壓力容器常見缺陷分析及影響

張正棠，孫寶財，張秉乾，白崇暉

（1. 甘肅省特種設備檢驗檢測研究院， 甘肅 蘭州 730050； 2. 中國石化銷售股份有限公司甘肅石油分公司， 甘肅 蘭州 730030）

壓力容器顧名思義是能夠承受一定壓力的一種密閉容器，它的用途比較廣泛是石油化工、航空航天、核電等領域中必不可少的設備， 壓力容器的發展速度直接影響一個國家的工業化進程，在對經濟發展領域中起著至關重要的作用[1]，壓力容器的安全使用也關系到整個國民經濟的發展與民生安全，壓力容器的運行環境都是出于各種復雜的運行環境，經常與其他設備連接配合使用，壓力容器在制造、安裝、運行中都會因為各種原因導致容器在使用過程中產生各種缺陷，這些缺陷在壓力等操作因素反復變化下使得壓力容器達到使用極限最終引起壓力容器產生韌性破裂、疲勞、腐蝕、蠕變等破壞[2-4]，這些缺陷在很大程度上直接威脅著整個系統的安全穩定運行，因此必須防止壓力容器產生缺陷。另外，壓力容器在制造過程中，會涉及焊接問題，一旦壓力容器焊接工藝、焊接人員操作出現問題，都會產生缺陷影響壓力容器的使用，最終導致安全事故的發生[5]。因此，針對上述壓力容器缺陷情況，必須熟悉壓力容器各個部位的運行情況，及時檢查壓力容器本體質量，還需要對壓力容器常見的焊接缺陷進行識別，并且了解缺陷產生的原因，這樣才能預防和控制缺陷，降低壓力容器使用的安全事故，獲得更好的經濟效益[6]。

壓力容器缺陷產生的主要部位在焊縫處，影響焊縫質量的因素就是焊接方法、焊接工藝等，壓力容器往往根據設備類型、規格不同選用的焊接方法也不一樣，壓力容器的焊接方法有手工焊、埋弧焊、氬弧焊、氣體保護焊等，應當根據設備具體的情況經過焊接工藝評定合格后選擇合適的焊接方法，這樣才能保證設備的焊接質量。另外，除了要選擇最優的焊接參數外，保證現場焊接環境也是減小焊接缺陷的一個重要原因。文章對壓力容器缺陷產生及危害進行分析，進而在制造過程中盡量防止此類缺陷的產生。

1 缺陷類別

1.1 裂紋缺陷

裂紋缺陷是壓力容器缺陷中最常見、最難以控制的缺陷，也是導致壓力容器失效的因素，裂紋會出現在壓力容器任何部位，主要集中在焊縫周圍，有時候母材上也會出現裂紋，形成裂紋的原因多種多樣，主要的原因有原材料、制造過程，運行中介質和使用參數變化導致的，根據壓力容器多年檢驗經驗來看大多數裂紋都發生在焊縫周圍，裂紋首先是初步形成當深度發展到一定程度就會導致容器失效，因此，對壓力容器檢驗中裂紋的檢驗最為重要，圖1 為壓力容器檢驗過程中焊縫附近熱影響區上的裂紋。

圖1 熱影響區部位出現的裂紋

1.2 焊接缺陷

焊接過程及參數是壓力容器產生缺陷的主要原因，好多缺陷都是由焊接缺陷發展而來的，影響焊接缺陷的因素主要有焊接工藝、參數、焊工熟練程度、現場環境等

1.2.1 咬邊缺陷

咬邊缺陷是母材高度低于周邊高度，在焊接熱影響區中。咬邊缺陷在手工焊產生的原因一方面是輸入的焊接電流過大、焊接速度太快，另一方面是焊接電弧太長，焊接角度不對，都有可能引起咬邊缺陷。

1.2.2 焊接氣孔

焊接氣孔是待焊母材表面處理不好及焊接工藝參數選擇不當引起的。 焊接之前要清理焊接表面上的氧化膜和污垢，倘若清理不干凈很容易產生焊接氣孔。Warnken 等學者[7-8]普遍認為焊接氣孔的產生與焊接所產生的氣體密切相關，特別是氫元素。趙海燕等[9-10]認為焊接氣孔是在激光焊接中深熔焊中匙孔存在波動， 波出現衰竭和收縮引起的焊接氣孔。焊接氣孔是在焊接操作過程中熔池中氣體逸出速度比金屬凝固速度慢，從而部分氣體未逸出留存在金屬中導致空穴的形成。此外，導致焊接氣孔產生的原因遠不止上述情況，如焊接之前對坡口邊緣的污垢清理不徹底；坡口表面殘留水滴、油滴、銹跡；焊條和焊劑沒有進行烘干，保存措施不嚴格，導致焊條焊芯有銹蝕現象；藥皮放置時間過長出現變質。這些因素都會使得氣體逸出的難度增加，部分氣體滯留在焊縫金屬中導致氣孔產生。在焊接操作時，焊接操作人員的水平也有可能導致焊接氣孔產生。

1.2.3 焊縫夾渣

夾渣留存在焊縫中直接影響壓力容器焊縫的強度，焊接過程中形成焊縫夾渣的原因有如下：首先，各種條件的限制使得熔渣無法逸出熔池導致夾渣產生。其次，焊接坡口開設不合理。第三，焊接操作人員水平。

1.2.4 未焊透與未熔合

未焊透和未熔合是有共同特點的都是焊縫中存在有沒有熔合的部分，而大多數未焊透缺陷主要是焊接速度過快或者氬弧焊未打底直接手工焊接，造成兩焊件沒有完全熔融。無論是未焊透還是未熔合，都會給壓力容器焊縫造成極大的影響，它們的存在直接削弱了焊縫的承壓強度。導致未熔合和未焊透的原因有待焊接的工件裝配間隙過小以及焊接坡口角度不合適。

1.2.5 燒穿

燒穿缺陷顧名思義就是焊接參數過大將待焊工件直接燒透，形成孔洞的現象。燒穿缺陷最直接的影響是會使得焊件母材質量減少，焊縫不達到所需要求。

1.3 其他缺陷

1.3.1 錯邊與角變形缺陷

錯邊缺陷是兩個待焊工件表面不在同一平面上，在厚度方向上錯開。無論是錯邊缺陷還是角變形缺陷都會對壓力容器焊縫產生影響，而錯邊和角變形缺陷也經常出現在壓力容器焊接組裝中。

1.3.2 分層缺陷

分層缺陷屬于內部缺陷，分層缺陷出現在壓力容器制造中的各個環節。大多數分層缺陷都是由于鋼坯或鋼錠的質量問題，在軋制鋼板時未能很好地焊合。分層缺陷有可能會將鋼板從中間分離成兩層也有技術不成熟分層好多層的。一些分層缺陷在鋼板制造完檢測不出來往往在加工（如卷板、彎管）時才能發現。分層后的鋼板性能、強度較正常鋼板削弱了很多，往往鋼板分層都打不到壓力容器的設計要求，因此鋼板的分層缺陷在壓力容器中是不允許存在的。

2 壓力容器制造缺陷對其安全性的影響

壓力容器的各種缺陷主要造成殼體在幾何形狀上的不連續。這些不連續缺陷是應力集中的部位會降低壓力容器的承壓能力和強度。兩種曲率半徑不同殼體連接在一起，其產生的應力也不同，在應力作用下產生的變形也不一樣。

2.1 內應力的影響

內應力是壓力容器中危害最大的缺陷，幾乎只要有缺陷就會有內應力產生，一般來說，壓力容器在使用過程中產生的變形量越大的部位，往往是設備強度降低、內應力產生、失效可能性最大的部位。裂紋缺陷是在內應力發展中產生的，它的存在直接威脅著壓力容器的安全使用。因此，在壓力容器制造、使用中要控制缺陷的產生。

3 結論

文章從壓力容器常見的缺陷出發分析壓力容器中常見缺陷產生的原因，并對造成缺陷的因素進行分析，對以后壓力容器制造生產過程中控制這些缺陷具有一定的意義。

壓力容器是特種設備中常用的設備，它的應用環境具有一定的特殊性，一旦出現失效事故，其后果非常嚴重。因此，為了保證壓力容器能夠在規定條件下安全穩定使用，對其常見的缺陷問題進行有效的解決非常必要，尤其是焊接方面的。只有從源頭上認識壓力容器焊接中存在的缺陷，才能找出缺陷產生的原因，也就有目的的選擇解決問題的方法，進而保證壓力容器的焊接質量，確保壓力容器的安全性。