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1、第26卷 第4期 2005年8月 大连大学学报 JOURNAL O F DAL I AN UN I VERSITY Vol . 26 No. 4 Aug. 2005 一般压力容器事故及其分析 侯佐岗 1 ,程有凯 2 ,陈 刚 3 ,李 刚 1 (1 1大连大学 建筑工程学院,辽宁 大连116622; 21大连水产学院,辽宁 大连116012; 31大连中粮 广场大厦,辽宁 大连116024)3 摘 要:本文对一般压力容器出现的因设计有误、 强度不足、 焊缝质量低劣、 运行管理不规范等发生的事 故及原因进行了综合分析.目的在于为从事压力容器设计、 制造和操作管理者提供一些经验和教训,并 尽可能
2、的防止和杜绝该类事故的发生与重演. 关 键 词:压力容器;强度不足;事故原因 中图分类号: TH49 文献标识码: B 文章编号: 100822395(2005) 0420005205 Synthetic analyses for the accident of common pressurized conta i ner HOU Zuo2gang 1 , CHENG You2kai 2 , CHEN Gang 3 , L I Gang 1 (1 1College of Civil and Architectural Engineering, Dalian University, Dalian
3、 116622, China; 21Dalian Fisheries University, Dalian 116012, China; 31COFCO Plaza Dalian , Dalian 116024, China) Abstract: In this paper, synthetic analyses are made for the causes of accident happened in the common pres2 surizes container .These causesof accidentmay be happened due to faulty desig
4、n of the container, or due to the using of insufficient strength of the containermaterial, or due to the imperfectwelding seam quality, or because of the wrong runningmanagement of the container . From these analyses some proper idea for the design of con2 tainer are proposed that will be useful for
5、 the pressurized container designers to obtain some practical experi2 ences and lessons so as to prevent the same kinds of accident to be happened again. Key words:pressurized container; insufficient strength; accident cause of container 一般压力容器出现事故的主要原因是由以下情况造成的:容器结构不合理、 设计计算有误、 粗制滥 造、 错用材料、 强度不足等,尤
6、其是焊缝质量低劣,没有执行严格的质量管理制度,安装不符合技术要求、 安装附件规格不对、 质量不好,以及在运行中超压、 超负荷、 超温,没有执行定期检验制度等,使压力容器 发生失效导致事故发生. 1 国内外压力容器典型事故举例 例1 1974年4月15日,罗马尼亚波特什蒂年产20万吨乙烯装置,因乙烯球罐材质不合格引起破 裂,三台乙烯球罐相继炸裂,酿成死亡一人,受伤四五十人,损失达一千万美元. 例2 美国东部俄亥俄州克里夫兰市一个液化天然气贮罐基地,在1944年10月20日发生重大事 故.事故从一台 2113 m1218 m的圆桶形贮罐开始,先在其1 /31 /2高度处泄漏喷出气体和液体,接 着听
7、到雷鸣般响声,形成二次空间爆炸,变成火焰,然后贮罐爆炸,酿成大火, 20 min后,进一步引起邻近 的 1714 m球罐的倒坍爆炸,造成128人死亡, 400余人受伤,直接损失达680万美元.大火烧毁面积 1117 m 2 ,受害范围65万m 2. 3收稿日期: 2005206220 作者简介:侯佐岗(1953 - ) ,男,教授. 6 大连大学学报第26卷 例3 国内某厂浴室用的一台换热器发生爆炸,强大气浪将浴室后墙冲垮,房屋倒坍134 m 2 ,房顶 板全部倒坍,所有洗澡人员全部压在里面.该换热器系自行制造,工艺质量特别是焊缝质量低劣, 1978 年10月发现焊缝大量漏水,敷焊了事,导致灾
8、难性事故的发生. 例4 国内某厂 1 000mm加压变换冷却塔, 8 mm厚16Mn钢板卷焊,操作压力为018MPa. 1970 年投产时原高8m, 1973年为提高冷却能力,增高3m,在现场焊接施工,当时为抢时间,在提高的3m内 壁处未经喷铝防腐,因受H2S腐蚀而壁厚逐渐减薄,在使用、 维修中也有所觉察(补焊过三次 ) , 终于在 1976年12月爆成二段而倒坍,爆炸口位于接高段筒体器材上,壁厚已不到1 mm,最厚的不到3 mm. 2 对一般常见事故技术分析 压力容器事故的原因,一般来说往往是多方面的,对事故的技术分析,要找出主要原因和直接原因. 首先进入事故现场,进行认真的检查与调查,必要
9、时进行技术检验和鉴定,作出综合分析并确定事故原 因. 211 检查事故现场 在事故发生后,应迅速进入现场,进行周密的检查、 观察和必要的技术测量,搜集容器爆炸碎片,拍 摄现场照片等,尽力搜集较完整的第一手资料,其检查的主要内容有: (1)容器本体破裂情况检查 检查容器本体的破裂情况是事故现场检查的最主要内容. 首先对容器破断面进行初步观察,对断口的形状、 颜色、 晶粒和断口纤维等特征进行认真观察和记 录.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.对破断面的初步观察,大体上可以确定容器的破裂型式. 其次是对容器破裂形状的检查和尺
10、寸测量.当容器破裂后无碎块、 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或碎片飞出距 离,飞出破片的重量. 最后检查容器内外表面金属光泽、 颜色、 光洁程度.有无严重腐蚀,有无燃烧过的痕迹等. (2)检查安全装置是否完好 当容器发生爆炸事故后,在初步检查安全阀,压力表、 温度测量仪表后,再拆卸下来进行详细检查, 以确定是否超温运行. 对压力表主要检查进气口是否被堵塞以及爆炸前压力表是否已失灵. 对安全阀主要检查进气口是否被堵塞,阀
11、瓣与阀座是否被粘住,弹簧锈蚀,卡住或过分拧紧,重锤被移动 等失灵现象,以及安全阀有否开启过的迹象.必要时应放到安全阀试验台上检查开启压力的试验. 对温度测量仪表主要是检查温度计或温度测量仪表是否失灵.若容器上有减压阀者,应检查有否失 灵现象. 装有爆破片的容器,可检查是否已爆破.若未爆破,如有必要应作爆破压力试验,测定其爆破压力. (3)事故现场破坏及人员伤亡情况 压力容器爆炸后,周围建筑物的破坏情况,即地坪损坏情况、 室顶、 墙壁厚度及其破坏状况,与爆炸中 心的距离以及门窗破坏情况与离爆炸中心的距离等.这对于估算容器爆炸量的计算有反证作用. 人员伤亡,包括受伤部位及其程度,以便确定重伤或轻伤
12、. 另外,对现场及其周围有否易燃物燃烧痕迹等也应作检查分析. 212 事故过程调查 容器在发生事故前的运行情况,即物料数量、 压力、 温度等运行参数是否正常;容器是否渗漏、 变形 以及异常响声等.容器开始出现异常现象的时间,采取的应急措施以及安全泄压装置的动作情况;操作 人员所在位置,爆炸过程及现象,如有无闪光、 着火、 一次或两次响声等.操作人员的操作技术水平,有无 第4期侯佐岗等:一般压力容器事故及其分析7 经过安全培训考试合格等情况,以利于判断有无误操作现象. 213 压力容器设计、 制造情况的调查 查阅压力容器技术资料,检查设计结构是否合理,强度是否足够;检查压力容器选材是否满足工艺
13、要求,制造质量尤其是焊接质量是否合格;容器使用年限、 投产使用年份以及检验情况等,以便判断是否 因设计、 制造不良引起的事故. 214 技术检验和鉴定工作 当压力容器的操作条件比较复杂,在通过上述事故分析后仍未能确定事故原因时,需要进一步进行 技术检验、 计算和鉴定工作,才能确切地查明事故原因. 21411 材质分析 通过分析容器的材质成分、 性能、 核对制造压力容器的材料,或检查容器使用过程中所发生的变化. (1)化学成分检查 当压力容器发生事故后,应复验材质的化学成分,或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
14、便查明是否由 于介质对钢材的影响,所以复验化学成分可鉴别容器是否用错钢种或运行中的影响. (2)机械性能测定 压力容器的破裂与金属材料的机械性能直接有关.一般是检查材料强度、 塑性,以判断是否用错材 料;对于低温下工作的容器,通过金属材料韧性指标(冲击值)的测定,即可鉴别容器是否因脆性断裂破 坏的.做机械性能测定的试件,可从断口部位截取,并与其它部位的试件作对比. (3)金相检查 金相检查观察断口及其它部位金属相的组成,判断是否有“ 脱碳 ” 及裂纹性质,对于鉴别事故性质 作用甚大.例如可以观察到是穿晶裂纹还是晶间裂纹,观察裂纹尖端是圆纯的还是尖锐的. (4)工艺性能试验 工艺性能试验主要是钢
15、材的焊接性能试验、 耐腐蚀性能试验等.试验时应取与破裂容器相同的材 料、 焊条和焊接工艺,以观察试样与破裂容器类同的缺陷的可能性. 工艺性能试验往往是事故检查的一种辅助手段,起验证作用. 21412 压力容器断口分析 断口分析是研究分析破坏现象微观机理的一种重要手段.断口分析可分为宏观分析和微观分析两种. (1)断口的搜集及其保护、 保存 在压力容器发生事故的现场,应尽可能地搜集破断口或碎片截取制成断口试样. 对于破断口,防止沾污表面,并用水玻璃涂其表面防止腐蚀.被沾污了的断面应加以清洗.清洗后的 断口用酒精漂净,并用热风吹干,保存在干燥器中备用、 备查. (2)断口宏观分析 断口宏观分析是用
16、肉眼或借助于放大镜对断口进行观察,这是断口分析的主要手段. 金属的拉伸断口,一般由三个区域组成,即纤维区、 放射区和剪切唇.根据这三个区域在整个断口所 占有的断面积,大体上可确定其断裂类型.凡脆性断裂的断口,纤维区和剪切唇很小,大部分是放射区, 就是说金属在断裂前没有较大塑性变形,断裂主要是在高速扩展下进行的.脆裂断口还可根据放射线 (常称人字形)的指向确定裂源的起始点,并可由此查清裂纹的扩展情况.需要指出,破裂断口的裂纹起 始点可能不止一处,它可能有几个裂纹源. (3)断口微观分析 断口微观分析是利用光学显微镜、 电子显微镜对断口的微观形态进行观察,结合宏观分析确定断裂 性质. 目前广泛使用
17、的是电子显微镜,它的放大倍数可达20 000倍.通常使用的是透视式电子显微镜和 扫描电子显微镜.前者是对用断口表面复制的薄膜进行观察,后者则可直接观察实物断口.有的电子显 微镜配有电子计算机,不仅可作断口定性分析,还可对断口的成分作定量分析. 8 大连大学学报第26卷 21413 压力容器事故分析中的计算 在压力容器事故分析中,往往要进行计算和液化气体过量充装可能性的计算等工作. 对压力容器进行强度计算,主要是为了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.在强度计算中测量的壁厚,应注意是破裂前的厚度,而不是破裂变形后的壁厚.对于在焊缝处破 裂的容器,若有未焊透缺陷时,还要考虑
18、未焊透处的应力集中或对疲劳强度的削弱. 液化气体容器的事故分析中,还应作过量充装可能量的计算,即液化气体满液充装和过量充装时, 在环境温度升高几度时,容器将发生破裂. 3 压力容器事故综合分析 压力容器破裂爆炸事故的调查分析工作,在经过事故现场的观察检查和测量,对事故发生过程和容 器设计、 制造、 投产后运行情况的调查了解,以及必要的技术检验、 鉴定和计算之后,则应对事故原因进 行综合分析确定其直接原因和主要原因.由于压力容器类型繁多,每一次事故均应按具体情况作具体 分析. 311 爆炸事故性质及过程的判断 压力容器的破裂,有的是在工作压力下发生的,有的是在超压的情况下发生的.其中有的属于物理
19、 性爆炸,有的属于化学性爆炸,所以要具体分析事故原因,首先要正确判断爆炸的性质或过程以及容器 破裂压力等.一般容器破裂及其由此引起的气体爆炸,可有以下几种情况: (1)工作压力破裂的容器 当安全泄压装置正确、 可靠,容器在破裂前没有开启泄放,压力表也无异常,事故后检查尚无失效、 失灵,操作和工艺条件也属正常等,无超压迹象.则可判断为在工作压力下的破裂. 工作压力下破裂的容器,一般是发生在容器粗制滥造,即壁厚不够、 焊缝有严重缺陷、 以及容器长期 不作技术检验、 年久失修和器壁严重腐蚀而普遍减薄的容器.工作压力下器壁上的应力超过材料屈服极 限的则少见. (2)超工作压力下破裂的容器 当容器内压力
20、较多的超过工作压力而发生爆炸,象这类事故一般是操作人员违章作业,超过工作压 力,而容器本身的安全泄压装置不全或失灵、 失效,器壁上的应力超过材料的强度极限而发生破裂,这种 破裂一般都有一段增压过程,故破裂一般都属于韧性破裂. (3)化学反应而爆炸的容器 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,但一般却来不及全量排放.爆炸后检查 压力表可发现指针撞弯、 不能返回零位等异常现象,以及器内可能有燃烧的痕迹或残留物等. (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
21、后,器内逸出的易燃介质与空气混合后,在爆炸极限范围又发 生的第二次爆炸,这种爆炸一般形成火灾,往往导致灾害性事故. 容器破裂后的二次空间爆炸,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. 312 容器破裂型式鉴别 31211 韧性破裂 韧性破裂的容器一般都有明显的塑性变形,破裂后其最大圆周伸长率常达10%以上,容器增大率 在10%20%.其破断口呈暗灰色纤维状,没有闪烁的金属光泽,断口不齐平.由于材料有较好的塑性 和韧性,所以容器破裂后,一般不是形成碎片,而是裂开一个口子. 31212 脆性破裂 脆性破裂的容器,在破裂形状、 断口形貌等方面具有一些与韧性破裂相反的特征.即没有明显
22、的伸 第4期侯佐岗等:一般压力容器事故及其分析9 长变形,容器的壁厚一般也无减薄.裂口齐平,断口呈闪烁金属光泽的结晶状,厚壁容器的断口上,还常 可找到人字形纹路(幅射状 ). 由于脆性破裂往往在一瞬间发生,器内压力无法通过一个裂口释放,因此 脆性破裂的容器常裂成碎块飞出.金属的脆性断裂是由于裂纹引起的,所以破裂时实际应力较低.在运 行中因温度突变而发生脆断的也多见. 31213 疲劳破裂 疲劳破裂是在反复的交变载荷作用下出现的金属疲劳破坏.一般的疲劳破坏有如下特征: (1)由裂纹的产生和扩展所造成的,它与脆性破裂一样,一般无明显的塑性变形. (2)破裂断口存在两个区域,一个是疲劳裂纹产生及扩展
23、区,另一个是最后断裂区.两个区域的颜 色有明显的不同. (3)疲劳与脆性破裂的另一个不同点是只开裂一个破口泄漏,而常不产生碎片.容器在反复交变载 荷作用下,由裂纹的产生发展到断裂泄漏,比脆性断裂要慢的多. 31214 腐蚀破裂 常见的压力容器腐蚀破裂形式有均匀腐蚀、 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,常见的应力腐蚀型式及其特征如下: (1)钢制容器的氢脆.在容器发生氢脆后,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.破坏的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的共同作用下产生应力腐蚀的一种破坏形 式.断裂常发生
24、在应力集中的地方,断口微观分析常可发现有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.腐蚀裂纹的特征是穿晶型,且多数是分枝 型裂纹,且多数发生在有残余应力的焊缝及其热影响区. (4)疲劳腐蚀.或称腐蚀疲劳,是金属材料在腐蚀和应力的共同作用下引起的一种破坏形式.具有 与疲劳破坏相同的断口,即断口常有两个明显不同的区域,一是腐蚀疲劳裂纹产生的扩展区,另一个是 最后断裂区.疲劳腐蚀裂纹多为穿晶分布的. 4 结束语 一般压力容器的破坏事故,是一个涉及设计、 制造、 检查和使用等各个环节的复杂问题.设计制造部 门必须合理设计、 正确选材、 精心制造
25、、 严格检验,使其达到规范标准的要求.但在长期使用中,即使合乎 制造质量标准的设备,由于压力、 温度、 腐蚀介质量及各种复杂因素的联合作用,实际上缺陷还在形成、 扩展.因此,在使用中加强压力容器的维护保养,建立健全规章制度,对于防止事故的发生是非常重 要的. 参考文献: 1杨海涛.压力容器的安全与强度计算M .天津:天津科学技术出版社, 1985. 2吴粤欣.压力容器安全技术M .北京:化学工业出版社, 1982. 3刘吉萱,李乾和,侯佐岗.工程传热与换热器M .大连:大连海事大学出版社, 1992. 4史美堂.金属材料及热处理M .上海:上海科学技术出版社, 1986. 5侯佐岗,陆楞严.压力容器与传热设备M .大连:大连理工大学出版社, 1994.