壓力容器設(shè)備失效分析

【摘要】如今，人們?cè)絹碓街匾暜a(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備可靠性，這已成為爭(zhēng)取市場(chǎng)的決定因素。因此，科學(xué)技術(shù)界和工程界亟須研究機(jī)器設(shè)備失效的具體原因以便于分析及完善預(yù)防措施。本文詳細(xì)闡述了失效分析的基本概念、方法和程序，并介紹了壓力容器缺陷相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。本文深入探討了設(shè)備失效分析的理論基礎(chǔ)、方法、實(shí)際工程價(jià)值和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；失效分析

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.033

Failure Analysis of Pressure Vessel Equipment

LI Bin

（Haicheng Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute， Haicheng 114201， China）

Abstract： Nowadays， people are increasingly valuing product quality and equipment reliability， which has become the determining factor in competing for the market. Therefore， it is urgent for the scientific and technological community and the engineering community to study the specific causes of machine equipment failures and improve preventive measures. This article elaborates on the basic concepts， methods， and procedures of failure analysis， and introduces the basic knowledge related to pressure vessel defects. The article delves into the theoretical basis， methods， practical engineering value， and development prospects of equipment failure analysis.

Key words： pressure vessel； failure analysis

0引言

隨著化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)備的功率和參數(shù)逐漸提高，這標(biāo)志著過去幾十年的技術(shù)進(jìn)步。然而，這也導(dǎo)致了嚴(yán)重的失效事故增加。

例如，某化工廠氯堿車間大型液氯儲(chǔ)罐突然發(fā)生爆裂事故，液氯流出氣化擴(kuò)散，在風(fēng)力的影響下，形成扇面形擴(kuò)散，造成多人中毒到醫(yī)院治療。其中輕度20人，重度3人，總經(jīng)濟(jì)損失達(dá)110萬元。事后分析原因，該設(shè)備在安裝時(shí)，考慮氯堿的特殊性，沒有設(shè)計(jì)安裝安全閥，改用平衡管代替，為了便于操作，在與之相鄰的其他儲(chǔ)罐上搭建了平臺(tái)樓梯，平臺(tái)樓梯直接焊在了罐體上。在發(fā)生事故后，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該液氯儲(chǔ)罐無安全泄放裝置、未安裝壓力表、液位計(jì)因損壞拆除，所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，外面的保溫層有多處大面積破損脫落，局部腐蝕嚴(yán)重，且為點(diǎn)狀腐蝕，搭建在罐體上的操作平臺(tái)與罐體表面接觸處，形成溝槽狀腐蝕。該溝槽即為爆裂裂口發(fā)生處，在現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)火源、電源、熱源等能夠引起爆炸的可疑物質(zhì)，罐體內(nèi)部也無其他物質(zhì)進(jìn)入的可能，排除外部因素引起爆炸和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)爆炸的可能性，破口處橫截面呈黑灰色，沒有陳舊性裂紋和碎片，經(jīng)過化學(xué)分析和力學(xué)性能分析，表明該次事故不屬于疲勞和應(yīng)力腐蝕脆性斷裂。根據(jù)斷面分析，斷口黑灰色，無碎片，且有較大的塑性變形，根據(jù)這些特征結(jié)合檢驗(yàn)情況綜合判斷，此次事故的主要原因：有罐體外壁局部腐蝕減薄嚴(yán)重，形成溝槽產(chǎn)生應(yīng)力集中；安全附件損壞；所有閥門關(guān)閉。綜合分析此次事故是由于保溫層脫落使之保溫性能變差，致使罐內(nèi)液氯升溫，罐內(nèi)壓力逐漸升高，所有閥門關(guān)閉使罐內(nèi)壓力無法泄放，壓力最終達(dá)到被腐蝕成溝槽狀腐蝕處的壁厚的極限強(qiáng)度，致使此處發(fā)生失效、斷裂形成安全生產(chǎn)責(zé)任事故。

1失效分析的概念

失效指的是設(shè)備或零部件無法正常發(fā)揮其初始設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的各項(xiàng)功能，表現(xiàn)為在使用中產(chǎn)生過度變形、裂紋斷裂、內(nèi)外表面磨損等缺陷。失效分析是根據(jù)企業(yè)在長(zhǎng)期生產(chǎn)和使用壓力容器設(shè)備過程中所積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。盡管失效分析的興起可以追溯到很久以前，但它作為一門獨(dú)立學(xué)科的發(fā)展大致始于工業(yè)革命的時(shí)期，近年來才逐漸成為一門新興學(xué)科。

2失效分析應(yīng)用

失效分析旨在研究和分析失效機(jī)制、失效發(fā)生以及在使用過程中的發(fā)展過程，便于準(zhǔn)確找出能夠?qū)е略O(shè)備產(chǎn)生失效的重要因素和可以控制的因素，及時(shí)提出解決方案，達(dá)到提出預(yù)防措施或延長(zhǎng)使用壽命、明確責(zé)任等目的。作為新興的專業(yè)技術(shù)學(xué)科，失效分析涉及金屬學(xué)、金屬材料、金屬力學(xué)、腐蝕學(xué)、加工設(shè)備和制作工藝流程等領(lǐng)域，同時(shí)還涉及概率學(xué)、系統(tǒng)工程、質(zhì)量管理和人員心理等知識(shí)。此外，失效分析還需要借助現(xiàn)代化的科研實(shí)驗(yàn)技術(shù)和各領(lǐng)域多方面人才的通力協(xié)作才能完成，失效分析本身對(duì)這些科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也具有促進(jìn)作用。失效分析能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和故障產(chǎn)生，從而達(dá)到避免事故發(fā)生并延長(zhǎng)設(shè)備使用年限的目的。前期失效無法避免，通常通過設(shè)備運(yùn)行前的試運(yùn)轉(zhuǎn)來發(fā)現(xiàn)問題并在正式運(yùn)行期間并嚴(yán)格地遵守運(yùn)行管理制度才能有助于防止和減少意外失效，提高可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的平均使用壽命。例如，美國(guó)通過船舶在寒冷海域戰(zhàn)爭(zhēng)中損失事故的分析結(jié)果，不僅明確提出了在鋼材生產(chǎn)過程中必須滿足鋼材低溫低壓沖擊韌性的要求，同時(shí)還加快了冶金工業(yè)的技術(shù)革新，從而發(fā)展出一門新的學(xué)科——斷裂力學(xué)。

3失效分析方法

失效分析常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)法和系統(tǒng)工程法。經(jīng)驗(yàn)法是一種常用于不太復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)的“順藤摸瓜”式的相關(guān)性思考方法。系統(tǒng)工程法則是一門綜合性管理工程技術(shù)，它運(yùn)用數(shù)學(xué)、控制論、信息論、計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，并與各領(lǐng)域的具體技術(shù)相結(jié)合。失效系統(tǒng)工程方法有很多種，常見的包括因素圖分析法、事件時(shí)序樹分析法和故障樹分析法。具體分析如下。

3.1因素圖分析法

因素圖分析法，又稱“魚骨圖分析”，是將已掌握的失效和異常現(xiàn)象，以及能夠產(chǎn)生這些表現(xiàn)的各種因素用魚骨圖的形式表現(xiàn)出來，通過分析找出造成這些現(xiàn)象的直接原因。

3.2事件時(shí)序樹分析法

事件時(shí)序樹分析法是從認(rèn)定是故障產(chǎn)生原因的最開始事件起始，最后到設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生故障的最終事件為止，依照工件的使用功能和使用順序，在防止故障產(chǎn)生上的成功或失效的案例繪制成樹形圖形進(jìn)行分析。

3.3故障樹分析法

美國(guó)空軍委托貝爾電站研究所對(duì)系統(tǒng)安全工程學(xué)法進(jìn)行研究，于1961年創(chuàng)立了故障樹分析法。故障樹分析的概念源自數(shù)學(xué)圖論中的樹概念和計(jì)算機(jī)算法，是為評(píng)價(jià)安全性（可靠性）而發(fā)展起來的一門技術(shù)。

在故障樹分析法中（見圖1），設(shè)備無論大小都被視為一個(gè)系統(tǒng)，而組成設(shè)備的零部件則被稱為系統(tǒng)的組元。故障樹分析法的目的是分析各種事件之間的邏輯關(guān)系，區(qū)分正常事件和異常事件（故障事件），以便找出失效原因。故障樹分析法有三個(gè)主要目標(biāo)：

1）查明與事故發(fā)生有關(guān)的所有原因；

2）作為一種手段，利用樹形圖明確地表示分析對(duì)象的過程或結(jié)果；

3）利用這一方法，可以方便地計(jì)算系統(tǒng)失效的概率。

4壓力容器缺陷評(píng)估

壓力容器在眾多領(lǐng)域如石油化工設(shè)備、核反應(yīng)堆和宇宙飛船中發(fā)揮著重要作用。近年來，壓力容器呈現(xiàn)出大型化、高參數(shù)（高壓、高溫、低溫）和使用高強(qiáng)度材料的趨勢(shì)。由于壓力容器通常是焊接結(jié)構(gòu)，且使用環(huán)境惡劣（如腐蝕、輻射等），壓力容器爆炸事故時(shí)有發(fā)生。因此，許多國(guó)家制定了壓力容器設(shè)計(jì)、制造和缺陷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

4.1缺陷評(píng)估基礎(chǔ)

過去，人們普遍認(rèn)為壓力容器不能有裂紋。然而，由于焊接設(shè)備、焊接人員、焊接環(huán)境等因素及檢測(cè)儀器的精度限制，無法確保壓力容器在生產(chǎn)過程中完全無裂紋。此外，設(shè)備在使用過程中也可能產(chǎn)生裂紋，且裂紋產(chǎn)生的時(shí)間難以預(yù)測(cè)。有些設(shè)備在發(fā)現(xiàn)裂紋后也無法立即停機(jī)，如核反應(yīng)堆和電廠設(shè)備。斷裂力學(xué)方法解決了這一問題，不僅可以對(duì)已知裂紋的設(shè)備進(jìn)行安全性評(píng)估，還可以估算裂紋擴(kuò)展速率，從而保證在一定期限內(nèi)的可靠性。

缺陷檢測(cè)是缺陷評(píng)估的前提。早在20世紀(jì)20年代，美國(guó)便開始使用γ射線探傷。至今，射線探傷仍是許多國(guó)家檢測(cè)壓力容器缺陷的重要手段。在20世紀(jì)60年代，英國(guó)率先采用超聲波探傷，它可以較準(zhǔn)確地判斷缺陷的性質(zhì)。近年來，聲發(fā)射技術(shù)已開始應(yīng)用于容器檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展。隨著現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，裂紋形狀和大小及深度的檢測(cè)越來越精確，使得缺陷評(píng)估工作更加準(zhǔn)確。

應(yīng)力分析是缺陷評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以采用有限元方法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算或進(jìn)行光彈性實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)量等，并需要進(jìn)行應(yīng)力分類。不同類型的應(yīng)力會(huì)對(duì)裂紋產(chǎn)生不同影響，計(jì)算K或J值時(shí)需要給予不同的修正系數(shù)。材料斷裂韌性值的確定也是一個(gè)復(fù)雜問題，某些材料韌性值測(cè)較為困難，如裂紋起始點(diǎn)的確定、應(yīng)力狀態(tài)的控制以及實(shí)際工況的模擬（如高溫、腐蝕等）。在進(jìn)行缺陷評(píng)估時(shí)，專家們?cè)跅l件受限的情況下，有時(shí)會(huì)綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算材料的韌性值。

近年來，一種新技術(shù)——結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)已在許多重要設(shè)備（如核反應(yīng)堆）中應(yīng)用。它將斷裂力學(xué)與設(shè)計(jì)、材料、制造、檢驗(yàn)和在役使用等各方面相結(jié)合，形成了結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)，缺陷評(píng)估就是利用斷裂力學(xué)方法對(duì)缺陷進(jìn)行容限分析。對(duì)于新制造的容器，往往需要進(jìn)行質(zhì)量控制，這是技術(shù)要求；而對(duì)于在役容器，則通常根據(jù)缺陷評(píng)估結(jié)果，以確保安全為原則，在節(jié)省資金的前提下進(jìn)行合理使用。

4.2缺陷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

缺陷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可分為三類。一類是以線彈性斷裂力學(xué)K因子理論為主；另一類是以COD理論為主，中國(guó)CVDA—84屬于這一類；還有一類是以J積分理論為主。由于斷裂力學(xué)理論不斷發(fā)展，尤其是J積分理論在工程應(yīng)用方面取得了許多成就，近年來英國(guó)中央電力局（CEGB）制定的R/H/R6—ReV1《缺陷結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)定》已經(jīng)普遍地被各國(guó)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)所認(rèn)可。它不僅可以估計(jì)容器裂紋的開裂臨界值，還可以評(píng)估開裂后亞臨界穩(wěn)定擴(kuò)展的全過程。我國(guó)“八五”攻關(guān)項(xiàng)目成果SAP—9S就是采用J積分重新制定的缺陷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)束語

失效分析已深入到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，它是提升機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵途徑，也是順利推進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的必要環(huán)節(jié)。在20世紀(jì)80年代，德國(guó)在失效分析工作的組織化程度上處于領(lǐng)先地位，隨后，日本經(jīng)濟(jì)超過德國(guó)，這與其采用失效分析技術(shù)密切相關(guān)。我國(guó)已經(jīng)舉辦過多次失效分析會(huì)議，并出版了許多相關(guān)書籍，科研單位和高等院校也開設(shè)了相關(guān)課程，可見失效分析工作在我國(guó)已取得了一定的成果，這在1988年5月的第三次全國(guó)機(jī)械裝備失效分析會(huì)議上也得到了體現(xiàn)。自我國(guó)開始開展在役壓力容器缺陷評(píng)定工作以來，已完成數(shù)千臺(tái)帶缺陷容器的評(píng)估工作，至今沒有發(fā)生任何爆炸事故。隨著現(xiàn)代失效分析技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，失效分析將越來越造福于人類。

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【作者簡(jiǎn)介】

李斌，男，1973年出生，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備安全運(yùn)行。

（編輯：李鈺雙）