壓力容器的失效及控制

徐俊

摘要：壓力容器的廣泛使用和事故的多發(fā)以及事故發(fā)生的嚴(yán)重性，促使我們不斷的尋求壓力容器事故的根源和針對(duì)這些根源而采取的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：壓力容器；疲勞缺陷；腐蝕；氫損；失效；預(yù)防

2001年10月26日14時(shí)56分，某飼料廠蒸罐車間發(fā)生壓力容器（蒸罐）爆炸事故，造成3人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約15萬元

2004年5月12日12時(shí)31分，某公司發(fā)生一起浸出槽（壓力容器）爆炸重大事故，造成1人死亡，1人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失455.5萬元，間接經(jīng)濟(jì)損失1800.8萬元

2006年7月19日22時(shí)30分左右，某建材公司生產(chǎn)車間發(fā)生一起壓力容器重大安全事故，造成4人死亡，5人受傷

隨著生產(chǎn)力的提高，壓力容器越來越多的接近我們的生產(chǎn)和生活，而壓力容器的事故卻也一直居高不下，并且這些事故往往是讓人觸目驚心的。

歷年來事故調(diào)查的結(jié)果表明，壓力容器事故原因有超壓，超溫，容器局部損壞、安全裝置失靈等，絕大多數(shù)是人為操作不當(dāng)或失誤引起的，壓力容器本身質(zhì)量問題引起的事故比例很小，但是為了保護(hù)國(guó)家公民的人身安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)的不必要損失，我們更應(yīng)該縮小這個(gè)比例，避免和預(yù)防壓力容器事故的發(fā)生。

壓力容器因自身質(zhì)量問題引發(fā)的事故，我們這里稱這個(gè)自身質(zhì)量問題為失效，壓力容器的失效主要表現(xiàn)為裂紋的擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂破壞。主要形式有疲勞斷裂、腐蝕破壞（應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、硫腐蝕等）、氫損傷開裂等。

1.金屬疲勞的研究至今也有近150年的歷史了，國(guó)內(nèi)外投入人力物力不余遺力的研究這方面的工作，可見疲勞問題的重要性和復(fù)雜性。疲勞失效有疲勞斷裂、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞等，最主要的是疲勞斷裂。金屬都有自身的疲勞載荷和疲勞抗力，在沒有達(dá)到疲勞極限（金屬材料經(jīng)受無限多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂的交變應(yīng)力就是疲勞極限）的時(shí)候，材料金屬都是可以正常使用的。不同的材料和不同的應(yīng)力狀態(tài)有著不同的疲勞極限，比如彎曲疲勞極限、拉壓疲勞極限、扭轉(zhuǎn)疲勞極限。對(duì)于各種不同狀態(tài)的疲勞極限，可以按照理論計(jì)算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，也可以提早的進(jìn)行預(yù)防和更正，但是有些因素可以是疲勞極限顯著的降低，那就是應(yīng)力集中。而從宏觀和微觀的疲勞斷口特征可以看出，引起疲勞的最終原因也是應(yīng)力集中。金屬的疲勞斷裂本身就是一個(gè)裂紋萌生和斷裂擴(kuò)展的漸進(jìn)過程，在沒有應(yīng)力集中的狀態(tài)下，疲勞裂紋的起始萌生通常集中在金屬的表面、晶界、孿界、非金屬夾雜和第二相質(zhì)點(diǎn)等處，往往表面形成擠入和擠出的溝脊現(xiàn)象，這樣顯然產(chǎn)生了應(yīng)力集中，然后在變交應(yīng)力的作用下逐漸萌生疲勞裂紋，產(chǎn)生的疲勞裂紋核心不斷擴(kuò)展并相互連接，便形成了宏觀裂紋源點(diǎn)，最終形成裂紋缺陷的失效。而金屬材料表面本身的質(zhì)量缺陷或者金屬焊接過程中形成的一些應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果不及時(shí)、準(zhǔn)確的處理，疲勞源點(diǎn)過早的出現(xiàn)，直接導(dǎo)致疲勞裂紋的過早出現(xiàn)和產(chǎn)品、設(shè)備的過早失效及壽命縮短。而低周疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞一定意義上是在特殊過程中產(chǎn)生的疲勞破壞導(dǎo)致疲勞極限的降低而導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)備的失效。

2.腐蝕破壞有鋼材腐蝕和應(yīng)力腐蝕，鋼材腐蝕按照外部幾何特征可分為全面腐蝕（均勻腐蝕）、局部腐蝕和集中腐蝕（選擇性腐蝕），按腐蝕的理化機(jī)制又可分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，晶間腐蝕是常見的選擇性腐蝕，特指晶粒邊界處比晶粒本體腐蝕更快的不均勻腐蝕，是危害性非常大的局部腐蝕，在宏觀上沒有明顯的變化，而且不易察覺。

3.氫致?lián)p傷是指與氫的行為有關(guān)的金屬損傷，金屬?gòu)囊睙?，?jīng)鑄造、軋制、鍛造、熱處理、機(jī)加工、焊接等過程直到使用過程，都有可能進(jìn)入氫。氫損傷的種類有氫脆、氫腐蝕、發(fā)紋和白點(diǎn)，氫脆具有可逆性，是可以消氫處理后恢復(fù)韌性的，但是氫腐蝕和發(fā)紋和白點(diǎn)卻屬于不可逆氫脆，當(dāng)這時(shí)發(fā)生氫脆出現(xiàn)了微裂紋等缺陷，材料的塑性和韌性是無法回復(fù)的。由于腐蝕、電鍍、熱加工等因素使鋼中含氫量在0.1-10ppm時(shí)，受到慢速應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)的脆化、開裂就是氫脆，氫脆發(fā)生的溫度范圍是-100～100°C，在碳鋼和低合金中也會(huì)出現(xiàn)氫脆的現(xiàn)象，尤其是高強(qiáng)鋼；氫腐蝕也稱氫反應(yīng)脆化，是指具備很高活性的氫與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)生成氫化物，有強(qiáng)烈的腐蝕作用，一方面引起脫碳，一方面使鋼脆化，并在鋼板的表面形成鼓泡，其發(fā)生溫度在205～595°C；發(fā)紋和白點(diǎn)通常發(fā)生在大型鋼鍛件中，在熱工藝過程中融入鋼中的氫，由于冷卻速度快而來不及逸出，聚集在縮孔和微縮孔等缺陷處，過量的氫和鍛件中的內(nèi)應(yīng)力共同作用導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋出現(xiàn)，就是發(fā)紋和白點(diǎn)。

綜上為壓力容器失效事故原因的一些理論研究和說明，針對(duì)疲勞開裂、腐蝕破壞和氫損傷對(duì)壓力容器使用安全的重要性，筆者簡(jiǎn)要的作以下的預(yù)防措施：

（1）在設(shè)計(jì)上，應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)，使用合理的材料和工藝，盡量避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)和彌補(bǔ)不可避免的缺陷出現(xiàn)后的糾正預(yù)防措施；

（2）制造，修理、安裝、改造時(shí)，加強(qiáng)材料管理，避免采用有缺陷的材料或用錯(cuò)鋼材、焊接材料，同時(shí)要加強(qiáng)材料現(xiàn)場(chǎng)管理，保證按標(biāo)準(zhǔn)堆放材料，做到黑白分開，防止不銹鋼材料在存放和制作過程中的鐵離子污染；加強(qiáng)焊接管理，規(guī)范焊工按照焊接工藝要求施焊，提高焊接質(zhì)量并按規(guī)范要求對(duì)焊接缺陷進(jìn)行處理；

（3）加強(qiáng)使用管理，避免操作失誤，對(duì)重要、關(guān)鍵的設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，避免超溫、超壓、超負(fù)荷運(yùn)行、失檢、失修、安全裝置失靈等，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)操作員工的培訓(xùn)和管理。

（4）加強(qiáng)檢驗(yàn)工作，包括對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的定期檢驗(yàn)，原材料和外購(gòu)?fù)鈪f(xié)件的進(jìn)廠入庫(kù)檢驗(yàn)，產(chǎn)品制作過程的檢驗(yàn)，壓力容器壓力試驗(yàn)的檢驗(yàn)和設(shè)備使用過程中的定期監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并采取有效措施。

4.結(jié)論

隨著科技的進(jìn)步，壓力容器在生活和生產(chǎn)中的廣泛使用，鑒于壓力容器設(shè)備具備危險(xiǎn)性的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活中的特殊的重要性，尋求壓力容器的事故源和保證壓力容器質(zhì)量安全始終是刻不容緩的一個(gè)重要課題，在認(rèn)識(shí)本篇所提及的壓力容器的失效原因和潛在因素，在增強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)的前提下，我們必須把壓力容器生產(chǎn)過程中所涉及的質(zhì)量考核以及一般容易忽視的外觀質(zhì)量放在重點(diǎn)提高，避免這些應(yīng)力集中源的產(chǎn)生和潛在的隱患。從而保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]《金相檢驗(yàn)》中國(guó)機(jī)械出版社 2001

[2]GB150-2011《壓力容器》中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版.2011

[3]《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》新華出版社出版.2010.