低温绝热压力容器失效因素与检验常见问题概述

张 耕，谭 粤，李 蔚，夏 莉，杨 刚

(广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528000)

随着低温技术的发展与普及，液氮、液氧、液氩、液态二氧化碳、液化天然气、液氢、液氦等低温液体的应用日趋广泛，各行各业对贮存和输送低温液体的需求日益增长。低温压力容器作为贮存和运输低温液体的设备其应用也越来越广泛。以广东省为例，目前我省固定式低温压力容器的保有量约为7000台。低温液体储存设备通常为具有保冷效果的压力容器，其作为压力容器的安全性以及其作为绝热容器的经济性已成为业内关注的焦点。

就低温压力容器安全性而言，对其安全性起到监控作用的单位主要有两个，一是检验机构，二是使用单位。按照《特种设备安全监察条例》的规定：低温压力容器属于特种设备范畴，必须由具有相应资质的特种设备检验机构对其进行定期检验，然而这种定期检验通常的检验周期为3-6年，而在这期间设备突发的运行事故检验机构目前是无法第一时间察觉的，因此，低温压力容器的安全监控的主要责任应该落到使用单位上面。但目前由于使用单位在低温压力容器管理及技术方面的能力参差不齐，而且大多数使用单位也缺乏低温容器管理方面的技术人员，这就造成使用单位在设备出现问题的前期甚至于问题出现时不能做出正确的判断以及给出相应的处理建议，最终引起安全事故的发生。

由于低温压力容器结构为全封闭的真空夹层容器，内部介质为低温液体，内胆难以直接检验。为了提高检验的准确性和可靠性，需对低温压力容器运行中影响安全的因素进行全面的分析，了解其内在规律，从而实现更好地检验和监管。

1 失效因素分析

1.1 材质原因

封头直边端开裂现象。真空绝热压力容器在内容器方面通常采用的是奥氏体不锈钢，奥氏体的耐低温性较好，几户不存在低温脆化的现象，而现阶段我国的低温液体介质纯度也基本不存在腐蚀的现象。但在了解多个生产单位返修容器失效因素的案例中，我们发现封头直边端是十分容易受到多种因素的影响而出现开裂现象的。简单来说，产生这一问题主要是因为制造封头的过程中产生的应力进行了重新分配，使得直边端承受了超过极限的应力从而导致开裂。其次，在材料热处理过程中，冷却方式处理不当导致的材料成分不均匀和不可控。

轻量化技术可以节约材料，降低能耗，符合安全与经济并重、安全与资源节约并重的发展理念，已经成为压力容器的主导发展方向[1]。室温应变强化技术作为一种轻量化技术，可大幅提高奥氏体不锈钢的许用应力，显著减薄容器壁厚，降低重容比，已广泛应用于奥氏体不锈钢制深冷容器制造。而应变强化的常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿着变形最大的方向被拉长，晶格被扭曲，从而提高了材料的抗变形能力[1]。但是，国内应变强化工艺并不成熟，形变和应力容易诱发马氏体相变，从而造成局部出现分布不均匀的硬脆相。通常我们用铁素体含量检测仪检测来测试材料中的铁素体含量，铁素体含量检测仪利用电磁感应原理能方便快速准确测量铁素体含量，利用磁导率测定。而在奥氏体不锈钢冷加工过程中，随着冷加工的进行，形变和应力都会诱发马氏体相变，原有奥氏体组织会部分转化成马氏体，使得冷加工后组织为马氏体加奥氏体。奥氏体是面心立方，无磁性的组织，通常是?-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体；铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，溶碳量极小，是体心立方晶体结构，具有铁磁性；而我们关注的硬脆相马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，和铁素体具有相同的体心立方晶体结构至少碳容量为过饱和，具有铁磁性。根据铁素体检测仪的原理，和冷加工过程的相变分析，判断测得的铁素体检测仪的含量显示即表示的整体的马氏体含量。但这种方法对于马氏体含量和分布的监测并不准确，也无法实现对所有的材料进行全覆盖，非期望的硬脆相分布引起的应力集中增加了局部开裂的可能性。

且夹套与气、液相接管连接的角焊缝时常存在泄漏情况，在日常使用过程中，由于反复充装，低温介质温度到达零下一百多度，复温后达到室温，内外温差较大且瞬间产生部分冲击力导致接管与壳体的连接处存在温差变化，导致接管与壳体的连接处存在交变应力。若夹套材料采用碳钢的低温容器，与接管连接部位的夹套位置母材及低碳钢角焊缝处的温度，又是甚至低于材料本身韧脆转变温度。低温容器长期使用过程中，接管与夹套连接处的角焊缝易出现穿透性裂纹，造成夹层真空度丧失。

1.2 真空失效

设备的真空度和日蒸发率与容器的绝热性和使用寿命之间紧密关联，按照《固定式压力容器安全技术检查规程》，评价固定式真空绝热压力容器的两个重要指标就是真空度及日蒸发率。低温压力容器的绝热问题，核心就是真空夹层的真空维持的问题。对于真空夹层来说，漏放气是无法消除的，漏气是本体或接口等部位出现泄漏，而内部承装介质侧发生泄漏的概率极低，而对于一个检漏合格的低温容器来说，与低温容器构成真空夹层的材料放气量相比，它的漏气量很小，可以忽略不计。因此，低温容器的漏放气问题其实就是指低温容器构成真空夹层的材料放气问题，任何固体材料在制造过程中和大气环境下都能溶解并吸附一些气体，当材料置于真空中时，原有的动态平衡被破坏，这些气体在材料内部和表面进行扩散解溶，表面吸附的气体将会脱附，于是就发生材料放气[2-3]。而放气是一个持续累加的过程，所以容器真空度过高时则需要进行抽空处理或者返厂维修。对于低温绝热容器而言，真空失效已成为其中最严重的问题之一，实际使用过程中，真正影响夹层真空度和绝热性能的影响因素则更加难以预测。同时，真空夹层中的绝热材料的物理性能和形态上存在一定程度的差异，导热率也随之变化。

2 低温压力容器的定期检验发现的问题分析

国家低温容器质量监督检验中心(广东)结合多年以来广东省内低温压力容器的定期检验情况并进行了汇总和分析。目前，低温压力容器在我省的保有量约为7000台，国内低温压力容器的数量就更为庞大，未来几年，国内低温液体的应用将更为广范，这也预示着上百万台的低温液体储运设备将投入运行。就广东省内低温压力容器的应用现状来看，每年有近10%的设备出现不同程度的问题。这些问题绝大多数是检验机构在定期检验中发现的，然而这种定期检验的周期通常为3-6年，因此还有大量潜在的隐患存在于运行的设备中。

检验中发现，存在以下与容器关系密切的不合格原因和相关问题，诸如：真空度变差、真空规管损坏、容器出现内外漏、安全附件失效、异常升压等等，根据对全省过去三年的一个检验数据汇总分析，不合格率为在3%～4%之间。

2.1 真空规管损坏或误判

绝大多数低温容器安装在室外，环境负责，经受风吹日晒，局部积累的水汽、潮气容易在规管口上聚集，造成针脚腐蚀或断裂，无法连接真空计接头。由于现行法规和标准对于真空规管的保护罩并无规定，部分设备甚至未设置保护罩或保护罩严重损坏。

2.2 真空度失效

大部分低温容器使用环境都是室外，日常管理和使用情况复杂，有的罐体原本真空度和绝热性能就不好。再加上低温容器日积月累本身绝热材料热导率上升[4]、夹层气体含量增加，夹层内各种材料的漏放气现象，也会导致真空度下降。同时，对设备运行情况的检查，对于异常结霜、结露现象；有无压力异常升高的情况，安全阀、爆破片有无频繁异常起跳、破裂的情况，若有异常现象，且经常出现安全保护装置异常释放动作，此时应怀疑真空失效。定期检验时，完成计量的真空计测得的容器夹层真空度数值，成为检验评级的依据。

绝热性能最直观的数值体现就是夹层的真空度，对于固定式真空绝热压力容器，固定式压力容器安全技术监察规程[5]里对于真空度测量结果在表1范围内，不影响定级；大于表1中规定指标，但不超过其两倍，可以定为3级或4级；否则定为4级或5级。

表1 固定式压力容器安全技术监察规程规定指标

3 结束语

综上所述，本文对低温绝热压力容器进行了简要的分析和阐述，并在此基础之上，对低温绝热压力容器的失效，以及检验评定等方面展开了简要的分析和阐述。由于真空绝热压力容器产品结构的特殊性，无法像常规容器那样进行宏观检验、壁厚测定、埋藏缺陷检测、材料分析、强度校核、耐压试验及气密性试验，但同时只要对低温绝热压力容器失效的原因有着清晰的了解，加强低温绝热压力容器检验评定技术的有效利用，就可以有效的提升低温绝热压力容器检验评定的水平，保证低温绝热压力容器安全、稳定等性能[6-7]。