壓力容器設(shè)計(jì)制造質(zhì)量事故案例綜述

秦偉豐

(山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030009)

1 引言

壓力容器屬于特種設(shè)備，依據(jù)工作壓力、介質(zhì)、工況環(huán)境及容積分類，不同類型的壓力容器均有不同的設(shè)計(jì)、制造、安裝及檢驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行規(guī)范監(jiān)察規(guī)程。隨著技術(shù)能力、工藝水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、安全管理體系持續(xù)更新完善，壓力容器質(zhì)量及安全性逐年提高，相關(guān)的問題及事故在逐年降低。

實(shí)際使用的部分或個(gè)別壓力容器，由于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理和使用監(jiān)督的不足或部分缺失，設(shè)計(jì)、制造的壓力容器不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，未受到有效監(jiān)督下的運(yùn)行，對(duì)持續(xù)生產(chǎn)和工作環(huán)境安全可靠性造成隱患。此次敘述的三臺(tái)壓力容器為管殼式換熱器，均使用不到一年時(shí)間，發(fā)生開裂泄漏，導(dǎo)致停產(chǎn)事故，造成一系列嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造中存在不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的質(zhì)量問題綜述，促進(jìn)技術(shù)管理和安全質(zhì)量意識(shí)提高，嚴(yán)格在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、程序化質(zhì)量管理?xiàng)l件下開展設(shè)計(jì)、制造，在全面管理質(zhì)量體系下開展產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和服務(wù)。特種設(shè)備必須在安全技術(shù)機(jī)構(gòu)有效監(jiān)督下使用。

2 概述

2.1 某化工企業(yè)的兩臺(tái)一效管殼式換熱器

某化工企業(yè)生產(chǎn)使用的一效管殼式換熱器，生產(chǎn)能力為13 t/h、工作壓力為0.30～0.45 MPa、工作水蒸氣溫度小于150 ℃。其中兩臺(tái)一效管殼式換熱器，在系統(tǒng)調(diào)試生產(chǎn)運(yùn)行9個(gè)月時(shí)，筒體均出現(xiàn)開裂泄漏，造成企業(yè)停產(chǎn)事故。

2.2 某污水處理廠的一臺(tái)管殼式換熱器

某工業(yè)污水處理廠采用蒸發(fā)式提鹽工藝，管殼式換熱器每小時(shí)蒸發(fā)量為 t、工作壓力小于0.40 MPa、水蒸氣溫度小于160 ℃，系統(tǒng)調(diào)試生產(chǎn)運(yùn)行11個(gè)月時(shí)，管殼式換熱器發(fā)生開裂泄漏，造成污水處理停產(chǎn)事故。

2.3 與事故管殼式換熱器相關(guān)部分標(biāo)準(zhǔn)

管殼式換熱器是熱交換器的一個(gè)結(jié)構(gòu)類型，執(zhí)行GB/T151-2011《熱交換器》、GB150.3-2011《壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》、GB150.4-2011《壓力容器第4部分：制造 檢驗(yàn)和驗(yàn)收》、HG20584-2011《鋼制化工容器制造技術(shù)條件》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 管殼換熱器受損部位結(jié)構(gòu)、狀態(tài)分析

3.1 1號(hào)一效管殼式換熱器

1號(hào)一效管殼式換熱器，上部吊耳的方形墊板部位泄漏，拆除保溫層，方形墊板與筒體之間左下部角焊縫部位，一主裂紋向右上方延伸，長(zhǎng)度約為75mm，墊板與筒體為周圈焊接，墊板上無(wú)排氣孔。將受損部位切割打開，內(nèi)外對(duì)比觀察，可見主裂紋呈枝杈延伸(圖1、圖2)。

吊耳墊板上無(wú)排氣孔，不符合HG20584-2011《鋼制化工容器制造技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)第6項(xiàng)：加工和成型，第6.0.8條：殼體上墊板、補(bǔ)強(qiáng)板等應(yīng)至少開設(shè)1個(gè)φ10 mm或M10 mm的排氣、訊號(hào)孔。如不設(shè)排氣孔、訊號(hào)孔，在周邊焊縫上應(yīng)留出10 mm不焊接區(qū)的要求。

圖1 墊板左下角裂紋向右上方擴(kuò)展

3.2 2號(hào)一效管殼式換熱器

2號(hào)一效管殼式換熱器，筒體中部泄漏，拆除筒體上保溫層，中部筒體一筒節(jié)高為210 mm，開裂泄漏部位微凸起，兩條主裂紋曲折枝杈擴(kuò)展至上下筒節(jié)環(huán)焊縫，其受損部位左上角，一處上下筒節(jié)對(duì)接的十字焊縫，位于十字焊縫的軸向焊縫距離開裂受損部位中心約170 mm(圖3)。切割開受損部位，可見筒節(jié)中部?jī)蓷l主裂紋曲折延伸向筒節(jié)環(huán)焊縫(圖4)。

圖2 內(nèi)表面的主裂紋呈枝杈擴(kuò)展

開裂受損部位筒節(jié)制造高度不符合GB150.4-2011《壓力容器第4部分：制造 檢驗(yàn)和驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)第6項(xiàng)：冷、熱加工成形與組裝，第6.5條：圓筒與殼體，第6.5.5款：組裝時(shí)，殼體上焊接接頭的布置應(yīng)滿足以下要求：即c)組裝筒體中，任何單個(gè)筒體的長(zhǎng)度不得小于300 mm、d)不易采用十字焊縫的要求。

圖3 開裂泄漏部位微凸起

圖4 兩條主裂紋曲折延伸向環(huán)焊縫

3.3 水處理管殼式換熱器

水處理管殼式換熱器筒體直徑為Φ1400 mm，管箱筒體直徑為Φ1600 mm、高為920 mm、壁厚為5.0 mm，Φ620 mm蒸汽管道與管箱焊接安裝，無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)器筒體與管箱筒體之間為圓弧錐形折邊封頭連接，壁厚為5.0 mm。上下封頭圓弧表面四個(gè)部位均有周向裂紋，且裂紋分布位于蒸汽管道中心線的上下封頭兩邊，呈對(duì)稱形式分布，部分泄漏部位進(jìn)行焊接修復(fù)。其中受損較嚴(yán)重部位，可見一條主裂紋由多個(gè)疲勞解理裂紋段形成，裂紋長(zhǎng)約為75 mm，(圖5)。對(duì)受損較嚴(yán)重的部位切割打開，內(nèi)表面有銹跡，與外部對(duì)應(yīng)的主裂紋由多個(gè)解理小裂紋段沿周向形成，外表面焊接修復(fù)部位對(duì)應(yīng)內(nèi)表面的熱影響區(qū)有可見細(xì)長(zhǎng)小裂紋(圖6)。

Φ620 mm蒸汽管道與Φ1600 mm管箱筒體之間安裝連接無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈，不符合GB150.3-2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)第6項(xiàng)：開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)，第6.1條：范圍及一般要求，第6.1.3款：不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑，殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)：即a)設(shè)計(jì)壓力p≤2.5 MPa、c) 接管外徑小于或等于89 mm的要求。

圖5 圓弧錐形折邊封頭開裂及修復(fù)

圖6 與外表面對(duì)應(yīng)的內(nèi)表面周向裂紋

4 管殼式換熱器筒體材料理化性能試驗(yàn)分析

4.1 一效管殼式換熱器筒體材料化學(xué)成分

筒體材料試樣化學(xué)成分試驗(yàn)分析結(jié)果(表1)，筒體材料化學(xué)成分符合GB/T4237-2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中07Cr19Ni10不銹鋼成分范圍及設(shè)計(jì)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

4.2 一效管殼式換熱器筒體材料機(jī)械性能

筒體材料試樣縱向力學(xué)性能試驗(yàn)分析結(jié)果(表2)，筒體材料機(jī)械性能符合GB/T4237-2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)固溶處理的07Cr19Ni10奧氏體型不銹鋼板的力學(xué)性能。

4.3 水處理管殼式換熱器筒體材料化學(xué)成分試驗(yàn)分析

筒體材料試樣化學(xué)成分試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果(表3)，筒體材料化學(xué)成分符合GB/T4237-2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中022Cr17Ni12Mo2不銹鋼化學(xué)成分范圍及設(shè)計(jì)要求。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)分析結(jié)果

表3 檢測(cè)結(jié)果

5 綜合分析

壓力容器使用壽命周期，與設(shè)計(jì)、制造、安裝、工況環(huán)境和使用維護(hù)管理相關(guān)。三臺(tái)管殼式換熱器使用不到1年均出現(xiàn)開裂受損，通過現(xiàn)場(chǎng)了解壓力容器開裂受損部位結(jié)構(gòu)、制造工藝，對(duì)相應(yīng)使用材料進(jìn)行理化分析檢驗(yàn)，其材料均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。各壓力容器開裂部位結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及成因分析如下。

1號(hào)一效管殼式換熱器，吊耳的方形墊板與筒體之間為周圈焊接，墊板未加工排氣孔，該制造工藝不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在管殼式換熱器生產(chǎn)運(yùn)行中系統(tǒng)溫度、壓力變化作用下，墊板與筒體形成密閉容器內(nèi)空氣受熱膨脹產(chǎn)生內(nèi)在作用力；管殼式換熱器工作壓力對(duì)筒體產(chǎn)生作用力；方形墊板與筒體之間直角焊縫焊接產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力；因此，密閉容器膨脹內(nèi)在作用力+工作壓力對(duì)筒體作用力+墊板與筒體之間直角焊縫內(nèi)應(yīng)力的共同作用下，角焊縫部位筒體形成的集中應(yīng)力大于其設(shè)計(jì)許用應(yīng)力時(shí)，受壓力容器溫度、壓力高低變化影響，使應(yīng)力集中部位發(fā)生周期性應(yīng)力疲勞早期開裂。

2號(hào)一效管殼式換熱器，一筒節(jié)高為210 mm，該筒節(jié)與上部筒節(jié)有一處十字焊縫，該筒節(jié)高度、十字焊縫均不符合其標(biāo)準(zhǔn)的要求。筒節(jié)高度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)接焊接后易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力增大；上下筒節(jié)的十字焊縫對(duì)其周圈易形成焊接內(nèi)應(yīng)力；管殼式換熱器工作壓力對(duì)筒體產(chǎn)生作用力；因此，筒節(jié)高不符合標(biāo)準(zhǔn)造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力+十字焊縫產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力+工作壓力對(duì)筒體作用力的共同作用，筒體中部形成的集中應(yīng)力大于其設(shè)計(jì)許用應(yīng)力時(shí)，受壓力容器溫度、壓力高低變化影響，使應(yīng)力集中部位發(fā)生周期性應(yīng)力疲勞早期開裂。

水處理管殼式換熱器，Φ620 mm蒸汽管道與Φ1600 mm管箱筒體直接焊接安裝，無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)，不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。該問題結(jié)構(gòu)表明，設(shè)計(jì)蒸汽管道與管箱筒體安裝連接結(jié)構(gòu)時(shí)，未計(jì)算分析設(shè)備運(yùn)行的蒸汽壓力作用下，管箱筒體軸向力、徑向力的平衡性問題；管殼式換熱器生產(chǎn)運(yùn)行中系統(tǒng)溫度、壓力變化影響下，管箱筒體軸向力、徑向力不平衡，造成上下封頭兩邊圓弧部位產(chǎn)生的集中應(yīng)力大于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，應(yīng)力集中和周期性疲勞作用下，致使管箱筒體封頭上下四個(gè)部位均出現(xiàn)早期開裂泄漏。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)1號(hào)一效管殼式換熱器吊耳墊板無(wú)排氣孔，其制造工藝不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，是造成筒體開裂泄漏主要原因。

(2)2號(hào)一效管殼式換熱器筒節(jié)高210 mm、筒節(jié)對(duì)接十字焊縫，其制造工藝均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，是造成筒體開裂泄漏主要原因。

(3)水處理管殼式換熱器，蒸汽管道與管箱筒體安裝連接無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，是造成其封頭部位呈對(duì)稱分布開裂的主要原因。

(4)壓力容器設(shè)計(jì)制造質(zhì)量事故的綜述，促進(jìn)認(rèn)識(shí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)技術(shù)應(yīng)用和不斷發(fā)展完善的凝結(jié)，壓力容器必須在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用及有效的監(jiān)督下運(yùn)行。