馬輝 宋娜 郭廣棟

【摘要】介紹壓力容器失效形式，重點介紹儲罐、換熱器、塔等幾種常見的壓力容器的失效機理，分析原因并提出相應的修復措施及設計準則。

【關鍵詞】壓力容器；失效；應力腐蝕；設計準則

1、引言

壓力容器是承載壓力的密閉設備，廣泛應用在石化、能源、核電、軍工等各個領域，由于介質(zhì)腐蝕性、載荷壓力、材料缺陷等各種原因，壓力容器易發(fā)生各種形式的失效，導致生產(chǎn)停產(chǎn)、設備損壞、介質(zhì)泄露，甚至會導致爆炸，造成災難性事故。因此，了解壓力容器失效形式，找出引起失效的因素并提出預防措施，具有重大現(xiàn)實意義。

本文針對幾種在工業(yè)生產(chǎn)中常用的壓力容器，具體介紹其普遍發(fā)生的失效形式，分析產(chǎn)生失效的原因并給出相應的預防措施，以求設備安全運行。

2、儲罐失效

儲罐的失效形式主要有表面損傷失效、斷裂失效、泄露失效等。

2.1表面損傷失效

磨損、接觸疲勞、腐蝕等均可造成表面損傷，由于儲存的氣體或液體中大多含有氫、硫、氯離子等，儲罐最容易發(fā)生的是應力腐蝕引起開裂。常見的液化石油氣儲罐，介質(zhì)中含有水和硫化氫，形成具有腐蝕條件的濕硫化氫環(huán)境，在焊縫及附近的影響區(qū)，存在焊接殘余應力和冷加工殘余應力，同時殼體又受到工作壓力，此時低合金高強度鋼將會導致氫致開裂型應力腐蝕，形成微裂紋，在外加拉伸及殘余拉伸應力作用下，最終擴展成裂紋導致破壞。為防止應力腐蝕發(fā)生，首先應合理選材 。Ni、Mn、Si、S、P等元素有利于應力腐蝕的發(fā)生，設計中要限制其含量。其次要降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度，消除焊接殘余應力。在容器焊后進行熱處理，可以殘余應力，降低淬硬組織硬度，提高抗腐蝕性。此外還應按要求對儲罐及時進行全面檢查，掌握設備發(fā)生應力腐蝕的程度，及時消除隱患。

2.2斷裂失效

韌性斷裂失效是因儲罐承受的壓力超過材料的屈服極限，材料發(fā)生屈服或全面屈服，當壓力超過材料的強度極限時，則發(fā)生斷裂。最經(jīng)常導致儲罐韌性斷裂失效的原因是過量充裝，因此應嚴格按照《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》，裝填量不得大于0.95。

脆性斷裂失效是指儲罐在正常壓力范圍內(nèi)，無塑性變形的情況下突然發(fā)生的破裂稱為脆性斷裂失效。脆性斷裂在較低應力時發(fā)生，安全閥不會動作，因此后果比韌性斷裂嚴重。脆性斷裂主要是由材料脆性和缺陷導致，即低溫、長期在高溫下運行使材料脆化，材料原始缺陷和焊接缺陷等。因此在選材時保證材料無夾渣、分層，焊后退火熱處理消除儲罐的殘余應力，并定期對儲罐進行檢驗，重點對裂紋性缺陷進行檢驗和無損探傷。

2.3泄露失效

儲罐盛裝的多是易燃易爆、受熱膨脹和腐蝕性強的介質(zhì)，一旦泄漏，極易與空氣混合形成爆炸性混合物，容易發(fā)生爆炸燃燒，造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。導致泄露的原因可能多種：儲罐原材料存在缺陷；焊接質(zhì)量不符合要求；罐壁、罐底受到腐蝕變?。贿^量盛裝或超壓；閥門法蘭密封墊片老化；高溫烘烤使罐體內(nèi)部產(chǎn)生高壓；機械碰撞使容器損壞；人為操作失誤等等。為防止泄露，必須保證罐體的耐壓強度，消除焊接等質(zhì)量缺陷，設備材料具有一定的防腐性能，防止應力腐蝕等造成的器壁變薄，管道盡量采用無縫鋼管，罐體定期進行檢測、維修。

3、換熱器失效

換熱器主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，是提高能源利用率的主要設備之一，其中列管式換熱器采用最廣泛，其常見失效形式主要為結垢和泄漏。

3.1結垢

結垢會導致傳熱效率下降，過水斷面減小，水力阻抗增加，動力消耗增多，造成能源浪費[1]。造成的垢下腐蝕會導致泄漏，給安全生產(chǎn)帶來隱患，嚴重時會導致事故的發(fā)生，同時也縮短了設備的使用壽命。

影響結垢的因素有操作參數(shù)（流體速度，換熱面溫度，流體溫度），流體性質(zhì)，換熱器參數(shù)（材料，換熱器表面構造，換熱器構型）。流體速度的提高可以引起沉積物脫卸速率的增加；換熱面溫度對化學反應結垢及負溶解性鹽類的析出結垢有顯著的影響；換熱面污垢熱阻一般隨流體主體溫度增加而增大。因此，針對操作參數(shù)，可通過采取提高流速，控制水溫的措施來緩解垢污的沉積。溫度，壓力和流速等均不可波動太大，否則會加劇結垢腐蝕，降低傳熱效果，縮短使用壽命，甚至造成損壞。

3.2泄露

管束與管板之間的連接方式有焊接及脹接。脹接不存在溫度變化和嚴重的應力腐蝕，比較理想，但由于對管束端部表面質(zhì)量、硬度、管板的機加工精度、脹管經(jīng)驗要求很高，因此大多數(shù)換熱器管束都采用焊接方式，但該方式管子與管板間存在著一定的間隙（死區(qū)），在間隙內(nèi)流體不流動，容易產(chǎn)生電化學腐蝕，焊縫處很容易產(chǎn)生間隙腐蝕和應力腐蝕。如果采用脹焊結合，既可降低對管孔的加工精度、管束的表面光潔度、硬度等參數(shù)的要求，又消除了間隙，從而消除間隙腐蝕與應力腐蝕，實現(xiàn)減少泄漏的機率的目的[2]。

管束及殼體的泄漏主要是由于在運行過程中流體及結垢的腐蝕造成的。同時，振動也是造成管束磨損、開斷、以及導致管板與管子連接處產(chǎn)生間隙，從而造成泄漏的重要原因。針對管束和殼體的腐蝕，我們應該采取適當?shù)谋ｐB(yǎng)措施確保裝置的正常運行。保養(yǎng)方法主要是定期檢查和清洗垢污。對于振動，可采取加緩沖器，降低管內(nèi)流體速度，增加支撐等方法解決。

4、壓力管道失效

壓力管道主要失效形式主要有振動和腐蝕。

4.1管道振動

一般的生產(chǎn)線是由動、靜設備通過管道串聯(lián)來完成工藝流程的。在壓力和流速的作用下，管道壁上會承受流體動壓力。在生產(chǎn)中，非定常的管流會引起管道的振動。動力設備、流體輸送機械操作振動和外部環(huán)境的激勵使管道產(chǎn)生隨機振動。管線若長期受到振動會產(chǎn)生疲勞破壞，尤其是在應力集中處。疲勞破壞可進而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄，引起嚴重的生產(chǎn)事故。為消除管道振動，可以在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊，在管道的固定支撐的部位放置緩沖器，縮短支承點距離，在動設備進出口設置緩沖器，盡量減少使用彎頭等。

4.2管道腐蝕

管道腐蝕又主要分為外壁腐蝕及應力腐蝕兩種。外壁腐蝕主要是由于管道在大氣環(huán)境或有害介質(zhì)的環(huán)境中，天長日久產(chǎn)生的外管壁均勻腐蝕和局部腐蝕。管道的保溫，通常采用玻璃纖維棉或珍珠巖等保溫保冷材料，外包鍍鋅板或鋁板，因管道相鄰設備或管道的滴漏現(xiàn)象，造成腐蝕性介質(zhì)對防護金屬板的腐蝕破壞，并在保溫層內(nèi)積存；另外由于防護金屬板的接縫有縫隙，使雨水將保溫材料的可溶性物質(zhì)溶解。當這些腐蝕性介質(zhì)和可溶性目有腐蝕性的溶解物質(zhì)在保溫層中積聚后，不斷受熱濃縮，加劇了對管道的腐蝕，甚至引發(fā)應力腐蝕裂紋。它往往發(fā)生于管道的上下側和易積液部位，腐蝕最嚴重處位于管道的底部[3]。

應力腐蝕裂紋及斷裂是管道在拉應力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下發(fā)生的破壞。管道應力腐蝕破壞主要發(fā)生于主蒸汽管線、旁路管線及輸送含有氯化物介質(zhì)的奧氏體不銹鋼管道。應力腐蝕裂紋多發(fā)生于管道的縱、環(huán)焊縫及熱影響區(qū)，伴有嚴重的孔蝕及其它一般性腐蝕。腐蝕性介質(zhì)、溫度因素和應力集中是產(chǎn)生應力腐蝕的主要根源。為盡可能消除應力腐蝕，可采用退火消除材料的內(nèi)部拉應力，控制焊縫化學成分，控制應力水平，定期檢查。

5、結束語

本文介紹了幾種壓力容器失效形式，分析引起失效的因素并提出相應的設備預防失效措施，為減少安全事故、提高設備安全可靠性、保證企業(yè)經(jīng)濟效益提供了一些經(jīng)驗參考。

參考文獻

[1] 趙本興。換熱器結垢原因分析及阻垢防腐蝕措施的設計[J]。全面腐蝕控制，1997

[2]李立國。淺議大型靜設備的泄漏檢修[J]。 科技致富向導，2010

[3] 喬禎遴。在役壓力管道的失效與安全使用[J]。石油化工設備技術，1999