低溫絕熱壓力容器失效因素與檢驗常見問題概述

張 耕，譚 粵，李 蔚，夏 莉，楊 剛

(廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528000)

隨著低溫技術的發展與普及，液氮、液氧、液氬、液態二氧化碳、液化天然氣、液氫、液氦等低溫液體的應用日趨廣泛，各行各業對貯存和輸送低溫液體的需求日益增長。低溫壓力容器作為貯存和運輸低溫液體的設備其應用也越來越廣泛。以廣東省為例，目前我省固定式低溫壓力容器的保有量約為7000臺。低溫液體儲存設備通常為具有保冷效果的壓力容器，其作為壓力容器的安全性以及其作為絕熱容器的經濟性已成為業內關注的焦點。

就低溫壓力容器安全性而言，對其安全性起到監控作用的單位主要有兩個，一是檢驗機構，二是使用單位。按照《特種設備安全監察條例》的規定：低溫壓力容器屬于特種設備范疇，必須由具有相應資質的特種設備檢驗機構對其進行定期檢驗，然而這種定期檢驗通常的檢驗周期為3-6年，而在這期間設備突發的運行事故檢驗機構目前是無法第一時間察覺的，因此，低溫壓力容器的安全監控的主要責任應該落到使用單位上面。但目前由于使用單位在低溫壓力容器管理及技術方面的能力參差不齊，而且大多數使用單位也缺乏低溫容器管理方面的技術人員，這就造成使用單位在設備出現問題的前期甚至于問題出現時不能做出正確的判斷以及給出相應的處理建議，最終引起安全事故的發生。

由于低溫壓力容器結構為全封閉的真空夾層容器，內部介質為低溫液體，內膽難以直接檢驗。為了提高檢驗的準確性和可靠性，需對低溫壓力容器運行中影響安全的因素進行全面的分析，了解其內在規律，從而實現更好地檢驗和監管。

1 失效因素分析

1.1 材質原因

封頭直邊端開裂現象。真空絕熱壓力容器在內容器方面通常采用的是奧氏體不銹鋼，奧氏體的耐低溫性較好，幾戶不存在低溫脆化的現象，而現階段我國的低溫液體介質純度也基本不存在腐蝕的現象。但在了解多個生產單位返修容器失效因素的案例中，我們發現封頭直邊端是十分容易受到多種因素的影響而出現開裂現象的。簡單來說，產生這一問題主要是因為制造封頭的過程中產生的應力進行了重新分配，使得直邊端承受了超過極限的應力從而導致開裂。其次，在材料熱處理過程中，冷卻方式處理不當導致的材料成分不均勻和不可控。

輕量化技術可以節約材料，降低能耗，符合安全與經濟并重、安全與資源節約并重的發展理念，已經成為壓力容器的主導發展方向[1]。室溫應變強化技術作為一種輕量化技術，可大幅提高奧氏體不銹鋼的許用應力，顯著減薄容器壁厚，降低重容比，已廣泛應用于奧氏體不銹鋼制深冷容器制造。而應變強化的常溫下鋼經過塑性變形后，內部組織將發生變化，晶粒沿著變形最大的方向被拉長，晶格被扭曲，從而提高了材料的抗變形能力[1]。但是，國內應變強化工藝并不成熟，形變和應力容易誘發馬氏體相變，從而造成局部出現分布不均勻的硬脆相。通常我們用鐵素體含量檢測儀檢測來測試材料中的鐵素體含量，鐵素體含量檢測儀利用電磁感應原理能方便快速準確測量鐵素體含量，利用磁導率測定。而在奧氏體不銹鋼冷加工過程中，隨著冷加工的進行，形變和應力都會誘發馬氏體相變，原有奧氏體組織會部分轉化成馬氏體，使得冷加工后組織為馬氏體加奧氏體。奧氏體是面心立方，無磁性的組織，通常是?-Fe中固溶少量碳的無磁性固溶體；鐵素體是碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體，溶碳量極小，是體心立方晶體結構，具有鐵磁性；而我們關注的硬脆相馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，和鐵素體具有相同的體心立方晶體結構至少碳容量為過飽和，具有鐵磁性。根據鐵素體檢測儀的原理，和冷加工過程的相變分析，判斷測得的鐵素體檢測儀的含量顯示即表示的整體的馬氏體含量。但這種方法對于馬氏體含量和分布的監測并不準確，也無法實現對所有的材料進行全覆蓋，非期望的硬脆相分布引起的應力集中增加了局部開裂的可能性。

且夾套與氣、液相接管連接的角焊縫時常存在泄漏情況，在日常使用過程中，由于反復充裝，低溫介質溫度到達零下一百多度，復溫后達到室溫，內外溫差較大且瞬間產生部分沖擊力導致接管與殼體的連接處存在溫差變化，導致接管與殼體的連接處存在交變應力。若夾套材料采用碳鋼的低溫容器，與接管連接部位的夾套位置母材及低碳鋼角焊縫處的溫度，又是甚至低于材料本身韌脆轉變溫度。低溫容器長期使用過程中，接管與夾套連接處的角焊縫易出現穿透性裂紋，造成夾層真空度喪失。

1.2 真空失效

設備的真空度和日蒸發率與容器的絕熱性和使用壽命之間緊密關聯，按照《固定式壓力容器安全技術檢查規程》，評價固定式真空絕熱壓力容器的兩個重要指標就是真空度及日蒸發率。低溫壓力容器的絕熱問題，核心就是真空夾層的真空維持的問題。對于真空夾層來說，漏放氣是無法消除的，漏氣是本體或接口等部位出現泄漏，而內部承裝介質側發生泄漏的概率極低，而對于一個檢漏合格的低溫容器來說，與低溫容器構成真空夾層的材料放氣量相比，它的漏氣量很小，可以忽略不計。因此，低溫容器的漏放氣問題其實就是指低溫容器構成真空夾層的材料放氣問題，任何固體材料在制造過程中和大氣環境下都能溶解并吸附一些氣體，當材料置于真空中時，原有的動態平衡被破壞，這些氣體在材料內部和表面進行擴散解溶，表面吸附的氣體將會脫附，于是就發生材料放氣[2-3]。而放氣是一個持續累加的過程，所以容器真空度過高時則需要進行抽空處理或者返廠維修。對于低溫絕熱容器而言，真空失效已成為其中最嚴重的問題之一，實際使用過程中，真正影響夾層真空度和絕熱性能的影響因素則更加難以預測。同時，真空夾層中的絕熱材料的物理性能和形態上存在一定程度的差異，導熱率也隨之變化。

2 低溫壓力容器的定期檢驗發現的問題分析

國家低溫容器質量監督檢驗中心(廣東)結合多年以來廣東省內低溫壓力容器的定期檢驗情況并進行了匯總和分析。目前，低溫壓力容器在我省的保有量約為7000臺，國內低溫壓力容器的數量就更為龐大，未來幾年，國內低溫液體的應用將更為廣范，這也預示著上百萬臺的低溫液體儲運設備將投入運行。就廣東省內低溫壓力容器的應用現狀來看，每年有近10%的設備出現不同程度的問題。這些問題絕大多數是檢驗機構在定期檢驗中發現的，然而這種定期檢驗的周期通常為3-6年，因此還有大量潛在的隱患存在于運行的設備中。

檢驗中發現，存在以下與容器關系密切的不合格原因和相關問題，諸如：真空度變差、真空規管損壞、容器出現內外漏、安全附件失效、異常升壓等等，根據對全省過去三年的一個檢驗數據匯總分析，不合格率為在3%～4%之間。

2.1 真空規管損壞或誤判

絕大多數低溫容器安裝在室外，環境負責，經受風吹日曬，局部積累的水汽、潮氣容易在規管口上聚集，造成針腳腐蝕或斷裂，無法連接真空計接頭。由于現行法規和標準對于真空規管的保護罩并無規定，部分設備甚至未設置保護罩或保護罩嚴重損壞。

2.2 真空度失效

大部分低溫容器使用環境都是室外，日常管理和使用情況復雜，有的罐體原本真空度和絕熱性能就不好。再加上低溫容器日積月累本身絕熱材料熱導率上升[4]、夾層氣體含量增加，夾層內各種材料的漏放氣現象，也會導致真空度下降。同時，對設備運行情況的檢查，對于異常結霜、結露現象；有無壓力異常升高的情況，安全閥、爆破片有無頻繁異常起跳、破裂的情況，若有異常現象，且經常出現安全保護裝置異常釋放動作，此時應懷疑真空失效。定期檢驗時，完成計量的真空計測得的容器夾層真空度數值，成為檢驗評級的依據。

絕熱性能最直觀的數值體現就是夾層的真空度，對于固定式真空絕熱壓力容器，固定式壓力容器安全技術監察規程[5]里對于真空度測量結果在表1范圍內，不影響定級；大于表1中規定指標，但不超過其兩倍，可以定為3級或4級；否則定為4級或5級。

表1 固定式壓力容器安全技術監察規程規定指標

3 結束語

綜上所述，本文對低溫絕熱壓力容器進行了簡要的分析和闡述，并在此基礎之上，對低溫絕熱壓力容器的失效，以及檢驗評定等方面展開了簡要的分析和闡述。由于真空絕熱壓力容器產品結構的特殊性，無法像常規容器那樣進行宏觀檢驗、壁厚測定、埋藏缺陷檢測、材料分析、強度校核、耐壓試驗及氣密性試驗，但同時只要對低溫絕熱壓力容器失效的原因有著清晰的了解，加強低溫絕熱壓力容器檢驗評定技術的有效利用，就可以有效的提升低溫絕熱壓力容器檢驗評定的水平，保證低溫絕熱壓力容器安全、穩定等性能[6-7]。