超高压容器的典型事故案例和对策分析

5 2 中 国机械 工程学 会压 力容器 代表 团赴苏 联考 察技术 报告 2 9枷 理 方 法 强化 技 术 苏联在 化工 机械 中较多地采用物理方法 如 声振动、冲击波 、电场 、磁场 、激光照射等方 法强化化工机械 的性 能 。如苏联化工机械研 究 总院用声振 动开发 了 F A P T型 流体 动力声迥 转 混和器 、y r c型超声流体动力 混和 器 ， AF型声 振动造粒器 ，超声离 心机 等 。 声振动造粒器 用于尿素、硝铵等化肥的造 粒 ，也可用 于染 料等的造 粒 。造粒时利用声振 动可控制改 变所 造粒 度的大小 。利用声振动造 粒可将物料 完全造成为颗粒 ，造粒过程没有物 料损失 并且粒度很均匀 。苏联化工机械研究 总院 已研 制出六种定型 的声控造粒器 ，其 产量 为 6 3 5 t h 。该 技术 已取得 美 国 与法 国的专 利 ，并 出口到 日本用于改造 旧的尿素造粒 塔 。 3 建 议 1 代表 团在考察过 程中与苏联五个科研单 位和 工厂签订 了今后 加强合 作的纪要 ，其 中苏 联化工机械研 究院还提 出了与中国台肥通用机 械 研 究 所 建立 双 边技 术合 作 关 系 的协 议( 草 案) 今后 国内有关单位应 充分 利用这些关系 ， 加强与苏联的技术合作 2 苏联的石油化学工业 与氮肥工 业等主要 是在 自力更生基础上发展起来 的 ，因此其化工 机械 的科研力量很强 ，尤其是对 基础性研 究很 扎实 。我 们应 当利 用当前苏 联对 外开放 ，苏联 人 民对 中国友好 的关 系 ，以及去苏联考察或学 习的费用较低 等有 利因素 ，派人去苏联学 习一 些 国内化 工机 械发展急需的基础研 究工作 ，或 与苏方共 同进 行合作研 究开发一 些国内急需的 新 产 品 。 3 对苏联 比较 先进 ， 而国 内无基础 的技 术 ， 如膜分离技术 、声 振动 尿素造粒器等可考虑从 苏联引进技术 。 4 代表 团带 回的压力容器标准等资料 ， 应 采 用复 印 、翻 译 出版等 方 法提 供 国 内广 泛 使 用 。 超高压容器 的典型事故案例和对策分析 Typ i c al Fa i l ur e s Anal ys e s and Th e i r Count e r m e a s u r e s of Su p er Hi g h Pr e s s ur e Ve s s e l s 浙江大 学 郑 津洋朱国辉黄载生 Thi s pape r gi ves many t yp i c al f a i l ur e s and s om e c om m onl y a dopt e d s af e t y t ec hni que s of s u p e r h i g h p r e s s u r e ve s s e 1 s A s e l f p r G t e c t i v e s u p e r h i g h p r e s s u r e ve s s e l w h i c h c a r l c ha n g e b r i dl e f a i l ur e m o d e i s a l s o p r e s e n t ed i n t h e h o p e t h a t i t m a y b e o f u s e t o d e p a r t m e n t c o n ce r ned 主题词 ： 超高 压容 器失效 分析安全技术 由于结构 、材质、设计 、制造、检验和使 用等方面的原因 ，国内已发生多起超高压容器 爆炸事故 。为杜绝 类似 事故 的发 生 ，从根 本上 提高超高 压容器 的运行 安全性 ，本文在综 合分 压力容器第 g卷 第 4期 维普资讯 析国 内外多起超高压容器典型事故案例的基础 上 ，简 要地总结了常用的安全技术措施 ，并提 出 已为实验证实 的能够改变超高 压容器脆性破 坏形 态的 自保护式超高压容器 ，供超高 压容器 的使 用厂家 、制造单位和安全检测部 门参考 1 。典型事故案例 1碱 脆 引起 的 破 坏 某 厂 的一 台 内径 为 3 0 0 ram、工 作 压 力 为 l 5 0 MP a的超 高 压水 晶釜 ，运行 过 程 中突然在 距底平 面 约 1 7 0 mm 处横 向断 裂 ，整个 釜竖 直 冲破 房顶飞 出 ，倒落在二楼板上 ，并将 附近 的 两 只 高 压 釜撞 坏 。 事故 后检 查釜 内壁没有 发现 明显 的腐 蚀 ， 也没有超 压的迹象( 防爆 帽没有 爆破 ，事故前 l时 5 2分 的操作记录 压力 为 1 3 3 。3 MP a ，温度 为 3 6 9 。 5 “ C) ， 断 口上有 明显的裂纹 扩展 区和 断 裂 区 。其 内面有一圈加工突台 ，由此产生的应 力集 中 ，加上高温及氢氧化钠 的富集是导致该 釜产 生碱脆破坏 的主要原 因。 1 2材 质 差 和 漏 检 引起 的 破 坏 某 厂 一 台 材 质 为 3 4 C r Ni 3 Mo V A、 内径 为 2 8 0 mm、 工作 压力为 1 4 0 M P a的超高 压水 晶釜 ， 水 压试验 中，当升 压到 1 3 5 2 MP a时发生严 重 炸裂 事故 。超高压水晶釜釜体裂块形状似 “ 船 形 ” ， 裂 块断面呈脆性特征 ， 断面 内壁 处有 多个 圆形和椭圆形平台，釜体内壁有多条裂纹。经 分析 ，钢中自点的存在和超探时内壁缺陷的漏 检是引起该釜脆性破坏的主要原因。 1 。 3控 制 装 置 失 灵 引起 的 破 坏 某 厂 一 台 内 径 为 2 4 0 ram、工 作 压 力 为 1 5 0 MP a的超高压釜 ，在运行过程 中发 生爆 炸 ， 釜体下部 严重开裂 ，是典型的韧性破坏 。测温 装置 失灵是该釜爆炸的主要原 因 。 1 ： 4 应 力腐蚀 引起的破坏 某 厂 一 台 材 质 为 P C r Ni 3 M( V A、 内径 为 2 5 0 mm 设 计压力 为 l 8 0 3 MP a的超高 压水 晶 釜 ， 在洗 釜运 行 中，当压力达 到 1 5 2 。 4 MP a时发 生爆炸 。 爆 炸后的釜体 上有一条纵 向穿透裂纹 ， CPVT V 8 N o 4】9 9 5 3 釜体 无明显变 形 。经分 析 ，该釜 的失效主要是 在 3 8 0 “C高温下 由于 氢氧化钠 引起 的应力腐 蚀 开裂所致 ，该釜体钢材虽 经锻造 ，但其晶粒仍 较 粗大 不均 ，树状 晶明显 ，材料韧性 与断裂韧 性 值均较低 1 。 5韧性 不足 引起 的 破 坏 英 国 某 研 究 室 设 计 的 一 台 操 作 压 力 为 7 0 0 MP a的水增压 器 ，开 始选 用的是 强度 极限 不太高 ， 但韧性和 冲击 强度较高的 E N2 5的钢 ， 由于 制造厂认为这种钢强度 不够高 ，又想省去 自增 强 处 理 ，因 而 选 用 了 强 度 极 艰 超 过 1 5 0 0 MP a的钢 ， 结果水压试验时 ， 在 约 5 8 6 MP a 的 压力下发生了断裂事故 ，增 压器 从一端 裂开 到 另 一端 。 1 。 6装 拆 不 当 引起 的破 坏 某 厂一 台 内径为 2 4 0 mm 的 超高 压釜 ，采 用三瓣卡箍密封结构 ，使用 中因装拆 不当使卡 箍连接螺栓断裂而导致 密封 装 置整体 失效 ，使 三 瓣卡箍 、 上法 兰 、 密封 塞脱 离釜体 四处飞散 1 7 化 学 反 应 引起 的破 坏 某厂 的超高压聚 乙烯反 应釜 ，由于 乙烯 在 高 温 ( 3 5 0 )高压 下分解成 炭黑和氢气使得釜 体 内气体 体积膨胀 ，同时放 出热量 ，使 防爆 片 突然破裂 ，引起 釜 内炭黑 向外喷射 。 1 。 8严 重 应 力 集 中 引起 的 疲 劳 破 坏 某 研究所一 台内径 为 3 0 mm、工作压力 为 1 5 0 MP a的等 静 压超 高 压容 器 ，工 作 不到 4 0 0 个循 环 ，就在顶部首牙处应力集 中严重部位横 断破 坏口 。 1 。 9热 处 理 不 当 i l 起 的 破 坏 美 国 某 实 验 室 设 计 的 一 台 材 质 为 A I S I 4 3 4 0钢的等静压超高 压容 器 ，设计 压力为 4 1 4 MP a ，内径为 1 0 2 ram， 外径为 3 0 5 mm， 盲底 厚 为 1 1 4 m m，顶 部用抗剪销承 受轴 向力 。水压 试验过 程中 ， 当压力 升至 5 6 6 MP a时 ， 该 容器 突 然沿筒体纵 向裂开 ，破 口完全呈 脆性特 征 。经 分析 ，导致 该容器脆性失效 的主要 原 因是 由于 未按合理 的工 艺进行 热处理 ，致使材 质性 能无 法满足设计要求 。 维普资讯 5 4 压窖器 的典型 事 1 1 0其它原 因引起的破坏 英 国某 实验 室的一 台内径为 5 1 mm，外径 为 3 0 5 ra m 的超高压容器 ， 在 自增强过程中， 压 力 达 1 2 4 0 MP a时 ，有一 引线 密封 头高速 飞出 ， 造成较 大的损失 其原 因是引线密封头材料 的 硬度没有达到设计 的要求 。 2 安全对策 2 1合 理 选 材 把材 料的塑性 放在 首位 ， 强度放在第二 位 。 设计 时对材料的化学成分 、热处理工艺 、强 度 极 限、屈服极限、延伸率 、截 面收绾率 、却 贝 V型缺 口冲击强度 、 断裂韧性 、 硬度 、 各种试 样 的取样位置、方向和数量、非金属夹杂物等级 ( 特别是 氧化物 和硫 化物 ) 、晶粒 度及 低倍 组织 等级和无损探伤要求等作出明确的规定。必要 时还应对材料 的疲 劳强度 、持久强度 、蠕变极 限及应 力橙弛 特性提 出相 应的要求 ” 2 2精确 设 计 要 求超 高容器的爆 炸压力和 内壁初 始屈 服 压力 ，以及筒体具有几何不连续处 和重要 零部 件的应力计算值与实测结果吻合 良好。对承受 交变 载荷 或频 繁间歇操作 的超高 压容 器 ，须正 确 计算其疲 劳寿命口 。 2 3 严 辖 制 造 确保超高压容器内壁光洁、内径和外径同 心、几何不连续处过渡圆滑，使计算结果与实 际应力水 平一致 ”。 2 4安 全 设 施 齐 全 在发展压力表、安全阀、防攥帽等安全附 件的同时 ，采用防爆保护架( 波 纹钢 带保 护式 结构和长螺栓保护式结构)和保护壳，以防止 超高压容器 在操 作条 件下 因各 种原 因引起裂纹 扩展 而发 生脆性破坏 】 0 。 2 5定期 检验 开孔 、退 刀槽 、冲蚀 、腐蚀 、不合理 的操 作和维护等都会降低超高压容器的使用寿命 ， 故使用过程中必须进行定期检验，检验时间问 隔除了应符合国家已颁发的技术法规外，还可 按最大可能的鞭检缺陷尺寸和实际的原始缺陷 尺寸 ，利用断裂力学理论来确定。检查时应特 别注意原始缺骼的扩展情况 ，一旦发现缺陷扩 展 ，应按 实际情况 酌情处理 i 1 3 。 2 6 合 理操 作 和 维 护 制定相应 的操作规程 和维 护说明书 ，要求 操作人员对超高压容器的 构、性能、介质状 况 、操 作程 序的规程 以及应急措麓有全面 的了 解 ，并能正确操作，严禁非操作人员操作超高 压容器咖。 上述各项措蘸虽能提高超高压容器运行的， 安全性，但都不能或很难从根本上改变容器的 破坏方式 。 3 安全运行的技术关t 、 通过 上述 分析 ，不难发现最 终破 坏形式大 体上可分为超强度破坏和裂纹扩展引起的低应 力脆性破坏。 实践证明： 辅确设计 仔细选材、 严格制造、可靠检验与严格使用操作等措簏是 可以避 免因超温 、超压和化学 爆炸引起的超强 度破坏的。然而 ，原始制造缺 陷以及 由于疲劳 载荷作用、应力腐蚀 、化学腐蚀、碱臆和高温 蠕变等原 因形成 的裂 纹 ，在正常使 用条 件下也 会 引起快速扩 展造 成灾难性 的事 故 ( 上述 案例 中多属 于这 一类 ) 。 为避免超高压容器发生低应力脆性破坏， 国际上常采用两条技 术途 径 ：即单层和多层 自 保 护式 。前者是通过选择 强韧性匹配 良好的材 料 ，使单层超高压容器的失效形式表现为 破 前 漏 ” ” 。但该途径 在相 当程度 上依 赖于对 裂纹尺寸 、裂纹扩展规律和应力分布规律的认 识 程度和钢 铁的冶炼水 平 ，它受到 以下因素的 制 约 ： 1 无损探伤发现特定类型 或尺 寸的缺 陷的 可靠性 明显随所测构件 的型式 和无损检测技 术 而异。磁粉法和着色渗入法对发现表面缺陷并 测定其长度是很可靠 的 ，但 不能测定 对断裂力 学评定来说至关重要前裂纹探度 超声洼探伤 通常用的单探头既作传送器又作接收器时 ， 则 压力容器第 B卷第 4期 维普资讯 压 力 容 器 可能 发现不 了垂直于耦合表面 的那些大 的平面 裂纹 即 使采 用探头方法 ，仍有 可能漏检 。 2 裂纹扩展规律受 到平均应力 、过载峰 、 应 力状 态、加载频率和环境 的影响。超 高压容 器 的工 作条 件极 其苛刻 要正 确揭示裂纹扩展 规律难 度很大 。国际上虽 已提 出了许多超高压 容器疲 劳 设计方法 ，但 由于问题的复杂性和所 研 究钢 种 的单一性 ，而未能得到统一 的计算方 法 。 3 发 展高 强度塑韧性钢 须采用先进的生产 工艺 。如 美国有的厂商 就利 用 电炉熔 炼一 真空 除气一 电渣精 炼宅心或实心锭一 旋转精锻一 卧 式连续管 式炉热处理工艺来生产性能优 良的炮 管锻件 ，但成本很高 可见要借助材料性能的提高和先进的设 计 计 算及严极的管理来避免脆性破坏 在近 期 内 恐 难有实质性 的突破 。 多层 自保 护途径是 采用 多层结构f 多层套 合 、 型槽 绕带和绕丝结构 ) ， 使结 构本 身 有止 裂能 力口 。多层套合 容器需 由过盈产 生的套台 应 力来提 高其 弹性承载能力 ，其过盈量 须经设 计 计算确 定 并需通过精 密加工使 备 层筒的 外形尺寸满 足设计过盈要求 ；型槽绕带结构需 用特 大型 车床 特殊钢 带加工困难 ；绕埋结构 超高 压容器有绕丝框槊结构和厚 内筒绕丝结构 两 种型式 ， 前者 中用于承担轴 向力的门式 框架 ， 犹如一 台水压机的框架 成本很高 ，后 者对 内 筒 的横 断破坏缺乏保护能力 因此 、这些结构 未 能将 安全性和经济性辩证地统 一起 来 缉 斫述 笔者认 为 。 不仅应在设计 、 制 造 、 操 作羊 ： j 管理 中力求审慎 ，严格把关 而且从长远 发展 脱点 来看 应从根本上针对超高 压容器 发 生破坏 最终表 观为裂纹 灾稳扩展 的 实 将其 茧 垒技术从结构上来一 十较 为彻 底的变 草即 简单 、经济 、可靠地将 超高压容器的承压和保 护功能从结构 上融为一体 改变其破坏形态 。 4 自保 护式超高压容器 根据 缠绕适虽 的钢丝或钢带可以改 变容器 CPVT Vo 1 8 No 4 1 99 5 5 或管 道破 坏方 式的研究 一 针对单层整锻式超 高压容器可能发生脆性 破坏的现实 结合用 户 提 出的使用安全、 装拆方便和成 本低廉的要求 我们提 出了一种在锻造 内筒外错绕扁平钢带 的 自保护式超高压容器 。 该结 构是 以占容 器 总壁 厚 的 6 0 8 0 的 厚壁锻造筒体 为 内筒 两端 套上与 内筒端部 的 接触 面为锥形 配合 的可焊套环 在内筒外倾 角 错绕适 量起保护作用的锻带 错 绕钢带 的网状 结构能够改变容器 的破 坏形 式 ，使得容器的环 向或轴 向破坏均得 到保 护 ， 盯套环删 可对端部 起 加 强作 用 。 其密封 结构采 用 扁形 螺钉 自紧密封 装置 陵装胃采 用骑缝 扁形螺钉连接容器 的顶盖和法 兰 采用预紧螺拴拉紧锥形塞 以压紧密封 环实 现密封作 用E e t , ， 该新结构 的安全性 已为灰 口铸铁 作 内筒的 模拟试验所证 实 未作 纲带 错绕的铸铁试验容 器发生的是 粉碎性爆炸 ：而在外面错绕几层钢 带 后 就 完 全 改 变 了铸 铁 内 筒 的 破 坏 形 态 1 5 0 MP a左 右高压 下破裂 的 内简 ，奠 裂纹宽 度 仅 2 tur n ，长 度约 为容器总长的一半 无碎片形 成 。 许 多超高 压容器是 在高温 下运行的 ，困此 新结构能 否应 用于高温场合是 至关 重委 的 ，笔 者 认为 只要通过 合理 设 和制造 该结构是 可 以用 于 4 0 0 c左 右 的高 温 场 台的 ，这 是 因 为 ： I 层 间热阻与 层间接触 压力、 表面粗糙度 、 钢带层 间间隙、同层钢 带间的间隙有关 ，多 层 容器 的热 阻 比相同厚度的单屡容器大的原 因是 空气 的传热系数 比钢的传热系数小碍多 ，因此 在钢 带层表面涂铝质涂料时 ，铝 的微粒 将填 满 显微不 部分 ，减少形成气层 的 可能性 从面 增加层间的接触面积。因为铅的传热系数远大 于空气 所 以涂过铝 质涂 料后能减少叠层 间的 温差 提高热流和 降低热 阻 2 内筒和钢带 可根 据实际情 况选用具有不 同线膨 胀 系数 。 如外 加热 时 ， 内筒宜选 用线膨 维普资讯 56 超高压笞器的典型事故案倒和对策分析 胀 系数 比钢 带材质高的高强钢 ，这样 ，在内压 和错绕钢带预应力的联合作用下 ，能够保证钢 带 不因热膨胀的影响而松动 ，保持钢带处于 良 好的贴紧状态 。 3 错绕在内简外部的钢带轴向刚度较小， 沿轴向同层钢带问的问隙给 内筒的轴 向膨胀提 供 了一 定的空间 ，对 温差 应力 起补偿作用 。与 型槽绕 带式结构 相 比，该结构亦 可 用于 4 0 0 C 左右 的场 合 。 5 结 论 1 _ 超 高压容器设计 应充分考 虑其潜在的爆 炸危 险性 ，在结构 、材 质、设计 、制 造 、检验 使 用和 管理 等环节应层层把关 ，消除 隐患 ，降 低 事故 发生的概率 。 2 从选 材 、设计 、制造与运行管理等环节 来提高单层超高 压容器 的运行安全性 ，理 论和 实践均证 明确有一定的效果 但要 以此来避 免 脆性破坏 ，在近期 内恐难有 实质性 的突破 。 3 将单 层整锻式超高 压容器和 绕带式容器 优点融 为一体 的 自保护式超 高压容器 确能简 单 、经济 、可靠地实现破坏形态的改变 ，它可 望 用 作制 造 超高 压技术 中的各 种超 高 压容 器 ( 压力大 于 3 0 0 MP a时 可采 用 自增 强技术 ) 参考文献 1 朱 撮 玉等 人 工 水 晶 生 长 用 高 压 釜( $ 2 8 0 2 )失 效分析 报告压 力容 器 ，1 9 8 5 2 ( 1 ) ： 48 54 2 Chou Chun g Fu 1 s o s t a t i c Pr e s s Dev e l op e d b CI ASRI in l J na2 nd l n t o r na fio na l Co r L f e r e n on s o s t a fic Pr c s n g， 1 982 3 Fr ye rD M Fa i l ur e Ana l ys i s o f a414 M Pa ( 6 0， 0 0 0 P s i ) I s t a U cPr e s ， A SMEPr e s s u r eVe s s e l a n d Pi p i n g Co nf e r e n c e。】 97 9；p a r t l ，7 9一 PVP- I 8 4 Sk e l t o n W J a nd Cr o s s l a n d B H Pr e s s u r e S a f e t y：A Re v i e w o f Hi E h Pr u r e E q u i p me n t D e Ve l o p me n t a t t h e Qu e e ns Un i v e r s i ty o f B e l f a s t h i t J P r e s Ve s ,oi p i p l n s 8 f 1 9 8 0 ) 3 7 7 4 0 4 5 日本高 压力技 术协会 超 高 压圆筒 容器设 计指 针HP I S - C- 1 O 3 1 9 8 0 6 北京石油化工总厂基本建设会战指挥部译低 密度聚乙烯装置施工技术规范汇编 ( 反应器部 分 ) 1 9 7 5 7 J a m e s P S I s t a t i c Pr e s s Te c hn ol o g 19 83 8 Mr a zG j De v e me n t o fDe s i Crit e riaf 砒 a Hi g | I P r u r e Ve s s e l C o n s t r u C t i o n Co d e J o u r n a l o f PT e s u t e Ve l Te 时Lnob勖 Vol 】 09， Ma y 1 9 87 9 M r a z G j De 鲢g_ M a nuf a ct u r e a nd Sa f e t y As - pe c 信 of Fo r g e d Ve s s el s f or Hi gh Pr e ur e S e t - vi c e s J o ur na l o f P r ur e Ve s s e l Te c hno l o gyVo1 1 0 2， Fe b 1 98 9 l 0 郑 津洋 等压力 容器 的防爆 抑爆 和在 线安 全监 控 技术 待 发 表 ，1 9 9 0 11 Smi th R A Fat i g u e Cr a c kGr owt h 3 0ye ar s