壓力容器生命周期危險(xiǎn)因素分析及控制

1、壓力容器生命周期危險(xiǎn)因素分析及控制    1.壓力容器生命周期危險(xiǎn)因素分析。由于壓力容器工作條件的特殊性，如高溫、高壓、介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性、毒性及易燃、易爆性等，必然增大事故的發(fā)生概率，且事故一旦發(fā)生，就具有很強(qiáng)的破壞性，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。因此壓力容器從設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢驗(yàn)、修理和改造，直至報(bào)廢，在壓力容器整個(gè)生命周期中，運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)察和管理，對(duì)壓力容器在運(yùn)行過(guò)程中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，以指導(dǎo)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行管理，確保壓力容器的安全可靠，防止事故的發(fā)生。1.1壓力容器事故原因分析。運(yùn)用安全學(xué)原理的相關(guān)理論

2、，我們知道壓力容器發(fā)生事故的直接原因一般有兩種：即容器本身的不安全性因素和操作人員的不安全行為以及管理上的失誤。容器本身的不安全因素主要來(lái)源于設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的缺陷;人的不安全行為則體現(xiàn)在壓力容器的運(yùn)行過(guò)程中人的主觀操作;管理缺陷則表現(xiàn)為壓力容器的安全技術(shù)管理、安全運(yùn)行管理、壓力容器定期檢驗(yàn)和安全等級(jí)評(píng)定等。綜合分析，壓力容器發(fā)生事故的主要原因包括：設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，容器結(jié)構(gòu)不合理，選材不當(dāng)，強(qiáng)度不足，制造缺陷，安裝不符合技術(shù)要求，安全附件規(guī)格不符，以及運(yùn)行中的超壓、超溫、超負(fù)荷和操作不當(dāng)，沒(méi)有執(zhí)行在用壓力容器定期檢驗(yàn)和安全等級(jí)評(píng)定，導(dǎo)致壓力容器失效，從而引發(fā)事故。壓力容器的操作條件的頻繁波動(dòng)，對(duì)容器的

3、抗疲勞破壞性能不利，過(guò)高的加載速度會(huì)降低材料的斷裂韌性，即使容器存在微小缺陷，也可能在壓力的快速?zèng)_擊而發(fā)生脆性斷裂。壓力容器運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)生誤操作、過(guò)量沖載且安全保護(hù)裝置失效，都會(huì)導(dǎo)致壓力容器的壓力升高，以至于超載，進(jìn)而可能引發(fā)爆炸事故。1.2壓力容器失效形式分析。壓力容器失效是指壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和壽命期限內(nèi)，因結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和材料性能發(fā)生變化，完全失去原設(shè)計(jì)功能或未能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，而不能正常使用的現(xiàn)象。常見(jiàn)的壓力容器失效形式大致可以分為強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏失效四大類(lèi)。、壓力容器強(qiáng)度失效：壓力容器在壓力等荷載的作用下，因材料屈服或斷裂而引起的失效形式，稱為強(qiáng)度失效。通

4、常包括：a、韌性斷裂：在壓力等荷載作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力值達(dá)到或接近器壁材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。通常壓力容器的韌性斷裂的主要原因是壁厚過(guò)薄(設(shè)計(jì)壁厚不足和厚度因腐蝕而變薄)、內(nèi)壓過(guò)高或選材不當(dāng)、安裝不符合安全要求。b、脆性斷裂：容器沒(méi)有明顯的塑性變形，且器壁中的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限甚至低于材料的屈服極限而發(fā)生的斷裂。脆性斷裂的主要原因在于材料的脆化(材料選擇不當(dāng)、材料加工工藝不當(dāng)、應(yīng)變時(shí)效、運(yùn)行環(huán)境惡劣)和材料本身的缺陷。c、疲勞斷裂：壓力容器受到交變荷載的長(zhǎng)期作用，材料本身含有裂紋或經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展使容器沒(méi)有經(jīng)過(guò)明顯的塑性變形而突然發(fā)生的斷裂。疲勞斷裂過(guò)程可分為裂紋

5、萌生、擴(kuò)展和斷裂三個(gè)階段。d、蠕變斷裂：壓力容器在高溫下長(zhǎng)期受載，隨著時(shí)間增加材料發(fā)生緩慢的塑性變形，塑性變形經(jīng)長(zhǎng)期積累而造成厚度明顯減薄或鼓脹變形，最終導(dǎo)致容器斷裂。壓力容器發(fā)生蠕變時(shí)，一般壁溫達(dá)到或超過(guò)其材料熔化溫度的25%35%。蠕變斷裂的變形量取決于材料的韌性，斷裂時(shí)的應(yīng)力值低于材料使用溫度下的強(qiáng)度極限。e、腐蝕斷裂：壓力容器材料在腐蝕介質(zhì)作用下，因均勻腐蝕導(dǎo)致壁厚減薄及材料組織結(jié)構(gòu)改變或局部腐蝕造成的凹坑，使材料力學(xué)性能降低，容器承載能力不足而發(fā)生的斷裂。壓力容器腐蝕機(jī)理有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。腐蝕形態(tài)有均勻腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕等。、壓力容器剛

6、度失效：由于壓力容器過(guò)渡的彈性變形而引起的失效。、在壓力作用下，容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀而引起的失效。壓力容器失穩(wěn)失效的重要特征是彈性撓度和荷載不成比例，且臨界壓力與材料的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而主要取決于容器的尺寸和材料的彈性性質(zhì)。、壓力容器泄漏失效:容器的各種接口密封面失效或器壁出現(xiàn)穿透性裂紋發(fā)生泄漏而引起的失效.泄漏介質(zhì)可能引起燃燒,爆炸和中毒事故,并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。壓力容器泄漏的原因是多方面的,受壓部件受到頻繁的振動(dòng)而產(chǎn)生裂紋,脹接管口松動(dòng),器壁局部腐蝕變薄穿孔,局部鼓包變形及密封面失效等,都會(huì)造成壓力容器因泄漏而失效。1.3壓力容器的爆炸能量分析。壓力容器之所以作為一種特種設(shè)備,是因

7、為運(yùn)行中的壓力容器一旦發(fā)生爆炸破裂,不但設(shè)備本身遭到嚴(yán)重破壞,而且往往波及很大的范圍,毀壞周?chē)脑O(shè)備或建筑,造成人員打擊傷害,中毒,燒傷等,甚至?xí)l(fā)更大范圍的爆炸事故。壓力容器發(fā)生爆炸事故而破裂時(shí),容器內(nèi)的高壓流體介質(zhì)突然解除器壁的約束,瞬間膨脹卸壓,以極高的速度釋放出內(nèi)在的大量能量,發(fā)生所謂的物理爆炸。如果容器內(nèi)充裝的是可爆性混合氣體,遇到明火,碎片撞擊火花,或高速氣流所產(chǎn)生的靜電作用,會(huì)立即發(fā)生化學(xué)爆炸,即通常所說(shuō)的二次爆炸。因此,壓力容器爆炸破裂時(shí),其爆炸能量的大小不但與原有的壓力和容器的容積有關(guān),而且還與介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)及在容器內(nèi)的物性集態(tài)有關(guān)。壓力容器爆炸所造成的危害主要有爆炸沖擊波

8、及碎片的破壞作用,有毒介質(zhì)容器破裂后造成的毒害作用,以及可燃?xì)怏w介質(zhì)容器破裂后造成的火災(zāi)等。2.壓力容器生命周期各階段安全措施。2.1壓力容器安全設(shè)計(jì)。壓力容器的設(shè)計(jì)是否安全可靠，主要取決于設(shè)計(jì)過(guò)程的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和容器壁厚確定是否合理。另外還要考慮適應(yīng)生產(chǎn)能力，保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性、密封性，以及制造、運(yùn)行、安裝、檢修的方便性和總體設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。壓力容器的安全設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)方面：(1)合理選用材料。合理選用材料，是保證壓力容器安全運(yùn)行的一個(gè)重要措施，如果材料選擇不當(dāng)，即使具有較大的強(qiáng)度裕度，也可能在運(yùn)行中發(fā)生破壞事故。選擇壓力容器用鋼材，不僅要從操作條件和使用環(huán)境方面來(lái)考慮，即要求材料對(duì)

9、工作介質(zhì)、壓力、溫度、載荷特性等操作條件和氣溫、濕度等使用環(huán)境具有必需的適應(yīng)能力;還要從鍋爐、壓力容器的制造方面來(lái)考慮，即要求所選用的材料容易加工成形，在工藝加工過(guò)程中不易產(chǎn)生缺陷。因此，在壓力容器的選材上，應(yīng)充分考慮材料的力學(xué)性能(強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度)、物理性能、耐腐蝕性、制造工藝性能(可焊性、可鍛性、切削加工性以及研磨性、沖壓性、熱處理性等)。壓力容器選材的一般原則是:在保證塑性指標(biāo)和其它性能指標(biāo)的要求下,盡量選用強(qiáng)度指標(biāo)較高的材料。(2)選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。在壓力容器的破壞事故中，有相當(dāng)一部分是由于結(jié)構(gòu)不合理引起的，結(jié)構(gòu)不合理，往往使得鍋爐、壓力容器在制造和使用過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷。因

10、此首先要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制造質(zhì)量和避免、減少制造缺陷;其次是要求結(jié)構(gòu)便于無(wú)損檢驗(yàn)，使制造和使用中產(chǎn)生的缺陷能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢查出來(lái);第三是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮盡量降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中。(3)滿足強(qiáng)度的要求。為保證壓力容器安全運(yùn)行，其承壓部件必須具有足夠的強(qiáng)度，即具有適當(dāng)?shù)谋诤褚缘挚雇饧虞d荷的作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了結(jié)構(gòu)特殊、使用條件復(fù)雜或特別重要的壓力容器需要以應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計(jì)外，一般的是以薄膜應(yīng)力來(lái)確定所需的壁厚。至于壓力容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的附加應(yīng)力和應(yīng)力集中，則從結(jié)構(gòu)形式或尺寸上加以限制。壓力容器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，基本上都是由筒體、封頭、接管、法蘭、支座等零部件組成。壓力的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)

11、該遵循以下基本原則：、結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)該平滑過(guò)渡。受壓器件在幾何結(jié)構(gòu)突變和不連續(xù)過(guò)渡區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較高的不連續(xù)應(yīng)力，并可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使壓力容器的疲勞破壞，因此應(yīng)該避免這種情況的出現(xiàn)。、引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，避免高應(yīng)力的疊加。、避免采用剛性過(guò)大的焊接結(jié)構(gòu)。剛性大的焊接結(jié)構(gòu)不僅使焊接構(gòu)件因施焊時(shí)的膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，而且使殼體在操作條件波動(dòng)時(shí)的變形受到約束而產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力。、受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。受熱部件的熱膨脹如果受到外部或自身的限制，在部件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)包括容器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(焊縫結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、容

12、器各部位開(kāi)孔設(shè)計(jì)等)，應(yīng)符合以下技術(shù)要求：、各受壓部件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，并裝有可靠的安全保護(hù)設(shè)施，防止超壓。、受壓元件、部件結(jié)構(gòu)的形式、開(kāi)孔和焊縫的布置應(yīng)盡量避免或減小復(fù)合應(yīng)力和集中應(yīng)力。、承重結(jié)構(gòu)在承受設(shè)計(jì)荷載時(shí)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及防腐蝕性。、容器的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)便于安裝、檢修和清洗。用常規(guī)的方法進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí),總是把各種有關(guān)參數(shù),如材料的強(qiáng)度指標(biāo),零部件的尺寸,所造成的荷載看成是確定量,忽略了由于各種條件的變化而使這些參數(shù)發(fā)生變化的隨機(jī)因素,因而所設(shè)計(jì)的壓力容器及零部件結(jié)構(gòu)尺寸就不能準(zhǔn)確適應(yīng)實(shí)際工作的要求。此外,由于對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律缺乏了解,在確定材料系數(shù)時(shí),為了“保險(xiǎn)”起

13、見(jiàn),總是取值偏大,使所設(shè)計(jì)的壓力容器及零部件的結(jié)構(gòu)尺寸偏大,引起不必要的浪費(fèi)。運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì),是在設(shè)計(jì)中,考慮到各種隨機(jī)因素的影響,將全部或部分設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨即變量處理,對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并建立統(tǒng)計(jì)模型,運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算,能夠全面的描述設(shè)計(jì)對(duì)象。所得的結(jié)果更符合實(shí)際情況。壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)方面進(jìn)行:第一,根據(jù)事先給定的可靠度要求,計(jì)算壓力容器及零部件的有關(guān)尺寸或應(yīng)力;第二,根據(jù)已有的容器或零部件校核其可靠性。2.2壓力容器的制造管理。壓力容器通用的制造工藝和程序包括:準(zhǔn)備工序,零部件的制造,整體組對(duì),焊接,無(wú)損探傷,焊接后熱處理,壓力試驗(yàn),油漆包裝,出廠證明文件的整理等.對(duì)于特

14、殊材料或特別的用途的壓力容器還需要進(jìn)行特殊工藝處理。為了確保壓力容器的安全使用,制造過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制制造工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。如焊工考核、材料可焊性鑒定、焊接工藝評(píng)定、材料標(biāo)記及標(biāo)記移植材料、復(fù)驗(yàn)、零部件冷熱加工成型、焊接試板、筒節(jié)施焊、焊縫外觀及無(wú)損檢測(cè)、焊接返修、容器組裝、容器整體或局部熱處理、強(qiáng)度試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、包裝等工作質(zhì)量及產(chǎn)品質(zhì)量控制等。壓力容器的制造質(zhì)量在很大程度上取決于制造單位的技術(shù)能力和制造過(guò)程中的質(zhì)量管理水平。制造過(guò)程的質(zhì)量管理包括質(zhì)量控制、質(zhì)量檢驗(yàn)和質(zhì)量分析三個(gè)方面。質(zhì)量控制要求容器的制造單位應(yīng)建立一套完整的質(zhì)量管理制度，保證從原材料到產(chǎn)品出廠的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照壓力容器安全

15、技術(shù)規(guī)程和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖樣制造和組焊壓力容器，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。質(zhì)量檢驗(yàn)運(yùn)用各種檢驗(yàn)方法(如無(wú)損檢測(cè))對(duì)壓力容器的每個(gè)零部件的制造，每道工序的設(shè)置是否符合工藝設(shè)計(jì)要求，組焊及整體結(jié)構(gòu)都進(jìn)行嚴(yán)格檢查，不合格的零部件不能進(jìn)入下道工序，不合格的產(chǎn)品不能出廠。質(zhì)量分析是質(zhì)量管理部門(mén)理解質(zhì)量控制和質(zhì)量檢驗(yàn)的情況，收集并系統(tǒng)整理產(chǎn)品質(zhì)量的各種信息和數(shù)據(jù)，認(rèn)真總結(jié)和分析，從而提出改進(jìn)措施，挖掘提高產(chǎn)品的質(zhì)量潛力。壓力容器產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督，可以采用定期監(jiān)督檢驗(yàn)、批量性或逐臺(tái)出產(chǎn)監(jiān)督檢查的方式，引入質(zhì)量管理體系認(rèn)證，分加工過(guò)程檢驗(yàn)和設(shè)備最終檢驗(yàn)兩個(gè)階段進(jìn)行，將質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)貫穿容器制造的全過(guò)程。

16、2.3壓力容器的安全運(yùn)行。壓力容器的安全運(yùn)行管理的目的是為了達(dá)到正常,滿負(fù)荷開(kāi)車(chē),生產(chǎn)合格產(chǎn)品,是壓力容器的工藝參數(shù)、生產(chǎn)負(fù)荷、操作周期、檢修、安全等方面具有良好的技術(shù)性能,促使壓力容器處于最佳工作狀態(tài)。壓力容器的運(yùn)行首先要求其安全可靠,合理使用和嚴(yán)格管理是提高壓力容器的安全可靠性,保證其安全運(yùn)行的重要條件。壓力容器的安全使用包括正確的操作,維護(hù)保養(yǎng)和定期檢修等方面。在具體的操作過(guò)程中,應(yīng)做到以下幾點(diǎn):、平穩(wěn)操作:在操作過(guò)程中盡量保持壓力容器的操作條件(如工作壓力和工作溫度)相對(duì)穩(wěn)定。、防止過(guò)載：防止壓力容器過(guò)載主要是防止超壓。、發(fā)現(xiàn)故障，立即停車(chē)：壓力容器在運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)生故障，嚴(yán)重威脅設(shè)

17、備及人身安全時(shí)，操作人員應(yīng)該馬上采取緊急措施，停止容器運(yùn)行，并報(bào)告上級(jí)主管部門(mén)。、制定合理的安全操作規(guī)程：為保證壓力容器的安全運(yùn)行，切實(shí)避免盲目或誤操作引起事故，容器使用單位應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝需求和容器的技術(shù)性能制定各種容器的安全操作規(guī)程，并對(duì)操作人員進(jìn)行教育培訓(xùn)。壓力容器的安全操作規(guī)程至少應(yīng)包括：a、容器的正確操作方法。b、容器的操作工藝指標(biāo)及最高工作壓力、最高或最低工作溫度。c、容器開(kāi)車(chē)、停車(chē)的操作程序和注意事項(xiàng)。d、容器運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)檢查的項(xiàng)目和部位，以及運(yùn)行中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象和防止措施。e、容器停止運(yùn)行時(shí)的維護(hù)和保養(yǎng)。f、異常狀態(tài)下的緊急措施及事故應(yīng)急處理。、嚴(yán)格實(shí)行崗位責(zé)任制。2.4壓力

18、容器的定期檢驗(yàn)。壓力容器在運(yùn)行和使用過(guò)程中，要受到反復(fù)升壓、卸壓等疲勞荷載的影響，又經(jīng)常受到外部環(huán)境的影響，還要受到有腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，或在高溫深冷等工藝條件下工作，其力學(xué)性能會(huì)隨之發(fā)生變化，容器制造過(guò)程中的小缺陷也會(huì)隨之?dāng)U展增大，對(duì)壓力容器進(jìn)行定期的全面地技術(shù)檢驗(yàn)，是及早發(fā)現(xiàn)容器存在的缺陷，消除隱患，從而保證壓力容器安全運(yùn)行，避免發(fā)生事故的一項(xiàng)行之有效的措施。壓力容器的定期檢驗(yàn)的主要檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)包括：材質(zhì)檢驗(yàn)(材質(zhì)不符、材質(zhì)劣化)、結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、缺陷檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的方法主要有：宏觀檢查、測(cè)厚檢查、壁溫檢查、腐蝕介質(zhì)含量測(cè)定、表面探傷、射線探傷、超聲波探傷、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)、應(yīng)力測(cè)定、聲發(fā)射檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、強(qiáng)度校核、化學(xué)分析、光譜分析。壓力容器經(jīng)過(guò)定期檢驗(yàn)以后，應(yīng)根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)其安全狀況進(jìn)行評(píng)定，并以安全等級(jí)形式反映出來(lái)。對(duì)安全等級(jí)級(jí)別較低的、缺陷嚴(yán)重、難于或無(wú)法修復(fù)的壓力容器設(shè)備應(yīng)堅(jiān)決予以報(bào)廢。3.結(jié)語(yǔ)鑒于鍋爐壓力容器等特種設(shè)備具有發(fā)生爆炸或泄漏、造成人身傷害、環(huán)境污染、設(shè)備建筑物毀壞事故的危險(xiǎn)性，因此從壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用