压力容器安全评估与检测

摘 要：随着科技和工业生产的不断发展，压力容器使用范围日益广泛，作为多个石化行业的重要设备，对压力容器的使用的安全评估与检测越来越受到重视。本文针对压力容器安全评估与检测，介绍了国内外在该领域的研究现状，提出了压力容器失效的主要原因及检测方法。

关健词：压力容器；安全评估；失效；检测

压力容器是是指盛装气体或者液体且内部或外部承载一定压力的密闭设备，对国民经济的发展有着重要的影响。加强压力容器的安全评估与检验检测具有十分重要的意义，一直是从事特种设备安全工作人员研究的重点课题。

1.国内外研究现状

早在20世纪三四十年代的，国际上就开始了对概率安全评（PSA）的研究，在建立模型中考虑了参数的实际离散性。80年代后期，我国也开展了一些这方面的研究工作，并取得了良好的效果。

骆红云【1】等选取了Q420、Q345、Q235和Icr18Ni9等材料进行了国产压力容器用钢的概率失效评定曲线研究。1980年以前，裂纹尖端位移量（COD）设计曲线在压力容器缺陷评定标准中占有统治地位，但是COD法本身有其固有的缺点，定义不严格，无力学解释，各国在应变测量时所取的标距也不一致，同一断裂试验所得的COD设计曲线差别很大。1980年后期，英国中央电力局（CEGB）研究人员提出了利用R6失效评定曲线来计算结构失效概率的方法，美国EPRI的新R6失效评定曲线是在英国老R6失效评定曲线的基础上发展起来的，反过来又促进了老R6曲线的发展。目前世界各国的曲线评定标准均向R6方法靠拢，相继采用失效评定图技术。1999年，欧洲委员会完成了欧洲工业结构性完整评定方法（FINTAP）。2000年，美国石油学会颁布了针对在役石油化工设备的合乎使用评定标准（API579）。

一般产品的检修周期是根据预测寿命确定的，但是压力容器和管道这样的特种设备，其检验计划是根据法规制定的。在这种按照事先规定的检验周期进行检修的情况下，简单的寿命预测已经无法保证压力容器的安全。对于石化行业里面的封闭的且打开和拆卸比较麻烦的结构部位，要求检修周期尽可能长一些，检测手段可以复杂一些。傅惠民【2】等通过计算指定寿命下最大初始的裂纹尺寸，制定相应的最佳检测方案，防止超标裂纹出现和检的方案来容器安全。

我国石化企业里面压力容器存在超期服役的现象，均匀腐蚀和局部腐蚀的比例偏高，凹坑与局部减薄很多，属于体积性缺陷，主要失效模式是由塑性极限载荷控制的。一类是原始先天缺陷，由于表面打磨缺陷形成凹坑，在使用中没有介质腐蚀的话，这类凹坑与局部减薄一般不会发生变化，是列缺陷，而且位置固定，容易发现与监控，危害性相对较小；另一类是使用过程中产生的凹坑与局部减薄缺陷，如腐蚀坑、冲刷、磨损、沟槽等缺陷，局部减薄尺寸会不断地加大，可能存在于管道与设备的任何位置，难以发现且危害性较大。

基于风险的检验RBI可以实现优化的检验策略，但是费用很高，RBI的推广不仅与企业相关，还与政府的政策与决策有很大关系，需要争取政府的支持与宏观管理。软件编制本身也有一些不足，如管线分析不能对整条管道进行分段，没有定性分析功能，后果分析中没有考虑商业损失等。管壳式换热器管束腐蚀，中国承压设备存在的先天性缺陷与材料性能不稳定等问题也都未考虑。【3】

2.压力容器主要失效原因

压力容器的基本要求是安全性和经济性。安全是核心问题，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。保证安全不是盲目地增加壁厚，提高材料材质，而应从合理的结构设计、精确的强度计算、合理的材料选用以及正确的技术要求等方面入手。通常应使所设计的压力容器满足有足够的强度、刚度、使用寿命以及合理的结构。

腐蚀只能控制不能杜绝，这是一条自然规律。腐蚀控制是个系统工程，它包括设计、制造、安装、使用、维修等一系列过程，并要求从技术和经济的角度来衡量腐蚀控制的效果。防腐蚀措施多种多样，有耐蚀金属材料及设备、耐蚀非金属材料及设备、防腐蚀涂料及涂装、耐蚀施工技术及机具、缓蚀剂、腐蚀测试、监控、分析和电化学保护等内容。对于腐蚀磨损，应力腐蚀和材质变化方面的研究成果，可以从选择材质、设计、运行、防护等方面指导生产，促进相关产业水平的提高。

3.压力容器检查方法

压力容器检查的主要内容包括压力容器外表面有无裂纹、变形、泄露、局部过热等不正常现象；安全附件是否齐全、灵敏、可靠；紧固螺栓是否完好、全部旋紧；基础有无下沉、倾斜以及防腐蚀层有无损坏等异常现象。检验的主要内容除包括外部检查的全部内容外，还要检验内外表面的腐蚀磨损现象；用肉眼和放大镜对所有焊缝、封头过渡区及其他应力集中部位检查有无裂纹，必要时采用超声波或射线探伤检查焊缝内部质量；测量壁厚，若测得壁厚小于容器最小壁厚时，应重新进行强度校核，剔除降压使用或修理措施；对可能引起金属材料的金相组织变化的容器，必要时应进行金相检验。

运行中发现有严重缺陷的容器和焊接质量差、材质对介质抗腐蚀能力不明的容器也均应缩短检验周期。容器的全面检验周期，一般为每六年至少进行一次。对盛装空气和惰性气体的制造合格容器，在取得使用经验和一两次内外检验确认无腐蚀后，全面检验周期可适当延长。压力容器受压元件的荷载形式多种多样，但就其受力性质而言，可分为热应力分析、机械应力分析和稳定性分析。压力容器在频繁交变的机械应力和热应力作用下，将使金属材料发生疲劳损伤，缩短容器的使用寿命。

有限元分析作为一种先进的分析计算手段，目前已经越来越广泛的应用于压力容器的分析设计中。有限元的核心思想市结构离散化，就是将实际结构假象地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。【4】

4.压力容器安全研究的方法

（1）数值计算法，主要采用有限元法分析计算，常用于科学研究，应用于工程上还有一定的局限性。

（2）基于断裂力学理论的评定方法，这类评定方法主要是根据弹性断裂力学或塑性断裂力学的分析方法，对含缺陷容器的裂纹起裂和塑性破坏失效进行定量的分析描述，方法有多种，如CE/EPRI法、PARIS/TADA法、LBBNRC法，该方法比数值计算简单。

（3）工程评定法，他是从简单的材料力学和塑性力学出发，在大量实验的基础上总结出工程上计算容器极限承载能力的简便公式。这种评定方法考虑了脆性断裂失效、塑性失稳失效，还考虑了弹塑性裂纹。

注释：

【1】骆红云，张玉波，钟群鹏。国产压力容器用钢的概率失效评定曲线〔J〕。北京航空航天大学学报，自然科学版，2006，32（4）：450-454.

【2】傅惠民，马学荣。压力容器寿命控制方法〔J〕。机械强度，2004，26（5）：506-509.

【3】王正方。基于灰色系统理论的压力容器安全运行研究〔D〕。东营，中国石油大学，2008。

【4】何显平。基于有限元技术的压力容器设计方法研究〔D〕。贵阳：贵州大学，2007.

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