對基于失效模式的在用壓力容器檢驗檢測研究

賈靜靜

1.對“失效模式”的基本認識

“失效”即“失去原本具備的功能與效力”是一種普遍存在的現象。失效模式（failure mode）則是對導致事物失去原本效力的因素、失效機理、失效過程、失效臨界轉態等的統稱[1]。目前，較為常見的失效模式主要有：形態變異失效模式、磨損失效模式、斷裂失效模式、腐蝕失效模式、疲勞失效模式、泄露失效模式等。基于失效模式進行失效分析能夠有效了解事物（產品）所具有的失效現象，探尋其失效機理與失效現象形成原因，從而為事物（產品）研發、改進、修補、管理等工作提供依據，降低失效風險，提升其使用的可靠性、穩定性與安全性。

2.對“壓力容器”的基本認識

壓力容器（pressure vessel）是人類生產與生活中應用較為廣泛的容器，以液體、氣體盛裝為主，具備承受一定壓力的能力。目前，在石油化工領域壓力容器使用數量占總體應用量的百分之五十以上，是傳熱工藝、分離工藝、傳質工藝、反應工藝中不可或缺的工具。依據壓力容器在生產工藝過程中的作用，可將其劃分為反應壓力容器、分離壓力容器、換熱壓力容器、儲存壓力容器等幾種類型。為了實現企業安全發展，必須做好在用壓力容器檢驗工作，保證壓力容器應用的穩定、安全與可靠。

3.基于失效模式的在用壓力容器檢驗

3.1 認知在用壓力容器失效模式表現形式

壓力容器在使用過程中不可避免會受到各種因素的影響產生一定的應用問題，出現失效現象。對此，基于失效模式進行再用壓力容器檢驗時，需全面掌握壓力容器失效表現形式。

目前關于壓力容器失效模式尚未形成系統化體系，《GB/T30579-2014承壓設備損傷模式識別》將壓力容器損傷模式分為“腐蝕減薄”“環境開裂”“機械損傷”“材質劣化”幾種類型。但由于損傷與失效存在一定差異性，有損傷不一定失效，但失效一定存在損傷。對此，以承載設備損傷模式為指導，基于經驗歸納與總結可將壓力容器失效模式分為以下幾種類型：（1）變形失效模式，即壓力容器在使用過程中受物理作用、化學作用等影響其局部形態或整體形態發生改變。依據壓力容器變形程度，變形失效模式又可分為彈性變形、塑性變形、蠕變變形等失效模式[2]。例如，壓力容器超載，其截面材料會進入屈服狀態產生變形并出現塑性破損問題，我們將其稱之為壓力容器的塑性變形。（2）磨損失效模式，即壓力容器在施工過程中，受自身因素、外界因素的影響，其員工功能、性能或應用效果降低或消失。依據壓力容器磨損原因，磨損失效模式又可分為腐蝕磨損失效模式、磨粒磨損失效模式、疲勞磨損失效模式等幾種類型。（3）斷裂失效模式，即壓力容器在使用過程中其構件物理性能或材料物理性能發生改變，出現斷裂問題。依據壓力容器形成斷裂的應力原因，斷裂失效模式又可細分為環境斷裂失效模式（包括應力腐蝕、高溫蠕變、氫損壞等）與疲勞斷裂失效模式（包括機械疲勞、腐蝕疲勞、振動疲勞、高溫疲勞等）等表現類型[3]。（4）腐蝕失效模式，即壓力容器受一定因素影響其局部或整體存在腐蝕破損現象。較為常見的腐蝕失效模式由電化學腐蝕、化學腐蝕、均勻腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕等表現形式。（5）泄露失效模式，即壓力容器在長期使用過程中，局部或整體出現損傷，形成裂縫或斷裂問題，產生泄露。

3.2 制定科學且完善的壓力容器檢驗方案

由壓力容器失效模式表現形式可知，壓力容器在應用過程中不可避免地會出現失效現象，而失效現象的產生，表明壓力容器自身性能、使用質量等存在一定問題，而這種問題的形成可能與自身因素有關，也可能與周圍環境、作用力等存在密切關聯性。對此，基于失效模式進行壓力容器檢驗時，需做好壓力容器檢驗方案制定工作，在保證檢驗方案制定科學與可行的基礎上，為檢驗工作實踐提供有益指導。

在此過程中，工作人員需根據已知信息與過往經驗，判斷壓力容器失效模式表現類型，分析壓力容器失效原因，從而明確壓力容器檢驗思路，確定壓力容器檢驗方向。與此同時，在初步掌握壓力容器失效原因的基礎上，對各失效因素進行變量分析，確定壓力容器失效核心因素，并結合壓力容器應用功能、材料屬性，進行檢驗重點指標與分重點指標劃分，以保證檢驗方案的優化，實現檢驗成本（包括時間成本、經濟成本、物力成本等）的節約。例如，壓力容器在使用過程中，通過分析其受力情況能夠有效掌握壓力容器應力情況，并結合壓力容器自身性質、使用功能，獲取脆性指數、韌性指數、耐腐蝕性指數，為在用壓力容器檢驗工作提供信息依據。又如，根據在用壓力容器所在工藝環節，能夠了解壓力容器承載介質，從而根據壓力容器承載介質性質，判斷壓力容器進入失效模式后最為主要的表現形式，初步確定其失效原因。如，承載介質腐蝕性高于壓力容器抗腐蝕能力，導致壓力容器使用過程中出現腐蝕問題。又如，點狀腐蝕是300系列不銹鋼或400系列不銹鋼較為常見的腐蝕表現，該腐蝕損傷形態的產生受承載介質鹽酸濃度、壓力容器合金成分、壓力容器使用環境等因素影響較大。此外，要注重檢驗制度的建立與完善。由于壓力容器在使用過程中自身所承載的負荷相對較大，高負荷運行使其不可避免易進入磨損、斷裂、疲勞等失效模式。對此，相關工作人員應明確認知與掌握壓力容器管理、維護、養修的重要性與必要性，做好相關工作。在此過程中，可通過制定管理與維護制度進行操作行為的規范與引導。例如，制定定期與不定期檢修制度，即在壓力容器使用一段時間后（三個月、六個月或一年）檢查壓力容器外部形態、氣密性等；針對出現運行故障的壓力容器，進行全面檢查，包括材料性質、構件完整度、容器氣密性、容器壁厚度等。

3.3 科學選擇在用壓力容器檢驗方法

基于壓力容器檢驗方案，在實踐操作過程中可遵循如下檢驗步驟，采用行之有效的檢驗方法進行實踐操作。

3.3.1 做好在用壓力容器各項資料審核工作

資料審核是了解壓力容器性質的重要途徑，對保障壓力容器失效原因判斷準確性，提升壓力容器檢驗質量與效率存在重要影響。通常情況下，在進行資料審核時，應做到以下幾點：（1）審查壓力容器材質，通過材質資料分析與核查對所應用壓力容器是否滿足工藝需求，包括壓力需求、溫度需求等具有全面的了解；對壓力容器材料強度指標、耐高溫指標、耐腐蝕指標、韌性指標等是否滿足工業生產工藝需求具有全面了解。（2）審查壓力容器所承載的介質，通過介質相關資料核查，對介質成分、介質屬性具有一定的了解，從而能夠準確判斷壓力容器使用過程中介質對其失效存在的影響。（3）審查壓力容器周圍環境與荷載變化情況，通過周圍環境分析，了解空氣濕度、空氣溫度對壓力容器失效的影響；通過荷載變化分析壓力容器應用過程中進入蠕變變形失效模式、塑性變形失效模式、疲勞斷裂失效模式、磨粒磨損失效模式等的風險。（4）審查壓力容器運行記錄，通過壓力容器運行記錄（包括壓力容器啟動數據、壓力容器停機數據、壓力容器操作條件變化等）進行核實與分析，了解壓力容器運行過程中發生化學爆炸、出現超壓失穩等故障的可能性，為壓力容器管理與維修工作的組織開展提供信息依據[4]。

3.3.2 做好在用壓力容器宏觀檢驗工作

宏觀檢驗是基于失效模式下在用壓力容器檢驗所采用的重要檢驗方法。主要是指利用放大鏡、木錘、燈光、內窺鏡等工具，通過視覺觀察與聽覺分析，探尋在用壓力容器可能存在失效問題。例如，壓力容器經過長時間的使用，受其所承載介質屬性的影響，在介質易停滯、沉積部位容易出現腐蝕損傷。對此，可采用宏觀檢測法對該部位進行重點檢查，了解容器存在的變形情況、腐蝕情況。又如，壓力容器在長期使用過程中，其連接構件易受環境因素、應力因素的影響出現結構變形、構件裂縫問題。對此，可通過放大鏡觀察、內窺鏡觀察、木錘敲擊等方法進行檢驗。

3.3.3 做好在用壓力容器微觀檢驗工作

為進一步提升壓力容器檢驗質量，在宏觀檢驗的基礎上，可科學選擇檢驗方法進行微觀檢驗。例如，針對在用壓力容器壁腐蝕問題，可利用超聲檢測（UT）技術，對容易發生腐蝕問題的部位進行檢驗，并探尋壓力容器腐蝕程度。值得注意的是，在應用超聲波檢測法進行內壁腐蝕檢驗時，一方面需進行工作溫度的有效控制，另一方面需注重不同材料聲速的有效修復。此外，通過測量結果對比分析獲取檢驗結果。又如，在用壓力容器經過長期、反復應用，可能存在肉眼無法觀察到的裂縫。對此，基于失效模式進行壓力容器檢驗時，針對碳鋼材質、低合金鋼材質的壓力容器可采用磁粉檢測法進行表面或近表面細微裂紋檢驗，以提升檢驗效率與質量；針對有色金屬材質、不銹鋼材質的壓力容器，可采用滲透檢測法進行表面細微裂紋檢驗；針對易出現應力腐蝕風險的壓力容器，可采用濕熒光磁粉進行內壁表面細微裂紋檢驗。隨著科學技術的不斷創新，在用壓力容器檢驗手段呈現出多元化發展態勢，TOFD技術、光譜分析技術、導波技術等被廣泛應用到在用壓力容器檢驗工作中，有效提升了基于失效模式下在用壓力容器的檢驗質量與效率。

4.結論

基于失效模式進行在用壓力容器檢驗能夠有效掌握在用壓力容器實際情況，評價在用壓力容器使用過程中可能存在的風險，從而為壓力容器使用風險防控提供指導，增強壓力容器使用安全水平。對此，相關工作人員在明確認知失效模式的基礎上，應注重檢驗方案的科學制定與檢驗方法的有效選擇，促進檢驗質量與效率的提升，為壓力容器維修與管理奠定良好基礎。