壓力容器作為我國法定的八大類特種設(shè)備之一，在工業(yè)工程方面有著不可替代的作用。近年來，隨著國際資本的進(jìn)入和我國企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)以及對(duì)利潤需求的提升，腐蝕問題在壓力容器行業(yè)中逐漸被重點(diǎn)考慮，基于失效模式的設(shè)計(jì)方法被廣泛應(yīng)運(yùn)，相關(guān)的失效模式也被重點(diǎn)總結(jié)歸納。但隨著原料劣質(zhì)化和壓力容器大型化，高參數(shù)化和高規(guī)格化的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)腐蝕問題的會(huì)長期存在并逐漸增加權(quán)重，需要社會(huì)各界共同努力以推動(dòng)問題的解決。

 

    文/趙博　中國特種設(shè)備檢測研究院

 

    一、壓力容器的腐蝕與發(fā)展

 

    壓力容器是一個(gè)涉及多行業(yè)、多學(xué)科的綜合性產(chǎn)品，其建造技術(shù)涉及到冶金、機(jī)械加工、腐蝕與防腐蝕、無損檢測、安全防護(hù)等眾多行業(yè)。隨著冶金、機(jī)械加工、焊接和無損檢測等技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在世界各國投入了大量人力物力進(jìn)行深入的研究的基礎(chǔ)上，壓力容器技術(shù)領(lǐng)域也取得了相應(yīng)的進(jìn)展。為了生產(chǎn)和使用更安全、更具有經(jīng)濟(jì)性的壓力容器產(chǎn)品，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、焊接和檢驗(yàn)方法已經(jīng)和正在不同程度地為新技術(shù)、新產(chǎn)品所代替，而冶金、機(jī)械加工、焊接和無損檢測等壓力容器相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步， 是壓力容器行業(yè)整體技術(shù)水平提高的前提條件。

 

    腐蝕是影響壓力容器行業(yè)發(fā)展的重要阻礙之一，并廣泛地分布于各種使用場合。腐蝕對(duì)壓力容器的危害性主要表現(xiàn)在：一方面導(dǎo)致壓力容器發(fā)生早期失效或突然損壞，造成停車停產(chǎn)，浪費(fèi)人力物力；另一方面造成壓力容器的內(nèi)部介質(zhì)泄漏，造成產(chǎn)品流失，污染環(huán)境引起公害。與常規(guī)設(shè)備相比，壓力容器中的腐蝕問題往往更為嚴(yán)重。一方面其盛裝介質(zhì)多具有腐蝕性，且在長期的使用過程中難以保證介質(zhì)穩(wěn)定，常受到環(huán)境變化的沖擊；另一方面其長期在極端的壓力溫度等條件下運(yùn)行，往往承擔(dān)極限較高的環(huán)境苛刻性，是危險(xiǎn)性較高的特種設(shè)備。基于此，壓力容器在生產(chǎn)和使用中發(fā)生腐蝕的形式比較復(fù)雜，種類較多。如全面腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫損傷、孔蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕和腐蝕疲勞等都有可能發(fā)生。

 

    在我國，壓力容器行業(yè)面臨的腐蝕失效問題更是日益嚴(yán)重。造成這種情況的主要原因有二：

 

    其一是原料明顯呈劣質(zhì)化趨勢(shì)，致使部分壓力容器運(yùn)行環(huán)境的苛刻性增強(qiáng)，對(duì)既有的腐蝕與安全經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成重大的沖擊。以煉化用原油為例，近20年全球原油硫含量持續(xù)上升，高酸原油在世界原油供應(yīng)中的比例從2000年的7.5%增加到2010年的約10％。預(yù)計(jì)未來20年，這一趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)加重。我國這種情況則更為嚴(yán)重。2010年我國煉油企業(yè)進(jìn)廠原油平均硫含量為1.24%；酸值為0.6 mg KOH/g；鹽含量53.8 mg NaCl/L，已屬于高硫高酸原油的范疇，劣質(zhì)化程度極高。隨著近些年來國際政治形勢(shì)的變動(dòng)和我國廉價(jià)劣質(zhì)原油的大量進(jìn)口，煉化用原油進(jìn)一步劣質(zhì)化已不可避免。原料的劣質(zhì)化帶來的不僅是腐蝕程度的變化，其腐蝕機(jī)理也在發(fā)生相應(yīng)的改變。例如有報(bào)道稱，有劣質(zhì)原油在煉化過程中的環(huán)烷酸腐蝕發(fā)生溫度可下降至200℃左右，有別于既往認(rèn)知的220~230℃，這其中到底是什么起到了關(guān)鍵性的作用還不清楚，因此須對(duì)相關(guān)知識(shí)體系進(jìn)行變革完善。

 

    其二是近年來我國企業(yè)擴(kuò)大裝置生產(chǎn)能力的需求加強(qiáng)，致使壓力容器對(duì)腐蝕的發(fā)生及其損傷程度的容忍力大大降低。如圖1所示為壓力容器新舊設(shè)計(jì)對(duì)比圖，從圖中可以看出近年來壓力容器明顯呈大型化，高參數(shù)化和高規(guī)格化的發(fā)展趨勢(shì)。千噸級(jí)的加氫反應(yīng)器、二千噸級(jí)的煤液化反應(yīng)器、一萬立方米的天然氣球罐、大直徑的長輸管線和超超臨界動(dòng)力鍋爐等已經(jīng)在我國大量應(yīng)用。隨著壓力容器的進(jìn)一步發(fā)展，極端的服役環(huán)境需要的設(shè)計(jì)邊界不斷拓展，其變化會(huì)引起失效模式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的改變。這種變化既促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展，也造成既有的選材標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)腐蝕觀念的適用性逐漸與實(shí)際工程發(fā)展脫節(jié)。大型化意味著新材料的使用，設(shè)計(jì)方法的變革，制造裝備要求的提高，以及檢驗(yàn)工藝的復(fù)雜化；高參數(shù)化意味著邊界極端化、高腐蝕性的環(huán)境介入；復(fù)雜化意味著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、操作復(fù)雜化和破壞機(jī)理復(fù)雜化。這些都可能造成不可預(yù)知的設(shè)備損傷，成為設(shè)備失效的重要誘因。因此，耐高溫、高壓和耐強(qiáng)腐蝕的壓力容器用材料的研制與開發(fā)一直是壓力容器行業(yè)所面臨的重大課題。

 

    圖 1 壓力容器新舊設(shè)計(jì)邊界對(duì)比

 

    二、基于失效模式的壓力容器腐蝕與防護(hù)理念發(fā)展

 

    近年隨著經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)國際資本大量進(jìn)入我國進(jìn)行大型工程裝置建設(shè)，和給我國的壓力容器相關(guān)行業(yè)帶來了并存的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：一方面，國際化的工程項(xiàng)目帶來了國際競爭，對(duì)我國企業(yè)的生存能力提出了更高的要求；另一方面，國際企業(yè)也帶來了更先進(jìn)的技術(shù)能力、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾矸椒ê透鼘掗煹男袠I(yè)視野，為我國本土企業(yè)追近國際先進(jìn)水平提供了條件 。在國際市場競爭的大環(huán)境下， 我國企業(yè)對(duì)利潤的追求更加迫切。受此影響，需要我國的壓力容器設(shè)計(jì)單位、運(yùn)行單位和檢測單位共同協(xié)作努力，在保證安全的基礎(chǔ)上，采用更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)、制造方法，體現(xiàn)更高的綜合建造能力的技術(shù)要求，推廣更寬的標(biāo)準(zhǔn)適用范圍，并謀求在國際貿(mào)易中的國家競爭力。其中，腐蝕作為影響壓力容器安全的最重要因素之一，是業(yè)內(nèi)矚目的焦點(diǎn)問題。壓力容器設(shè)計(jì)單位目前廣泛發(fā)展的基于失效模式的設(shè)計(jì)方法，就對(duì)此有所體現(xiàn)。

 

    作為一種理念，基于失效模式的設(shè)計(jì)方法首先由ISO 16528提出并明確。其內(nèi)容是在承壓設(shè)備設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，考慮全壽命過程中設(shè)備的服役條件下可能出現(xiàn)的各種失效模式和損傷機(jī)理產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)設(shè)備安全性與壽命的影響，通過合理選材、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化制造工藝等措施，在設(shè)計(jì)制造早期控制和降低承壓設(shè)備在全壽命過程中的風(fēng)險(xiǎn)，使其安全服役到預(yù)定的壽命。由此可知，以失效模式為依據(jù)的設(shè)計(jì)方法重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)方面：其一是針對(duì)承壓設(shè)備服役條件下可能出現(xiàn)的各種失效模式和損傷機(jī)理進(jìn)行有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施；其二是該風(fēng)險(xiǎn)控制措施局限于合理選材、改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化制造工藝等設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的早期控制。

 

    基于失效模式的設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)則如圖2所示，其最重要的意義是通過對(duì)失效模式的識(shí)別和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的歸納，在壓力容器的設(shè)計(jì)階段針對(duì)預(yù)期出現(xiàn)的主要失效模式進(jìn)行重點(diǎn)有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，一方面可以避免由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不足帶來的不安全性；另一方面可以避免對(duì)材質(zhì)與制造工藝盲目要求和設(shè)計(jì)冗余帶來的不經(jīng)濟(jì)性，以期通過設(shè)計(jì)同時(shí)滿足壓力容器的安全性與經(jīng)濟(jì)性要求。

 

    圖2 基于失效模式的壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

 

    ISO 16528還綜合世界主要工業(yè)國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，針對(duì)鍋爐和壓力容器常見的失效形式，將其失效模式歸類為三大類、14種失效模式。14種失效模式可主要?dú)w為力學(xué)失效和腐蝕失效兩大原因，其中沖蝕、腐蝕失效模式，環(huán)境助長開裂失效模式，以及環(huán)境助長疲勞失效模式和腐蝕的相關(guān)性最強(qiáng)，詳見表1。因此，基于壓力容器失效模式進(jìn)行的設(shè)備設(shè)計(jì)、防護(hù)以及相關(guān)的研究中，對(duì)腐蝕因素的考慮主要集中于此三種失效模式中。

 

    可以看出，在壓力容器的失效模式中，腐蝕的作用往往集中于相對(duì)較苛刻的介質(zhì)環(huán)境和較長期的設(shè)備服役時(shí)期中。這是因?yàn)閴毫θ萜鞯淖饔眯枰獌蓚€(gè)必備因素：其一是根據(jù)反應(yīng)熱力學(xué)定律，需要能誘發(fā)材料發(fā)生電化學(xué)或化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境因素；其二是根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)定律，需要能支持從腐蝕反應(yīng)發(fā)生到壓力容器失效的時(shí)間因素。

 

    需要說明的是，從傳統(tǒng)意義上講，腐蝕不包含于所有壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的失效模式中，在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮環(huán)境的苛刻性與材料的適用性兩方面，方能確定腐蝕在其設(shè)計(jì)中的加權(quán)。但是由于前文所述壓力容器發(fā)展對(duì)材料的在極端環(huán)境下服役提出的強(qiáng)烈的需求，以及腐蝕與失效所帶來越發(fā)嚴(yán)重的后果，使得作為壓力容器最常見的失效模式之一的腐蝕，逐漸成為各國承壓設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)中都將其歸為設(shè)計(jì)者考慮的問題。

 

    我國對(duì)此研究也多有進(jìn)展，在最新頒布的《承壓損傷模式識(shí)別》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 30579-2014）中，以API571為藍(lán)本，將承壓設(shè)備的損傷模式和失效機(jī)理歸納四大類82種，其中減薄32種、環(huán)境開裂13種、材質(zhì)劣化17種、機(jī)械損傷20種，其中大部分損傷模式與腐蝕相關(guān)。在該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)每一種損傷模式均包括如下技術(shù)內(nèi)容，這些技術(shù)內(nèi)容可以為設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)運(yùn)行單位在腐蝕控制時(shí)提供參考：

 

    （1）該損傷模式的定義描述；

 

    （2）該損傷模式的機(jī)理、表象、形態(tài)或者典型圖譜；

 

    （3）容易產(chǎn)生該損傷模式的敏感材料；

 

    （4）影響該損傷模式的主要因素；

 

    （5）容易發(fā)生該損傷模式的主要裝置和典型設(shè)備；

 

    （6）預(yù)防該損傷模式的建議措施；

 

    （7）該損傷模式的監(jiān)測、檢測方法；

 

    （8）與該損傷模式相關(guān)或伴隨的其他損傷模式。

 

    需要說明的是，壓力容器的運(yùn)行環(huán)境是多元性的，各種損傷模式往往并行發(fā)生并起到耦合作用，而并非簡單疊加。相關(guān)損傷模式的協(xié)同效應(yīng)研究，是目前承壓設(shè)備腐蝕的重點(diǎn)研究方向之一，也是在現(xiàn)實(shí)工程中的防腐蝕問題所必須考慮的因素。

 

    三、結(jié)論

 

    我國的壓力容器技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期， 期間由于各種問題發(fā)生的壓力容器腐蝕不容忽視，也需要業(yè)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)既有存在的不足，采用實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟的形式共同進(jìn)行研究工作，實(shí)現(xiàn)行業(yè)安全與個(gè)體需求的協(xié)同發(fā)展，共同推動(dòng)我國壓力容器安全事業(yè)的發(fā)展。