化工設備壓力容器破壞原因及預防分析

＊紀賢炎

（福建眾和利達化工裝備有限公司 福建 365050）

引言

化工設備壓力容器的運行環境相對復雜，受腐蝕與裂紋及變形等破壞原因引起的質量問題，易引起致命性的傷害。因此，相對于破壞的事后處理。更應當注重事前預防與事中控制，確保化工設備壓力容器的安全穩定運行，有效延長容器的使用壽命。由于化工設備壓力容器的破壞形式與原因多樣化，需在預防措施與管理手段等方面加強創新，以切實發揮化工設備壓力容器管理的作用價值。

1.化工設備壓力容器的事故特點

壓力容器屬于承壓設備，是指危險性較大與涉及生命安全的承壓類特種設備和安全附件，包括壓力管道與鍋爐等。壓力容器的類型多樣性，可以按照承壓方式對其進行分類，將其分為內壓與外壓容器。如果分類方式選擇壓力大小，則可以將其分為高壓、低壓與中壓以及超高壓容器。如果在分類的過程中，選擇的分類方式是工作溫度，那么其包括了低溫、高溫以及常溫容器。如果按照制作方式對其進行分類，其包括了鍛造、焊接以及鑄造容器等不同的分類方式，其所分類出來的內容有所區別，但是任何一個化工設備壓力容器在使用的過程中，都不能忽視其安全可靠性的把控。化工設備壓力容器的事故特點，主要體現在以下幾方面：

(1)危險性大

化工產品有高溫高壓與毒性及易燃易爆等特點，壓力容器發生火災與泄漏及爆炸的可能性大，在危險性上是其他行業不能比擬的。由于部分化工原料的反應性與毒性和易燃性強，是促使化工企業內部頻發惡性事故的主要原因。化工企業發生火災爆炸與泄露等惡性事故后，不僅會造成工作人員受傷或死亡，還會引起較大的經濟損失。

(2)環境污染

化工生產時運用到的原料與產品及中間體和副產品等物質，有一定程度的工業毒性和腐蝕性。泄漏到水體或空氣中，尤其是未經過處理的工業物質，不僅會引起不同程度的環境污染，也會引發經濟損失和人員傷亡等。化工企業的惡性事故，普遍存在治理難度大與影響時間長等特征。

(3)影響設備正常運行

化工企業對工業設備的運行要求較高，但大部分化工設備壓力容器的運行環境惡劣，長期在腐蝕與高溫和高壓等環境中運行，受到振動與內部腐蝕介質等因素影響，會使得設備金屬產生疲勞感等質量問題，會直接影響化工設備的正常運行，這也是化工企業在設備安全使用管理中不能忽視的 問題[1]。

2.化工壓力容器破壞的形式與原因及特征

(1)過度塑性變形

一旦化工壓力容器自身的壓力荷載超過已經既定的數值時，就會導致化工設備的壓力容器壁漸漸變薄，甚至處于不穩定的狀態。容器也會由于其過度的塑形而成現形變，甚至導致容器直接破裂，如果過度塑形而產生的破裂，其斷口的狀態是一種撕裂的效果，而容器中也會伴隨著少量的碎塊，或者是不產生破片。與此同時，化工設備壓力容器爆破的能量，直接決定了容器爆破口的大小。

(2)過度彈性變形

所謂彈性變形，是指當化工壓力容器固體受到外力的作用，進而產生了一定的形變，這種形變是一種直接表現形式，而當外力撤出之后，物體會漸漸地恢復到最初原來的形狀。為此，可以將其稱之為彈性性質。這是一種可逆性的變形，通常情況下，人們將之稱為彈性變形，但是如果在使用化工壓力容器中，出現了過度彈性變形時，易促使化工設備壓力容器處于不穩定的狀態，隨著外力作用的增強，化工設備壓力容器會逐步向失穩的程度過渡。

(3)大應變疲勞

在交變應力的作用影響下，局部結構的不連續處或開孔接管周圍等化工設備壓力容器的局部區域，而其中金屬晶粒受到的力最大，會出現滑移現象，進而逐步向呈現微小裂紋過度。隨著裂紋兩端逐步的增加和擴展，最終所形成的化工壓力設備，其自身容易疲勞，并且容易受到明顯的破壞。高壓力的局部本身擁有極高應力。面對極高應力的局部區域，首先出現疲勞的現象，高應力會引起大應變部位的破壞。為此，也可以將其稱為大應變疲勞，在目前分析化工壓力設備容器在使用的過程中發現其所具有的疲勞破壞特征主要體現在以下幾點，即容器變形不明顯；破裂斷口主要存在于疲勞裂紋產生至擴展區和最后斷裂區的兩個區域；化工設備壓力容器因開裂泄露而失效；化工設備壓力容器反復加卸載后更容易產生疲勞破壞。

(4)腐蝕疲勞

共同作用下，進而形成的一種全新破壞形式，如果基于材料的腐蝕疲勞這一角度進行分析，能發現其會導致金屬表面發生極為明顯的局部破壞，導致金屬產生疲勞裂紋。二是金屬表面的保護膜，在交變的拉伸應力作用下發生破壞，從而產生表面腐蝕。交變應力在破壞保護膜之后，保護模無法再次形成，這也會導致在腐蝕坑中出現沉積，直接影響到氧的擴散，導致保護膜無法在短時間內恢復，其最終所形成的是一種惡性循環。然而腐蝕坑的底部，則始終處于一種相對較為活躍的活性狀態，易形成腐蝕電池的陽極，最終在交變應力與腐蝕的雙重作用下，裂紋會不斷的發展，直到最終金屬呈現斷裂的現象。

(5)應力腐蝕

在分析應力腐蝕時，考慮到應力腐蝕主要是指拉伸應力與金屬腐蝕介質聯合作用，進而形成一種獨特的破壞形式。當化工壓力容器出現金屬應力腐蝕這一現象后，由于應力腐蝕兩個不同的作用因素，處于一種相互促進的狀態，其中腐蝕會直接減少金屬本身的有效截面積，并且在金屬的表面漸漸形成一個缺口，促使其應力更加集中。同時也需要考慮到基于預應力的作用下，腐蝕的進度會漸漸的被加速，基礎造成的結果就是金屬表面的缺口會越來越大，直到最后的斷裂。

(6)脆性破裂

脆性破裂是指未顯著塑性變形的斷裂，脆性破裂的容器部位常有碎片飛出，并呈現出碎塊狀；通常在低溫狀況下發生破裂事故；中低強度制造的厚壁容器與高強度鋼制的壓力容器上，更容易發生脆性斷裂。

(7)氫腐蝕破裂

由于大部分的工業設備，其壓力容器在制作和使用的過程中均屬處在高溫、高壓的情況下。為此，鋼的表面會吸附大量的氫分子。而氫分子會漸漸的分解成為氫離子或原子，導致在鋼表面層出現固溶現象，甚至會向鋼內擴散，并通過氫腐蝕與氫脆等形式，不斷破壞鋼的性能。從氫腐蝕入手分析，氫離子或原子擴散到鋼內，會結合成氫分子，部分會與非金屬夾雜物或碳及碳化物產生化學反應，生成不容易溶解的氣體生成物。而生成物再晶界原有的微小縫隙中會漸漸的聚積，進而逐步形成局部高壓以及用力集中，促使晶界逐步變寬，并且產生一定的微裂紋，而鋼的機械性能也在這一階段漸漸地被弱化。

(8)蠕變

金屬容器在外部溫度與應力作用的持續性變化影響下，經過長時間累計極易引起器壁的破損。蠕變與塑性變形不同，溫度是蠕變的重要影響因素，高溫會弱化金屬材料的剛性。除此之外，產生的拉伸應力會逐步弱化壓力容器的性能與質量，從而促使其出現損壞的現象。

3.壓力容器破壞事故的分析方法

壓力容器發生事故的幾率大，一旦發生惡性事件，會引起停工停產，腐蝕作用等屬于工業設備壓力容器事故的直接原因，而壓力容器設備治理混亂與技術檔案資料不完整、安全生產職責落實不到位、安全生產整改監視檢查不足等要素，是引起容器事故的間接原因。除了需要通過簡單的調查分析之外，還需要提供檢驗容器是否具有斷裂，其破裂處的斷口又是一種怎樣的狀態，容器的理化性能。要想真正找到事故發生的原因，必要時可進行容器破壞性的模擬試驗等。在技術檢驗與事故調查的同時，制定針對性的處理和預防措施。

4.壓力容器破壞的預防措施

定期檢驗與預防化工設備壓力容器發生破壞的意義，是及時發現存在與潛在的設備缺陷和隱患，查清容器的安全狀況，消除與監控各種危險因素，降低化工設備壓力容器發生事故的幾率，促使壓力容器能夠安全運行。

(1)預防疲勞性破損

疲勞破損是典型的壓力容器破壞，預防出現疲勞破損的措施，是避免工業設備壓力容器的長期超負荷操作。工業設備壓力容器承受的作用力局限，需適當減輕容器的加壓，以此控制壓力容器的損壞可能性。

(2)預防韌性變形與脆性損壞

根據運行工況等實際，合理選擇容器制備的強度材料，避免出現韌性變形與脆性破壞。針對于出現變形的工業設備壓力容器，除非是輕微的局部凹陷，其它的變形需停止容器的繼續使用。工業設備壓力容器發生變形后，容器壁厚會變薄，變形材料的耐腐蝕性與韌性隨之弱化。針對于輕微的鼓包與面積較小與對其它部位影響小和容器材料有較好焊性的工業設備壓力容器，可挖去鼓包部位后，補焊相同的材料與形狀板塊，同時檢驗焊縫質量。

(3)預防腐蝕性破壞

在制作工業設備壓力容器時，建議選擇高品質的金屬材料，降低體內雜質的含量，以確保工業設備壓力容器的耐腐蝕性達標。化工企業在壓力容器的投入使用前，建議在器壁內安裝阻隔材料，避免容器壁直接接觸有腐蝕性的化學物質。使用完畢后及時清理，做好工業設備壓力容器的檢查養護工作，及時發現與替換處理出現裂縫的壓力容器。從防腐作業入手分析，可有效解決工業設備壓力容器的表面腐蝕現象，表面防腐以表面噴砂和表面噴劑的兩種方案為主，在表面防腐作業前，需利用噴砂機去除表面鋼材上的銹跡與氧化物等預處理操作，確保表面干凈清潔無異物后，再合理調配防腐劑，嚴格控制調配的比例。防腐作業步驟與方法，需嚴格按照國家規定的標準進行。

(4)預防蠕變

壓力容器的蠕變問題，主要受高溫環境與應力作用的影響。因此，要想高效解決蠕變破裂問題，需避免應力作用與高溫條件同時出現在容器內。要想規避蠕變的影響因素，首先需定期檢查維護。其次，及時替換處理損壞的工業設備壓力容器，避免蠕變問題逐步擴張。最后，加強對工業設備壓力容器自身品質的控制，制定完善的工業設備壓力容器采購計劃，引進高質量的工業設備壓力容器，降低安全事故發生率，延長工業設備壓力容器的使用壽命[2]。

5.壓力容器破壞的質量控制

(1)制造前的質量檢驗

首先，嚴格審查施工圖紙。圖紙是壓力容器投入生產的技術參考和重要依據。因此，應當加大審查工業設備壓力容器設計圖的力度，確保其符合我國現行的規范要求和制造標準及制造條件等。其次，加工工藝流程的合理編制。壓力容器的生產流程與制造工藝，需嚴格依據相應的工藝流程進行。統一編制批量生產的壓力容器的加工工藝，以提高生產效率，促使加工流程有序實施。應用新技術與新工藝和新材料的容器，圍繞加工需求合理制定工藝流程。最后，加強對原材料的質量檢驗。要求工藝設備壓力容器選用的材料達標，符合加工工藝與生產條件的要求。生產企業需盡快完善監管體制和制度，加大集中監管化工設備壓力容器材料質量的力度。

(2)控制焊接質量

首先，從焊接材料的質量控制入手分析。焊接材料的管理控制環節較多，涉及采購與驗收和復驗及烘干與發放等控制點。嚴格按照壓力容器材料的規定選用焊接材料，要求焊接材料的質量符合行業標準與國家標準的相關規定。其次，從焊接工藝控制入手分析。要求焊工具備焊工合格證件，能夠得心應手的展開焊接工作。嚴格按照焊接工藝書或焊接工藝卡施焊。壓力容器施焊前，合理編制焊接工藝方案，方案內容涉及坡口形式與焊接方法選定、焊接材料、無損檢測等內容。要想確保工藝的貫徹執行與焊縫的質量，要求責任工程師加強對工藝規程執行情況的監督，嚴格控制焊接順序和焊前預熱及焊材選擇等細節問題。加強焊縫檢驗，包括無損探傷檢驗與外觀檢驗，本著引進來與走出去的原則，引用先進的探傷方法與技術設備，避免出現誤判等情況，以提高工業設備壓力容器的整體質量。

(3)加強設備的質量控制

化工設備壓力容器在生產與投入使用中的安全隱患問題不能忽視，化工設備壓力容器屬于危設備，在使用中需加強對容器的質量控制，并將質量控制的理念與制定和措施，貫穿容器使用的各環節。在制定質量控制制度前，廣泛收集工作人員的意見想法，促使質量控制更貼近于化工設備壓力容器應用的實際情況。為提高質量控制的有效性，建立完善的自我檢查流程與互相檢驗程序，引入精細化與流程管理等現代化的管理手段，及時發現與處理化工設備壓力容器的裂紋等破壞因素。化工企業需強化壓力容器事故的預防觀念，根據化工設備壓力容器的使用情況，建立完善的監測使用體系，將容器事故的可能性降到最低。根據監測中發現的質量問題，采取針對性的措施進行維護處理，實現資源的整合優化與高效利用。

(4)提供人才保障

化工企業應當加強完善人才培養考核機制，要求工作人員深入了解化工設備壓力容器的運行原理和結構體系及技術參數等內容，將其從傳統的工作模式與態度及觀念中脫離出來，加強對化工設備壓力容器安全運行的重視。輔助監測化工設備壓力容器的使用情況，及時發現與處理各種質量問題，為化工設備壓力容器破壞問題的管理方案完善獻計獻策。尤其是化工設備壓力容器安全狀況的檢查與試驗人員，需了解《壓力容器安全技術監察規程》等法規的內容，定期檢驗化工設備壓力容器，并熟練掌握水壓試驗和內外部檢驗及外部檢驗等方法。

(5)系統監測危險因素

提高工作人員的信息素養，靈活操作檢驗系統，建立數據庫，將化工設備壓力容器在運行中常出現的破壞形式及原因和危險因素及處理等內容，整理到數據庫內，為信息技術智能與自動監測化工設備壓力容器的破壞情況和安全事故等質量問題奠定基礎[3]。如化工設備壓力容器部件損害的原因，或是熱應力與交變的溫度引起的疲勞裂紋；因高溫蠕變使部件產生裂紋或塑性變形；壓力波動或頻繁加卸壓導致的低周疲勞損害和低周疲勞裂紋；長期高溫導致鋼材組織惡化，包括熱脆與石墨化及珠光體球化等，逐步弱化鋼材的機械性能等。檢驗人員將這些部件損壞的危險因素，整理并歸置于數據庫內，為后續化工設備壓力容器破壞的預防工作展開提供價值參照，促使質量控制與預防方案，更具有針對性和有效性及可行性，這也對工作人員的職業素養和業務能力提出了更高要求。

6.總結

在化工工業中，工業設備壓力容器惡性事故的危害與影響不能忽視。要求工作人員提高對壓力容器使用的認知度，嚴格按照規定要求，加強對密封質量與容器破裂危險因素的控制，同時提升容器的生產技術及管理技術水平，確保容器的安全性能，有效預防壓力容器破裂的情況發生。