对基于失效模式的在用压力容器检验检测研究

贾静静

1.对“失效模式”的基本认识

“失效”即“失去原本具备的功能与效力”是一种普遍存在的现象。失效模式（failure mode）则是对导致事物失去原本效力的因素、失效机理、失效过程、失效临界转态等的统称[1]。目前，较为常见的失效模式主要有：形态变异失效模式、磨损失效模式、断裂失效模式、腐蚀失效模式、疲劳失效模式、泄露失效模式等。基于失效模式进行失效分析能够有效了解事物（产品）所具有的失效现象，探寻其失效机理与失效现象形成原因，从而为事物（产品）研发、改进、修补、管理等工作提供依据，降低失效风险，提升其使用的可靠性、稳定性与安全性。

2.对“压力容器”的基本认识

压力容器（pressure vessel）是人类生产与生活中应用较为广泛的容器，以液体、气体盛装为主，具备承受一定压力的能力。目前，在石油化工领域压力容器使用数量占总体应用量的百分之五十以上，是传热工艺、分离工艺、传质工艺、反应工艺中不可或缺的工具。依据压力容器在生产工艺过程中的作用，可将其划分为反应压力容器、分离压力容器、换热压力容器、储存压力容器等几种类型。为了实现企业安全发展，必须做好在用压力容器检验工作，保证压力容器应用的稳定、安全与可靠。

3.基于失效模式的在用压力容器检验

3.1 认知在用压力容器失效模式表现形式

压力容器在使用过程中不可避免会受到各种因素的影响产生一定的应用问题，出现失效现象。对此，基于失效模式进行再用压力容器检验时，需全面掌握压力容器失效表现形式。

目前关于压力容器失效模式尚未形成系统化体系，《GB/T30579-2014承压设备损伤模式识别》将压力容器损伤模式分为“腐蚀减薄”“环境开裂”“机械损伤”“材质劣化”几种类型。但由于损伤与失效存在一定差异性，有损伤不一定失效，但失效一定存在损伤。对此，以承载设备损伤模式为指导，基于经验归纳与总结可将压力容器失效模式分为以下几种类型：（1）变形失效模式，即压力容器在使用过程中受物理作用、化学作用等影响其局部形态或整体形态发生改变。依据压力容器变形程度，变形失效模式又可分为弹性变形、塑性变形、蠕变变形等失效模式[2]。例如，压力容器超载，其截面材料会进入屈服状态产生变形并出现塑性破损问题，我们将其称之为压力容器的塑性变形。（2）磨损失效模式，即压力容器在施工过程中，受自身因素、外界因素的影响，其员工功能、性能或应用效果降低或消失。依据压力容器磨损原因，磨损失效模式又可分为腐蚀磨损失效模式、磨粒磨损失效模式、疲劳磨损失效模式等几种类型。（3）断裂失效模式，即压力容器在使用过程中其构件物理性能或材料物理性能发生改变，出现断裂问题。依据压力容器形成断裂的应力原因，断裂失效模式又可细分为环境断裂失效模式（包括应力腐蚀、高温蠕变、氢损坏等）与疲劳断裂失效模式（包括机械疲劳、腐蚀疲劳、振动疲劳、高温疲劳等）等表现类型[3]。（4）腐蚀失效模式，即压力容器受一定因素影响其局部或整体存在腐蚀破损现象。较为常见的腐蚀失效模式由电化学腐蚀、化学腐蚀、均匀腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等表现形式。（5）泄露失效模式，即压力容器在长期使用过程中，局部或整体出现损伤，形成裂缝或断裂问题，产生泄露。

3.2 制定科学且完善的压力容器检验方案

由压力容器失效模式表现形式可知，压力容器在应用过程中不可避免地会出现失效现象，而失效现象的产生，表明压力容器自身性能、使用质量等存在一定问题，而这种问题的形成可能与自身因素有关，也可能与周围环境、作用力等存在密切关联性。对此，基于失效模式进行压力容器检验时，需做好压力容器检验方案制定工作，在保证检验方案制定科学与可行的基础上，为检验工作实践提供有益指导。

在此过程中，工作人员需根据已知信息与过往经验，判断压力容器失效模式表现类型，分析压力容器失效原因，从而明确压力容器检验思路，确定压力容器检验方向。与此同时，在初步掌握压力容器失效原因的基础上，对各失效因素进行变量分析，确定压力容器失效核心因素，并结合压力容器应用功能、材料属性，进行检验重点指标与分重点指标划分，以保证检验方案的优化，实现检验成本（包括时间成本、经济成本、物力成本等）的节约。例如，压力容器在使用过程中，通过分析其受力情况能够有效掌握压力容器应力情况，并结合压力容器自身性质、使用功能，获取脆性指数、韧性指数、耐腐蚀性指数，为在用压力容器检验工作提供信息依据。又如，根据在用压力容器所在工艺环节，能够了解压力容器承载介质，从而根据压力容器承载介质性质，判断压力容器进入失效模式后最为主要的表现形式，初步确定其失效原因。如，承载介质腐蚀性高于压力容器抗腐蚀能力，导致压力容器使用过程中出现腐蚀问题。又如，点状腐蚀是300系列不锈钢或400系列不锈钢较为常见的腐蚀表现，该腐蚀损伤形态的产生受承载介质盐酸浓度、压力容器合金成分、压力容器使用环境等因素影响较大。此外，要注重检验制度的建立与完善。由于压力容器在使用过程中自身所承载的负荷相对较大，高负荷运行使其不可避免易进入磨损、断裂、疲劳等失效模式。对此，相关工作人员应明确认知与掌握压力容器管理、维护、养修的重要性与必要性，做好相关工作。在此过程中，可通过制定管理与维护制度进行操作行为的规范与引导。例如，制定定期与不定期检修制度，即在压力容器使用一段时间后（三个月、六个月或一年）检查压力容器外部形态、气密性等；针对出现运行故障的压力容器，进行全面检查，包括材料性质、构件完整度、容器气密性、容器壁厚度等。

3.3 科学选择在用压力容器检验方法

基于压力容器检验方案，在实践操作过程中可遵循如下检验步骤，采用行之有效的检验方法进行实践操作。

3.3.1 做好在用压力容器各项资料审核工作

资料审核是了解压力容器性质的重要途径，对保障压力容器失效原因判断准确性，提升压力容器检验质量与效率存在重要影响。通常情况下，在进行资料审核时，应做到以下几点：（1）审查压力容器材质，通过材质资料分析与核查对所应用压力容器是否满足工艺需求，包括压力需求、温度需求等具有全面的了解；对压力容器材料强度指标、耐高温指标、耐腐蚀指标、韧性指标等是否满足工业生产工艺需求具有全面了解。（2）审查压力容器所承载的介质，通过介质相关资料核查，对介质成分、介质属性具有一定的了解，从而能够准确判断压力容器使用过程中介质对其失效存在的影响。（3）审查压力容器周围环境与荷载变化情况，通过周围环境分析，了解空气湿度、空气温度对压力容器失效的影响；通过荷载变化分析压力容器应用过程中进入蠕变变形失效模式、塑性变形失效模式、疲劳断裂失效模式、磨粒磨损失效模式等的风险。（4）审查压力容器运行记录，通过压力容器运行记录（包括压力容器启动数据、压力容器停机数据、压力容器操作条件变化等）进行核实与分析，了解压力容器运行过程中发生化学爆炸、出现超压失稳等故障的可能性，为压力容器管理与维修工作的组织开展提供信息依据[4]。

3.3.2 做好在用压力容器宏观检验工作

宏观检验是基于失效模式下在用压力容器检验所采用的重要检验方法。主要是指利用放大镜、木锤、灯光、内窥镜等工具，通过视觉观察与听觉分析，探寻在用压力容器可能存在失效问题。例如，压力容器经过长时间的使用，受其所承载介质属性的影响，在介质易停滞、沉积部位容易出现腐蚀损伤。对此，可采用宏观检测法对该部位进行重点检查，了解容器存在的变形情况、腐蚀情况。又如，压力容器在长期使用过程中，其连接构件易受环境因素、应力因素的影响出现结构变形、构件裂缝问题。对此，可通过放大镜观察、内窥镜观察、木锤敲击等方法进行检验。

3.3.3 做好在用压力容器微观检验工作

为进一步提升压力容器检验质量，在宏观检验的基础上，可科学选择检验方法进行微观检验。例如，针对在用压力容器壁腐蚀问题，可利用超声检测（UT）技术，对容易发生腐蚀问题的部位进行检验，并探寻压力容器腐蚀程度。值得注意的是，在应用超声波检测法进行内壁腐蚀检验时，一方面需进行工作温度的有效控制，另一方面需注重不同材料声速的有效修复。此外，通过测量结果对比分析获取检验结果。又如，在用压力容器经过长期、反复应用，可能存在肉眼无法观察到的裂缝。对此，基于失效模式进行压力容器检验时，针对碳钢材质、低合金钢材质的压力容器可采用磁粉检测法进行表面或近表面细微裂纹检验，以提升检验效率与质量；针对有色金属材质、不锈钢材质的压力容器，可采用渗透检测法进行表面细微裂纹检验；针对易出现应力腐蚀风险的压力容器，可采用湿荧光磁粉进行内壁表面细微裂纹检验。随着科学技术的不断创新，在用压力容器检验手段呈现出多元化发展态势，TOFD技术、光谱分析技术、导波技术等被广泛应用到在用压力容器检验工作中，有效提升了基于失效模式下在用压力容器的检验质量与效率。

4.结论

基于失效模式进行在用压力容器检验能够有效掌握在用压力容器实际情况，评价在用压力容器使用过程中可能存在的风险，从而为压力容器使用风险防控提供指导，增强压力容器使用安全水平。对此，相关工作人员在明确认知失效模式的基础上，应注重检验方案的科学制定与检验方法的有效选择，促进检验质量与效率的提升，为压力容器维修与管理奠定良好基础。