基于失效模式的在役压力容器检验

摘要：压力容器作为工业生产领域的关键设备，广泛的应用在能源、化工与石油等众多行业领域中。然而，由于压力容器长期处于复杂的工作环境中，不可避免的会受到各种因素的不良影响，包括温度变化、介质腐蚀以及压力波动等等，从而导致其失效风险的不断增加。为此，必须加强对压力容器的检验工作力度。
关键词：失效模式；在役容器；压力容器；检验技术

Abstract: As a key equipment in the field of industrial production, pressure vessel is widely used in many industries such as energy, chemical industry and petroleum. However, because the pressure vessel is in a complex working environment for a long time, it will inevitably be affected by various factors, including temperature change, medium corrosion and pressure fluctuation, etc., leading to the increasing risk of failure. Therefore, the inspection of the pressure vessel must be strengthened.

Key words: failure mode; vessel in service; pressure vessel; inspection technique
前言：基于失效模式的检验方法是近年来逐渐发展起来的一种先进检验工作理念。通过对压力容器进行系统性分析，能够识别出压力容器存在的风险点，并且更具针对性的进行检验方案的制定，从而不断提高检验工作的有效性和准确性，保证压力容器能够更为安全稳定的运行。

一、压力容器概述

特种设备目录中规定，压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围也在目录中有相应规定。为了更有效地实施科学管理和安全监检，我国《固定式压力容器安全技术监察规程》中根据压力容器的介质危害性、工作压力和容积等多项特性参数将其划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。压力容器的用途极为广泛，它在石油化工、能源、食品医药、航空航天以及科学研究等许多领域都具有重要的地位和作用。其中以在化学工业与石油化学工业中用最多，仅在石油化学工业中应用的压力容器就占全部压力容器总数的50%左右。压力容器在化工与石油化工领域,主要用于传热、传质、反应等工艺过程，以及贮存、运输有压力的气体或液化气体；在其他工业与民用领域亦有广泛的应用，如空气压缩机。各类专用压缩机及制冷压缩机的辅机（冷却器、缓冲器、油水分离器、贮气罐、蒸发器、液体冷却剂贮罐等）均属压力容器。

二、基于失效模式的在役压力容器检验措施

（一）过度变形   

压力容器过度变形有整体过度变形或局部过度变形,即发生整体垮塌或局部垮塌而导致结构失效，这是强度失效。压力容器壳体的过度变形有弹性过度变形和塑性过度变形。失效特征如容器壳体产生大范围的鼓胀或局部鼓胀；对于法兰设计时除了满足强度要求外，还要考虑法兰刚度不足产生的塑性变形导致介质泄漏。

首先需要通过肉眼对容器表面进行直接观察，观察是否存在明显的鼓包凹陷以及其他肉眼可见的形状变化等。同时需要通过超声波测厚仪以及激光扫描设备，对容器壁厚及外形尺寸进行仔细的测量与扫描，观察是否存在超过设计图纸规定的安全数值范围。另外，还可以通过计算机模拟应力的方法，对可能存在应力过大或过于集中的情况进行进一步分析探查，特别是一些长期处于高温高压环境下的容器，还需要对其运行状况进行重点关注。

（二）韧性变形

韧性变形属于过度塑性变形形式,失效后继续加载而导致的壳体爆破破坏,也称塑性垮塌,属于超载或者因过度塑性变形使壳体壁厚减薄引起的爆破,因此会引起灾难性的后果,也是强度失效的一种重要形式,如图1所示。

图1 压力容器壳体延性破坏

首先，在容器制造阶段需要通过冲击试验与拉伸试验对材料自身的韧性指标进行初步判断，以确认原材料性能与设计相符。例如可以使用硬度计对材料硬度进行检测，如此一来能够发现是否由于材料出现塑性变形而导致硬度变化。另一个方法是在显微镜下对材料组织结构进行观察，检查是否存在滑移线以及晶粒变形等微观层面的变化。对于已经出现韧性变形的部位来说，则需要对其还能承受多大的力量以及还能使用多久进行充分评估，必要时需要对其进行加固处理或者是直接更换。

（三）脆性破坏

脆性破坏是由于材料脆性或结构严重缺陷引起的没有明显塑性变形的破坏形式，这种失效方式的特征是在较低应力状态下就能使结构发生断裂，因此又称为低应力脆断失效。这种失效破坏由于不可预见性,其危险性很大，常见的破坏形式如图2所示。

图2 压力容器壳体脆性破坏

首先，进行夏比冲击试验，评估材料在低温下的韧性，确保其高于韧脆转变温度。其次，使用超声波检测或射线检测对容器进行全面检查，识别内部裂纹或缺陷。温度监控也是关键，确保容器在允许的温度范围内运行，避免低温脆化。对于高风险区域，如焊缝和应力集中部位，应加强无损检测频率。如果发现材料韧性不足或存在裂纹，应及时更换材料或修复缺陷。

（四）疲劳失效

疲劳失效是一种在容器壳体,尤其是壳体不连续处应力集中区域由于交变载荷(应力)作用下,经过循环载荷一定次数作用后产生的断裂失效破坏。疲劳失效过程主要有疲劳裂纹萌生、稳态疲劳裂纹扩展和裂纹不稳定扩展三个阶段。这种失效方式在温度一定情况下取决于材料韧性、裂纹尺寸和应力水平。疲劳失效的结果是使壳体爆破或密封结构泄漏。是一种突发性破坏形式,其危险性特别大。

首先，建议采取表面无损检测方法，包括着色渗透检测与磁粉检测等，针对铁磁性材料优先采用磁粉检测，以发现设备表面存在的微小裂纹，从而避免裂纹等微小缺陷的继续扩展。其次，需要根据材料的应力-寿命曲线进行深入分析，也就是材料在循环载荷下所产生的寿命变化曲线，通过这一曲线能够对设备上应力较大的危险区域进行探查。与此同时，需要定期对焊缝部位、开孔部位等容易出现应力集中的特征位置进行检查，主要观察是否存在裂纹扩展的情况。如果检测到疲劳裂纹，需要立即进行修复并评估设备还能使用多长时间。

（五）蠕变失效   

在蠕变温度范围内受各种载荷(稳态载荷、不同大小载荷或交变载荷)作用的壳体随时间产生永久塑性变形,从而导致结构损伤,当损伤达到一定程度时就会产生结松失效,蠕变失效判定准则有两个:在规定时间内产生指定蠕变变形量(平均值)时的应力值和在指定的时间内蠕变断裂时的应力值,前者称为蠕变强度极限,后者称为蠕变持久限。

蠕变变形通常通过蠕变方程来描述，常见的蠕变方程如下：

其中是蠕变应变，σ是应力，t是时间，A、n和m是材料常数。

首先通过高温蠕变试验，对材料的蠕变性能进行仔细的评估，对其适用性进行确认。其次，需要定期使用超声波壁厚检测方法对压力容器壁厚进行测量，尤其是高温区域，需要对其是否存在蠕变减薄问题进行重点探查。其中温度监控是关键所在，需要保证容器在材料的蠕变温度下实现稳定的运行，对于需要长期处于高温环境的压力容器来说，需要定期对其进行金相分析，对材料的微观结构变化情况进行仔细的观察。一旦发现存在蠕变损伤，应该在第一时间停用，并立刻更换受损部件。

（六）腐蚀失效   

腐蚀失效是因腐蚀作用使结构构件强度削弱而引起的破坏形式。腐蚀失效是与压力容器内含介质和生产工艺(如工作介质性质、环境和生产条件)密切相关的失效破坏形式。常见的腐蚀失效形式主要有均匀腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、氯致腐蚀和介质辐射腐蚀等。在压力容器设计时特别要注意应力腐蚀和氢脆。

首先，需要通过化学分析检测腐蚀产物的成分，对腐蚀类型进行判断，包括均匀腐蚀、应力腐蚀等。其次，需要使用超声波测厚仪对壁厚进行定期测量，确认是否存在腐蚀减薄等问题，对于内壁腐蚀则可以选择使用内窥镜检查的方式。除此之外，还需要对防腐涂层的完整性进行定期检查，必要时需要对其进行修补与更换，而对于高风险环境则需要使用耐腐蚀材料或者适当增加腐蚀余量。

（七）腐蚀疲劳失效

腐蚀疲劳失效是结构不连续处受交变载荷和腐蚀介质交互作用产生的失效破坏形式。如前所述，交变载荷使结构不连续处高应力区域表面产生初始疲劳裂纹并扩展;而腐蚀介质与交变载荷交互和联合作用又加速疲劳裂纹的扩展,导致结构最终的失效破坏。应当指出,结构材料对腐蚀介质敏感度大小是决定这种交互作用程度,即失效速度和使用寿命的关键因素。

一旦遇到腐蚀环境下出现的疲劳开裂问题，首要任务是对设备表面进行仔细的检查，在此过程中可以通过渗透检测与磁粉检测等方法寻找表面裂纹，尤其是容易产生应力的位置。然后对工作环境的腐蚀性强弱状态进行评估，查看材料在盐水环境下的具体表现。定期针对重点位置进行微观组织分析与厚度测量，能够及时发现是否存在腐蚀导致的疲劳裂纹。

结束语：基于失效模式的在役压力容器检验工作是保证压力容器能够安全稳定运行的重要措施。通过对失效模式进行深入的研究与分析，可以更为准确且全面的对压力容器在使用过程中面临的各种风险进行了解，从而制定出更为合理一些科学的检验工作策略。这种检验方法不但能够对潜在的安全隐患进行发现，避免事故的出现，还能够降低检验工作成本，提高检验效率。

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