几种常见压力容器的失效形式

马辉 宋娜 郭广栋

【摘要】介绍压力容器失效形式，重点介绍储罐、换热器、塔等几种常见的压力容器的失效机理，分析原因并提出相应的修复措施及设计准则。

【关键词】压力容器；失效；应力腐蚀；设计准则

1、引言

压力容器是承载压力的密闭设备，广泛应用在石化、能源、核电、军工等各个领域，由于介质腐蚀性、载荷压力、材料缺陷等各种原因，压力容器易发生各种形式的失效，导致生产停产、设备损坏、介质泄露，甚至会导致爆炸，造成灾难性事故。因此，了解压力容器失效形式，找出引起失效的因素并提出预防措施，具有重大现实意义。

本文针对几种在工业生产中常用的压力容器，具体介绍其普遍发生的失效形式，分析产生失效的原因并给出相应的预防措施，以求设备安全运行。

2、储罐失效

储罐的失效形式主要有表面损伤失效、断裂失效、泄露失效等。

2.1表面损伤失效

磨损、接触疲劳、腐蚀等均可造成表面损伤，由于储存的气体或液体中大多含有氢、硫、氯离子等，储罐最容易发生的是应力腐蚀引起开裂。常见的液化石油气储罐，介质中含有水和硫化氢，形成具有腐蚀条件的湿硫化氢环境，在焊缝及附近的影响区，存在焊接残余应力和冷加工残余应力，同时壳体又受到工作压力，此时低合金高强度钢将会导致氢致开裂型应力腐蚀，形成微裂纹，在外加拉伸及残余拉伸应力作用下，最终扩展成裂纹导致破坏。为防止应力腐蚀发生，首先应合理选材 。Ni、Mn、Si、S、P等元素有利于应力腐蚀的发生，设计中要限制其含量。其次要降低焊缝及热影响区的硬度，消除焊接残余应力。在容器焊后进行热处理，可以残余应力，降低淬硬组织硬度，提高抗腐蚀性。此外还应按要求对储罐及时进行全面检查，掌握设备发生应力腐蚀的程度，及时消除隐患。

2.2断裂失效

韧性断裂失效是因储罐承受的压力超过材料的屈服极限，材料发生屈服或全面屈服，当压力超过材料的强度极限时，则发生断裂。最经常导致储罐韧性断裂失效的原因是过量充装，因此应严格按照《压力容器安全技术监察规程》，装填量不得大于0.95。

脆性断裂失效是指储罐在正常压力范围内，无塑性变形的情况下突然发生的破裂称为脆性断裂失效。脆性断裂在较低应力时发生，安全阀不会动作，因此后果比韧性断裂严重。脆性断裂主要是由材料脆性和缺陷导致，即低温、长期在高温下运行使材料脆化，材料原始缺陷和焊接缺陷等。因此在选材时保证材料无夹渣、分层，焊后退火热处理消除储罐的残余应力，并定期对储罐进行检验，重点对裂纹性缺陷进行检验和无损探伤。

2.3泄露失效

储罐盛装的多是易燃易爆、受热膨胀和腐蚀性强的介质，一旦泄漏，极易与空气混合形成爆炸性混合物，容易发生爆炸燃烧，造成重大的经济损失和人员伤亡。导致泄露的原因可能多种：储罐原材料存在缺陷；焊接质量不符合要求；罐壁、罐底受到腐蚀变薄；过量盛装或超压；阀门法兰密封垫片老化；高温烘烤使罐体内部产生高压；机械碰撞使容器损坏；人为操作失误等等。为防止泄露，必须保证罐体的耐压强度，消除焊接等质量缺陷，设备材料具有一定的防腐性能，防止应力腐蚀等造成的器壁变薄，管道尽量采用无缝钢管，罐体定期进行检测、维修。

3、换热器失效

换热器主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，是提高能源利用率的主要设备之一，其中列管式换热器采用最广泛，其常见失效形式主要为结垢和泄漏。

3.1结垢

结垢会导致传热效率下降，过水断面减小，水力阻抗增加，动力消耗增多，造成能源浪费[1]。造成的垢下腐蚀会导致泄漏，给安全生产带来隐患，严重时会导致事故的发生，同时也缩短了设备的使用寿命。

影响结垢的因素有操作参数（流体速度，换热面温度，流体温度），流体性质，换热器参数（材料，换热器表面构造，换热器构型）。流体速度的提高可以引起沉积物脱卸速率的增加；换热面温度对化学反应结垢及负溶解性盐类的析出结垢有显著的影响；换热面污垢热阻一般随流体主体温度增加而增大。因此，针对操作参数，可通过采取提高流速，控制水温的措施来缓解垢污的沉积。温度，压力和流速等均不可波动太大，否则会加剧结垢腐蚀，降低传热效果，缩短使用寿命，甚至造成损坏。

3.2泄露

管束与管板之间的连接方式有焊接及胀接。胀接不存在温度变化和严重的应力腐蚀，比较理想，但由于对管束端部表面质量、硬度、管板的机加工精度、胀管经验要求很高，因此大多数换热器管束都采用焊接方式，但该方式管子与管板间存在着一定的间隙（死区），在间隙内流体不流动，容易产生电化学腐蚀，焊缝处很容易产生间隙腐蚀和应力腐蚀。如果采用胀焊结合，既可降低对管孔的加工精度、管束的表面光洁度、硬度等参数的要求，又消除了间隙，从而消除间隙腐蚀与应力腐蚀，实现减少泄漏的机率的目的[2]。

管束及壳体的泄漏主要是由于在运行过程中流体及结垢的腐蚀造成的。同时，振动也是造成管束磨损、开断、以及导致管板与管子连接处产生间隙，从而造成泄漏的重要原因。针对管束和壳体的腐蚀，我们应该采取适当的保养措施确保装置的正常运行。保养方法主要是定期检查和清洗垢污。对于振动，可采取加缓冲器，降低管内流体速度，增加支撑等方法解决。

4、压力管道失效

压力管道主要失效形式主要有振动和腐蚀。

4.1管道振动

一般的生产线是由动、静设备通过管道串联来完成工艺流程的。在压力和流速的作用下，管道壁上会承受流体动压力。在生产中，非定常的管流会引起管道的振动。动力设备、流体输送机械操作振动和外部环境的激励使管道产生随机振动。管线若长期受到振动会产生疲劳破坏，尤其是在应力集中处。疲劳破坏可进而发生管线断裂、介质外泄，引起严重的生产事故。为消除管道振动，可以在管道系统上加装平衡块，在管道的固定支撑的部位放置缓冲器，缩短支承点距离，在动设备进出口设置缓冲器，尽量减少使用弯头等。

4.2管道腐蚀

管道腐蚀又主要分为外壁腐蚀及应力腐蚀两种。外壁腐蚀主要是由于管道在大气环境或有害介质的环境中，天长日久产生的外管壁均匀腐蚀和局部腐蚀。管道的保温，通常采用玻璃纤维棉或珍珠岩等保温保冷材料，外包镀锌板或铝板，因管道相邻设备或管道的滴漏现象，造成腐蚀性介质对防护金属板的腐蚀破坏，并在保温层内积存；另外由于防护金属板的接缝有缝隙，使雨水将保温材料的可溶性物质溶解。当这些腐蚀性介质和可溶性目有腐蚀性的溶解物质在保温层中积聚后，不断受热浓缩，加剧了对管道的腐蚀，甚至引发应力腐蚀裂纹。它往往发生于管道的上下侧和易积液部位，腐蚀最严重处位于管道的底部[3]。

应力腐蚀裂纹及断裂是管道在拉应力和腐蚀性介质共同作用下发生的破坏。管道应力腐蚀破坏主要发生于主蒸汽管线、旁路管线及输送含有氯化物介质的奥氏体不锈钢管道。应力腐蚀裂纹多发生于管道的纵、环焊缝及热影响区，伴有严重的孔蚀及其它一般性腐蚀。腐蚀性介质、温度因素和应力集中是产生应力腐蚀的主要根源。為尽可能消除应力腐蚀，可采用退火消除材料的内部拉应力，控制焊缝化学成分，控制应力水平，定期检查。

5、结束语

本文介绍了几种压力容器失效形式，分析引起失效的因素并提出相应的设备预防失效措施，为减少安全事故、提高设备安全可靠性、保证企业经济效益提供了一些经验参考。

参考文献

[1] 赵本兴。换热器结垢原因分析及阻垢防腐蚀措施的设计[J]。全面腐蚀控制，1997

[2]李立国。浅议大型静设备的泄漏检修[J]。 科技致富向导，2010

[3] 乔祯遴。在役压力管道的失效与安全使用[J]。石油化工设备技术，1999