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压力容器典型事故案例调查与分析

作者:杨云海  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2021年01月01日

摘要 :压力容器是工业生产、科学研究及人民生活中广泛使用的一种特种承压设备,具有易燃、易爆、有毒等特点。在温度、压力及腐蚀介质的综合作用下,极易导致设备失效破坏,造成事故的发生。因此,为保障设备安全运行,必须对压力容器进行定期检验。本文就针对一次由压力容器损坏引起的重大事故为分析对象介绍了在使用压力容器的应注意事项及如何防止此类事故发生的办法。

Abstract:   The pressure vessel is industrial production, scientific research and widely used in people's lives in a special pressure equipment, flammable, explosive, toxic and other features. In temperature, pressure and the combined effect of corrosive media, can easily lead to damage to equipment failure caused the accident. Therefore, to protect the safe operation of equipment, must carry out periodic inspection of pressure vessels. In this paper, for a pressure vessel damage caused by a major accident for the analysis of objects described in the use of pressure vessels precautions to prevent such accidents and how to approach.

关键词: 压力容器   典型事故  安全使用  注意事项   防范

Keywords:    pressure vessel     Typical accident   Safe use   Note   Against

1、      压力容器安全基础知识概述

主要内容 :

一、 压力容器界定与分类。

压力容器是一种承压设备。承压设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器(含气瓶)、压力管道等承压类特种设备和安全附件。压力容器的形式很多,按不同的需要可以进行不同的分类。例如在容器的设计中,按壁厚大有薄壁和厚壁容器之分;按承压方式分内压和外压(真空)容器;按压力大小分为中压、低压、高压、超高压容器;按工作温度分高温、常温和低温容器;在容器的制造中,又按材料分文钢制、铸铁、有色金属盒非金属容器;按制造方法分为铆接、焊接、锻造和铸造容器等。

二、  压力容器破坏的主要形式、原因及特征

1过度的塑性变形        当压力载荷大大超过设计数值时,容的器壁变薄,最后达到不稳定点,即当压力稍许增加时,容器就会因过度塑性变形而发生破裂。当容器发生过度塑性变形破裂时,断口为撕断状态,容器破坏时不产生碎片或者仅有少量碎块,爆破口的大小视容器爆破的膨胀能量而定。         2过度的弹性变形         弹性变形是固体在外力的作用下表现出的一种行为,当外力撤出后,物体能够恢复原来形状的能力称为弹性性质,而具有这种可逆性的变形就叫做弹性变形,过度的弹性变形可能使容器呈现不稳定状态,甚至达到失稳程度。         3大应变疲劳         压力容器在交变应力的作用下,位于容器的某些局部区域(如开孔接管周围、局部结构不连续处等)受力最大的金属晶粒将会产生滑移并逐渐发展成为微小裂纹,且裂纹两端不断扩展,最终导致容器的疲劳破坏。疲劳首先出现在上述高应力的局部区域,即出现在这些高应力引起的大应变的地方,这种破坏就称大应变疲劳。压力容器的疲劳破坏一般具有以下特征:(1)容器没有明显的变形;(2)破裂的断口存在两个区域:疲劳裂纹产生至扩展区和最后断裂区;(3)容器常因开裂泄漏而失效;(4)疲劳破坏总是在容器经过反复的加载和卸载以后发生。         4腐蚀疲劳         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。在材料的腐蚀疲劳中,一方面由于腐蚀使金属表面局部损坏并促使疲劳裂纹的产生和发展;另一方面,交变的拉伸应力破坏金属表面的保护膜并促使表面腐蚀的产生。在交变应力的作用下,被破坏的保护膜无法再次形成,沉积在腐蚀坑中的腐蚀产物又阻止氧的扩散使保护膜难以恢复,所以腐蚀坑的底部始终处在活性状态之下而构成了腐蚀电池的阳极,就这样在腐蚀与交变应力的联合作用下,裂纹不断发展直至金属最后断裂。         5应力腐蚀         应力腐蚀是金属腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下而产生的一种破坏形式。金属发生应力腐蚀时,腐蚀和应力这两个因素是相互促进的。一方面,腐蚀使金属的有效截面积减小和表面形成缺口,产生应力集中;另一方面,应力的存在加速了腐蚀的进展,使表面的腐蚀缺口向深处扩展,最后导致断裂。         6脆性破裂         工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性破裂,而压力容器的脆性破裂是指由塑性材料制成的压力容器,破裂时呈脆性破裂特征。压力容器发生脆性断裂的特征是:(1)容器器壁没有明显的伸长变形,容器的厚度一般没有改变。(2)断口呈金属光泽的结晶状,裂口齐平与主应力方向垂直。(3)脆性破裂的容器常呈碎块状,且常有碎片飞出。(4)破裂事故多数在温度较低的情况下发生。(5)脆性断裂更容易在高强度钢制的压力容器和用中、低强度制造的厚壁容器上发生。         7氢腐蚀破坏         在高温高压下,吸附在钢表面的氢分子部分分解为氢原子或离子而固溶于钢表面层并向钢内扩散,它以氢脆和氢腐蚀两种方式影响着钢的性能。氢脆是由于氢扩散并溶解于金属晶格中,使钢在缓慢变形时产生脆性现象,此时钢的塑性显著降低。氢腐蚀是指氢原子或离子扩散进入钢中,将结合成氢分子,并部分地与微孔壁上的碳或碳化物及非金属夹杂物产生化学反应,这些不易溶解的气体生成物聚积在晶界原有的微隙内,形成局部高压,造成应力集中,使晶界变宽,发展成微裂纹,降低了钢的机械性能。

三、  压力容器事故分析的方法、内容和步骤

1、压力容器是一类容易发生事故的特种设备,一旦发生事故,将造成停工停产,严重时发生破裂爆炸、机毁人亡等。

压力容器发生的事故具有复杂性和交互性,究其原因往往带有综合性质,压力容器的事故分析仅依靠简单的调查分析有时不能得出正确的结论,判断出其真实的发生原因。除了现场的事故情况和过程的调查外,要真正找出事故发生的原因,主要是技术上的检验与鉴定工作,包括对事故容器的爆炸能量与现场破坏能量的估算;事故容器的设计、制造、使用和管理文件档案的技术鉴定;制造压力容器材料的理化性能;容器破裂处断口检验;容器材料的制造工艺性验证。必要时甚至模拟容器的破坏性试验等。

在事故调查和技术检验的基础上,进行事故的综合诊断与分析,即判断事故的爆炸性质、鉴别事故的破坏类型、确定事故发生的原因,提出预防措施和处理意见等

2、              压力容器典型事故案例分析

一 、事故概况

2004年4月15日21:00,重庆天原化工总厂氯氢分厂1号氯冷凝器列管腐蚀穿孔,造成含铵盐水泄漏到液氯系统,天生大量易燃的三氯化氮。4月16日凌晨发生排污罐爆炸,1:33全厂停车;2:15左右,排完盐水4h后的1号盐水泵在停止状态下发生粉碎性爆炸。16日17:57,在抢险过程中,忽然听到连续2声爆响,经查是5号、6号液氯储罐内的三氯化氮发生了爆炸。爆炸使5号、6号液氯储罐罐体破裂解体,并将地面炸出1个长9m、宽4m、深2m的坑。以坑为中心半径200m范围内的地面与建筑物上散落着大量爆炸碎片。此次事故造成9人死亡,3人受伤,15万名群众疏散,直接经济损失277万元。

二 、事故分析

经调查分析确认,爆炸直接因素的关系链是:氯冷凝器列管腐蚀穿孔→盐水泄漏进进液氯系统→氯气与盐水中的铵反应天生三氯化氮→三氯化氮富集达到爆炸浓度→启动事故氯处理装置因震动引爆三氯化氮。

1. 直接原因

(1)设备腐蚀穿孔导致盐水泄漏,是造成三氯化氮形成和富集的原因。根据技术鉴定和专家分析,造成氯气泄漏和和含铵盐水流失是1号氯冷凝器列管腐蚀穿孔。列管腐蚀穿孔的主要原因是:

①氯气、液氯、氯化钙冷却盐水对氯气冷凝器存在的腐蚀作用;

②列管内氯气中的水分对碳钢的腐蚀;

③列管外盐水中由于离子电位差对管材产生电化学腐蚀和点腐蚀;

④列管和管板焊接处的应力腐蚀;

⑤使用时间较长,并未进行耐压实验,对腐蚀现象未能在腐蚀和穿孔前及时发现。

(2)三氯化氮富集达到爆炸浓度和启动事故氯处理装置造成振动引起三氯化氮爆炸。调查证实,厂方现场处理职员未经指挥部同意,为加快氯气处理速度,在对三氯化氮富集爆炸危险性熟悉不足情况下,急于求成,判定失误,凭借以前操纵处理经验,自行启动了事故氯处理装置,对4号、5号、6号液氯储罐(计量槽)及1号、2号、3号汽化器进行抽吸处理。在抽吸过程中,事故氯处理装置水封处的三氯化氮与空气接触并振动,首先发生爆炸,爆炸形成的巨大能量通过管道传递到液氯储罐,搅动和振动了液氯储罐中的三氯化氮,导致了液氯储罐内的三氯化氮爆炸。

2. 间接原因

(1)该厂压力容器设备治理混乱,技术档案资料不全。2台氯液气分离器未见任何技术资料和检验报告。发生事故冷凝器1996年3月投进使用,2001年1月才进行首次检验,但未进行耐压实验。也无近2年维修、保养和检查记录,致使设备腐蚀现象未能及早发现采取措施。

(2)安全生产责任制落实不到位。2004年2月12日,团体分司与该厂签定了安全生产责任书,但该厂未能将目标责任分解到厂属各相关单位。

(3)安全生产整改监视检查不力。该厂“2014”氯化氢泄漏事故后,引起了市领导的高度重视,市委、市政府作出了重要批示。为此,重庆化医控股团体公司与该厂固然采取了一些措施,但未能认真从治理查找原因、总结经验教训。在责任追究上,以经济处罚代替行政处分,有关责任职员未能深刻吸取事故教训。另外,整改措施不到位监视检查力度不够,以致于安全方面存在的隐患未能有效的整改。“2014”事故后,本应增加盐酸合成尾气和四氯化碳尾气的监控系统,直到“4。16”事故发生时尚未配备。

三、 事故简评

此次事故直接原因因氯冷凝器列管腐蚀泄漏,含高浓度铵的盐水进进液氯系统,天生极易爆炸的三氯化氮且迅速富集,以及人为处理措施不当所致,但人为的因素不是主导因素。此次事故表明对三氯化氮爆炸的处理,确实存在很大的复杂性、不确定性和不可预见性。该厂氯化钙盐水10多年未更换也未进行过检测,造成盐水中的铵不断富集,天生了大量三氯化氮创造了条件,为爆炸留下隐患。

3、              压力容器安全的目的、意义和实现

通常所说的锅炉压力容器检验是指在用锅炉和压力容器的定期检验,即依据《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《压力容器安全技术监察规程》等法规,由考核合格的检验人员对锅炉和压力容器的安全状况进行必要的检查和试验。此类检验包括外部检验、内外部检验及水压试验等。

广义的锅炉压力容器检验是指对锅炉及压力容器的设计、制造、安装、运行、维修等各个环节的检查、监督、试验,目的在于消除这些环节中出现的不利于锅炉、压力容器安全运行的因素,更可靠地保证锅炉和压力容器的安全。

我们介绍的是在用锅炉、压力容器的定期检验。检验的目的是为了及时查清设备的安全状况,及时发现设备的缺陷和隐患,使之在危及设备安全之前被消除或被监控起来,以避免锅炉或压力容器在运行中发生事故。

由于锅炉和压力容器运行使用条件大都很恶劣,存在各种损害设备部件的因素,无论设备部件原先是否完好,都难以避免在使用中产生各式各样的缺陷,进而导致部件的破坏和事故的发生。因而及时发现和妥善处理锅炉、压力容器的缺陷就成为十分重要的问题。

锅炉和压力容器运行中损害部件的主要因素有:

第一,超压造成薄膜应力过高,或承压后因结构不合理造成应力集中过于严重,局部应力过高,引起塑性变形或机械应力裂纹;

第二,频繁加压卸压或压力波动引起低周疲劳损害,造成低周疲劳裂纹;

第三,烟气、水汽、容器接触的各种介质及大气对设备的各种腐蚀,使设备壁厚减薄、产生裂纹或机械性能降低;

第四,因高温蠕变使部件产生塑性变形或裂纹;

第五,因缺水、水垢、水循环故障、热偏差等导致部件壁温过高,机械强度明显下降,形成裂纹或严重塑性变形;

第六,长期高温导致钢材组织恶化,包括珠光体球化、石墨化、热脆等,使钢材机械性能显著下降;

第七,部件膨胀受约束或温度严重不均,热应力过大导致裂纹,或交变的温度和热应力导致热疲劳裂纹;

第八,烟气对锅炉部件的磨损及风力、震动对容器的磨损,造成壁厚减薄。

在上述损害因素作用下部件中出现的缺陷,可能是运行中产生的,也可能是原材料或制造中的微型缺陷发展形成的。

对锅炉、压力容器进行定期检验,是及早发现缺陷,消除隐患,保证锅炉和压力容器安全运行的一项行之有效的措施。这一点已被国内外长期的实践所证实。

参考文献 :

1. GB150-1998,钢制压力容器 [S].  2.  TSG R7001-2004,在用压力容器定期检验规则 [S]. 2004年 3.  压力容器安全技术监察规程 [S].

4.  压力容器设计进展及我国应采取的对策 [J];石油机械;2001年03期

3.  谢亚东;压力容器使用管理与安全;北京:原子能出版社;1995年

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