化工領域壓力容器破壞原因與預防研究

蔡水泉

（吉安市特種設備監督檢驗中心，江西 吉安 343000）

化工領域中的壓力容器在工業生產中起著重要的作用，用于儲存和輸送各種壓力介質。然而，由于長期的工作壓力、溫度變化和介質的侵蝕等原因，壓力容器存在著破壞的風險。一旦壓力容器發生破壞，可能導致嚴重的事故和人員傷亡。因此，深入研究壓力容器破壞原因并采取相應的預防措施，對于保障人員安全和設備的正常運行至關重要。

1 壓力容器破壞的原因

1.1 脆性破壞的原因及特征

（1）脆性破壞的原因。脆性破壞是指在低溫或高應力條件下，材料失去了延展性，而變得易于斷裂。脆性破壞通常由以下原因引起，溫度過低，當壓力容器暴露在低溫環境下時，材料會變得脆性，容器在受到應力作用時易于發生斷裂。材料缺陷，材料內部的缺陷如裂紋、夾雜物等會導致應力集中，從而降低容器的強度和韌性，增加脆性破壞的風險。化學腐蝕，某些化學物質會導致金屬材料的腐蝕，損害材料的強度和韌性，從而增加容器的脆性破壞風險。鍛造和焊接缺陷，不合格的鍛造和焊接工藝可能導致材料內部產生裂紋或氣孔，使容器易于發生脆性破壞。

（2）脆性破壞的特征。①塑性變形幾乎沒有，而且厚度的變化也很微小；②脆性破壞通常會在瞬間發生，并伴隨著大量碎片的出現；③隨著材料脆化，容器會有所損壞，特別是在原有的缺陷和幾何形狀突變處最易受到影響，最終導致斷口出現金屬晶粒，并帶有明顯的光澤。

1.2 疲勞破壞的原因及特征

（1）疲勞破壞的原因。疲勞破壞是由于壓力容器長期受到循環加載或振動引起的。反復加載會導致材料的損傷和開裂，最終導致容器失效。疲勞破壞通常由以下原因引起，循環加載，容器在正常工作條件下，由于壓力變化、溫度變化或機械振動等因素，會受到循環加載，產生應力集中，引發疲勞破壞。材料缺陷，材料內部的微觀缺陷如夾雜物、裂紋等會成為疲勞破壞的起始點，通過循環加載逐漸擴展和發展。壓力容器的不良設計，如不合理的應力集中區域、不足的支撐和補強等，會增加容器的疲勞破壞風險。

（2）疲勞破壞的特征。①通過對部位的分析，可以發現壓力容器的疲勞損傷往往發生在結構不連續的部位，如開口、開孔位置。②爆破和泄漏是疲勞斷裂的主要表現形式，其中爆破尤為常見。爆破產生意味著材料的強度超出了正常范圍，而且韌性也較弱。如果發現泄漏，這表明材料的強度不夠高，但具有良好的韌性。③斷口可以劃分為兩個部分：疲勞擴展區域表面光滑平整，呈現出貝殼花紋；最終破裂區域呈現出放射狀、人字形紋路的特征。

1.3 蠕變破壞的原因及特征

蠕變破壞的原因：蠕變是指在高溫和高應力條件下，材料會發生塑性變形。蠕變會導致材料的形狀和尺寸發生變化，最終導致容器失效。蠕變損壞通常由以下原因引起，高溫和高應力，容器在高溫環境下長時間運行，承受高應力，會引起材料的蠕變變形，降低容器的強度和穩定性。時間效應，蠕變是一個隨時間積累的過程，材料在長時間內受到應力作用，會導致蠕變損壞的發生。材料缺陷，材料內部的微觀缺陷如夾雜物、裂紋等，會加速蠕變損傷的發展。

蠕變破壞的特征：①隨著溫度的升高，蠕變破壞的變形程度也會發生巨大的改變，而且這種改變與材料的塑性有著密不可分的聯系。②由于蠕變，斷口的外觀幾乎完全失去了原來的金屬光澤，只剩下了粗糙的顆粒，而且還出現了一層高溫氧化層，也就是腐蝕物。當溫度升高時，材料的金相組織會發生顯著變化，特別是當存在石墨化傾向時，脆性斷口特征會更加明顯。③由于高溫和熱應力的影響，壓力容器的抗拉強度明顯下降，因此，當它們發生蠕變破壞時，應力也會急劇減小。④在極高的溫度環境中，若是出現交變載荷，蠕變疲勞破壞隨之產生。

1.4 韌性破壞的原因及特征

韌性破壞的原因：韌性破壞是指壓力容器壁承受過高的應力,達到了器壁材料的強度極限,從而發生斷裂。當容器承受過大的壓力或沖擊載荷時，會導致材料的韌性破壞。韌性破壞通常由以下原因引起，過載或沖擊，當容器超過設計壓力或承受沖擊載荷時，材料會發生韌性變形，以吸收能量和保護容器的完整性。材料強度不足，材料的強度不足可能導致容器在受到應力作用時發生韌性變形。彈性回復能力差，材料的彈性回復能力不足時，容器在承受應力后難以恢復原始形狀，導致韌性破壞。

韌性破壞的特征：①宏觀變形明顯；②在爆破過程中，幾乎沒有碎片；③爆破壓力與理論預測值相差甚微，幾乎可以忽略不計；④斷口呈現出一種深沉的灰暗色，毫無金屬光澤，整個斷口為一條細長的裂縫。

1.5 腐蝕破壞的原因及特征

腐蝕破壞的原因：腐蝕破壞是指壓力容器材料受到化學物質的腐蝕而失去完整性和強度的過程。腐蝕破壞通常由以下原因引起，化學介質，容器內的液體或氣體可能含有腐蝕性物質，如酸、堿、鹽等。這些物質與容器材料相互作用，引起腐蝕，降低容器的強度和耐久性。材料選擇不當，不適當的材料選擇可能導致容器對特定化學介質的腐蝕性能不足，容器材料無法抵御介質的腐蝕攻擊。環境條件，容器所處的環境條件，如溫度、濕度、氣體成分等，也會對腐蝕破壞產生影響。特定環境條件下的腐蝕性能可能更加嚴重。缺乏防腐措施，不適當的防腐措施，如涂層、防腐液和陰極保護等，會降低容器對腐蝕的抵抗能力，加速腐蝕破壞的發生。

腐蝕破壞的特征：①壓力容器的腐蝕有許多種，例如，均勻腐蝕和局部腐蝕。這些腐蝕都有各自的特點，并呈現出各種各樣的形態。②腐蝕的過程十分復雜，介質不同，即便是同一種物質，它們的腐蝕特性都會存在差異。隨著金相組織、介質溫度等條件的變化，同一類材料也會出現差異化的變化，從而形成不同的腐蝕特點。

2 壓力容器破壞的預防措施

2.1 材料選擇和評估

在預防壓力容器破壞中，材料的選擇和評估是至關重要的一環。合適的材料可以提供足夠的強度、韌性和耐腐蝕性能，從而降低破壞的風險。根據壓力容器的設計壓力和溫度等工作條件，選擇合適的材料，確保材料的抗拉強度、屈服強度和斷裂韌性能夠滿足容器的工作要求。對于儲存或處理腐蝕性介質的壓力容器，應評估材料的耐腐蝕性能，了解介質的化學性質，選擇具有良好耐腐蝕性的材料，如不銹鋼、合金鋼等。對于高溫工作條件下的壓力容器，需要評估材料的熱穩定性，了解材料的熱膨脹系數、熱導率和抗氧化性能，確保在高溫環境下材料性能穩定。對于低溫工作條件下的壓力容器，需要評估材料的低溫韌性，進行沖擊試驗和低溫延展性測試，確保材料在低溫環境下具備足夠的韌性。在材料選擇過程中，需要評估材料的缺陷情況，如夾雜物、裂紋等，選擇質量良好、無明顯缺陷的材料，避免在使用過程中因缺陷引發破壞。在材料選擇過程中，應遵循相關的標準和規范，根據要求選擇符合標準的材料。確保從可靠的供應商獲得高質量的材料，建立供應鏈管理體系，進行供應商評估和監督，確保所采購的材料符合質量要求。通過正確選擇合適的材料，評估其強度、耐腐蝕性、熱穩定性和低溫韌性等性能，遵循相關的標準和規范，以及有效的供應鏈管理，可以大大降低壓力容器破壞的風險，確保其安全運行。

2.2 制造工藝優化

在預防壓力容器破壞方面，制造工藝的優化至關重要。合理的制造工藝可以確保壓力容器的結構強度、材料質量和焊接質量符合要求，從而提高容器的安全性和可靠性。在容器的設計階段，通過優化結構形式和布置，降低應力集中和變形風險，采用充分的支撐結構和加強筋來增強容器的剛度和強度，減少應力集中。在焊接過程中，采用合適的焊接工藝和參數，選擇適當的焊接方法，如手工焊、自動焊或機器人焊接，以確保焊縫的質量和強度，嚴格控制焊接過程中的預熱溫度、間隙、焊接速度和焊接順序等參數，減少焊接缺陷的產生。在制造過程中進行定期的無損檢測，如超聲波檢測、射線檢測和磁粉檢測等，以發現和排除材料和焊縫的缺陷，無損檢測可以幫助及早發現裂紋、夾雜物和其他缺陷，確保制造質量。熱處理控制，針對需要進行熱處理的壓力容器，采用適當的熱處理工藝和參數。熱處理可以改善材料的組織結構和性能，提高容器的強度和耐久性。嚴格控制熱處理過程中的溫度、保溫時間和冷卻速率，以確保熱處理效果符合要求。建立健全的質量管理體系，包括質量控制計劃、程序和工藝文件，確保制造過程中的各個環節符合質量要求，對制造過程中的每個關鍵步驟進行記錄和跟蹤，確保制造工藝的可追溯性和一致性。通過優化設計、焊接工藝控制、無損檢測、熱處理控制、質量管理體系，可以確保壓力容器在制造過程中的質量和可靠性，提高其抗破壞能力和安全性能。

2.3 運行條件控制

在預防壓力容器破壞方面，合理的運行條件控制是至關重要的。適當的運行條件可以降低壓力容器受到的應力和損傷，減少破壞的風險。嚴格控制容器內的壓力，確保不超過設計壓力，壓力過高會增加容器受力，導致材料的變形和破壞，使用合適的壓力調節裝置和安全閥，及時排放超壓氣體，確保容器內壓力在安全范圍內。根據容器材料的耐溫性能，控制容器的工作溫度。過高的溫度會引起材料的軟化和破壞，過低的溫度會增加脆性破壞的風險，采取合適的絕熱措施、冷卻系統和加熱系統，維持容器的穩定工作溫度。控制容器內流體的流量，避免過高的流速和液體沖擊，過高的流速會導致流體對容器壁面的沖刷和損傷，增加疲勞破壞和腐蝕破壞的風險，采用合適的流量控制裝置和導流構件，平穩控制流體的流量和速度。制定嚴格的操作規程，并為操作人員提供必要的操作培訓，操作人員應了解容器的工作原理、操作要求和緊急情況的應對措施，正確的操作和維護可以減少誤操作和事故的發生，保證容器的安全運行。控制容器周圍的環境條件，如溫度、濕度和化學氣氛等。環境條件的變化可能對容器的材料和結構造成損害，導致破壞的發生。

采取合適的絕熱措施、通風系統和防護措施，維持適宜的環境條件。對壓力容器的關鍵運行參數進行定期監測，如溫度、壓力、流量等，通過監測參數的變化，及時發現異常情況和潛在問題，采取相應的修復措施，避免破壞的發生。通過控制壓力、溫度和流量等運行參數，制定操作規程和進行操作培訓，控制環境條件，監測關鍵運行參數，可以降低容器受力和損傷，減少破壞的風險，確保容器的安全運行。

2.4 定期檢驗和維護

通過定期的檢驗和維護，可以及時發現和修復容器內部的缺陷、裂紋、腐蝕等問題，確保容器的安全性和可靠性。以下是在定期檢驗和維護方面的一些預防措施，制定合理的檢驗計劃，包括檢驗的時間間隔和具體內容，檢驗的頻率應根據容器的設計壽命、工作條件和使用歷史等因素進行確定，一般來說，新容器在開始運行前需要進行初次檢查，隨后按照規定的周期進行定期檢驗。定期進行壓力測試，以評估容器的強度,定期進行氣密試驗,以評估容器的密封性能，根據測試結果，判斷容器是否需要維修、更換。清潔和排水，定期進行容器的清潔和排水，避免雜質、沉淀物和濕氣的積聚。清潔和排水可以減少腐蝕和污染的風險，維護容器的良好狀態。設備維護，定期對容器進行設備維護，包括緊固件的檢查和緊固、密封件的更換、潤滑劑的補充等。維護可以保持容器的正常運行，減少故障和破壞的風險。建立完善的記錄和文檔管理體系，記錄定期檢驗和維護的結果、維修和更換的情況等，這些記錄可以為容器的管理提供參考，為未來的維護和決策提供依據，定期檢驗和維護是確保壓力容器安全運行的關鍵措施。通過制定合理的檢驗計劃、壓力測試、氣密試驗、清潔和排水、設備維護，以及建立完善的記錄和文檔管理，可以及時發現和解決容器的問題，保障容器的安全性和可靠性。

3 結語

綜上所述，本文主要研究了化工領域壓力容器破壞的原因與預防措施。通過對脆性破壞、疲勞破壞、蠕變破壞、韌性破壞和腐蝕破壞等破壞原因及特征的分析，提出了材料選擇、制造工藝優化、運行條件控制和定期檢驗維護等方面的預防措施。這些措施對于保障壓力容器的安全運行至關重要。通過科學合理的設計和操作，以及定期的檢驗和維護，可以最大限度地減少破壞事件的發生，確保人員的安全和設備的可靠性。本研究為壓力容器的安全管理提供了有益的指導，有助于提高化工設備的安全性，促進行業的健康發展。