谈化工容器断裂失效分析的技术路径

黄晓英

重庆工业职业技术学院 重庆 401120

摘 要：化工容器由于工作条件苛刻，容易在服役中的失效，造成重大经济损失。本文以断裂失效分析技术为基础，论述化工容器进行失效分析的技术路径和方法，对化工容器的失效分析具有借鉴作用。

关键词：化工容器，失效，断裂失效分析

化工容器往往在复杂载荷、高温和腐蚀环境中运行，容易在服役中失效，造成人员伤亡和巨大经济损失。因此，化工容器发生事故后进行失效分析，找出事故原因，提出预防改进措施，加强质量管理，严格质量检测，对预防事故、保证安全稳定生产具有重要意义。

据统计，化工容器最常见的失效原因是断裂，因此断裂失效分析是化工容器事故分析中最常用的方法，因而形成了一门以断口分析为主的学科——断口学。实践证明，没有断口、裂纹及损伤缺陷分析的正确诊断结果，是无法提出失效分析的准确结论，它不仅是设备失效后的诊断分析方法，还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。

化工容器断裂失效分析主要的技术路径和方法是：

1、检查事故现场

在事故发生后，应进入现场进行周密的检查、观测和技术测量，搜集爆炸碎片，拍摄现场照片等，搜集完整的第一手资料，主要包括：

①断口宏观分析。检查容器破裂情况和断口特征是事故现场检查的首要和主要内容。搜集具有某些特征的断口，断口应用水玻璃涂其表面防止腐蚀，被沾污了的断面应加以清洗吹干，保存在干燥器中备用备查。

对破断面的初步观察，大体上可以确定容器的破裂型式。若破断口在容器焊缝部位，则应认真检查焊缝破断口有无裂纹、未焊透、夹渣、未融合等缺陷以及有无腐蚀物痕迹；若容器破裂后无碎片时，应测量开裂位置、方向、裂口的宽度、长度及其壁厚，并与原有周长和壁厚进行比较，计算破裂后的伸长率及壁厚减薄率；对碎裂后几大块的容器，可按原来的部位组装进行测量计算，并计算其破裂时的容积变形及碎块飞出距离，飞出破片的重量。

②检查安全装置是否完好。对安全阀，压力表、温度测量仪表应拆卸下来进行详细检查，以确定是否超温运行。检查压力表、安全阀进气口是否被堵塞，爆炸前压力表是否已失灵，安全阀瓣与阀座是否被粘住，弹簧是否有锈蚀、卡住或过分拧紧现象，重锤是否被移动，安全阀有否开启过的迹象等，必要时应进行安全阀开启压力试验。对温度测量仪表和减压阀应检查是否失灵。

2、调查事故过程

主要调查容器在发生事故前的运行情况，如物料数量、压力、温度等是否正常；容器是否渗漏、变形及异响等；出现异常现象采取的应急措施，以及安全泄压装置的动作情况；爆炸时有无闪光、着火、几次响声等。

3、技术检验和鉴定

①材质分析。通过分析容器的材质成分，以检查所用材料是否正确，或检查容器材料使用过程中所发生的变化。

②化学成分检验。当容器发生事故后，应复验材质的化学成分，着重检验对容器性能有影响的元素成分。对可能发生脱碳现象的压力容器，还要化验表面层含碳量，和内层钢材的含碳量进行对比，以便查明是否由于介质对钢材的影响。

③机械性能测定。容器的破裂与金属材料的机械性能直接有关。机械性能试验包括拉伸实验、冲击测试等。机械性能测定的试件，应从断口部位截取，并制成标准试样，按照国家标准进行。

④断口微观分析。利用光学显微镜、电子显微镜等仪器设备对断口的微观形态进行观察，结合宏观分析确定断裂性质，例如观察到是穿晶裂纹还是晶间裂纹，观察裂纹尖端是钝圆的还是尖锐的。

金相检查观察断口及其它部位金属相的组成，对于鉴别事故性质作用甚大。观察金相组织可使用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等；结构分析可用电子衍射、X射线衍射等。

⑤工艺性能试验。主要是钢材的焊接性能试验、耐腐蚀性能试验等，应取与破裂容器相同的原材料、焊接材料和焊接工艺，以观察试样与破裂容器的异同，工艺性能试验往往是辅助手段，起验证作用。

4、事故分析中的计算

在压力容器失效事故分析中，还应根据情况进行必要的计算，作定量分析，如：强度计算、爆炸能量计算、过量充装可能性的计算等，其目的是：判断是设计强度不足还是运行后因腐蚀减薄导致强度不足的破裂；爆炸能量计算目的是：为了通过计算比较设计压力下的爆炸能量与现场爆炸破坏能量，从而判断爆炸性质和类型；过量充装可能性的计算，可分析液化气体满液充装和过量充装时，当环境温度升高时，容器是否将发生破裂。

5、容器破裂类型及断口特征

用扫描电子显微镜可清晰地观察到断口的形貌特征，主要有：

①韧性破裂，有明显的塑性变形，一般不是形成碎片，而是裂开一个口子。

②脆性破裂，常裂成碎块飞出，同时产生的实际应力较低。脆裂断口可以根据放射线的指向确定裂源的起始点。有时裂纹起始点可能不止一处，可能有几个裂纹源。

③疲劳破裂。疲劳破裂是在反复交变载荷作用下出现的金属疲劳破坏，其特征：1）与脆性破裂特征类似；2）与脆性破裂不同的是疲劳破裂只开裂一个破口，常不产生碎片。

④腐蚀破裂。有均匀腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等，其中最危险的是应力腐蚀破裂，其特征如下：

1）钢制容器的氢脆，断口微观分析，常可看到钢的脱碳铁素体组织及脱碳层的深度，形式是沿晶界扩展的腐蚀裂纹。

2）钢制容器的碱脆，碱脆是钢在热碱溶液和拉伸应力共同作用下产生的应力腐蚀破坏，常发生在应力集中区域，沿着晶界分枝型裂纹，断口上还粘附有磁性氧化铁。

3）氯离子引起的奥氏体不锈钢制容器的应力腐蚀断裂，其特征是穿晶、分枝型裂纹，多数发生在有残余应力的焊缝及其热影响区。

4）疲劳腐蚀，具有与上述疲劳破坏相同的断口。

6、爆炸事故性质及过程的判断

压力容器的破裂，有的是工作压力下发生的，有的是超压下发生的；有的属于物理性爆炸，有的属于化学性爆炸。分析时应仔细观察压力容器各部分的使用状态，必要时进行爆炸能量计算，才能正确判断爆炸的性质。

①工作压力下容器的破裂。当安全泄压装置正确，容器在破裂前没有开启泄放，压力表无异常，操作和工艺条件正常等时，可推断为工作压力下容器的破裂，原因有：容器材料问题，壁厚不够，焊缝有缺陷，容器长期不作技术检验、器壁存在严重腐蚀现象等。

②超工作压力下容器的破裂。这类事故一般是由于操作人员违章作业，容器本身的安全泄压装置不全或失灵，器壁上的应力超过材料的强度极限而发生破裂，由于有增压过程，故基本上属于韧性破裂。

③化学反应而产生的容器爆炸。容器内化学反应爆炸是指发生不正常的化学反应，使气体体积增加或温度剧烈增高致使压力急剧升高导致的容器破裂。发生化学反应爆炸的容器，其安全阀可能有排放过的迹象，检查压力表可发现指针撞弯、不能返回零位等异常现象，以及器内有燃烧痕迹或残留物等。

④容器破裂后的二次空间爆炸。一般盛装易燃介质的容器，在其破裂后，器内逸出的易燃介质与空气混合后，又发生的第二次爆炸，往往导致灾害性事故。其特征是可以看到闪光和两次响声以及常有燃烧痕迹或残留物等。

上述失效分析路径和方法在失效分析中不需全部采用，可根据情况选择进行分析选择，只要能充分、有效地提供分析依据，找出事故的根源即可。

作者简介：黄晓英（1969年-），女，重庆市人，教授，硕士研究生，主要研究方向为焊接、材料工程。