第8章压力容器的故障与失效

1、第 8 章 压力容器的故障与失效 压力容器是具有爆炸危险的特种承压设备，在其全寿命周期内承受介质、压力、温度、自重、风 载、周围大气环境等多方面因素的影响，压力容器运行期间产生故障甚至发生破坏性事故时有发生。 故障这一定义国内外有多种说法，从设备维修的角度出发，定义设备的故障为设备运行的功能失 常，其功能偏离可以通过参数调节得到恢复，或者认为故障还包括系统的或局部的功能失常；另一种 说法是从诊断对象出发，定义一个系统的故障为它的输入与所预期的输出不相容；再有一种是从状态 识别的角度出发，定义设备的故障为它的不正常状态。 故障这一定义国内外有多种说法，从设备维修的角度出发，定义设备的故障为设备运

2、行的功能失 常，其功能偏离可以通过参数调节得到恢复，或者认为故障还包括系统的或局部的功能失常；另一种 说法是从诊断对象出发，定义一个系统的故障为它的输入与所预期的输出不相容；再有一种是从状态 识别的角度出发，定义设备的故障为它的不正常状态。8.1 压力容器常见故障 一般将压力容器出现与 预定生产工艺不同的异常情况即认为发生故障，比较常见的是超温、超压、异常变形、异常振动、异 常综合噪声、变形、泄漏、腐蚀、安全附件损坏等。8.1.1 超压 当容器内的压力超过了它的实际承载极限，会造成容器破裂或爆炸事故。如能有效地控制容器超 压，则可大大地减少或杜绝这类事故的发生，保证容器的安全运行。 压力容器的

3、超压，实际上是由于物料的流动或其能量处于非平衡状态，使物料或能量(或二者) 在 容器内积累造成的。从引起这种积累的途径上，可将超压分成物理超压和化学超压两大类。物料的突 然积聚、物料受热膨胀、液化气体受热蒸发、过热蒸汽蒸发、瞬时压力脉动等属于物理超压，可燃汽体燃爆、粉尘燃爆、放热化学反应失控等属于化学超压。 操作失误或控制阀失灵引起易引起物料突然积聚超压，乙炔、氧气瓶在太阳下暴晒易受热膨胀超压，过热液体突沸如锅炉即将烧干时突然加入冷水引起的蒸汽爆炸，水击等瞬时脉动超压，液化石油 气受热蒸发导致储罐压力升高等均为物理超压的实际例子；操作不当导致容器内可燃气体、可燃粉尘 燃爆等化学超压爆炸也有实例

4、。8.1.2 超温 许多情况下超温超压现象互相伴随，压力容器超温超压的主要原因主要有两种：一是操作不当、 工艺不成熟或工艺条件未得到有效控制，造成温度、压力升高，容器材料强度下降；另一种是盲目提 高使用温度、压力。对于多种化学反应来说，提高温度、压力可以使化学反应加速，从而提高产量。 但是，其后果是使压力容器的寿命大大缩短或导致破坏的危险性加大。 盛装易于发生聚合反应的碳氢化合物的容器，因容器内部分物料可能发生聚合作用释放热量，使 容器内气体急剧升温而压力升高。用于高分子聚合反应的高压釜有时会因原料或催化剂使用不当或操 作失误，使物料发生爆聚释放大量热能，而冷却装置又无法迅速导热，因而发生超温

5、，酿成严重安全 事故。 2013 年 6 月四川泸沽铁矿发生的储气罐爆破事故，事后分析空压机未带后冷却器、油水分离器， 导致进入储气罐的压缩空气温度超过 150（超温运行），储气罐内的积炭层和机油在高温压缩空气作 用下自燃，燃烧后产生大量气体，致使安全阀排放跟不上，压力上升，超出储气罐的可承受压力，使 其产生塑性变形，筒体胀粗减薄，最后发生爆破，图 8.3 为事故后的储气罐照片。8.1.3 腐蚀 腐蚀是压力容器中最常见现象，包括均匀腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀开裂等； 由于防腐层破损、介质影响、选材失误等原因，均会造成各种腐蚀。均匀腐蚀时容器厚度整体减薄，导致容器承载能力下降；局部腐蚀易造成容器腐

6、蚀穿孔泄漏；应力腐蚀开裂等也易造成泄漏。图 8.4 为某储罐接管附近发生保温层下腐蚀，经喷砂后形成的大量局部麻坑。实际上容器的腐蚀案例非常 多，将会在下文进一步介绍，这里不再继续展开。8.1.4 泄漏 化工企业中的跑、冒、滴、漏现象不可能完全杜绝，因此压力容器产生泄漏也是常见的故障。 泄漏产生的原因有很多，比如说局部腐蚀穿孔导致的泄漏，应力腐蚀开裂产生穿透性裂纹导致的泄漏，焊缝中深针孔扩展导致的泄漏，密封面失效导致的泄漏等。 密封面失效导致的泄漏 密封失效比较常见的是螺栓法兰密封失效，导致介质泄漏。从其失效原因来看，可以归纳为三点主要原因： 1.螺栓预紧力变化或不一致导致的泄漏，如安装时个别螺

7、栓预紧不够、高温下长期使用螺栓预紧 力产生应力松弛导致预紧力不足造成泄漏、高温设备未采取热紧等措施导致泄漏。 2.垫片自身出现问题，如石棉垫片长期使用后腐烂或冻损、垫片质量不佳等，导致使用过程中密封失效。 3.设备法兰选型不对或设计失误，导致法兰变形过大，易产生泄漏。 此类事故较有影响力的是 1998 年 3 月 5 日发生的西安煤气公司液化石油气球罐泄漏、闪爆事故， 图 8.5 为事故后现场照片。事后调查分析确认，该 400m3 球罐根部短管和第一道阀门法兰接口的密封 垫损坏失效（主要是冬季该排污阀部位未加装伴热保温装置，导致石棉垫片被系统内部结冰冻损）是 发生事故的直接原因。 为避免此类事

8、故国家还专门进行了通报并提出了相应的预防措施： 1.将液化气储罐根部所有短管（包括排污、液位计、液相）平焊法兰接口更换成凹凸面法兰，并 将第一道阀门的压力级别由 2.5MPa 更换成 4.0MPa； 2.将液化气储罐根部所有短管与第一道阀门连接的法兰接口处原用的耐用石棉垫更换成金属缠 绕垫片，以提高密封垫自身的强度； 3.采用“不停车带温、带压、强注式封堵”技术； 4.在我国冰冻线以北的地区，冬季液化石油气储罐根部的排污阀门和液位计阀门必须加装伴热保 温装置。 除螺栓法兰密封结构产生的失效泄漏外，压力容器还有很多其他型式的密封结构也会出现失效。 如合成氨塔等高压设备常用的双锥密封结构，由于机加

9、工精度或安装原因，不能正常发挥作用，导致 此类设备在试压时发生泄漏，此时必须重新更换双锥密封环。几十兆帕级别的高压杀菌保鲜设备中常 用的多道高压 O 型密封圈在使用一段时间后发生挤出、破损现象等，都属于密封失效。 换热器管板渗漏 换热器管板渗漏一般导致管程与壳程介质出现一定程度的互相污染，多发生在换热器管板与换热 管焊接的焊缝附近，一般情况下在打开换热器时能发现明显的渗漏迹象。 造成换热器 管板易出现渗漏的原因主要有三点： 1.换热器换热管与管板连接部位受力复杂，受压力、热应力、管束振动、焊接或胀接残余应力等 众多因素影响。 2.换热管与管板间连接采用焊接、胀接、胀焊连接等结构，随着换热器的使

10、用，此类连接部位易 形成缝隙，易形成缝隙腐蚀开裂，导致换热器管板泄漏。 3.换热器管板与换热管连接部位介质流速慢，易形成流动死区，且该部位应力复杂，易形成应力 腐蚀开裂，导致管板泄漏。8.1.5 换热管损坏 换热器是石化装置中最常用的压力容器，而每台换热器少则几十根，多则几千上万根换热管，在 换热管失效概率一定的情况下乘上其庞大的基数，换热管故障也比较常见，在日常使用、维护中必须 考虑这一故障。 腐蚀 腐蚀是造成换热器管束失效的最主要原因之一，一般情况下管束失效有 50%是腐蚀造成。主要有： 缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。 热膨胀和收缩 热膨胀和收缩的影响发生在受热或冷却过程中，管束由于被约

11、束和固定，不能自由地膨胀和收缩 引起轴向应力和力矩；以及管束温度的急剧变化和温度分布不均匀而在管束中产生温差应力载荷。这 种现象以固定管板式换热器情况较为典型。由于其管板与壳体之间为刚性连接，在工作时管壳程介质 温度不同，导致管束与壳体的伸缩量不同。可能导致壳体破坏、管子翘曲，或使管子与管板接头处松 脱最终因泄漏而失效。 冲刷及磨损减薄 管束内外流体的高速流动，以及流体中所含腐蚀介质，特别是当介质中含有较大的颗粒时，都会 对管束内、外壁产生严重的冲刷和磨损，尤其是管、壳程物料入口处、管与管板结合处及 U 形管式换 热器的弯管段等。其破坏表面通常呈条纹、麻坑和波纹状，造成管壁减薄以至强度不足而爆

12、裂。 结垢 在换热器运行过程中，由于温度或其它工况发生变化，原溶解在流体里的一些成分，会析出并沉 积在传热表面；流体中的悬浮物质和过程腐蚀产物，也会沉积在传热表面。实际操作中，管束内、外 壁都有可能结垢，而污垢层的热阻要比金属管材大得多，增大了换热器的总热阻，降低了换热器的传 热系数，从而导致其换热能力迅速下降，严重时将会使换热介质流道阻塞，致使管束失效。 堵塞 换热管堵塞有两种情况：一是人为因素，主要是在换热器检修时，对泄漏、渗透或损坏的列管用 堵头堵死、 补焊；二是介质因素，当管程介质中含有微小颗粒时，这些颗粒有可能沉积在列管内壁上， 逐渐长大积累，最后有可能占据整个列管空间，造成堵塞。列

13、管堵塞一般会造成两种后果：a）换热 效果变差；b）管束变形、破裂，管与管板脱开。当换热器中管程与壳程介质运行温度相差较大时， 就会造成堵塞列管与未堵塞列管之间的较大温差，导致这两部分列管的自由膨胀量不同，可能造成部分列管严重弯曲变形、破裂及管与管板脱开等情况而使管束泄漏失效。 振动 管束振动是由于介质流速、管壁厚度、折流板间距、列管排列等因素共同作用的结果。其振源主 要有以下几种：管束与泵或压缩机的共振；回转机械产生的脉动介质流；完全稳定的介质流动也会在 换热器内产生振动，这是因介质流过圆柱体时在下游产生周期性的涡流（即冯-卡曼涡旋）而引起；当 有接近管子固有频率的湍流涡流随机冲击时，能激发管

14、子的振动而引起破坏。8.1.6 安全附件损坏 压力容器的安全附件是指为保证压力容器安全运行而装设在设备上的一种附属装置。当安全附件 发生损坏时，就会对压力容器的正常运行产生重大影响，甚至产生事故。 安全阀损坏 安全阀损坏是常见的故障，主要有安全阀不能正常起跳（未到开启压力即起跳或超过开启压力时 仍然不起跳）、安全阀不能正常回座、安全阀泄漏等。 爆破片损坏 爆破片也是起安全泄压作用，爆破片故障主要有：爆破片爆破、爆破片超压后仍然完好、爆破片 方向装反等。 对爆破片发生爆破，容器内介质释放，容器停车，此时需要重新更换爆破片。 压力表故障 压力表故障，比较常见的有指针断裂、表盘玻璃破损、刻度模糊不清

15、、泄漏、压力表接管堵塞等， 易导致压力指示不准。当压力表指示不准时危险性就较大，尤其是显示的压力小于实际压力时，易因 盲目相信压力表示数而忽视容器实际状态，间接导致压力容器超压。当压力表出现上述故障时应立即 更换或打开排污三通旋塞排除压力表接管内的污物。 曾经在检验中碰到一台液化石油气储罐进行水压试验，在压力表显示 0.4MPa 时，声发射监控定 位出现大量事件信号，赶紧停止升压查找原因，结果发现是压力表接管堵塞，导致显示压力明显小于 实际压力，经排污后压力迅速升至 1.0MPa，幸亏在进行声发射检测监控，否则可能出现超压将液化石 油气储罐打爆的事故。 温度计损坏 温度计损坏可能导致容器飞温，

16、造成产品收率变化，甚至容器爆炸损坏等，也必须引起重视。比 较常见的温度计损坏有温度计指针断裂、温度计表盘破裂、指示不准、电接点温度计焊点虚焊脱开等。 某企业一纺丝头套保温炉曾经发生一起超温超压爆炸事故。事后调查发现，该容器的热电偶温度 计虚焊脱开，电路系统设置不合理，在温度计电路发生断路时默认电加热丝通电加热，由于企业将纺 丝头套上原装的安全阀拆卸并封堵，最终导致保温炉超温超压被憋爆。 液位计损坏 液位计能显示容器内实际液位，此类安全附件常见的故障主要有：玻璃管、玻璃板等液位计破损 泄漏；液位计接管被水垢等污物堵塞，造成假液位；浮球磁力式液位计不能正常工作；连通管阀门被 关死导致液位不动等。

17、曾经在检验中对一台液化石油气储罐进行水压试验，打压一个小时后发现压力仅上升 0.1MPa，很 不正常，敲击罐体发现储罐声音沉闷，水未灌满，检查发现磁性翻板液位计气相连通管上阀门被关死， 应是最高液位时关死的，导致液位计指示一直在最高液位处。 假液位易导致事故，比如锅炉里水已经烧干，但液位计显示仍然有一半液位，此时如果向锅炉里 面补充水，水的快速沸腾导致锅炉内迅速升压，即使装有安全阀也来不及排放，会导致锅炉超压爆炸 事故。 紧急切断装置故障 紧急切断装置能在出现易外情况下快速、远程切断，减少泄漏量。在移动式压力容器上应用较多。 如果紧急切断装置不能很好地起作用，则会失去其设置意义。 检验时一般要

18、对其进行测试，测试其切断时间响应等是否符合要求。8.2.2 常见失效模式 短期失效模式 短期失效模式可分为脆性断裂、韧性断裂、超量变形引起的接头泄漏、 弹性或弹塑性失稳四种。 长期失效模式 长期失效模式可分为蠕变断裂、蠕变在机械连接处的超量变形或导致 不允许的载荷传递、蠕变失稳、冲蚀、腐蚀、环境助长开裂等。8.3 典型压力容器失效特点 8.3.1 球形储罐失效特点 球形储罐为大容量、承压的球形储存容器(以下简称球罐)，广泛应用于石油、化工、冶金等部门， 它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器,也可作为压缩气 体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。操作温度一

19、般为-5050,操作压力一般在 3MPa 以下。 从大量的使用、制造、及检验经验来看，球形储罐主要存在以下几种失效模式： 1. 大气腐蚀（无绝热层） 2. 大气腐蚀（有绝热层） 3. 接头泄漏（法兰连接部位出现泄漏等现象。） 4. 开裂 检验中经常发现球罐上存在裂纹，曾对检验中发现的 20 多台球罐缺陷进行统计分析，结果表明在 用球罐缺陷主要以裂纹为主，且以柱腿角焊缝裂纹、内表面裂纹和环缝裂纹为主，外表面裂纹、纵缝 裂纹、极板拼缝裂纹和接管角焊缝裂纹只占很少一部分； 在内表面裂纹中，有应力腐蚀倾向的球罐裂 纹较多，有应力腐蚀倾向球罐的裂纹平均数是无应力腐蚀倾向球罐的裂纹平均数 2.4 倍；柱腿

20、角焊缝 裂纹、内表面裂纹和环缝裂纹以及接管角焊缝的返修率都比较高，外表面裂纹、纵缝裂纹和极板拼缝 裂纹的返修率都比较低，有应力腐蚀倾向球罐的裂纹的返修率比无应力腐蚀倾向球罐的裂纹的返修率 高；焊接线能量低、拘束度大以及组装残余应力大是球罐环缝裂纹数量多返修率高的主要原因，应力 腐蚀是导致球罐内表面裂纹数量多返修率高的主要原因，焊接质量差以及应力集中是柱腿角焊缝裂纹量多返修率高的主要原因。 应力腐蚀裂纹、焊接裂纹、疲劳裂纹是球罐上三种常见的裂纹，尤其是应力腐蚀裂纹最多见。8.3.2 换热器失效特点 换热器作为石化企业中使用数量最多的设备，装置中换热器数量一般要占到 40%左右。换热器所应用的环境

21、也多种多样，基本上所有的失效模式都可能发生。前面已经介绍过换热管损坏、管板泄漏 等故障，这些失效模式是换热器上最常见失效模式。8.3.3 低温容器失效特点 低温容器是指设计温度为-20以下的压力容器。液化乙烯、液化天然气、液氮和液氢等的储存和 运输用容器均属低温压力容器。低温压力容器在使用过程中常因介质、载荷、温度和环境等因素的影 响而产生腐蚀、冲蚀、磨损、应力腐蚀开裂、疲劳开裂等缺陷。又因压力容器盛装有温度较低的介质， 从而使容器材料的脆性相应增大，即使在运行工作压力较低的情况下，也非常容易发生低应力脆断， 使容器遭到不同程度的破坏。 1. 低温脆断 低温脆断，指金属材料在温度降低至一定值（一般为其韧脆转变温度）以下时，在施加载荷后没 有发生明显的塑性变形就突然发生的快速断裂。 2 外表面大面积冒汗和结霜 储存液氮等低温液体的容器通常采用粉末绝热结构，而储存更低温度的液氦、液氢等容器多采用 多层低温绝热结构。低温绝热压力容器使用过程中外表面可能出现明显的大面积冒汗和结霜，这是由 于容器夹套的管路泄漏、珠光砂未填实或其他原因导致夹套真空度降低而产生的。必须根据实际情况 分别采取相应的措施，如进行检修、检漏或补充珠光砂，也可重新抽真空。 3. 容器内筒压力异常升高，安全阀起跳 日常运行中出现