容较详细；EN以产品标准形式进行论述，对符合其规定范围内的产品具有强制性。

EN在3本标准中关于快开门式压力容器的定义最为明确，它从快开门式压力容器包括的结构和驱动力2个方面进行了限定：快开门式压力容器的结构应包括卡销封闭、环形封闭或大于密封圈尺寸的啮合封闭，中控锁装置，滑动门锁或其类似结构；开启和关闭装置可为电动或手动操作，由手动或自动冲击所发起的运动应包含自动监控装置；有1个以上螺纹连接的开启和关闭装置不属于本标准的范围。EN关于快开门式压力容器定义的描述与我国《固容规》中第3.2.16条规定类似。

2.2 职责

NB、ASME和EN在规则内明确了设计和使用单位职责，重点强调了设计职责。ASME在标准中介绍快开门式压力容器因为品种繁多，不可能在标准中规范每一种设计，但设计者应该在设计图纸中依据法规和工程经验设计快开门式压力容器安全联锁装置，编写安全联锁装置设计逻辑、材料及配件清单、安装注意事项、检查和维修保养说明。在设计过程中还考虑工艺环境对安全联锁装置造成失效的可能性和违反操作程序时安全联锁装置的保护功能。由此可知，安全联锁装置应在各种工况对快开门式压力容器提供保护，更应对一些违规操作提供逻辑上规避。ASME将操作规程、教育培训和维护保养划归到使用单位，要求使用单位不允许拆卸、改造安全联锁装置，维修、更换配件和保养必须遵守设计规定。我国标准对本章节内容没做出要求。

2.3 设计

3本标准在本章节各有侧重。NB提出快开门式压力容器使用过程中，快速启闭设备会导致温度快速波动，可能出现安全联锁装置超设计温度，导致产生裂纹或过度变形和高热应力引起的屈服。ASME要求快开门式压力容器和其封闭组件中的结构元件都应采用设计安全系数进行设计，应注意压力控制器和传感器在低压状态下无法正常使用问题，部件重复性动作产生的磨损和疲劳损伤、异物阻滞等风险。EN对快开门式压力容器锁紧结构提出了限定：可采用插销、锁扣、凸轮、环和锁定盘结构；若容器使用引导装置，确保门盖不能摆动，则可以不设计锁定结构；在有几个锁紧元件的启闭设计中，这些元件应同时到达它们的最终位置才能使用容器。

2.4 安全联锁装置

NB要求快开门式压力容器必须设计安全联锁装置，防止快开部件在完全泄压前误动作。在解开锁定元件并打开门盖前，手动操作锁定装置或自动解锁部件容易出现介质泄漏的情况时，应安装声音和视觉报警系统。当门盖未完全啮合前容器内出现增压时或容器内压力未完全泄放就尝试解锁时，向操作人员发出报警。在打开门盖进入容器前，必须完全泄放容器内的压力。NB的要求与我国《固容规》的要求相近。

ASME建议安全联锁装置可以设计成以下4种：无源起动型、重复措施型、失效-安全功效型、复合防护型。无源起动型安全联锁装置不要求操作人员操作，由容器压力自启动。重复措施型安全联锁装置由具有同样安全功能的2个或多个装置组成，其中1个装置的失效不会将快开门式压力容器安全水平降至容许以下。失效-安全功效型安全联锁装置是装置中任何一个部件失效都会导致快开门式压力容器停止使用，断电保持锁定状态。复合防护型安全联锁装置由上面的2个或多个型式任意组合组成。为避免传感器低压失效问题，ASME建议使用2种不相连、其中1个有低压适应性的传感器，对低压状态下快开门式压力容器实施保护。

EN要求安全联锁装置设计和布置不被进出容器的物料污染和损坏，具有未经许可无法更改和便捷维护、高效功能检查的特点，强调信号传输、采集信号的触点和声光报警都属于安全联锁装置范围。安全联锁装置功能要求包括升压前的保护、开门前的保护、报警装置、门盖限动保护和密封系统保护。同时对各保护功能做如下规定：

1）EN的升压前保护要求。升压前的保护需要确保容器在通道门完全关闭、安全部件完全接合，并且初始负载已经提供给密封元件的状态前不会受到压力，可以通过压力警告装置（例如1个通往容器内部的小开口)，只有在锁定元件处于锁定位置时才能关闭报警；或锁门部件和增压系统之间的联锁装置来实现（1个或多个限位开关，用于远程控制容器的压力入口或压力排气阀）。当采用警告装置时，装置在与容器连通的通道内至少需间隔容器8 mm，以免存在堵塞风险并且便于通道清理。

2）EN的开门前保护要求。开门前的保护确保在关闭或门紧固机构能够松开之前，压力源将被隔离。快开门式压力容器若采用连通排气形式降低内部压力到大气压时，应考虑排放流体可能对操作人员的影响。

3）EN的报警装置要求。报警装置应监控快开门式压力容器残余压力和温度，确保工艺流体的温度已降低到安全水平，或任何可能泄漏出容器的有毒液体已完全清除，然后提醒操作者关闭或门固定机制才能解除。报警装置判断压力降至无害水平应由至少2个独立的压力传感器监测。当泄压阀达到开启位置，并给出内外压力平衡的信号时，报警装置中开启门或阀盖的信号才会生效。如果容器中除了工艺流体外，还包含其他介质，它们的温度也应该被监测。

4）EN的门盖限动保护要求。门盖限动保护确保关闭状态的门盖不会因为容器中残留的压力而剧烈打开，该装置需要限制门盖无法摇摆或需要连续几次操作或几次手动旋转，只有在达到无害的残余压力时才能开启。若使用电动门，应该至少有1个容易接近且放置在显著位置的关闭装置，这些装置不能自动复位。需要使用专用工具、钥匙或代码对停机装置进行复位，以恢复控制系统的正常运行，这种复位不得造成危害。

5）EN的密封系统保护要求。密封系统保护指的是辅助密封压力的垫圈，它被认为不属于锁紧元件。密封系统设计逻辑应是垫圈只有在锁定元件达到完全啮合位置时才应该加压，密封垫的密封压力达到设计值后，才可开启容许加压流体进入容器的阀门；在开舱门过程中应在门盖打开前启动“释放辅助密封压力”的步骤。

2.5 安装

ASME建议制造厂对快开门式压力容器封闭部件的安装，应规定清晰的细则和现场所需的各种调整，还应提供用于安装、调整、联锁机构和报警装置测试的大纲，最好包括示意图和图纸的细则。

2.6 检验

NB提出用粉笔或其他能够显示快开门是否啮合在容器法兰密封面正确位置的材料进行检验的方法，要求检查啮合装置的密封面，包括但不限于垫圈、O形环，或保证正确对中的机械部件。检查容器密封装置是否活动自由或能够同锁紧件有效连接。检查锁紧装置的密封面有毛刺和划痕，此类缺陷通常表示啮合不准或操作不当。

ASME、EN和《固容规》均未给出关于快开门式压力容器制造监督检验和定期检验的方法和安全评定准则。ASME和EN对快开门式压力容器制造商要求进行一次最终测试检查。容器在允许操作前，检查包括压力表在内的已完成的安装，这一检查的记录应予保存。同时建议使用单位制订并用文件明确快开门式压力容器检查计划，且该计划应予遵守并留存记录，但检查内容并未列出。

2.7 维护保养

EN在维护保养方面提出较详细要求。制造商应编制操作人员的操作和维护说明书，并移交给使用单位。文件主要内容应包括：服务／维护周期，使用单位应保存的维护记录，检查闭合部件的变形、磨损、损坏等情况，可能需要更换磨损部件（制造商应规定措施，如果需要，也应规定公差）。对于易磨损的可更换部件，应在维修手册中明确标明其名称和材料规格，并符合型式试验或公告。在快开门式压力容器使用前，制造商为使用单位提供一次安全操作指导和培训并留存记录。

2.8 其他

NB在快开门式压力容器压力表的选择做出了具体要求：压力表的表盘大小和直径适当，易于操作人员观察。压力表的量程至少为容器操作压力的1.5倍，但不应该超过4倍。容器和压力表之间不应设有任何干扰的阀门。当压力发生快速变化时，压力表应能显示准确读数。压力表结构牢固，并能够承受恶劣的使用条件。必要时，压力表应使用虹吸管或U形存水弯连接。安装1块辅助压力表，测量常压和低压时的压力，保证快开门打开时容器内的压力为0。应保护低压辅助压力表免受更高操作压力的损伤。

ASME要求制造商对使用单位的培训应以测试的形式，以保证培训人员理解制造商用作培训的材料。

EN要求快开门式压力容器标识上包含安全联锁装置信息、操作参数和温度的限制等。

3 安全联锁装置的定期检验

快开门式压力容器的定期检验是其安全使用的重要保障，针对安全联锁装置的检验应在定期检验予以足够的重视。但在现行《固容规》的监察体系下，安全联锁装置的检验仅有“当快开门达到预定关闭部位，方能升压运行；当容器的内部压力完全释放，方能打开快开门”2条指导意见，缺少具体的检验方法和量化的评价指标，这使得关于安全联锁装置的检验流于形式，快开门式压力容器的使用安全难以得到保障，安全事故频发，影响国民经济发展和人身安全。

本文认为应在《固容规》的标准体系下，采用安全状况等级的形式，对安全联锁装置进行具体评价，安全状况等级分为1～5级，与《固容规》对于压力容器的安全评级相对应。对于快开门式压力容器安全联锁装置的检验应以资料审查、宏观检验、正常操作循环检验和异常操作模拟检验为主，必要时可以增加表面缺陷检测、埋藏缺陷检测、材料分析和强度校核等。

由于快开门式压力容器产品种类繁多，因此检验过程必须得到设计资料的支撑，依据设计输入制定检验方案，所以将资料审查结果分为1～5级。当设计文件中给出了安全联锁装置设计逻辑、材料及配件清单、安装注意事项、检验要点和维修保养说明，且使用单位拥有遵守设计文件的使用记录、维护保养记录和操作人员培训测试记录时，资料审查项目可以评为1级。当缺少安装注意事项、维护保养说明和使用单位维护保养记录时，资料审查项目评为3级。当缺少检验要点和操作人员培训测试记录时，资料审查项目评为4级。当缺少安全联锁装置设计逻辑或快开门式压力容器未设置安全联锁时，资料审查项目评为5级，此时使用单位应与设计单位书面形式沟通，补齐相关资料或出具安全性证明，否则快开门式压力容器不允许继续使用。缺失其余资料的情况可以评为2级。

宏观检验主要包括检验安全联锁装置的结构（与设计图纸的一致性）、几何尺寸检验、外观检验。在外观检验中，观察安全联锁装置各部件是否存在变形、磨损、腐蚀、过热、裂纹、机械接触损伤，信号采集通道是否存在堵塞，弹簧等具有复位功能的部件是否完好，是否存在声光报警装置和至少2个压力传感器（其中1个适用于低压工况）等。宏观检验的评级方法参考《固容规》定期检验章节执行。当信号采集通道存在堵塞时，应进行清理并判断是偶然事件还是必然事件，偶然事件情况下，安全状况等级评为3级，必然事件情况下，安全状况等级评为4级，且应在定期维护保养中添加注意事项。弹簧等具有复位功能部件失效时，安全状况等级评为5级，修复后可以评为3～4级。当快开门式压力容器缺少低压工况压力传感器时，安全状况等级应评为3级。没有声光报警装置时，安全状况等级应评为4～5级。

正常操作循环检验是指在检验人员现场见证下，由使用单位按照工艺规程，操作演示快开门式压力容器。检验人员可以选择快开门式压力容器运行记录中常用工艺，也可以在此基础上进行工艺缩减，目的是在工艺演示过程中判断设计文件关于安全联锁装置的设计逻辑性是否正确，安全联锁装置功能性是否正常，辨识本台快开门式压力容器损伤模式，观察操作人员是否掌握本台快开门式压力容器应知应会并理解设计资料要求培训的内容。当设计文件关于安全联锁装置的设计逻辑合适，安全联锁装置功能性正常，操作人员掌握本台快开门式压力容器应知应会并理解设计资料要求培训的内容时，安全状况等级可以评为1～2级；当操作人员无法按工艺过程演示工艺时，应更换另一名操作人员，若能执行工艺则安全状况等级为3级，若仍无法演示工艺，则评为4～5级。当设计文件关于安全联锁装置的设计逻辑不合适，安全联锁装置功能性不正常时，安全状况等级应评为5级，此时使用单位应与设计单位沟通咨询，维修或更换安全联锁装置损坏部件，若能恢复功能或有设计单位出具的安全性说明，则安全状况等级可以评为3～4级，否则评为5级。

异常操作模拟检验应在正常操作循环检验合格的基础上进行。依据设计资料的逻辑分析和正常操作循环检验损伤模式识别结果设计工艺方案，由使用单位操作、检验人员现场见证，在保证安全条件下执行。异常操作模拟检验的操作方案应从压力容器密封性闭合判断、压力容器承压能力判断、压力容器与外界连通／切断3个方面设计。安全联锁装置能实现上述3个方面信号收集和串联判断，并且任何一个方面的信号异常都能阻止快开门式压力容器继续使用。在异常操作模拟检验过程中，安全联锁装置能识别阻止异常操作时，安全状况等级评为1～2级，否则应评为4～5级。当异常操作模拟检验评为5级时，使用单位应与设计单位以书面形式沟通咨询，若设计单位进行整改并且出具符合本文要求的安全性文件，安全状况等级评为3级，否则应评为5级。

对安全联锁装置必要时增加的表面缺陷检测、埋藏缺陷检测、材料分析和强度校核等内容和要求，参考《固容规》定期检验章节执行。

4 案例结论

依据现有法规标准体系，结合本文关于安全联锁装置安全状况等级评定规则，案例中的2台快开门式压力容器应评为5级，反馈设计单位进行整改。

5 结论

现有快开门式压力容器安全联锁装置技术标准体系尚不健全，面对繁多复杂的快开门式压力容器产品，一些技术问题更缺少依据，因此在其定期检验过程中往往存在较大争议，导致快开门式压力容器的使用处于较高风险水平，限制了其更广泛的应用。本文通过对NB、ASME、EN和《固容规》关于安全联锁装置要求的对比、分析和讨论，提出应对安全联锁装置进行安全状况等级的量化检验，检验项目应以资料审查、宏观检验、正常操作循环检验和异常操作模拟检验为主，检验过程关注快开门式压力容器密封闭合判断、承压能力判断和外界连通／切断3个方面，确保安全联锁装置在各种工况条件下均能保障安全。为国内外快开门式压力容器检验同行修订和完善相关标准提供了针对性意见。