特种设备管理：压力容器事故分析

1.压力容器事故调查

当压力容器事故发生后，首先要认真保护事故现场，然后对事故现场尽快进行周密的观察、检查，同时根据现场迹象和残留物进行必要的技术检验或者技术鉴定，一般调查内容有如下。

1）对压力容器安全附件中泄压装置进行检查和检验，如检查压力表、检查安全阀、检查及检验泄压装置（爆破片）等。

2）对焊缝裂缝进行检查、检验。

3）对本体破裂处进行检查、检验。包括：了解断裂面断口形状、颜色、粗糙度及其一些特征，进行认真的观察并记录，了解容器变形情况，估算容器的材料伸长率及壁厚变化率；根据容器破裂或变形估算发生事故一瞬间的爆炸能量，同时通过碎片的质量、飞出的距离进行估算验证；通过检查压力容器内外表面材料的金属光泽、颜色、光洁程度、局部腐蚀、磨损以及其他伤痕等情况，判断介质的腐蚀情况及其产生后果；通过燃烧痕迹、残留物的检查，了解或判断非正常状态下生成新的反应物；也可根据可燃性气体不完全燃烧而残留的游离碳，判断和估算发生事故当时高温温度、着火位置等。

4）现场破坏情况勘查。由于压力容器爆炸时往往造成周围设施或建筑物损坏及现场人员的伤亡，因此可以根据被损坏的设施或建筑物，了解其距离、方位等情况，同时了解被破坏砖墙结构、建筑年代、厚度以及玻璃门窗材料、结构等情况；对人员伤亡情况进行调查了解，通过对伤亡原因可以分析当时人员距离、方位等情况。这些有利于对事故发生原因分析和判断。

5）发生事故的详细过程调查。

①调查事故发生前压力容器运行情况，包括工艺条件有否变化，运行仪器仪表数据变化，有否泄漏现象、异常声响等。

②调查事故发生瞬间情况，包括出现异常情况迹象，有否采取措施，安全附件是否动作，有关作业人员位置，相邻岗位操作人员反映情况，事故当时发生闪光、冒浓烟、着火、异常响声（声强、次数）等现象。

③查阅设备操作运行记录，了解压力容器制造工厂和设计图样、材质使用等情况，包括历年运行时间、近年的维修记录和检验检测有关资料；查阅近年安全附件及安全装置更换或定期维护记录，特别是最后一次的检验日期和有关资料。

④着重调查发生事故当时压力容器压力、温度变化情况及其他异常情况等。

6）在事故调查中，应根据现场情况、残留物等开展技术检验和分析，通过采取专用仪器和分析手段，确认事故的性质和原因，或委托专门机构采取特殊手段进行专题分析，对事故的性质、发生的原因确定提供有力的依据。

2.安全事故分析报告

做好压力容器安全事故分析是十分重要的。下面通过3个事故分析报告来说明这点。

【案例3-15】 球罐放空管断裂事故

（1）事故概况 东北某市磷肥厂一台400m³氮气球罐因检修需要要降压放空排气，当时球罐压力为1.9MPa。在排放时，球罐顶部的放空管与人孔盖封头连接处突然断裂，断开后的放空管从两名操作人员之间飞过并坠落地面，当时无人员伤亡，但造成氮气供应中断，影响工厂正常生产。

（2）事故调查

1）现场检查。该球罐的设计压力为3.06MPa，设计温度为常温，使用介质为氮气，容器类别为第二类，容积为400m³。球罐顶部设有一个直径为500mm的人孔，人孔盖为椭圆形封头结构，盖子顶部开孔与一个φ108mm×5mm的钢管相焊接，另一端与Z41H型DN100的截止阀法兰连接，再外连一根90°的弯管，放空管总高约3m。管件的断裂部位在人孔与管子的角焊缝热影响区。事故发生时DN100截止阀的开启度为60mm左右，超过了阀门公称直径的一半。管件断裂飞出的方向与90°弯管排气的方向正好相反。

2）技术鉴定。

①审查与放空管结构有关文件。同时检查人孔盖封头与放空管组焊件制造情况，并经检验单位检验，结果为合格。

②接管与封头焊接是插入式结构，按图样要求封头内外均开坡口，为全焊透结构；封头内表面焊缝宽均为15mm，焊高为6mm；接管长度约为100mm，另一端与高颈法兰焊接；接管断口宏观检查，封头侧断口边缘距角焊缝顶部距离为2～20mm，断口大部分呈45°斜角，管子侧断口存在明显的塑性变形。经对封头与接管的内外角焊缝表面进行磁粉检测和着色检测，未发现表面裂纹及其他缺陷显示。

③对接管进行壁厚测定，除断口变形区为4.9～5.2mm，其他位置接管壁厚均为5mm，经取样复验化学万分和力学性能均符合GB 3087—2008《低中压锅炉用无缝钢管》标准要求。

④管子断口经微观金相检查，其显微组织为铁素体＋珠光体，非金属夹杂物为1级，晶粒度级别6～8级，基本符合材料标准要求。断口沿边缘部位组织变形明显，并产生与变形方向相同的二次裂纹，其断口的变形部位硬度值为240～248HV，其平均值为245HV，其基本的未变形部位硬度值为183～186HV。

技术鉴定表明，放空管与封头出厂资料齐全，符合国家有关技术标准的规定，选材及尺寸复验均符合设计图样要求，角焊缝结构经表面检测检查未发现超标缺陷，断口宏观检查塑性变形严重，断口呈灰暗色。微观金相检查断口边缘部分组织滑移较为明显，基本认定为一起典型的塑性破裂事故。

（3）受力计算

1）在排放氮气时，流体在出口处突然转角90°，从而流体的横向冲力与放空管总长力臂构成了一个力矩，最大弯矩正好在放空管与人孔盖封头的结合部。弯曲强度的条件为

M≤［σ］W_z

式中 M——在受力危险截面的最大弯矩（kN·m）；

［σ］——材料的许用应力（MPa）；

W_z——抗弯截面模量（m³）。

①抗弯强度计算公式为

［σ］＝σ_b/n_b

根据有关资料，20无缝钢管抗拉强度σ_b＝392～588MPa，取安全系数n_b为3，故［σ］＝392MPa/3＝131MPa。

放空连接管采用φ108mm×5mm的20无缝钢管，根据有关资料提供，该管子抗弯截面模量W_z为0.428m³，故［σ］W_z＝131MPa×0.428m³＝56.06kN·m。

②流体在放空时，管子与封头连接处承受的最大弯矩的计算公式为

M＝πd²L［P＋ρV²（1-cosθ）］/4

式中 d——管子的内径（m）；

L——放空管的总高度（m）；

P——流体的压强（Pa）；

ρ——氮气在1.9MPa时的密度（kg/m³）；

V——流体的流速（m/s）；

θ——排气管弯管角度。

从式中可以看出，M值随着d值增大而增大，同时当弯管角度为90°时，cosθ＝0，则M值达到最大值。

本例中，L＝3m，P＝1.9MPa，ρ＝22.22kg/m³，V＝600m/s，θ取80°～90°，经过计算所得M值见表3-66。

以上计算表明，当阀门开启过大时，会带来不安全隐患。

表3-66 最大弯矩计算表

（4）结论意见 经技术调查分析，该球罐顶部放空管的断裂事故是由于罐内氮气排放时，放空管与人孔盖封头的连接处承受了较大的外部载荷，管壁上的平均应力超过了管子材料的屈服强度和强度极限，从而导致了塑性断裂的突然发生。技术鉴定排除了放空管用材和焊缝质量不良的可能性，管子断裂事故与排气操作时在较短时间内一次性开启阀门过大有关，同时还存在一些设计不合理的因素。

（5）建议

1）操作时，作业人员必须缓慢开启阀门，开启度不能超过阀门直径的1/3。

2）放空管设计应尽量避免气流出口处采用90°弯管，一般选用120°～135°，以减少流体的横向冲力。

3）对压力容器加强定期检验，特别是材料应力集中处要重点进行检查，同时检查相应的焊缝及母材是否存在表面疲劳裂纹或变形泄漏，一旦发现应及时进行加固或更换修理。

4）做好压力容器事故分析，以便不断地总结经验和教训，压力容器事故记录见表3-67。

表3-67 压力容器事故记录

(www.chuimin.cn)

【案例3-16】 蒸压釜爆炸事故

（1）事故概况 广西某市某企业一台用于加工蛋白饲料的蒸压釜突然发生爆炸，釜盖冲破厂房顶部水泥瓦楞板腾空飞出，坠落在距蒸压釜地面约30mm处。爆炸造成现场正在紧固螺栓的操作工当场死亡，另一名操作工被倒塌的龙门吊支架压伤，在送往医院途中死亡，还有一名在场人员手、脚被严重砸伤。

（2）事故调查

1）现场检查：该蒸压釜属自行改造的慢开式压力容器，门盖上16根吊环螺栓，7根被拉断，其中6根的断裂点在吊环与螺栓的焊接处，从断裂面观察，3根属于旧断裂痕迹，3根属于新断裂痕迹。另1根的断裂点在螺纹与光杆的过渡处平齐断裂，从断裂面观察属于新断裂痕迹。同时椭圆封头门盖严重翘曲变形。

2）技术鉴定：

蒸压釜长度约4200mm，直径1800mm，筒体厚度10mm，封盖为标准椭圆型，厚度12mm。筒体与下封头装配质量较好，外观几何成形质量好，未发现制造超标缺陷，下封头为标准椭圆型封头。主焊缝采用埋弧焊，焊缝外观成形质量好。在制造的规定部位上钢印标记尚清晰可见，筒体和封头的材质为Q235-B。射线检测中心标记及搭接标记都很清楚。

从上述情况判断，该蒸压釜为有制造许可证的制造商生产的压力容器。

蒸压釜的门盖为慢开式开启，法兰厚度35mm，法兰上均布16个U形槽，采用吊环、螺栓锁紧门盖。吊环尺寸为φ80mm/φ35mm×50mm（外径/内径×厚度），从加工件残留的键槽判断，吊环是用废轴加工而成，经火花初步鉴别材质为中碳钢。销轴为φ40mm×201mm/φ35mm×100mm（台阶外径×长度/光杆直径×长度），螺栓为T40×4×100，材质经火花初步鉴定为低碳钢。吊环与螺杆连接采用角接（无开设坡口），焊接存在着严重的咬边、未熔合、焊瘤、飞溅等缺陷。从断裂口看，熔深很浅，存在着严重的未焊透情况。

经判断其吊环与螺杆均属自行加工的受压元件，未按设计要求进行规范制造。

（3）结论意见

1）供应蒸汽压力高于使用设备最高工作压力，蒸压釜工作时是由一台（压力为0.7MPa）锅炉供汽。蒸压釜最高工作压力为0.4MPa，未经减压直接供汽是潜在发生事故的原因之一。供、停汽均由司炉工和容器作业人员口头通知，来传递信息，压力的调整靠供汽的截止阀开启高度控制，这种供汽和调压方式，本身就潜伏着严重的隐患。

2）主要受压元件强度不足是造成事故的主要原因，问题出在自行改造的门盖的法兰和连接件上。改造的门盖存在两个严重的隐患：一是实际情况与设计要求存在严重的偏差，设计要求法兰外径为φ2045mm，厚度为84mm，螺栓中径φ1970mm，由均布的44根M36螺栓锁紧，而实际法兰外径为2020mm，厚度为35mm，螺栓中径φ1920mm，由16根T40×4螺栓锁紧，在操作状态下，实际需要最小螺栓面积远大于改造后的螺栓面积，换言之，实际使用的螺栓在预紧状态下承受的载荷大于改造后螺栓承受的载荷；二是实际使用的吊环螺栓按照设计技术要求，应采用整体锻件加工而成，而改造时采用可焊性较差的中碳钢组焊件，且焊接质量差，组焊时又没有按照焊接规范开设坡口，使受力部件强度不能满足工作载荷的条件。

3）该厂未建立特种设备安全管理制度和岗位安全责任制度，作业人员未经培训持证上岗，不按操作规程操作，带压进行紧固螺栓作业。

因此，事故发生的原因是：由于法兰的密封面的预紧力不足，无法达到工作压力下的密封要求，因此升压时发生泄漏，而作业人员企图通过紧固螺栓的方法加以解决，但因为存在不合理的密封结构和焊接质量低劣，所以导致事故的发生。

图3-42 开裂部位示意图

【案例3-17】 硫化罐裂纹事故

某企业生产轮胎用多台硫化罐，2005年检验9台硫化罐，发现有4条封头连接管的角焊缝部位开裂，2009年检测18台，仍发现有11台在同样部位角焊缝开裂，最严重的一条裂纹已扩展到180mm，具体如图3-42所示，硫化罐主要技术参数见表3-68。

1）裂纹特征：开裂部位无明显宏观变形，均是穿晶、穿透性，裂纹长30～180mm，开口宽度0.5～2mm，单条、无分叉，尾部尖细；裂纹起源在焊缝与母材的熔合线上，沿环缝周向扩展，或先沿环缝周向扩展又向母材扩展。

表3-68 硫化罐主要技术参数表

2）工艺作业：该硫化罐是轮胎定型重要设备，属反应容器。首先将所需硫化的水胎放入钢轮胎模具内，然后用起重机将模具依次放入罐内，每罐装10～12个模具（根据轮胎型号而定），每个模具重约1000kg，固定好模具，关好盖，通入蒸汽，升压运行，同时打开高压进、出水管阀门，使水在模具内循环。

3）开裂部位应力分析：①该接管部位属于应力集中部位，加上焊接条件差就十分容易产生微裂纹等焊接缺陷，同时接管还有外载荷的作用，所以该部位是硫化罐的主要薄弱环节。②该部位开裂主要是由于交变应力引起的。最主要的是冲击力，冲击力在焊缝部位产生很大的应力。冲击力的大小与模具的重量和下落的速度有关，模具越重，速度越大，则冲击力就越大，产生的应力也就越大。每放一个模具就对焊缝冲击一次，每昼夜装罐5次，就冲击50余次，如此反复循环，使焊缝有缺陷的部位或焊缝薄弱部位很短时间就产生裂纹，直到裂纹扩展，呈现低周疲劳。例如，该厂2003年投用一批新罐，有两个罐仅使用两个月此焊缝就开裂，穿透泄漏，后经该厂人员打磨补焊修理，但使用半年又开裂了。

其次影响较大的是模具重力产生的应力，模具重达10000kg，尽管放在托板上，但仍有一部分重力通过接管作用在焊缝上，使焊缝、壳体承受向下的拉力。

上述两交变载荷有时同时存在，共同作用，这就是焊缝开裂的主要原因。

图3-43 接管位置改变示意图

4）改进措施：①接管角焊缝处多次开裂，主要是设计上有缺陷，与企业生产工艺不相适应。2002年对检出接管角焊缝开裂的硫化罐进行修理改造，将接管位置改在筒体下部如图3-43所示，使后来的刚性结构改为弹性结构，冲击力得到缓冲。改造后的硫化罐使用多年也未出现开裂现象。②在对开裂出现缺陷硫化罐进行修复前，应对产生开裂的原因进行详细分析，采取正确和可行的修点措施。

3.做好测厚值异常情况分析

容器壁厚在使用一定年限以后必然会减薄，当壁厚减薄到一定程度时，就会给安全生产造成威胁。如果是盛装易燃、易爆或者是有毒介质的压力容器，其危害性就更大。因此，厚度测量是在用压力容器检验中最常见的检测项目。

超声波测厚仪是最常用的厚度测量仪器，其示值是判断压力容器壁厚腐蚀状态的主要依据。在实际检验中，厚度测量值波动较大，经常出现异常值，造成错误的结论和处理。所以，测厚异常值的判断及处理对于正确诊断在用压力容器使用状况具有十分重大的意义。

（1）超声测厚值异常案例

1）某厂低压加热器安装前的测厚检验中，发现1个筒体短节有大面积厚度减薄现象。该容器壁厚设计值为30mm，但绝大多数测点示值为14～15mm。由于该容器还未投入运行，排除了腐蚀和冲刷等因素，用双晶片探头进行了超声检测复核，未发现有较大面积夹层的存在。

2）某厂A级检修对低压加热器进行壁厚检验时，发现容器气室封头有一面积为500mm×300mm的厚度减薄区。该容器的设计厚度为12mm，实测最小壁厚3.45mm，小于最小理论计算壁厚，不能满足该容器的安全运行要求。用双晶片探头进行超声检测复核，确定该处壁厚确实减薄。割开封头（见图3-44）进一步观察，发现减薄处内壁平滑均匀，经查阅图样知，该封头壁厚减薄区正对疏水口，减薄为长时间疏水冲刷所致。

3）某厂除氧器进行测厚检验时，发现容器壁厚普遍小于设计壁厚值。容器的设计厚度为30mm，而测点示值均为20mm左右。查看资料后发现，该容器为复合材料制作，由于声波在不同材料中的传播速度不一样，从而对测厚示值产生了影响。

（2）测厚值异常原因分析 超声测厚的工作原理是根据超声脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

容器中的宏观、微观缺陷一旦达到一定面积（尺寸），足以使反射信号被仪器接受并显示时，就会反映出缺陷所在部位的厚度（深度）。由于超声在传播过程中路径发生变化，如折射或产生波形变换，有时就会产生“增值”或其他变化，从而引起失真。

根据分析有下列因素会造成测厚值异常，在测定时要采取措施防止测厚值失真。

图3-44 汽室封头沿壁厚剖开照片

1）材料传播声速的不同会产生不同的结果。声波在不同的材料中传播速度是不一样的，根据超声测厚原理可知，其显示的结果必然不一样。因此，在测量前一定要查清被测物是哪种材料，从而选择合适的声速进行测量。

2）晶粒各向异性对声波传播的影响。正常结晶状态下，金属材料具有统计性的各向同性。由于结晶时的条件不同，也有可能使结晶方向有序和定向，或在压延拉伸时使晶粒变形，从而使声波的传播速度、路径及方向发生变化，产生散射、折射、绕射及波形转换等，这些变化被仪器接收并放大，即产生示值的变化和异常显示。

3）材料中的夹杂物对超声传播的影响。被测材料中的夹杂物、非金属也会使声波传播路径、方向和速度发生变化，如硫化物、氮化物或其他类型夹渣等。这些夹杂物在钢材轧制时被碾平，极易使声波产生反射和折射，从而使测厚值发生变化。

4）铸件、奥氏体钢因组织不均匀或晶粒粗大，超声在其中穿过时产生严重的散射衰减，被散射的超声沿着复杂的路径传播，有可能使回波淹没，造成不显示或异常显示。因此，可选用频率较低的粗晶专用探头（2.5MHz）。

5）金属表面氧化物或油漆覆盖层的影响。金属表面产生的致密氧化物或油漆防腐层，虽与基体材料结合紧密，无明显界面，但声速在两种物质中的传播速度是不同的，从而造成误差，且随覆盖物厚度不同，误差大小也不同。

6）温度的影响。一般固体材料中的声速随其温度升高而降低，有试验数据表明，热态材料每增加100℃，声速下降1％。高温在用设备常常碰到这种情况。

7）层叠材料、复合（非均质）材料的影响。要测量未经耦合的层叠材料是不可能的，因超声无法穿透未经耦合的空间，而且不能在复合（非均质）材料中匀速传播。对于由复合材料包扎制成的设备，测厚时要特别注意的是，测厚仪的示值仅表示与探头接触的那层材料厚度。

8）被测压力容器内有沉积物，当沉积物与容器声阻抗相差不大时，测厚仪显示值为壁厚加沉积物厚度。

9）材料合金成分的偏析对超声性能的影响。液态金属结晶时所产生的化学成分和非金属夹杂物的不均匀现象统称为偏析，如区域偏析、晶内偏析等。而所有偏析均会使声波在材料中的传播发生变化，从而使测厚值发生变化。

10）耦合剂的影响。耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法测量。应根据使用情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。

11）工件内部有氢腐蚀。在测定临氢介质的压力容器壁厚时，如果发现壁厚“增值”，应考虑氢腐蚀的可能性。氢腐蚀是指高温下氢和钢中的渗碳体发生还原反应生成甲烷而导致沿晶界的腐蚀。甲烷的形成使晶界产生大量的微裂纹，并相应地有明显的脱碳，使超声的衰减、声速受到影响，晶粒与晶粒间的缝隙会迫使超声的传播路线改变、声程加大，从而使测厚仪上的显示值大于实际厚度。

12）被测物背面有大量腐蚀坑。由于被测物另一面有锈斑、腐蚀凹坑，造成声波衰减，导致读数无规则变化，在极端情况下甚至无读数。因此应增加测点数量或者观察被测物背面的腐蚀状况。

13）测厚仪性能对超声在某些材料中传播的影响。当测厚仪的灵敏度较高或探测频率较高时，内应力较大、冷变形硬化及未经回火的淬火钢，都会引起超声的异常反射，影响示值。这类似于超声检测时的簇射波、鳞状波、应力波等。

在实际检验中，情况千变万化，声波在介质中的传播理论也比较复杂。只有结合实际情况分析原因，才能得到正确可靠的测厚数据。