化工领域压力容器破坏原因与预防研究

蔡水泉

（吉安市特种设备监督检验中心，江西 吉安 343000）

化工领域中的压力容器在工业生产中起着重要的作用，用于储存和输送各种压力介质。然而，由于长期的工作压力、温度变化和介质的侵蚀等原因，压力容器存在着破坏的风险。一旦压力容器发生破坏，可能导致严重的事故和人员伤亡。因此，深入研究压力容器破坏原因并采取相应的预防措施，对于保障人员安全和设备的正常运行至关重要。

1 压力容器破坏的原因

1.1 脆性破坏的原因及特征

（1）脆性破坏的原因。脆性破坏是指在低温或高应力条件下，材料失去了延展性，而变得易于断裂。脆性破坏通常由以下原因引起，温度过低，当压力容器暴露在低温环境下时，材料会变得脆性，容器在受到应力作用时易于发生断裂。材料缺陷，材料内部的缺陷如裂纹、夹杂物等会导致应力集中，从而降低容器的强度和韧性，增加脆性破坏的风险。化学腐蚀，某些化学物质会导致金属材料的腐蚀，损害材料的强度和韧性，从而增加容器的脆性破坏风险。锻造和焊接缺陷，不合格的锻造和焊接工艺可能导致材料内部产生裂纹或气孔，使容器易于发生脆性破坏。

（2）脆性破坏的特征。①塑性变形几乎没有，而且厚度的变化也很微小；②脆性破坏通常会在瞬间发生，并伴随着大量碎片的出现；③随着材料脆化，容器会有所损坏，特别是在原有的缺陷和几何形状突变处最易受到影响，最终导致断口出现金属晶粒，并带有明显的光泽。

1.2 疲劳破坏的原因及特征

（1）疲劳破坏的原因。疲劳破坏是由于压力容器长期受到循环加载或振动引起的。反复加载会导致材料的损伤和开裂，最终导致容器失效。疲劳破坏通常由以下原因引起，循环加载，容器在正常工作条件下，由于压力变化、温度变化或机械振动等因素，会受到循环加载，产生应力集中，引发疲劳破坏。材料缺陷，材料内部的微观缺陷如夹杂物、裂纹等会成为疲劳破坏的起始点，通过循环加载逐渐扩展和发展。压力容器的不良设计，如不合理的应力集中区域、不足的支撑和补强等，会增加容器的疲劳破坏风险。

（2）疲劳破坏的特征。①通过对部位的分析，可以发现压力容器的疲劳损伤往往发生在结构不连续的部位，如开口、开孔位置。②爆破和泄漏是疲劳断裂的主要表现形式，其中爆破尤为常见。爆破产生意味着材料的强度超出了正常范围，而且韧性也较弱。如果发现泄漏，这表明材料的强度不够高，但具有良好的韧性。③断口可以划分为两个部分：疲劳扩展区域表面光滑平整，呈现出贝壳花纹；最终破裂区域呈现出放射状、人字形纹路的特征。

1.3 蠕变破坏的原因及特征

蠕变破坏的原因：蠕变是指在高温和高应力条件下，材料会发生塑性变形。蠕变会导致材料的形状和尺寸发生变化，最终导致容器失效。蠕变损坏通常由以下原因引起，高温和高应力，容器在高温环境下长时间运行，承受高应力，会引起材料的蠕变变形，降低容器的强度和稳定性。时间效应，蠕变是一个随时间积累的过程，材料在长时间内受到应力作用，会导致蠕变损坏的发生。材料缺陷，材料内部的微观缺陷如夹杂物、裂纹等，会加速蠕变损伤的发展。

蠕变破坏的特征：①随着温度的升高，蠕变破坏的变形程度也会发生巨大的改变，而且这种改变与材料的塑性有着密不可分的联系。②由于蠕变，断口的外观几乎完全失去了原来的金属光泽，只剩下了粗糙的颗粒，而且还出现了一层高温氧化层，也就是腐蚀物。当温度升高时，材料的金相组织会发生显著变化，特别是当存在石墨化倾向时，脆性断口特征会更加明显。③由于高温和热应力的影响，压力容器的抗拉强度明显下降，因此，当它们发生蠕变破坏时，应力也会急剧减小。④在极高的温度环境中，若是出现交变载荷，蠕变疲劳破坏随之产生。

1.4 韧性破坏的原因及特征

韧性破坏的原因：韧性破坏是指压力容器壁承受过高的应力,达到了器壁材料的强度极限,从而发生断裂。当容器承受过大的压力或冲击载荷时，会导致材料的韧性破坏。韧性破坏通常由以下原因引起，过载或冲击，当容器超过设计压力或承受冲击载荷时，材料会发生韧性变形，以吸收能量和保护容器的完整性。材料强度不足，材料的强度不足可能导致容器在受到应力作用时发生韧性变形。弹性回复能力差，材料的弹性回复能力不足时，容器在承受应力后难以恢复原始形状，导致韧性破坏。

韧性破坏的特征：①宏观变形明显；②在爆破过程中，几乎没有碎片；③爆破压力与理论预测值相差甚微，几乎可以忽略不计；④断口呈现出一种深沉的灰暗色，毫无金属光泽，整个断口为一条细长的裂缝。

1.5 腐蚀破坏的原因及特征

腐蚀破坏的原因：腐蚀破坏是指压力容器材料受到化学物质的腐蚀而失去完整性和强度的过程。腐蚀破坏通常由以下原因引起，化学介质，容器内的液体或气体可能含有腐蚀性物质，如酸、碱、盐等。这些物质与容器材料相互作用，引起腐蚀，降低容器的强度和耐久性。材料选择不当，不适当的材料选择可能导致容器对特定化学介质的腐蚀性能不足，容器材料无法抵御介质的腐蚀攻击。环境条件，容器所处的环境条件，如温度、湿度、气体成分等，也会对腐蚀破坏产生影响。特定环境条件下的腐蚀性能可能更加严重。缺乏防腐措施，不适当的防腐措施，如涂层、防腐液和阴极保护等，会降低容器对腐蚀的抵抗能力，加速腐蚀破坏的发生。

腐蚀破坏的特征：①压力容器的腐蚀有许多种，例如，均匀腐蚀和局部腐蚀。这些腐蚀都有各自的特点，并呈现出各种各样的形态。②腐蚀的过程十分复杂，介质不同，即便是同一种物质，它们的腐蚀特性都会存在差异。随着金相组织、介质温度等条件的变化，同一类材料也会出现差异化的变化，从而形成不同的腐蚀特点。

2 压力容器破坏的预防措施

2.1 材料选择和评估

在预防压力容器破坏中，材料的选择和评估是至关重要的一环。合适的材料可以提供足够的强度、韧性和耐腐蚀性能，从而降低破坏的风险。根据压力容器的设计压力和温度等工作条件，选择合适的材料，确保材料的抗拉强度、屈服强度和断裂韧性能够满足容器的工作要求。对于储存或处理腐蚀性介质的压力容器，应评估材料的耐腐蚀性能，了解介质的化学性质，选择具有良好耐腐蚀性的材料，如不锈钢、合金钢等。对于高温工作条件下的压力容器，需要评估材料的热稳定性，了解材料的热膨胀系数、热导率和抗氧化性能，确保在高温环境下材料性能稳定。对于低温工作条件下的压力容器，需要评估材料的低温韧性，进行冲击试验和低温延展性测试，确保材料在低温环境下具备足够的韧性。在材料选择过程中，需要评估材料的缺陷情况，如夹杂物、裂纹等，选择质量良好、无明显缺陷的材料，避免在使用过程中因缺陷引发破坏。在材料选择过程中，应遵循相关的标准和规范，根据要求选择符合标准的材料。确保从可靠的供应商获得高质量的材料，建立供应链管理体系，进行供应商评估和监督，确保所采购的材料符合质量要求。通过正确选择合适的材料，评估其强度、耐腐蚀性、热稳定性和低温韧性等性能，遵循相关的标准和规范，以及有效的供应链管理，可以大大降低压力容器破坏的风险，确保其安全运行。

2.2 制造工艺优化

在预防压力容器破坏方面，制造工艺的优化至关重要。合理的制造工艺可以确保压力容器的结构强度、材料质量和焊接质量符合要求，从而提高容器的安全性和可靠性。在容器的设计阶段，通过优化结构形式和布置，降低应力集中和变形风险，采用充分的支撑结构和加强筋来增强容器的刚度和强度，减少应力集中。在焊接过程中，采用合适的焊接工艺和参数，选择适当的焊接方法，如手工焊、自动焊或机器人焊接，以确保焊缝的质量和强度，严格控制焊接过程中的预热温度、间隙、焊接速度和焊接顺序等参数，减少焊接缺陷的产生。在制造过程中进行定期的无损检测，如超声波检测、射线检测和磁粉检测等，以发现和排除材料和焊缝的缺陷，无损检测可以帮助及早发现裂纹、夹杂物和其他缺陷，确保制造质量。热处理控制，针对需要进行热处理的压力容器，采用适当的热处理工艺和参数。热处理可以改善材料的组织结构和性能，提高容器的强度和耐久性。严格控制热处理过程中的温度、保温时间和冷却速率，以确保热处理效果符合要求。建立健全的质量管理体系，包括质量控制计划、程序和工艺文件，确保制造过程中的各个环节符合质量要求，对制造过程中的每个关键步骤进行记录和跟踪，确保制造工艺的可追溯性和一致性。通过优化设计、焊接工艺控制、无损检测、热处理控制、质量管理体系，可以确保压力容器在制造过程中的质量和可靠性，提高其抗破坏能力和安全性能。

2.3 运行条件控制

在预防压力容器破坏方面，合理的运行条件控制是至关重要的。适当的运行条件可以降低压力容器受到的应力和损伤，减少破坏的风险。严格控制容器内的压力，确保不超过设计压力，压力过高会增加容器受力，导致材料的变形和破坏，使用合适的压力调节装置和安全阀，及时排放超压气体，确保容器内压力在安全范围内。根据容器材料的耐温性能，控制容器的工作温度。过高的温度会引起材料的软化和破坏，过低的温度会增加脆性破坏的风险，采取合适的绝热措施、冷却系统和加热系统，维持容器的稳定工作温度。控制容器内流体的流量，避免过高的流速和液体冲击，过高的流速会导致流体对容器壁面的冲刷和损伤，增加疲劳破坏和腐蚀破坏的风险，采用合适的流量控制装置和导流构件，平稳控制流体的流量和速度。制定严格的操作规程，并为操作人员提供必要的操作培训，操作人员应了解容器的工作原理、操作要求和紧急情况的应对措施，正确的操作和维护可以减少误操作和事故的发生，保证容器的安全运行。控制容器周围的环境条件，如温度、湿度和化学气氛等。环境条件的变化可能对容器的材料和结构造成损害，导致破坏的发生。

采取合适的绝热措施、通风系统和防护措施，维持适宜的环境条件。对压力容器的关键运行参数进行定期监测，如温度、压力、流量等，通过监测参数的变化，及时发现异常情况和潜在问题，采取相应的修复措施，避免破坏的发生。通过控制压力、温度和流量等运行参数，制定操作规程和进行操作培训，控制环境条件，监测关键运行参数，可以降低容器受力和损伤，减少破坏的风险，确保容器的安全运行。

2.4 定期检验和维护

通过定期的检验和维护，可以及时发现和修复容器内部的缺陷、裂纹、腐蚀等问题，确保容器的安全性和可靠性。以下是在定期检验和维护方面的一些预防措施，制定合理的检验计划，包括检验的时间间隔和具体内容，检验的频率应根据容器的设计寿命、工作条件和使用历史等因素进行确定，一般来说，新容器在开始运行前需要进行初次检查，随后按照规定的周期进行定期检验。定期进行压力测试，以评估容器的强度,定期进行气密试验,以评估容器的密封性能，根据测试结果，判断容器是否需要维修、更换。清洁和排水，定期进行容器的清洁和排水，避免杂质、沉淀物和湿气的积聚。清洁和排水可以减少腐蚀和污染的风险，维护容器的良好状态。设备维护，定期对容器进行设备维护，包括紧固件的检查和紧固、密封件的更换、润滑剂的补充等。维护可以保持容器的正常运行，减少故障和破坏的风险。建立完善的记录和文档管理体系，记录定期检验和维护的结果、维修和更换的情况等，这些记录可以为容器的管理提供参考，为未来的维护和决策提供依据，定期检验和维护是确保压力容器安全运行的关键措施。通过制定合理的检验计划、压力测试、气密试验、清洁和排水、设备维护，以及建立完善的记录和文档管理，可以及时发现和解决容器的问题，保障容器的安全性和可靠性。

3 结语

综上所述，本文主要研究了化工领域压力容器破坏的原因与预防措施。通过对脆性破坏、疲劳破坏、蠕变破坏、韧性破坏和腐蚀破坏等破坏原因及特征的分析，提出了材料选择、制造工艺优化、运行条件控制和定期检验维护等方面的预防措施。这些措施对于保障压力容器的安全运行至关重要。通过科学合理的设计和操作，以及定期的检验和维护，可以最大限度地减少破坏事件的发生，确保人员的安全和设备的可靠性。本研究为压力容器的安全管理提供了有益的指导，有助于提高化工设备的安全性，促进行业的健康发展。