浅析压力容器安全问题
1. 引言：
压力容器的用途十分广泛,它是在石油化学工业、能源工业、科研
和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般
由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成
容器本体。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内
件。压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火
而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
2. 我国在用压力容器安全现状
我国现有在用压力容器6800万台(其中固定式176多万台)。它们
大多数是在高温、高压、低温、疲劳及腐蚀性介质等苛刻工况下运行。
安全使用寿命长的可达20年以上,短的只有几年甚至几个月。粗略估计
一下,若能将每台设备的寿命平均延长两年,每台设备的平均寿命按15
年计,则相当于制造安装新设备17万台,可为国家节约资金达百亿元。
在用压力容器往往存在着各种焊接缺陷、结构缺陷、材料缺陷、使用
时产生的裂纹、腐蚀、磨损等,再加上长期超期服役造成的材料损伤,
潜在危害性极大。这些设备及隐患若不及时研究处理,继续盲目使用,
必将成为爆炸事故的主要根源。在用压力容器存在的失效主要有脆断、
疲劳、腐蚀、冲蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀以及腐蚀疲劳等形体式,一旦
发生事故将会对人民生命财产安全造成极大的危害,因而世界各国都相
当重视。
3. 压力容器技术进展
随着冶金、机械加工、焊接和无损检测技术的不断进步,特别是计
算机技术的飞速发展,在压力容器技术领域也取得了相应的进展。国际
标准化一体化随着全球经济一体化的逐步发展,压力容器标准国际化的
趋势已经越来越明显。欧洲议会已于1997年5月正式批准了统一的压
力设备指令(PressueEquipementDirective)该指令于1999年11月引入欧
盟成员国的法规,于2002年5月在欧盟内强制执行。欧洲标准化委员会
(CEN)现正在采取积极行动,试图将欧洲标准上升为国际标准。美国和
日本等一些国家为了争夺国际市场,也在采取积极的措施加速国际标准
的制订。设在美国的秘书处ISO/TC11已多次召开会议,并已经提出了
ISO15386国际锅炉压力容器标准草案。其主要内容为国际标准的基本
要求、质量体系的要求、结构安全性的要求以及各国标准成为国际标
准的注册认可程序等。1914年美国制定了世界上第一部压力容器标准,
材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。直到1943年,英国压力容器标准
选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。为保证压力容
器安全,确定材料许用应力值时,同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更
为合理。奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性,为充分
发挥奥氏体不锈钢材料优良性能,选取奥氏体不锈钢材料许用应力。
目前,确定压力容器材料许用应力值一般取
min{σs/ns,σb/nb,σD/nD,σn/nn}。其中,σs,σb,σD,σn分别为材料的屈服强
度、抗拉强度、蠕变强度，和疲劳强度,在大多数工况下,压力容器材料
主要考虑屈服强度和抗拉强度,在一定条件下,才需考虑材料蠕变强度
和疲劳强度;ns,nb,nD,nn为安全系数。安全系数主要取决于人们对客观
规律的理解程度和设备发生事故的危害程度,压力容器安全系数的选取
建立在经验基础上,随着理论研究和科学实验的进步,在保障压力容器
安全性前提条件下,为节省材料和经济考虑,压力容器安全系数有降低
的趋势。
4. 影响压力容器安全可靠性的几个因素
4.1 设计参数
设计参数的确定是压力容器设计工作的前提和基础,也是决定压力
容器安全运行的关键因素。因此,设计者要特别予以重视。压力容器设
计参数所涉及到的内容较多,但最关键的参数为设计压力、设计温度、
介质特性(包括易燃、易爆、毒性和腐蚀性能等等)。这些参数选择的合
适与否,直接影响压力容器的使用可靠性和设计的经济性。
4.1.1 设计压力
对于压力容器来说,一般根据最高工作压力来确定,另外还应根据
系统特性,如有无安全阀,有无泄放装置,是否在泵出入口,设备特性是否
属真空、外压操作等应综合考虑,可根据化工行业设计标准,如
HG20580-1998规定确定设计压力。
4.1.2 设计温度
影响压力容器安全可靠性设计的另一个重要参数--设计温度,它是
指容器在正常工作情况下,设定的元件的金属温度。它与操作时介质温
度及环境温度有关,它的选择正确与否将直接给容器选材带来至关重要
的影响。当容器处于低温时,若没有考虑它的低温影响,将会导致选取材
料低温韧性不足而引起的脆性破坏。当容器处于高温状态,若设计温度
选取不合理,也会导致选材不当而引起的安全性不足或者浪费等现象。
我国压力容器的有关设计标准规定了对有不同温度工况下的容器,应按
最苛刻的工况设计,并在图样或相应技术文件中注明各工况的温度值。
4.1.3 介质特性
介质特性是压力容器设计中与安全有直接关系的又一个重要因素,
因此我国保证容器安全的法规性文件《容规》给予了特别的重视,大量
条文作了详细的硬性规定。为确保《容规》正确执行,国家对有毒介质
分类、化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类都制定了专门规范,只要
正确执行是可以保证安全的。
4.1.4 其它因素
除了要准确掌握工作压力、温度及介质特性等参数外,对用户的压
力容器使用管理水平也应有一些了解,因为管理水平的高低直接影响着
压力容器的安全运行。因此,设计人员在确定设计参数时应该考虑到这
些情况,在为这类企业设计压力容器时,技术要求中明确限定条件,从而
确保压力容器安全运行。