壓力容器定期檢驗缺陷分析研究

謝屹鵬，周 波

（河南省鍋爐壓力容器檢驗技術科學研究院，河南 鄭州 450016）

1 前言

隨著現代工業的快速發展，壓力容器正在向大型化、復雜化、高參數、嚴工況方向發展。壓力容器中儲存的介質常具有易燃易爆以及毒性程度為極度高度危害的特點，一旦壓力容器出現失效，不僅使壓力容器本身遭到破壞，嚴重的將發生泄露、火災、爆炸等事故，進而引起生產停頓、人員傷亡、財產損失、環境污染等災難性后果。關于壓力容器的安全問題，尤其是針對壓力容器缺陷的檢驗檢測與安全評估研究，目前已引起廣泛關注。

為進一步提高檢驗工作質量，掌握壓力容器缺陷的分布規律，在檢驗工作中更加合理、有效地確定壓力容器的損傷模式并檢出缺陷，按照《特種設備安全法》、《特種設備安全監察條例》、《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG 21—2016）（以下簡稱“《固容規》”）的相關要求，某省級特種設備檢驗機構在某年度開展壓力容器定期檢驗16 752 臺（僅收集固定式壓力容器），針對其中發現5級［1］（安全狀況等級為5 級的，檢驗結論為不符合要求，應當對缺陷進行處理，否則不得繼續使用）缺陷的380份壓力容器定期檢驗報告進行統計，統計內容涉及壓力容器類別、使用壓力、使用溫度、使用介質、使用年限、缺陷性質、檢驗方法、缺陷位置及程度、是否為《固容規》重點檢驗部位等多個方面內容，為今后的檢驗檢測工作提供有價值的參考和指引［2］。

2 5級缺陷設備分析研究

2.1 5級設備類別統計分析

5 級設備按容器類別從I、II 類、III 類和球罐設備的占比進行分析，可以看出球罐被評定為5 級的比例最高，且多為焊縫裂紋缺陷，這是因為球形儲罐體積巨大，現場組裝焊接時多采用手工焊，且焊縫為全位置甚至分多層進行焊接，受現場環境條件及焊接過程中人工的操作因素的影響，焊縫易出現錯邊、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和裂紋等焊接缺陷，導致形成應力集中、易引起裂紋甚至開裂等情況，因此在進行球罐定期檢驗時要特別注意應力集中部位，提高缺陷檢出比率［3］。

而I、II 類和III 類常規壓力容器中，III 類壓力容器被評定為5 級的比例高于平均比例水平，原因主要是多數III類壓力容器使用年限較長，且無法引起使用單位重視，導致設備維護不及時，容易產生嚴重缺陷。另外，III 類壓力容器的數量遠小于I、II 類壓力容器的數量，但危害性要大于I、II類壓力容器，該年度發現的定期檢驗中III 類壓力容器的占比高于I、II 類壓力容器，說明在檢驗中發現了較多的安全隱患，因此今后定期檢驗中要對III類壓力容器引起足夠重視，避免漏檢，造成不良后果，見圖1。

圖1 5級設備容器類別所占比率圖Fig.1 Category ratio diagram of Level 5 equipment containers

2.2 按壓力容器品種分類

不同品種的壓力容器工作條件不同，可根據《固容規》附件A 第A4 條將壓力容器分為反應壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器和儲存壓力容器。處于生產工藝不同位置的壓力容器的工況不同，容易滋生的缺陷不同，缺陷的危害程度不同。按容器品種進行分析，可以看出，儲存壓力容器和分離壓力容器占據5 級設備的比例較大，比例分別為34.21%、29.21%，見圖2。

圖2 5級設備容器類別分布圖Fig.2 Category distribution diagram of Level 5 equipment containers

從圖2 可以發現由于儲存容器和分離容器設計、工作介質和工況較為復雜，易受沖刷和腐蝕，導致發現的5 級設備占總數的絕大部分；反應容器由于總量較少，發現的5 級設備也較少，占比較小，因此在以后的檢驗中要對分離容器和換熱容器引起足夠的重視。

2.3 壓力容器使用年限統計分析

對使用年限進行分析研究，可以發現，使用壽命在10 a以內的壓力容器有260臺，占到5級壓力容器數量的68.42%，見圖3，尤其是使用壽命在5 a 以內的壓力容器有167 臺，將近占到5 級壓力容器總數的1/2。

圖3 5級設備不同使用年限統計分布圖Fig.3 Statistical distribution map of different service life of level 5 equipment

出現這種現象存在兩方面的原因，一方面是設備出廠時存在缺陷或設備的設計工況與使用單位的使用工況不符，另一方面是使用單位內壓力容器安全管理人員疏于管理、麻痹大意，或缺乏相關管理維護知識。這就要求檢驗人員一方面在檢驗時多與現場安全管理人員交流相關壓力容器安全維護知識，另一方面也要求在現場檢驗時不可因為某個壓力容器使用時間較短、壓力容器較新就疏忽大意，造成漏檢。

2.4 缺陷類型分布統計分析

根據《固容規》第8.5 條對缺陷的等級評定進行的詳細規定，可將5 級壓力容器產生的缺陷歸納為材質缺陷、結構缺陷、裂紋、變形（機械接觸損傷、工卡具焊跡、電弧灼傷）、咬邊、腐蝕、錯邊量或棱角度超標、埋藏缺陷、分層、鼓包、真空度及日蒸發率超標、耐壓試驗不合格、其他（強度不合格、泄露、氣孔等）13 類。另外，根據《中華人民共和國特種設備安全法》第二十三條的規定，存在未經告知私自改造，并且未能提供改造資料的設備定為5 級，報告中也將私自改造作為一種缺陷情況進行分析；由于其他缺陷類型中強度不合格、泄漏、氣孔數量較多，因此也單獨列出進行分析，各類缺陷分布情況見圖4。

圖4 5級壓力容器缺陷類型分布Fig.4 Distribution of defect types in Class 5 pressure vessels

對裂紋缺陷，重點分析了內外表面的母材、熱影響區、焊縫部位，并明確了裂紋位于熱影響區和焊縫的環縫、縱縫、角焊縫及管焊縫區，從圖4可知，裂紋是造成壓力容器定為5級的重要原因。發現存在裂紋缺陷的壓力容器有200 臺，占5 級缺陷壓力容器總數的52.63%；私自改造71 臺；強度校核不合格45 臺；發生泄漏的有21 臺；產生埋藏缺陷的壓力容器有6 臺；發生腐蝕的有10 臺；發生變形的有8臺；發生鼓包的有7 臺；其他情況（如未熔合、未焊透、圓形缺陷、針孔等）的壓力容器有33 臺，存在氣孔缺陷的有4 臺；存在結構缺陷的有4 臺，發現咬邊和錯邊量或棱角度缺陷的分別有3 臺、4 臺；在今后的檢驗工作中針對不同缺陷出現的情況予以重視。

2.5 缺陷存在與《固容規》劃定的檢驗重點一致性分析

對缺陷存在情況進行統計分析，可以看出，有近2/5 的設備缺陷出現的部位在《固容規》劃定的檢驗重點范圍內，因此在以后的檢驗過程中應依法依規重點、認真檢驗。但是，也有超過3/5 的5 級設備缺陷出現的部位不在《固容規》劃定的檢驗重點范圍內，占比較大，見表1。

表1 缺陷存在與《固容規》劃定的檢驗重點一致性統計表Tab.1 Statistical table for consistency between the existence of defects and the inspection key points defined in the《Fixed Capacity Regulations》

因此，在進行壓力容器定期檢驗時，不能機械地按照《固容規》規定的材質、重點部位等要求進行檢驗，除了《固容規》劃定的重點檢驗范圍，檢驗人員還應根據容器的結構、介質、材質、運行條件等因素，充分分析容器可能產生的損失模式，盡可能增加可檢部位的檢測比例，尤其是開孔、接管等結構不連續的、私自修理改造的部位等應重點檢驗，以提高缺陷的檢出效率。

2.6 裂紋位置統計分析

壓力容器的低應力脆斷幾乎都起源于裂紋。裂紋按其在構件中所處的位置可分為穿透裂紋、埋藏裂紋和表面裂紋，分布在A 類焊接接頭、B 類焊接接頭、C 類焊接接頭、D 類焊接接頭和其他等，裂紋是在用壓力容器的重點檢驗缺陷?？紤]到內表面裂紋與儲存介質直接接觸，外表面裂紋與大氣接觸，裂紋一旦產生就極易發生擴展，危害極大，因此應予以足夠重視。

從圖5可知，5級缺陷發生在B 類焊接接頭上的比例較高，為113臺。B類焊接接頭與A類焊接接頭相比，B 類焊接接頭的周向薄膜應力是A 類焊接接頭周向薄膜應力的1/2，統計分析結果可以看出一次應力較低的位置也易產生缺陷；D 類焊接接頭發現的裂紋數量緊隨其后，這是由于嚴格按照要求依法依規檢驗，按《固容規》的要求對每一臺設備的重要接管部位均進行檢驗和檢測，因此發現了較多的裂紋；C 類焊接接頭中的裂紋數量要明顯少于A 類和B 類焊接接頭，這與受力情況不同及C 類焊接接頭的數量小于A 類、B 類和D 類有密不可分的關系；其他發現裂紋的位置為安全閥、缸體、母材等，因此在檢驗中要認真進行宏觀檢驗，盡可能多地確定表面和埋藏缺陷檢測部位，因為所有受壓部位都有產生缺陷的可能。裂紋的產生原因與壓力容器材質、結構、應力分布有關，檢驗過程中，檢驗人員需要結合壓力容器材質、焊接等制造工藝、使用環境等因素綜合分析研究，確定重點檢驗部位。

圖5 不同焊接接頭裂紋數量分布Fig.5 Distribution of crack numbers in different welded joints

2.7 缺陷檢驗檢測方法分析

《固容規》第8.3 條規定壓力容器定期檢驗的項目以宏觀檢查、壁厚測定、表面缺陷檢測為主，必要時增加埋藏缺陷檢測、材質檢查、密封緊固件檢查、強度校核、安全附件檢查、耐壓試驗、泄漏試驗等項目。針對5級壓力容器的缺陷檢驗檢測方法進行分析，發現表面無損檢測、宏觀檢查和壁厚測定是檢驗5 級缺陷的主要方法，也是發現表面裂紋最為有效和可靠的檢測手段，符合《固容規》中的檢驗方法以宏觀檢查、壁厚測定、表面缺陷檢測為主的規定。此外有11 臺壓力容器是通過超聲檢測發現埋藏缺陷，1 臺壓力容器是通過射線檢測發現埋藏缺陷。常見檢測方法見圖6。符合固容規中必要時增加埋藏缺陷檢測、材質檢查、密封緊固件檢查、強度校核、安全附件檢查、耐壓試驗、泄漏試驗等項目的規定。

壓力容器使用過程中主要存在腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化、機械損傷四大類原因造成的缺陷損傷。上述不同原因導致的壓力容器缺陷，應分別采用不同的檢測方法。對于腐蝕減薄應采用宏觀檢查和壁厚測定；對于環境開裂應采用宏觀檢查和表面無損檢測；對于機械損傷應采用宏觀檢查和表面無損檢測；對于材質劣化應采用材料分析、硬度檢測、金相檢驗和表面無損檢測等方法。

宏觀檢查、壁厚測定、表面無損檢測這三種檢驗項目，可以覆蓋除材質劣化外的大部分損傷缺陷的檢驗。這三種檢驗項目是壓力容器檢驗常規的檢驗項目，可以檢出壓力容器的絕大多數缺陷。在此基礎上，有針對性地補充采用超聲波檢測、射線檢測、硬度檢測、聲發射檢測等方法，可以更加準確、有效地判定缺陷的性質和產生原因，判斷壓力容器的安全性，合理評價其安全狀況等級。

2.8 缺陷壓力容器材質統計分析

分析研究產生5 級缺陷壓力容器的主體材質，發現材質為Q235B 的壓力容器有98 臺，材質為16MnR的壓力容器有81臺，材質為Q345R的壓力容器有55 臺，材質為0Cr18Ni9 的有6 臺，材質為20 g的為13 臺。其中，Q235B、16MnR 及Q345R 三種材質占全部材質的61.58%，見圖7。

圖7 不同材質缺陷壓力容器數量統計Fig.7 Statistics on the number of pressure vessels with defects in different materials

可以看出，低合金鋼是制造壓力容器的主流材質，高合金鋼應用范圍還不廣泛，主要還是價格導致，隨著經濟的發展，高合金鋼價格下降后，使用范圍會更廣泛，設備的安全系數會更高。

3 總結

1）使用壽命在10 a以內的壓力容器將達到整個判廢壓力容器比例的1/2。這種現象應引起檢驗人員的足夠重視，使用年限短不代表設備出現缺陷的概率就低；

2）Ⅰ、Ⅱ類壓力容器占5 級缺陷壓力容器總數的84.47%左右，在以后的檢驗中不可因危害小而忽視I、II類壓力容器的缺陷檢測；

3）無損檢測（特別是表面無損檢測）和宏觀檢驗是發現重大缺陷的主要方式，這也提示檢驗人員在進行宏觀檢驗時，一定要認真細致，確保部位不漏檢；在委托無損檢測時，盡量選擇有豐富檢測經驗的無損機構和檢測人員，確保缺陷不漏檢；

4）在檢驗過程中，對《固容規》劃定的重點檢查部位應認真檢驗，但不可因檢驗部位不在《固容規》劃定的重點檢查部位范圍內，放松警惕，甚至漏檢，錯過一些缺陷，留下安全隱患；

5）裂紋仍是5 級壓力容器缺陷的主要形式，另外私自改造的情況也在不斷增加，應引起足夠的重視，在為使用單位服務的同時，也要向其特種設備管理人員宣貫相關的法律法規，特別是在使用管理方面的規定；

6）A 類焊接接頭、B 類焊接接頭、C 類焊接接頭和D類焊接接頭上均發現了裂紋，其他部位，如安全閥接管、母材、缸體等部位也發現了裂紋，這表明所有受壓元件的焊縫和其他部位均有出現缺陷的可能，因此要全方位檢驗。