摘要：压力容器是现代化工生产的关键部分，对化工生产具有直接的影响，如果压力容器的安全性和功能性不能得到保障，必然会制约相关产业的发展和进步。压力容器在实际的使用过程中，会受到环境和压力容器使用工况等因素的影响，导致失效模式产生，其中断裂、泄漏、过量变形和失稳等为主要失效模式。基于失效模式的在役压力容器检验，可以有效提高检验人员的检验效率和质量，也使得压力容器使用安全可靠性得到明显改善，减少不良因素对其运行状态的影响，规避安全隐患，从而给社会经济、企业生产带来极大效益和价值。
关键词：压力容器；失效模式；检验
1失效模式分析
目前在用的压力容器中，失效模式比较常见的可以大致分为变形、失稳、断裂、腐蚀失效等等，具有多种表现形式：1、韧性断裂，即材料在断裂发生前一般发生显著的塑性变形，并在完全变形后发生断裂；2、脆性断裂，是在较低应力下发生的突然快速断裂，其发生于只有轻微或基本没有塑性变形的材料；3、疲劳，即在循环机械载荷作用下，材料在一处或几处产生局部永久性累计损伤而产生裂纹的过程；4、冲蚀与腐蚀，冲蚀是固、液、气及其混合物的运动或相对运动时，引起金属表面材料的移除现象，而金属材料中腐蚀是一种最常见的失效模式，是一种不可抗拒的自然现象，其种类复杂多样，若根据自然环境分类可包括海水、大气、微生物、土壤及碱腐蚀等，在压力容器腐蚀失效中，应力腐蚀、腐蚀疲劳和氢致开裂等的占比超过50%，则较为严重；5、蠕变，即在低于屈服应力的载荷作用下，高温设备金属材料随时间推移下缓慢发生塑性变形的过程。由于存在各种各样的失效方式，需要采取不同的方法进行检验，这就对检验人员的工作提出了更加严格的要求。
2压力容器风险评估的基本过程
2．1压力容器的风险分析
压力容器失效：即在规定的使用环境和寿命期限内，由于其材料性能、容器结构尺寸等方面发生变化，完全失去原设计功能或未能达到原设计要求，而不能正常使用的现象。由于压力容器本身的特殊性，其受压元件、安全附件等设计有可靠性功能的部分，是导致危险发生的关键因素。压力容器结构的强度、刚度、密封性、稳定性、耐蚀性任何一个环节出现失效，必然会引发潜在危险，带来爆炸、中毒、环境污染等严重后果。因此，在对压力容器的风险评估分析过程中，需要针对危险源种类、风险评价准则、风险后果、风险控制措施等方面进行确认和建立。例如：腐蚀减薄、金相组织变化、机械损伤等方面问题带来的断裂、变形、破损等情况，会直接对危险源区域所在的人员带来危害，以及其他的破坏、损失。
2．2设计阶段应关注的压力容器失效模式
压力容器设计阶段，要考虑的失效模式主要指脆性断裂、韧性断裂、蠕变断裂、弹塑性失稳及疲劳失效、泄漏和腐蚀；设计思路方面，主要有弹性失效、弹塑性失效、塑性失效、爆破失效、疲劳失效、失稳失效等准则。当然基于不同材料的设备，在各种使用工况下所要考虑的失效模式的侧重点也有很大差别。比如在低温容器设计过程中，就必须要考虑到脆断失效；高温容器，则需对蠕变失效加以考虑；不锈钢压力容器则对应的是腐蚀失效。
2.2.1风险分析计划内容
在对压力容器失效风险分析计划过程中，应当从表1几个方面进行充分考虑。
表1压力容器风险分析计划表
表格中涉及到的风险主体来源，实际上就是从风险子项来源、危害项目、时机、判断衍生，比如：压力容器风险主体来源有以下几个方面：压力容器、配套设施、安全附件、使用工况、介质特性、作业人员状况、环境因素、操作规范等。
每种风险主体来源都需要进行细分处理，这能对风险子项来源加以确定，比如压力容器自身所带来的相关风险，依据这部分风险列出设计条件、设计标准、材料零部件、结构分析、制造工艺、制造特殊要求、检验、子项要求等，最后对子项中任何存在的风险进行分析整理，指出其中存在的危害项目、时机，从而针对危害可能性、危害程度进行断定。
事实上，上述的方法只属于定性分析法，在设计压力容器过程中，还要依据法律法规、安全标准、工程经验等，以此对危害所可能产生的要素进行检查，如果说要对某项危险因素的存在进行否定，必须要提出充分依据、理由。
2．2．2定性风险评价依据
随着风险工程学研究持续深入，将安全指标SI值当做风险可接受准则基础，通过定量分析措施，将失效概率当做风险的接受准则，这是目前压力容器设计行业中所存在的难点。
在压力容器的风险评估中，需要有评估准则和标准，例如：采取规则设计措施标准，来针对材料呈现出的许用应力最小安全系数进行确定，这属于常规风险评价措施；依照我国所施行的相关管理标准以及规范评价风险危害，也属于常用的评价依据。
2．2．3危害要素或失效模式及其形成原因(表2)
表2失效模式成因表
对压力容器所存在的危害要素进行确认以后，需要根据压力容器自身的结构强度、刚度、稳定性、特殊性能、安全附件可靠性，通过ISO／CDl6528给出3大类、14种失效模式，按照《承压设备损伤模式识别》标准，进而将失效模式所对应的失效机理进行全面分析，找出设备、设施、材料、安全附件、环境因素等直接、间接带来的失效原因，通过表2来进行失效模式阐述。对压力容器设计过程中，务必要考虑到任何可能出现的失效模式比如压力容器自身的最大应力、应力组合是否出现屈服，外压压应力是否已经到达失稳临界点，腐蚀失效对于厚度减薄的影响等。
2．2．4消除或降低风险的措施
表2中所涉及到的危害项目，针对压力容器主要失效模式：爆炸、断裂、泄漏、腐蚀、损伤、过量变形和材质劣化等情况，要从设计、制造、使用、改造、维修以及预防外来损伤方面进行控制管理。
例如：一台180 m3规格的柴油加氢反应器，其中所存在的介质是氢气、硫化氢、柴油，其设计使用温度为430℃，压力为9．2 MPa，12Cr2MolR是主要受压元件材料。按照其使用介质特性、工况，先将风险来源主体、子项目进行仔细分析后，对变形、破损、泄露、爆炸等风险子项目加以对照确认，如此便可以让危害部位得以确认，其损伤模式则为：
均匀腐蚀、高温氧化、应力腐蚀；短时延性破坏、长时蠕变破坏、蠕变疲劳、过度变形、逐渐趋向于结构坍塌；压力容器用材料的石墨化、回火脆化等金相组织变化等；氢致裂纹、应力导向型氢致裂纹、应力腐蚀裂纹等。
2．2．5风险评估报告内容
风险评估报告内容应该包括：基本设计参数、主要操作条件工况的描述及设计工况条件下可能发生的危害以及损伤模式和预防措施；标准上规定的失效模式，要对使用条款加以说明；标准中不存在的失效模式，要考虑设计载荷和安全系数；对介质的性质以及在使用过程中发生少量、大量泄漏、甚至爆炸的处治要进行规定；移动式压力容器还要规定交通事故处治措施，并应对相关人员提出作业要求，并且配备相应的防护设备，以做好必要的防护措施。同时还应对建造过程中的损伤及预防措施加以规定。
3结束语
对于压力容器来说，由损伤引起的承载能力降低，可能会出现从小孔泄漏甚至到完全破裂的现象，这就是人们常说的压力容器失效。这些问题的出现不仅会缩短容器的使用寿命，还会造成严重的安全隐患，必然会对工业生产造成严重地影响。因此，做好压力容器检验工作至关重要。上文中，笔者主要对压力容器的失效模式进行分析，并且在此基础上提出科学的检验方法和方案，仅供参考。
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论文作者:石鼎宇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
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