压力容器设备失效分析

【摘要】如今，人们越来越重视产品质量和设备可靠性，这已成为争取市场的决定因素。因此，科学技术界和工程界亟须研究机器设备失效的具体原因以便于分析及完善预防措施。本文详细阐述了失效分析的基本概念、方法和程序，并介绍了压力容器缺陷相关的基础知识。本文深入探讨了设备失效分析的理论基础、方法、实际工程价值和发展前景。

【关键词】压力容器；失效分析

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.033

Failure Analysis of Pressure Vessel Equipment

LI Bin

（Haicheng Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute， Haicheng 114201， China）

Abstract： Nowadays， people are increasingly valuing product quality and equipment reliability， which has become the determining factor in competing for the market. Therefore， it is urgent for the scientific and technological community and the engineering community to study the specific causes of machine equipment failures and improve preventive measures. This article elaborates on the basic concepts， methods， and procedures of failure analysis， and introduces the basic knowledge related to pressure vessel defects. The article delves into the theoretical basis， methods， practical engineering value， and development prospects of equipment failure analysis.

Key words： pressure vessel； failure analysis

0引言

随着化工产业规模的扩大，设备的功率和参数逐渐提高，这标志着过去几十年的技术进步。然而，这也导致了严重的失效事故增加。

例如，某化工厂氯碱车间大型液氯储罐突然发生爆裂事故，液氯流出气化扩散，在风力的影响下，形成扇面形扩散，造成多人中毒到医院治疗。其中轻度20人，重度3人，总经济损失达110万元。事后分析原因，该设备在安装时，考虑氯碱的特殊性，没有设计安装安全阀，改用平衡管代替，为了便于操作，在与之相邻的其他储罐上搭建了平台楼梯，平台楼梯直接焊在了罐体上。在发生事故后，经检验发现，该液氯储罐无安全泄放装置、未安装压力表、液位计因损坏拆除，所有阀门处于關闭状态，外面的保温层有多处大面积破损脱落，局部腐蚀严重，且为点状腐蚀，搭建在罐体上的操作平台与罐体表面接触处，形成沟槽状腐蚀。该沟槽即为爆裂裂口发生处，在现场未发现火源、电源、热源等能够引起爆炸的可疑物质，罐体内部也无其他物质进入的可能，排除外部因素引起爆炸和发生化学反应爆炸的可能性，破口处横截面呈黑灰色，没有陈旧性裂纹和碎片，经过化学分析和力学性能分析，表明该次事故不属于疲劳和应力腐蚀脆性断裂。根据断面分析，断口黑灰色，无碎片，且有较大的塑性变形，根据这些特征结合检验情况综合判断，此次事故的主要原因：有罐体外壁局部腐蚀减薄严重，形成沟槽产生应力集中；安全附件损坏；所有阀门关闭。综合分析此次事故是由于保温层脱落使之保温性能变差，致使罐内液氯升温，罐内压力逐渐升高，所有阀门关闭使罐内压力无法泄放，压力最终达到被腐蚀成沟槽状腐蚀处的壁厚的极限强度，致使此处发生失效、断裂形成安全生产责任事故。

1失效分析的概念

失效指的是设备或零部件无法正常发挥其初始设计时所规定的各项功能，表现为在使用中产生过度变形、裂纹断裂、内外表面磨损等缺陷。失效分析是根据企业在长期生产和使用压力容器设备过程中所积累的经验进行总结。尽管失效分析的兴起可以追溯到很久以前，但它作为一门独立学科的发展大致始于工业革命的时期，近年来才逐渐成为一门新兴学科。

2失效分析应用

失效分析旨在研究和分析失效机制、失效发生以及在使用过程中的发展过程，便于准确找出能够导致设备产生失效的重要因素和可以控制的因素，及时提出解决方案，达到提出预防措施或延长使用寿命、明确责任等目的。作为新兴的专业技术学科，失效分析涉及金属学、金属材料、金属力学、腐蚀学、加工设备和制作工艺流程等领域，同时还涉及概率学、系统工程、质量管理和人员心理等知识。此外，失效分析还需要借助现代化的科研实验技术和各领域多方面人才的通力协作才能完成，失效分析本身对这些科学技术的发展也具有促进作用。失效分析能够提前发现设备隐患和故障产生，从而达到避免事故发生并延长设备使用年限的目的。前期失效无法避免，通常通过设备运行前的试运转来发现问题并在正式运行期间并严格地遵守运行管理制度才能有助于防止和减少意外失效，提高可靠性，延长设备的平均使用寿命。例如，美国通过船舶在寒冷海域战争中损失事故的分析结果，不仅明确提出了在钢材生产过程中必须满足钢材低温低压冲击韧性的要求，同时还加快了冶金工业的技术革新，从而发展出一门新的学科——断裂力学。

3失效分析方法

失效分析常用的方法包括经验法和系统工程法。经验法是一种常用于不太复杂设备系统的“顺藤摸瓜”式的相关性思考方法。系统工程法则是一门综合性管理工程技术，它运用数学、控制论、信息论、计算机技术等现代科学技术，并与各领域的具体技术相结合。失效系统工程方法有很多种，常见的包括因素图分析法、事件时序树分析法和故障树分析法。具体分析如下。

3.1因素图分析法

因素图分析法，又称“鱼骨图分析”，是将已掌握的失效和异常现象，以及能够产生这些表现的各种因素用鱼骨图的形式表现出来，通过分析找出造成这些现象的直接原因。

3.2事件时序树分析法

事件时序树分析法是从认定是故障产生原因的最开始事件起始，最后到设备或系统产生故障的最终事件为止，依照工件的使用功能和使用顺序，在防止故障产生上的成功或失效的案例绘制成树形图形进行分析。

3.3故障树分析法

美国空军委托贝尔电站研究所对系统安全工程学法进行研究，于1961年创立了故障树分析法。故障树分析的概念源自数学图论中的树概念和计算机算法，是为评价安全性（可靠性）而发展起来的一门技术。

在故障树分析法中（见图1），设备无论大小都被视为一个系统，而组成设备的零部件则被称为系统的组元。故障树分析法的目的是分析各种事件之间的逻辑关系，区分正常事件和异常事件（故障事件），以便找出失效原因。故障树分析法有三个主要目标：

1）查明与事故发生有关的所有原因；

2）作为一种手段，利用树形图明确地表示分析对象的过程或结果；

3）利用这一方法，可以方便地计算系统失效的概率。

4压力容器缺陷评估

压力容器在众多领域如石油化工设备、核反应堆和宇宙飞船中发挥着重要作用。近年来，压力容器呈现出大型化、高参数（高压、高温、低温）和使用高强度材料的趋势。由于压力容器通常是焊接结构，且使用环境恶劣（如腐蚀、辐射等），压力容器爆炸事故时有发生。因此，许多国家制定了压力容器设计、制造和缺陷评估标准。

4.1缺陷评估基础

过去，人们普遍认为压力容器不能有裂纹。然而，由于焊接设备、焊接人员、焊接环境等因素及检测仪器的精度限制，无法确保压力容器在生产过程中完全无裂纹。此外，设备在使用过程中也可能产生裂纹，且裂纹产生的时间难以预测。有些设备在发现裂纹后也无法立即停机，如核反应堆和电厂设备。断裂力学方法解决了这一问题，不仅可以对已知裂纹的设备进行安全性评估，还可以估算裂纹扩展速率，从而保证在一定期限内的可靠性。

缺陷检测是缺陷评估的前提。早在20世纪20年代，美国便开始使用γ射线探伤。至今，射线探伤仍是许多国家检测压力容器缺陷的重要手段。在20世纪60年代，英国率先采用超声波探伤，它可以较准确地判断缺陷的性质。近年来，声发射技术已开始应用于容器检测，实时监测裂纹扩展。随着现代探测技术的发展，裂纹形状和大小及深度的检测越来越精确，使得缺陷评估工作更加准确。

应力分析是缺陷评估的关键环节。对于复杂结构，可以采用有限元方法进行应力计算或进行光弹性实验应力测量等，并需要进行应力分类。不同类型的应力会对裂纹产生不同影响，计算K或J值时需要给予不同的修正系数。材料断裂韧性值的确定也是一个复杂问题，某些材料韧性值测较为困难，如裂纹起始点的确定、应力状态的控制以及实际工况的模拟（如高温、腐蚀等）。在进行缺陷评估时，专家们在条件受限的情况下，有时会综合国内外文献并根据经验估算材料的韧性值。

近年来，一种新技术——结构完整性技术已在许多重要设备（如核反应堆）中应用。它将断裂力学与设计、材料、制造、检验和在役使用等各方面相结合，形成了结构完整性技术，缺陷评估就是利用断裂力学方法对缺陷进行容限分析。对于新制造的容器，往往需要进行质量控制，这是技术要求；而对于在役容器，则通常根据缺陷评估结果，以确保安全为原则，在节省资金的前提下进行合理使用。

4.2缺陷评估标准

缺陷评估标准可分为三类。一类是以线弹性断裂力学K因子理论为主；另一类是以COD理论为主，中国CVDA—84属于这一类；还有一类是以J积分理论为主。由于断裂力学理论不断发展，尤其是J积分理论在工程应用方面取得了许多成就，近年来英国中央电力局（CEGB）制定的R/H/R6—ReV1《缺陷结构完整性的评定》已经普遍地被各国检验机构所认可。它不仅可以估计容器裂纹的开裂临界值，还可以评估开裂后亚临界稳定扩展的全过程。我国“八五”攻关项目成果SAP—9S就是采用J积分重新制定的缺陷评估标准。

5结束语

失效分析已深入到人们生活的各个领域，它是提升机械产品质量的关键途径，也是顺利推进经济建设的必要环节。在20世纪80年代，德国在失效分析工作的组织化程度上处于领先地位，随后，日本经济超过德国，这与其采用失效分析技术密切相关。我国已经举办过多次失效分析会议，并出版了许多相关书籍，科研单位和高等院校也开设了相关课程，可见失效分析工作在我国已取得了一定的成果，这在1988年5月的第三次全国机械装备失效分析会议上也得到了体现。自我国开始开展在役压力容器缺陷评定工作以来，已完成数千台带缺陷容器的评估工作，至今没有发生任何爆炸事故。随着现代失效分析技术和材料科学的发展，失效分析将越来越造福于人类。

【参考文献】

[1]压力容器：GB/T 150.1～GB 150.4—2011[S]

[2]壓力容器术语：GB/T 26929—2011[S].

[3]钢制压力容器—分析设计标准：JB 4732—1995[S].

[4]固定式压力容器安全技术监察规程：TSG 21—2016[J].

【作者简介】

李斌，男，1973年出生，高级工程师，学士，研究方向为特种设备安全运行。

（编辑：李钰双）