压力容器生命周期危险因素分析及控制

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     [文章摘要]：压力容器从设计、制造、安装、运行、检验、修理和改造，直至报废，在压力容器整个生命周期中，运用系统工程的观点，进行严格的监察和管理，对压力容器在运行过程中的危险因素进行分析，以指导压力容器的设计、制造、运行管理，确保压力容器的安全可靠，防止事故的发生。

    [关键词]：危险因素分析，安全设计，安全运行管理，定期检验，

    [正文]：

    1.压力容器生命周期危险因素分析。

    由于压力容器工作条件的特殊性，如高温、高压、介质具有强腐蚀性、毒性及易燃、易爆性等，必然增大事故的发生概率，且事故一旦发生，就具有很强的破坏性，给人民的生命财产安全构成重大威胁。因此压力容器从设计、制造、安装、运行、检验、修理和改造，直至报废，在压力容器整个生命周期中，运用系统工程的观点，进行严格的监察和管理，对压力容器在运行过程中的危险因素进行分析，以指导压力容器的设计、制造、运行管理，确保压力容器的安全可靠，防止事故的发生。

    1.1压力容器事故原因分析。

    运用安全学原理的相关理论，我们知道压力容器发生事故的直接原因一般有两种：即容器本身的不安全性因素和操作人员的不安全行为以及管理上的失误。容器本身的不安全因素主要来源于设计和制造过程的缺陷；人的不安全行为则体现在压力容器的运行过程中人的主观操作；管理缺陷则表现为压力容器的安全技术管理、安全运行管理、压力容器定期检验和安全等级评定等。综合分析，压力容器发生事故的主要原因包括：设计错误，容器结构不合理，选材不当，强度不足，制造缺陷，安装不符合技术要求，安全附件规格不符，以及运行中的超压、超温、超负荷和操作不当，没有执行在用压力容器定期检验和安全等级评定，导致压力容器失效，从而引发事故。压力容器的操作条件的频繁波动，对容器的抗疲劳破坏性能不利，过高的加载速度会降低材料的断裂韧性，即使容器存在微小缺陷，也可能在压力的快速冲击而发生脆性断裂。压力容器运行过程中如果发生误操作、过量冲载且安全保护装置失效，都会导致压力容器的压力升高，以至于超载，进而可能引发爆炸事故。

    1.2压力容器失效形式分析。

    压力容器失效是指压力容器在规定的使用环境和寿命期限内，因结构尺寸、形状和材料性能发生变化，完全失去原设计功能或未能达到原设计要求，而不能正常使用的现象。常见的压力容器失效形式大致可以分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效四大类。

    ①、压力容器强度失效：压力容器在压力等荷载的作用下，因材料屈服或断裂而引起的失效形式，称为强度失效。通常包括：

    a、韧性断裂：在压力等荷载作用下，产生的应力值达到或接近器壁材料的强度极限而发生的断裂。通常压力容器的韧性断裂的主要原因是壁厚过薄(设计壁厚不足和厚度因腐蚀而变薄)、内压过高或选材不当、安装不符合安全要求。

    b、脆性断裂：容器没有明显的塑性变形，且器壁中的应力值远远小于材料的强度极限甚至低于材料的屈服极限而发生的断裂。脆性断裂的主要原因在于材料的脆化(材料选择不当、材料加工工艺不当、应变时效、运行环境恶劣)和材料本身的缺陷。

    c、疲劳断裂：压力容器受到交变荷载的长期作用，材料本身含有裂纹或经一定循环次数后产生裂纹，裂纹扩展使容器没有经过明显的塑性变形而突然发生的断裂。疲劳断裂过程可分为裂纹萌生、扩展和断裂三个阶段。

    d、蠕变断裂：压力容器在高温下长期受载，随着时间增加材料发生缓慢的塑性变形，塑性变形经长期积累而造成厚度明显减薄或鼓胀变形，最终导致容器断裂。压力容器发生蠕变时，一般壁温达到或超过其材料熔化温度的25%～35%。蠕变断裂的变形量取决于材料的韧性，断裂时的应力值低于材料使用温度下的强度极限。

    e、腐蚀断裂：压力容器材料在腐蚀介质作用下，因均匀腐蚀导致壁厚减薄及材料组织结构改变或局部腐蚀造成的凹坑，使材料力学性能降低，容器承载能力不足而发生的断裂。压力容器腐蚀机理有化学腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀形态有均匀腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀、双金属腐蚀等。

    ②、压力容器刚度失效：由于压力容器过渡的弹性变形而引起的失效。

    ③、在压力作用下，容器突然失去其原有的规则几何形状而引起的失效。压力容器失稳失效的重要特征是弹性挠度和荷载不成比例，且临界压力与材料的强度无关，而主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。

    ④、压力容器泄漏失效:容器的各种接口密封面失效或器壁出现穿透性裂纹发生泄漏而引起的失效.泄漏介质可能引起燃烧,爆炸和中毒事故,并造成严重的环境污染。压力容器泄漏的原因是多方面的,受压部件受到频繁的振动而产生裂纹,胀接管口松动,器壁局部腐蚀变薄穿孔,局部鼓包变形及密封面失效等,都会造成压力容器因泄漏而失效。

    1.3压力容器的爆炸能量分析。

    压力容器之所以作为一种特种设备,是因为运行中的压力容器一旦发生爆炸破裂,不但设备本身遭到严重破坏,而且往往波及很大的范围,毁坏周围的设备或建筑,造成人员打击伤害,中毒,烧伤等,甚至会引发更大范围的爆炸事故。

    压力容器发生爆炸事故而破裂时,容器内的高压流体介质突然解除器壁的约束,瞬间膨胀卸压,以极高的速度释放出内在的大量能量,发生所谓的物理爆炸。如果容器内充装的是可爆性混合气体,遇到明火,碎片撞击火花,或高速气流所产生的静电作用,会立即发生化学爆炸,即通常所说的二次爆炸。因此,压力容器爆炸破裂时,其爆炸能量的大小不但与原有的压力和容器的容积有关,而且还与介质的化学性质及在容器内的物性集态有关。

    压力容器爆炸所造成的危害主要有爆炸冲击波及碎片的破坏作用,有毒介质容器破裂后造成的毒害作用,以及可燃气体介质容器破裂后造成的火灾等。

    2.压力容器生命周期各阶段安全措施。

    2.1压力容器安全设计。

    压力容器的设计是否安全可靠，主要取决于设计过程的材料选择、结构设计和容器壁厚确定是否合理。另外还要考虑适应生产能力，保证强度和稳定性、密封性，以及制造、运行、安装、检修的方便性和总体设计的经济性。

    压力容器的安全设计主要包括以下三个方面：

    (1)合理选用材料。合理选用材料，是保证压力容器安全运行的一个重要措施，如果材料选择不当，即使具有较大的强度裕度，也可能在运行中发生破坏事故。选择压力容器用钢材，不仅要从操作条件和使用环境方面来考虑，即要求材料对工作介质、压力、温度、载荷特性等操作条件和气温、湿度等使用环境具有必需的适应能力；还要从锅炉、压力容器的制造方面来考虑，即要求所选用的材料容易加工成形，在工艺加工过程中不易产生缺陷。因此，在压力容器的选材上，应充分考虑材料的力学性能(强度、韧性、塑性、硬度)、物理性能、耐腐蚀性、制造工艺性能(可焊性、可锻性、切削加工性以及研磨性、冲压性、热处理性等)。压力容器选材的一般原则是:在保证塑性指标和其它性能指标的要求下,尽量选用强度指标较高的材料。

    (2)选择合适的结构形式。在压力容器的破坏事故中，有相当一部分是由于结构不合理引起的，结构不合理，往往使得锅炉、压力容器在制造和使用过程中容易产生缺陷。因此首先要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷；其次是要求结构便于无损检验，使制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来；第三是结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。

    (3)满足强度的要求。为保证压力容器安全运行，其承压部件必须具有足够的强度，即具有适当的壁厚以抵抗外加载荷的作用。在结构设计中除了结构特殊、使用条件复杂或特别重要的压力容器需要以应力分析进行设计外，一般的是以薄膜应力来确定所需的壁厚。至于压力容器结构不连续部位的附加应力和应力集中，则从结构形式或尺寸上加以限制。

    压力容器的结构比较简单，基本上都是由筒体、封头、接管、法兰、支座等零部件组成。压力的机构设计应该遵循以下基本原则：

    ①、结构不连续处应该平滑过渡。受压器件在几何结构突变和不连续过渡区域会产生较高的不连续应力，并可能导致应力集中，致使压力容器的疲劳破坏，因此应该避免这种情况的出现。

    ②、引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力的叠加。

    ③、避免采用刚性过大的焊接结构。刚性大的焊接结构不仅使焊接构件因施焊时的膨胀和收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使壳体在操作条件波动时的变形受到约束而产生附加的弯曲应力。

    ④、受热系统及部件的胀缩不要受限制。受热部件的热膨胀如果受到外部或自身的限制，在部件内部就会产生热效应。

    压力容器的结构设计主要应包括容器的整体结构设计、零部件结构设计(焊缝结构结构设计、容器各部位开孔设计等)，应符合以下技术要求：

    ①、各受压部件应有足够的强度，并装有可靠的安全保护设施，防止超压。

    ②、受压元件、部件结构的形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减小复合应力和集中应力。

    ③、承重结构在承受设计荷载时应具有足够的强度、刚度、稳定性以及防腐蚀性。

    ④、容器的整体结构应便于安装、检修和清洗。

    用常规的方法进行压力容器设计时,总是把各种有关参数,如材料的强度指标,零部件的尺寸,所造成的荷载看成是确定量,忽略了由于各种条件的变化而使这些参数发生变化的随机因素,因而所设计的压力容器及零部件结构尺寸就不能准确适应实际工作的要求。此外,由于对设计参数的统计规律缺乏了解,在确定材料系数时,为了“ 保险”起见,总是取值偏大,使所设计的压力容器及零部件的结构尺寸偏大,引起不必要的浪费。运用可靠性设计,是在设计中,考虑到各种随机因素的影响,将全部或部分设计参数作为随即变量处理,对其进行统计并建立统计模型,运用概率统计方法进行计算,能够全面的描述设计对象。所得的结果更符合实际情况。压力容器的可靠性设计可以分为两个方面进行:第一,根据事先给定的可靠度要求,计算压力容器及零部件的有关尺寸或应力;第二,根据已有的容器或零部件校核其可靠性。

    2.2压力容器的制造管理。

    压力容器通用的制造工艺和程序包括:准备工序,零部件的制造,整体组对,焊接,无损探伤,焊接后热处理,压力试验,油漆包装,出厂证明文件的整理等.对于特殊材料或特别的用途的压力容器还需要进行特殊工艺处理。

    为了确保压力容器的安全使用,制造过程应严格控制制造工艺质量和产品质量。如焊工考核、材料可焊性鉴定、焊接工艺评定、材料标记及标记移植材料、复验、零部件冷热加工成型、焊接试板、筒节施焊、焊缝外观及无损检测、焊接返修、容器组装、容器整体或局部热处理、强度试验、气密性试验、包装等工作质量及产品质量控制等。

    压力容器的制造质量在很大程度上取决于制造单位的技术能力和制造过程中的质量管理水平。制造过程的质量管理包括质量控制、质量检验和质量分析三个方面。

    质量控制要求容器的制造单位应建立一套完整的质量管理制度，保证从原材料到产品出厂的各个环节严格按照《压力容器安全技术规程》和有关标准的规定执行，严格按照设计图样制造和组焊压力容器，发现问题及时解决。

    质量检验运用各种检验方法(如无损检测)对压力容器的每个零部件的制造，每道工序的设置是否符合工艺设计要求，组焊及整体结构都进行严格检查，不合格的零部件不能进入下道工序，不合格的产品不能出厂。

    质量分析是质量管理部门理解质量控制和质量检验的情况，收集并系统整理产品质量的各种信息和数据，认真总结和分析，从而提出改进措施，挖掘提高产品的质量潜力。

    压力容器产品的质量监督，可以采用定期监督检验、批量性或逐台出产监督检查的方式，引入质量管理体系认证，分加工过程检验和设备最终检验两个阶段进行，将质量监督检验贯穿容器制造的全过程。

    2.3压力容器的安全运行。

    压力容器的安全运行管理的目的是为了达到正常,满负荷开车,生产合格产品,是压力容器的工艺参数、生产负荷、操作周期、检修、安全等方面具有良好的技术性能,促使压力容器处于最佳工作状态。压力容器的运行首先要求其安全可靠,合理使用和严格管理是提高压力容器的安全可靠性,保证其安全运行的重要条件。

    压力容器的安全使用包括正确的操作,维护保养和定期检修等方面。在具体的操作过程中,应做到以下几点:

    ①、平稳操作:在操作过程中尽量保持压力容器的操作条件(如工作压力和工作温度)相对稳定。

    ②、防止过载：防止压力容器过载主要是防止超压。

    ③、发现故障，立即停车：压力容器在运行过程中如果发生故障，严重威胁设备及人身安全时，操作人员应该马上采取紧急措施，停止容器运行，并报告上级主管部门。

    ④、制定合理的安全操作规程：为保证压力容器的安全运行，切实避免盲目或误操作引起事故，容器使用单位应根据生产工艺需求和容器的技术性能制定各种容器的安全操作规程，并对操作人员进行教育培训。压力容器的安全操作规程至少应包括：

    a、容器的正确操作方法。

    b、容器的操作工艺指标及最高工作压力、最高或最低工作温度。

    c、容器开车、停车的操作程序和注意事项。

    d、容器运行中应重点检查的项目和部位，以及运行中可能出现的异常现象和防止措施。

    e、容器停止运行时的维护和保养。

    f、异常状态下的紧急措施及事故应急处理。

    ⑤、严格实行岗位责任制。

    2.4压力容器的定期检验。

    压力容器在运行和使用过程中，要受到反复升压、卸压等疲劳荷载的影响，又经常受到外部环境的影响，还要受到有腐蚀性介质的腐蚀，或在高温深冷等工艺条件下工作，其力学性能会随之发生变化，容器制造过程中的小缺陷也会随之扩展增大，对压力容器进行定期的全面地技术检验，是及早发现容器存在的缺陷，消除隐患，从而保证压力容器安全运行，避免发生事故的一项行之有效的措施。

    压力容器的定期检验的主要检验项目应包括：材质检验(材质不符、材质劣化)、结构检验、缺陷检验。检验的方法主要有：宏观检查、测厚检查、壁温检查、腐蚀介质含量测定、表面探伤、射线探伤、超声波探伤、硬度测定、金相检验、应力测定、声发射检测、耐压试验、气密性试验、强度校核、化学分析、光谱分析。压力容器定期检验的程序如下图所示：

    停车准备

    耐压试验

    外部结构检查

    测量壁厚

    进入容器内部

    检查安全附件

    盲板隔离、置换、中和、消毒、清洗及分析和和各格、切断电源、打开孔门、清理内部

    核对铭牌、注意结构特点、检查孔门、确定检查重点

    先作直观检查、对重点部位检查、做表面探伤检查、再做焊缝内部探伤检查、金相检查

    安全泄放装置、压力表、液位计、减压阀、自控仪表、讯号装置

    压力容器经过定期检验以后，应根据检验结果对其安全状况进行评定，并以安全等级形式反映出来。对安全等级级别较低的、缺陷严重、难于或无法修复的压力容器设备应坚决予以报废。

    3.结语

    鉴于锅炉压力容器等特种设备具有发生爆炸或泄漏、造成人身伤害、环境污染、设备建筑物毁坏事故的危险性，因此从压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造直至报废，应该依据《压力容器安全技术监察规程》、《特种设备安全监察条例》、《压力容器产品安全质量监督检验规则》、《在用压力容器检验规程》等相关的法律法规及标准规范，引入可靠性设计、优化设计、质量管理、模糊综合评价等现代安全设计和安全管理技术，结合以往事故统计数据资料，对压力容器生命周期的危险因素进行全面的分析，制定有效的预防和控制措施，确保压力容器的安全运行和系统功能的正常发挥。

    [参考文献]：

    1 魏新利，吴金星.压力容器现代设计与安全技术.化学工业出版社，2004.7

    2 中国劳动社会保障部.压力容器安全技术监察规程.1991.1

    3 陈凤棉.压力容器安全技术.化学工业出版社,2004.5