从压力容器事故处理谈设备设计制造本质安全

李 进

（宁夏特种设备检验检测院吴忠分院，宁夏吴忠 751100）

0 引言

压力容器的风险是压力容器在使用的过程中特殊的条件所导致，压力容器内介质性能复杂，工艺条件参数压力、温度、液位、载荷等多变，由于压力容器存在材料缺陷，设计制造缺陷，在这些因素的综合作用影响下可能会导致这些缺陷扩展，最终致使压力容器失效、发生事故，造成财产损失、人员伤亡。从事故处理过程中看，因设计制造缺陷导致的事故实例不少。

1 压力容器设计缺陷

1.1 用户提供的设计条件不全

用户没有充分提供包括操作参数，使用所在地的自然条件包括环境温度，风和雪载荷，抗震设防烈度以及设计需要的其他必要条件。设计人员根据经验，参照其他类似设备设计。

1.2 对压力容器标准规范掌握不透彻

设计人员尤其是一些中小压力容器制造企业的设计部门的设计人员对压力容器标准规范掌握不透彻、实践经验不足。对压力容器失效的各种模式机理研究掌握不透。主要表现在设计压力容器选材不当，腐蚀防护不当等方面。例如，某氯碱生产企业的氯乙烯单体贮罐发生泄漏事故，经查是因为选材不当，腐蚀导致介质泄漏。

1.3 结构设计不合理

目前，压力容器主体结构设计普遍很少有问题，结构设计缺陷主要发生在开孔、大开孔、开孔补强结构、结管与壳体联接结构、法兰等方面。主要是设计人员对技术标准掌握不全面导致的。在某制造企业的一台塔器耐压试验过程中发现从人孔补强圈及一接管与筒体连接部位漏水。该塔器介质具有易燃易爆性按规范应该设计为全焊透结构，查设计图纸为非全焊透，产品上也是非全焊透结构，而且这些部位还有焊接缺陷。

1.4 腐蚀防护方面问题

在压力容器设计中，介质对材料的腐蚀，要综合全面考虑介质的腐蚀特性，介质在容器中的流动、积存，压力容器用材料选择、制造工艺、热处理等各个方面。随着改革的发展，目前压力容器设计不需许可，一些中小压力容器制造企业只要有相关设计人员就可进行压力容器设计。由于腐蚀方面的问题非常复杂，涉及到许多方面的知识，在设计过程中考虑不周，就会留下隐患。按腐蚀发生的面积大小，分为全面腐蚀和局部腐蚀。在压力容器设计过程中，针对全面均匀腐蚀的措施是根据介质对材料的腐蚀速率，设计使用寿命确定腐蚀裕量来控制，通常不存在问题。对于局部腐蚀，却不好处理。因为局部腐蚀机理复杂，处理起来更加困难，局部腐蚀主要有孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀、氢致开裂、腐蚀疲劳、冲刷腐蚀等。压力容器设计工作不只是设计标准、设计规范、设计手册的简单叠加。一些设计人员被动地理解设计标准、规范，对这些问题处理不当就会留下隐患。在压力容器使用检验过程中，由于局部腐蚀导致泄漏，发生火灾、爆炸事故的案例不少，尤其在石油化工行业问题更为突出。

2 制造缺陷

2.1 材料选择缺陷

在压力容器制造过程中，一些制造企业由于库存、采购压力容器用材料以及工期等原因，会发生材料代用现象。“以优代劣”“以厚代薄”现象时有发生。由于所谓“以优代劣”问题，一种材料虽在某一方面的性能“优于”另外一种材料，但同时有可能在其他方面“劣于”另外一种材料。在制造过程中时有材料代用现象，虽然有利于压力容器制造，但不利于压力容器的使用、修理、改造、检验等后续过程。留下隐患。同样“以厚板材代替薄板材”表面上看增加了强度。但实际上非常不合理。厚度增加使壳体的受力有可能从平面应力状态变为平面应变状态，更容易产生应变脆性断裂。而且以厚代薄还会使后续设计的焊接要求、无损检测要求、热处理等工艺发生变化。同时壳体加厚，还会增加容器的重量，有可能使容器支座、基础等受力状况恶化。

2.2 焊接质量缺陷

对于开孔、大开孔、补强结构，接管与壳体连结结构，以及只要求局部无损检测的容器壳体，由于制造过程控制不严，有的不严格按设计图纸施工，在组对、焊接过程不严格执行工艺，检查不到位，往往有焊接缺陷。在检验一台液化石油气贮罐过程中，通过磁粉探伤，发现排污口接管与壳体连接部位有表面裂纹，进一步进行超声波检测，发现有埋藏裂纹缺陷。经与焊接人员沟通，令人非常吃惊的是，焊接人员认为，该部位不需超声波检测，只要消除表面裂纹即可。可见对这些部位的重视程度不够，失控较为严重。

2.3 热处理隐患

压力容器的热处理主要分为成型受压元件的恢复力学性能热处理工艺、焊后消除应力热处理和改善材料力学性能热处理。热处理工艺方案正确与否及执行是否到位，对压力容器的安全运行的影响是不言而喻的。当前，受行业体制及经济效益的影响，一些热处理尤其是大型压力容器的热处理通常是分包的。由于目前对热处理分包企业无资质许可认定。通常是由压力容器制造企业对热处理企业进行评估，监督控制热处理质量。热处理设备及仪表，操作人员是否完全要求，能否严格执行热处理工艺对热处理结果都有很大影响。过程控制不严，会留下隐患。此外，对于球罐等在使用现场组焊制造的大型压力容器的焊后热处理，受现场环境条件的制约，工艺执行不尽如人意，如果监督管理不严，热处理效果难以达到设计文件的要求。对设备的安全运行埋下隐患。

3 无损检测技术在压力容器中的应用

3.1 射线检测

射线检测是现阶段应用较为广泛的一种压力容器的无损检测技术，其工作原理是根据压力容器的器壁对于射线的吸收强度不同，进而观察压力容器器壁是否存在缺陷。射线检测可完成对接焊缝的检测，对压力容器焊缝是否存在气孔或夹渣等体积性缺陷具有较强的反应能力，通常对于薄壁容器焊缝检测可以通过X 射线进行。对于壁厚大的容器焊缝检测可以用放射性源进行检测。

3.2 超声检测

超声检测也是现阶段应用比较广泛的一种无损检测技术，超声检测的工作原理是基于压电材料在一定频率下能够发射超声波，超声波在接触到不同材质的物体是说返回的波长是不相同的，根据接收和分析返回的波长来判断压力容器内部是否存在缺陷。

超声检测的优势是成本低、检测速度较快、检测面积大；而超声检测也有固有的缺陷，例如超声检测对于细小缺陷的反应程度较弱，一般来讲只有缺陷的尺寸超过半波长的缺陷才能被检查到。此外超声检测的操作也有一定难度，对操作人员的技术水平同样要求较高，这是因为超声在垂直状态下对压力容器内部进行发射，才可以接受到回波，但如果操作人员对压力容器内部成斜状射入，通常会导致超声波回波无法被检测。

随着技术进步，超声波检测技术不断改进，目前数字超声波检测技术逐渐成熟，可记录的超声波检测仪检测技术与射线检测在压力容器检测中取得相同的地位，尤其是衍射时差法（TOFD）超声检测技术的成熟应用，在压力容器制造检测中已取得与射线完全相同的地位，但比射线检测安全方便经济，使得现场制造的球罐等大型压力容器检测时间大幅度减少，方便快捷可靠。

3.3 磁粉探伤检测

这种检测方式主要是利用压力容器被磁化后会携带一定的磁性，带有磁性的压力容器在通过磁粉磁化检测后会抵消压力容器本身所携带的磁性，然而如果压力容器存在缺陷或孔洞的现象，缺陷部位因为无法被磁粉的磁化影响导致这部分缺陷依然存在较大的磁性，在喷洒磁粉之后，这部分磁性较强的缺陷会形成较大的磁力场，以磁粉聚集状态的方式对内部缺陷进行表现，这一现象也被称之为缺陷漏磁现象。

缺陷漏磁的强度会受到缺陷本身的大小、种类和分布状况，通常来讲压力容器本身因为其特殊的材质影响，很容易出现被磁化的现象。磁粉检测的优势在于这部分磁粉在应用完毕之后可以再次回收，也就极大的降低了在检测过程中所造成的成本；但是磁粉检测本身的缺陷也非常明显，磁粉检测只能检测到压力容器表面或近表面的缺陷。

3.4 渗透探伤检测

渗透探伤检测指的是利用毛细现象来检测材料表面是否存在缺陷的一种无损检测，渗透探伤检测最早出现于20 世纪初期，被广泛的利用与渗透能力较强的煤油检查和机车零件的裂缝，在上世纪后半叶才出现开发出更多的应用方式。渗透探伤包含有荧光法和着色法两种，其中应用较为广泛的是荧光法，荧光法的应用原理是将带有荧光性物质的渗透液敷在被检测材料的表面，而根据毛细现象这部分渗透液会慢慢渗透入材料的缺陷内部。之后将检测部位表面的渗透液擦拭干净，通过观察带有荧光性质的渗透液，在材料内部所反映出来的形状、深度、大小来判断压力容器内部所存在的缺陷。

渗透探伤检测方式也有自己的优劣势。其中渗透探伤的操作非常简单，并且在操作的过程中不需要复杂的设备对这一操作过程进行辅助处理，带有荧光性质的渗透液价格也相对低廉，整个过程所产生的结果非常明显，可以说渗透检测是现有技术中检测最为灵敏的一种方式，渗透探伤检测可以观察到宽度＜1 μm的缺陷。渗透探伤检测因为这个过程中不会受到被检测材料的材质影响，因而被广泛的应用于黑色和有色金属锻件、铸件、焊接件等表面，渗透探伤检测所反映的问题也非常多，例如裂纹、气孔等都可以被反映出来；但是如果被检测材料表面或内部具有较多的孔洞，则渗透探伤检测的方式无法被使用。

4 结束语

介绍目前压力容器常用的几种无损检测方法，严格的说是无损探伤，这些方法的主要作用就是在不损伤压力容器金属材料的前提下，检测出容器表面、容器焊缝内部的缺陷以达到设计要求。但是，随着技术进步，无损检测不仅是检测容器内外部缺陷。现在已可以测定压力容器元件的成分（手持光谱检测仪），容器元件的组织结构、晶粒度，金相组织（便携式金相仪），硬度（便携式硬度测试仪）、残余应力，元件内部应力状态的测定（X 射线衍射测定，声发射仪测定），随着这些技术的成熟应用，以及从设计制造环节尽可能做到本质安全，将极大减少压力容器事故发生的概率。