化工设备压力容器破坏原因及预防分析

段军军，贺杠，刘艳雄

（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719302）

压力容器是一类特殊的化工生产设备，常用于环境相对恶劣或危险化学品的化工生产中，实际应用时，压力容器极易受到外界环境因素或各化学品腐蚀，导致压力容器受损，继而引发安全事故，因此，平时必须加强设备检验、检修工作力度，确保能第一时间察觉到压力容器的破坏问题，并及时更换设备或进行检修，避免安全事故发生。此外，在日常的工作中，应进行预防性养护，降低压力容器破损概率，确保压力容器在应用时，始终处于安全、稳定的状态。

1 化工设备压力容器的事故特点

化工生产中应用的压力容器是一类化工承压设备，是在各种危险指数较高、涉及参与工作人员人身安全的承压类特种设备，也是化工生产环节中的安全附件。压力容器由管道或锅炉等基础构件组成，种类多样。若以承压方式分类，则可分为内压容器、外压容器；若以压力大小分类，则可分为高压、低压、中压、超高压容器；若以工作状态下的温度分类则可分为低温、高温及常温压力容器；若以制作方式分类则可分为锻造、焊接、铸造压力容器。任何一类压力容器在实际应用时，都应由专业技术人员制定严格的安全生产流程与操作标准，进一步提高生产过程中的安全性与可靠性，避免在生产时因压力容器破坏引发安全事故。

1.1 多为爆炸、泄漏与火灾

在化工企业生产时，参与其中的产品大多具有易燃易爆性、毒害性、反应性或高温高压等特征。整体而言，化工生产行业的危险性极高。在生产过程中，压力容器破坏引发的安全事故，多为爆炸、化工品泄漏或火灾，影响极为恶劣，且常会造成严重的人员伤亡事件。数据资料显示，各化工企业因火灾、爆炸等事故死亡的人数，占因公死亡总人数的14%左右，位居化工企业因公死亡原因首位。

1.2 造成不同的环境污染

化工生产时各化工原料，化工产品、中间体与副产品等各类杂质均属于工业毒物，有严重污染性、腐蚀性或毒性。若未经处理，便泄漏至自然环境中，会造成严重的环境污染问题。此类化工产品引发的环境污染治理难度极大、耗时极长，治理过程中也可能会引发人员伤亡事故或造成严重的经济损失。

1.3 材质加工问题及腐蚀

化工企业生产环境相对恶劣，大部分化工设备均需长期在恶劣环境下运行。例如，高温、高压、强腐蚀性等环境，均是常见的设备工作环境。压力容器在工作时，也会长期受内部腐蚀性介质的影响，或处于压力波动、振动等工作状态，容易产生金属疲劳感，继而影响设备的正常运行。

2 压力容器损坏的原因

2.1 脆性损坏与韧性变形

脆性损坏的主要形成原因，为压力容器焊接位置处理不当或材料的抗压性能较差，以至于压力容器在工作时，外来压力低于器壁极限，在受到环境或温差影响后，便会出现脆性损坏。通常压力容器的脆性损坏问题没有明显预兆，很难针对这一问题提前预防或维护。

韧性变形与脆性损坏不同，是压力容器在工作时，外壁承担的压力过大，挤压容器壁，并引发塑性变形。在器壁逐渐变薄的同时，容器瓶身也会越来越大，外部压力持续增大后，突破容器外壁承压极限数值时，便会导致压力容器壁口开裂。韧性变形虽然不会造成碎片，但依然会影响化工产品的正常生产。压力容器日常工作时，产生韧性变形的原因与其日常工作状态有关，如工作人员未按标准执行规范操作，或容器在工作中长期处于高负荷状态等。

2.2 腐蚀破坏

压力容器在参与化工生产时，需运输或存放具有强腐蚀性的介质。这类介质在容器内部流动时，会冲刷或腐蚀容器内壁，致使容器内壁逐渐变薄。若腐蚀性介质在容器内不流动，也会因介质残留腐蚀或侵蚀容器内壁。腐蚀性介质对容器内壁的腐蚀并不均匀，长此以往，会导致压力容器的耐压性能降低，或容器内壁各部位耐压性能不同。压力容器器壁内压失衡，薄弱部位便极易存在破损。在容器正常应用时，内壁自身会受到拉伸的应力影响，容器器壁必然存在应力集中位置，在腐蚀作用下，应力会进一步提升，最终导致设备破损。腐蚀破坏与压力容器内壁盛装的介质、容器自身材质以及容器在工作时受到的拉伸应力有关。

2.3 疲劳破裂

压力容器设备的疲劳破裂问题，可以按机理分为低循环疲劳、与低应力高循环疲劳两种，即低周疲劳与高周疲劳。出现疲劳破损时，裂纹会先出现在金属表皮上的驻留滑移带或非金属夹杂物的位置处，随后沿容器内最大切应力方向的晶面，逐渐向内延伸、扩张。在裂纹扩张的过程中，晶粒的位向不同，受到晶界的阻碍作用不同，裂纹方向也会渐渐偏移，直至与主应力近似垂直，此时，进入金属疲劳破裂的第二阶段。在第一阶段，疲劳破裂产生的裂纹扩张速度极为缓慢，当疲劳裂纹扩张方向与主应力方向垂直后，裂纹的扩张途径会穿过晶粒，扩张速率便会持续加快。

当容器疲劳裂纹扩张至一定程度后，自然会引发疲劳断裂。压力容器疲劳破裂的核心特征，疲劳破损的容器无明显的塑性变形，且疲劳断裂断口处的特征与脆性断裂有所不同，可以通过肉眼判断。压力容器疲劳裂纹产生处、扩张期间以及疲劳断裂处的断口各具特色。疲劳裂纹产生处以及扩张过程中的断口或裂缝相对光滑，而疲劳断裂区则比较粗糙。压力容器局部应力较高处、容器制作时的材料衔接处、焊缝处等材料缺陷区，或容器壁的接管处极易出现疲劳破裂问题，且疲劳裂纹往往会穿透容器器壁，造成“未爆先漏”的问题。通常压力容器的疲劳破裂，往往是由于容器操作环境温度、压力的波动幅度较大，或压力容器频繁启动、频繁停车等原因造成的。

2.4 蠕变破坏

压力容器常处于高温作业环境，加之压力容器工作时受到的应力集中作用，容器材料自身性能会逐步降低。这类变化并不明显，但确实存在，且具备持续性特征，这类持续性性能变化会导致压力容器出现蠕变破坏。在蠕变状态下，容器自身的金属材质的刚度与硬度都会出现不同程度的下降，而高温环境又会加快性能下降的速度，容器在持续工作时，受拉伸应力影响，器壁厚度会渐渐降低，最终在容器内部形成薄弱部位，在蠕变破坏下变形、开裂。蠕变破坏与压力容器自身的材质、性能及日常应用时的保养、维护管理工作质量有关。

3 压力容器破坏的预防措施

3.1 压力容器的脆性损坏预防

预防压力容器的脆性损坏，需要从压力容器的制作方向入手，考虑到当前我国化工行业的主要发展趋势及当前压力容器的应用场景，选择质量更佳的优质材料，针对性提高压力容器的质量，确保压力容器选用的材料，符合其工作需求，便可有效降低在应用时出现脆性损坏的概率。

选择材料时，需遵循科学性与合理性原则，结合不同材料的自身性能、材料特征及厚度等参数，判断在制作容器时该材料是否需要接受冲击试验，并明确冲击功指标（冲击功指标应包括该材料的焊接接头）。与此同时，考虑到大部分常见金属材料强度越高，其自身韧性便会越低这一特征，需要适当提高最低冲击功指标。在制作压力容器时，材料自身的缺陷越多，制作难度便会越大，而材料的抗拉强度恰恰与材料厚度成反比，因此，冲击功指标还应根据材料最小厚度范围内最适宜的抗拉强度数值来确定。在焊接或安装压力容器时，要求相关工作人员严格按照标准规范作业，落实好焊接与安装工作，确保压力容器的焊接点位准确，降低焊接处发生脆性损坏的可能性。

在压力容器日常运转时，要求相关工作人员定期检验其运行状态，确保压力容器运行稳定，提高压力容器作业现场的监督及质量管理力度，加强化工企业生产实践管理水平，真正做到防患于未然。

3.2 压力容器的韧性变形预防

预防韧性变形时，应确保压力容器的设计方案合理、结构稳定，要求设计人员严格按照行业规范设计压力容器，在外部设置相应的超压泄放装置，使容器具备自动泄压功能。在生产过程中，设置检修巡视小组，定期检查压力容器的工作状态，加大对压力容器的维护力度。

3.3 腐蚀破裂预防措施

（1）加入缓蚀剂。缓蚀剂可以干扰金属与介质间的反应进程，能够降低腐蚀性介质对压力容器造成的不利影响。因此，工作人员可以在压力容器的金属表面覆盖一层缓蚀剂，以此控制腐蚀性介质与金属容器表面发生的正负极反应，避免金属表面遭到腐蚀。除此以外，还需要工作人员合理使用氧化膜、吸附膜或沉淀膜等方法，借助氧化膜中的氧化剂，使其与金属表层发生反应，形成可覆盖于金属容器外侧的保护膜，或使容器金属表面的电子氧化，以此保护压力容器的金属器壁。

（2）提高压力容器焊接质量。压力容器的焊接部位是容器的薄弱环节，焊接接头处极易受到腐蚀影响。为进一步提高压力容器的抗腐蚀性，要求在制作压力容器时选择硬度、强度均符合标准的焊接材料，提高焊接材料的质检力度，并选择适宜的焊接工艺与焊接技术，严格控制焊接厚度。

（3）电化学防护法。在化工企业使用压力容器时，可以应用电化学防护法提高压力容器的防腐蚀性能。工作人员需要将尚未出现腐蚀状况的金属部位转化为原电池的阴极，随后，利用该阴极，阻断金属内部发生的阳极反应，便可以有效降低金属材料被腐蚀的速度。当前，电化学防护法主要有增加电流阴极防护法与放弃阳极防护法这两种。增加电流阴极防护法需要外接电流，强制通电，使电子通过介质进入金属中，以此有效保护金属阴极。在应用该防护法时，工作人员需要保障外接电源的电流输入稳定，不可中断。放弃阳极防护法需要借助铝、锌等金属材料的还原特征，将此类金属放置于容器之中作为阳极，以此控制腐蚀问题。

3.4 疲劳破裂的预防

预防压力容器的疲劳破损，需要从压力容器的制作、质检等工作环节入手，确保压力容器在制作或安装时，不存在先天或后天性结构裂缝，降低压力容器自身存在结构缺陷的可能性。在应用时，避免频繁开、停车，有效控制压力容器作业环境的温度及工作状态下的压力波动，降低强震及周期性外荷载，确保压力容器能持续稳定的运行，避免或遏制疲劳裂缝的形成与扩张。在设计人员设计新型压力容器时，需要考虑局部应力集中问题。根据压力容器的应用场景及工作状态，设计抗疲劳结构，并选择具备一定塑性应变能力的抗疲劳性材料。

3.5 蠕变破裂预防措施

预防压力容器的蠕变破裂，需要工作人员严格按照国家级行业相关标准，加强容器制造时的质量管控力度，选择具备高温力学性能的优质材料制作压力容器，提高压力容器的自身性能。另外，在使用容器时，需合理控制容器壁温度，在化工产品生产过程中，制定现场的巡检制度，检查压力容器的工作状态，在察觉压力容器器壁出现塑性变形或破裂痕迹时，应及时制定相应的优化或处理策略，避免蠕变破坏进一步加大。

针对性的蠕变破裂预防措施应从高温预防与应力预防两方面入手。工作人员可以适当降低应力，尽可能避免压力容器长时间在高温环境下工作，以此降低蠕变破坏的速度。同时，提高容器的检测维修频率，检测压力容器的运行参数，便于及时发现蠕变破坏，降低蠕变产生的负面影响。

4 结语

压力容器是化工企业生产过程中的重要设备，而在日常使用压力容器时，可能会因其自身性能问题或工作环境等因素，导致压力容器被破坏，以至于引发严重安全事故。常见的压力容器破坏包括脆性损坏、韧性变形、腐蚀破裂、疲劳破裂以及蠕变破裂等，为了履行安全生产，确保化工企业能稳定运转、持续发展，工作人员应基于以上五种压力容器破坏问题，制定相应的预防措施，坚持“以防为先”原则，不断降低压力容器破坏问题发生的可能性。