压力容器事故处理与分析

1,事故调查与分析山东省特检院工程中心,2,一、事故的定义： 凡由于受压部件、附件、辅助设备、燃烧设备的损坏、故障、其他异常情况所导致的锅炉、压力容器停止运行的情况（包括为防止事故扩大而停止运行；故障未明，为保证设备安全必须停止运行；由于设备损坏被迫停止运行等多种情形），均属于锅炉压力容器事故。（穆文剑，压力容器事故分类方法的探讨，安全，1990，p9-11）,凡压力容器发生爆炸、受压部件严重损坏、以及由于受压部件开裂可燃气体泄漏引起火灾或有毒气体泄漏引起人员中毒死亡、受伤的事故。凡发生其中任何一种的均属压力容器事故。（王志文，压力容器安全技术及事故分析，1993，p371）,3,特种设备安全监察条例,第六章 事故预防和调查处理第六十一条 有下列情形之一的，为特别重大事故：（一）特种设备事故造成30 人以上死亡，或者100 人以上重伤（包括急性工业中毒，下同），或者1 亿元以上直接经济损失的；（二）600 兆瓦以上锅炉爆炸的；（三）压力容器、压力管道有毒介质泄漏，造成15 万人以上转移的；（四）客运索道、大型游乐设施高空滞留100 人以上并且时间在48小时以上的。,4,第六十二条 有下列情形之一的，为重大事故：（一）特种设备事故造成10 人以上30 人以下死亡，或者50 人以上100 人以下重伤，或者5000 万元以上1 亿元以下直接经济损失的；（二）600 兆瓦以上锅炉因安全故障中断运行240 小时以上的；（三）压力容器、压力管道有毒介质泄漏，造成5 万人以上15 万人以下转移的；（四）客运索道、大型游乐设施高空滞留100 人以上并且时间在24 小时以上48 小时以下的。,5,第六十三条 有下列情形之一的，为较大事故：（一）特种设备事故造成3 人以上10 人以下死亡，或者10 人以上50 人以下重伤，或者1000 万元以上5000 万元以下直接经济损失的；（二）锅炉、压力容器、压力管道爆炸的；（三）压力容器、压力管道有毒介质泄漏，造成1 万人以上5 万人以下转移的；（四）起重机械整体倾覆的；（五）客运索道、大型游乐设施高空滞留人员12 小时以上的。,6,第六十四条 有下列情形之一的，为一般事故：（一）特种设备事故造成3 人以下死亡，或者10 人以下重伤，或者1 万元以上1000 万元以下直接经济损失的；（二）压力容器、压力管道有毒介质泄漏，造成500 人以上1 万人以下转移的；（三）电梯轿厢滞留人员2 小时以上的；（四）起重机械主要受力结构件折断或者起升机构坠落的；（五）客运索道高空滞留人员3.5 小时以上12 小时以下的；（六）大型游乐设施高空滞留人员1 小时以上12 小时以下的。除前款规定外，国务院特种设备安全监督管理部门可以对一般事故的其他情形做出补充规定。,7,第六十七条 特别重大事故由国务院或者国务院授权有关部门组织事故调查组进行调查。重大事故由国务院特种设备安全监督管理部门会同有关部门组织事故调查组进行调查。较大事故由省、自治区、直辖市特种设备安全监督管理部门会同有关部门组织事故调查组进行调查。一般事故由设区的市的特种设备安全监督管理部门会同有关部门组织事故调查组进行调查。,8,二、压力容器事故其他分类,9,1、把压力容器在规定的使用期限内，因设计结构不合理、制造质量不良、使用维护不当或其他原因失去按原设计参数正常工作的效能，称为压力容器失效。2、“事故”强调的是后果，即造成的损失和危害，而“失效”强调的是压力容器本身的功能状态。3、压力容器失效的后果： 3.1 设备无法使用，生产不能正常进行 3.2 快速破裂引起爆炸 3.3 有毒物质泄漏引起的中毒 3.4 易燃物引起的燃烧或爆燃 3.5 环境污染,三、事故与失效的关系,10,四、引起压力容器失效的原因： 压力容器在设计寿命内发生失效，失效的原因是多方面的，大体上认为是由设计不合理、选材不当及材料缺陷、制造工艺不合理、使用操作和维修不当等四方面引起的，可能是单方面的原因，也可能是交错影响。,4.1设计不合理 由于设计上考虑不周密或认识水平的限制，构件或装备在使用过程中失效时有发生，其中结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区，未能恰当设计引起的失效比较常见。,例： 某厂引进的大型再沸器，结构为卧式u形管换热器，由于管束上方汽液通道截面过小，形成汽液流速过高，造成管束冲刷腐蚀失效。,11,4.2选材不当及材料缺陷 材料选择要道循使用性原则、加工工艺性能原则及经济性原则。首先要考虑遵循使用性原则。使用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够的抵抗失效的能力。如对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂，应该选择足够的拉伸强度和屈服强度，但对可能产生的脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得其反。 在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成形要有好的加工工艺性能。 在保证构件使用性能、加工工艺性能要求的前担下，经济性也是必须考虑的。,12,4.3 制造工艺不合理 压力容器在机加工、冷热成形、焊接、装配等制造工艺过程中，若工艺规范制订欠合理，则设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。 机加工常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕； 冷热成形的表面凹凸不平、不直度、不圆度和裂纹： 在焊接时可能产生 焊缝表面缺陷(咬边、焊缝凹陷、焊经过高)、 焊接裂纹、 焊缝内部缺陷(末焊透、气孔、夹渣)， 热影响区 产生组织硬化和裂纹等缺陷； 组装的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的内应力等。 现场安装时，操作程序不合规范,13,4.4 使用操作不当和维修不当 使用操作不当是金属装备失效的重要原因之一，如违章操作，超压、超温；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为。如：根据某一时期 260次压力容器和锅炉事故统计，操作事故194次，占74.5。 设备进行定期维修和保养，装备的检查、检修和更换，不及时或没有采取适当的修理、防护措施，会引起装备早期失效。,14,五 压力容器常见失效形式的判断,强度失效：因材料屈服或断裂引起的压力容器失效 韧性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 腐蚀断裂刚度失效： 由于构件过度弹性变形引起的失效失稳失效：在压应力的作用下，压力容器突然失去原有的规则几何形状引起的失效泄漏失效：由于泄漏引起的失效,5.1 常见失效形式,15,5.2 强度失效：在载荷的作用下，应力达到或接近所用材料的强度极限引起的失效,5.2.1 韧性断裂定义：压力容器在载荷的作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限，断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。,16,韧性破裂的特征 (1)有明显的塑性变形A、直径有明显的鼓胀B、周长有明显的伸长 通常韧性破裂后容器的周向伸长率一般均在10以上。C、容积有明显的增大 塑性好的容器发生韧性爆裂容积的膨胀率也至少大于10，有的甚至可高达20以上。D、壁厚有明显的减薄 体积的膨胀、周长与直径的增大必然使壁厚减簿，特别在主断口处减面最为明显，这相当于拉伸试棒断裂时的缩颈部位。（2）爆裂时一般不产生碎片,液体,含有气体,液化气钢瓶韧性破裂,17,多层容器韧性破裂,18,韧性断裂有两种类型。一种是宏观断面取向与最大正应力相垂直的正断型断裂；另一种是宏观断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45角，又称斜断裂。,19,凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区放射线纹理的灰色有光放射区平滑丝光的亮灰色剪切唇区。,塑性变形的宏观特点,20,韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。,塑性断裂的微观特点-1,韧窝,21,塑性断裂的微观特点-2,蛇行花样,在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，因位向不同的晶粒之间的相互约束和牵制，不可能仅仅沿着一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移。,22,韧性断裂的原因 a、厚度未经设计计算或强度计算错误 b、制造使用错材料，降低强度等级材料当作高强度等级材料 c、使用中厚度减薄 d、操作失误，造成超压且安全装置未起作用 e、盛装液体液体受热膨胀超压 f、化学反应失控引起超压 g、高压介质进入设计压力较低的容器,23,5.2.2 脆性断裂定义：是指变形量很小，在断裂前压力容器壳体中的应力水平远低于材料的强度极限。脆性断裂的特点： a、在较低的应力状态下发生 b、断口齐平，与最大应力方向垂直 c、断裂速度快，容器易断裂成碎片 d、失效前，安全泄放装置未动作 e、新断口有金属光泽 f、从断裂源点形成“人”字形条纹,24,25,26,脆性断裂的微观特征-1,河流花样,河流花样是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，河流条纹就是相当于各个解理平面的交割。 河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游(即河流分叉方向)是裂纹源。,27,脆性断裂的微观特征-2,舌状花样,当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体变形以形变孪晶方式进行。,28,脆性断裂的微观特征-3,准解理断口,准解理断口的显微形态是介于解理断口与韧性断口之间的一种断口形态,29,产生脆性断裂的原因 a、应力状态与缺口效应最大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；而最大拉伸应力则只促进裂纹的扩展。截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，周围区域为了保持变形协调，便对高应力区以约束，即造成三向拉伸应力状态。这是造成金屑构件在静 态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。,30,b、温度随着温度降低，钢的屈服应力增加，韧性下降；当温度在材料脆性转变温度以下时，材料的断裂由原来的正常韧性断裂转为脆性断裂。 c、焊接质量焊接影响因素-焊接残余应力、角变形、焊接错边等焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等d、工作介质铸造、锻造、轧制、挤压、机械加工、焊接、热处理等工序中产生的残余应力及工作应力电化学腐蚀,31,e、材料和组织因素脆性材料、劣等冶金质量、有氢脆倾向的材料以及缺口敏感性大的钢种都能促使发生脆性断裂；不良热处理产生脆性组织状态，如组织偏析、脆性相析出、晶间脆性析出物、淬火裂纹、淬火后消除应力处理不及时或不充分等也能促进脆性断裂的发生。 f、化学反应失控或容器内发生化学爆炸材料迅速变形 g、容器发生爆沸等物理性的爆炸材料发生迅速变形,32,5.2.3 疲劳断裂,定义：压力容器在服役中，在交变载荷的作用下，经一定循环次数以后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程,疲劳断裂的特点,a、交变载荷,33,疲劳极限,低于疲劳极限，具有无限寿命。实际构件的疲劳寿命往往低于实验室疲劳试验的小试样的寿命，因为实际构件的实际因素(表面应力状态、表面质量、尺寸因素、冶金质量和热处理质量等等)影响的结果,34,疲劳裂纹的产生与扩展,35,疲劳断裂的宏观形貌,36,疲劳断口的微观形貌,疲劳断不同部位的疲劳辉纹形态,37,38,产生疲劳断裂的因素,a、构件表面质量差- 淬火裂纹、加工刀痕、表面脱碳或氧化b、 缺口效应与应力集中- 结构中有缺口、螺纹、孔洞、台阶c、残余应力- 拉拔、挤压、校直、弯曲、切削、表面液压、喷九强化和喷丸清理都因塑性变形而产生残余应力d、材料的成分和组织 -疲劳强度随着含碳量增加而增高，钥、铬、镍等也有类似的效应-碳化物进行弥散强化。 -气孔、缩孔、偏析、白点、折叠等冶金缺陷， -构件在铸造、锻造、焊接及热处理中也会有缩孔、裂纹、过烧及过热等缺陷。这些缺陷往往都是疲劳裂纹的发源地，严重地降低构件的疲劳强度。,39,-钢材在轧制和锻造时，因夹杂物沿压延方向分布而形成流线，流线纵向的疲劳强度高，横向的疲劳强度低。 -非金屑夹杂物对疲劳强度有明显的影响e、工作条件- 构件服役的环境条件对疲劳断裂也商很大影响，其小载荷的频率、载荷大小、间歇运行以及服役环境的温度及介质情况。f、腐蚀环境-介质使构件表面产生蚀坑、微裂纹等缺陷，将会加速疲劳源萌生。,40,5.2.4 腐蚀断裂,a、均匀腐蚀：均匀腐蚀的特征是金属材料的整个暴露表面均匀地发生腐蚀，宏观表现是金属厚度逐渐减薄。当构件被严重腐蚀以至剩余厚度不能承受外加载荷时，构件即被破坏。这种腐蚀对剩余金属的力学性能不会产生影响，构件的破坏仍属于韧性破坏。 均匀腐蚀是危险性比较小的一种腐蚀破坏型式，因为它比较容易被发现。对接触有腐蚀性介质的构件设计时一般都根据需要的使用寿命和介质对材料的腐蚀速率留有足够的腐蚀裕度，所以在实际工作中，由于均匀腐蚀而造成的恶性事故比较少见。,41,b、点腐蚀 点腐蚀是指金属表面受到点状的局部腐蚀，包括在个别点上的深坑腐蚀、面积较大的密集斑点腐蚀等。 点腐蚀形成的深坑可以引起应力集中，在深坑周围产生较高的局部应力，如果构件承受的是反复交变裁荷，则有产生疲劳破坏的可能。若材料的韧性较差，或处在较低的温度下，也有可能由此而产生脆性破坏。严重的点腐蚀，还会由于产生穿透性孔而造成构件的破坏。,42,二氧化碳引起的点蚀,Cr13型不锈钢的局部腐蚀,43,C、晶间腐蚀 晶间腐蚀是一种局部的、选择性的腐蚀破坏。这种腐蚀是金属破坏沿着晶粒的边界进行，腐蚀性介质渗入金属的深处，金属晶粒之间的结合力因腐蚀而受到破坏。材料的强度和塑性几乎完全丧失，因而在很小的外力作用下即会损坏。,44,d、应力腐蚀 应力腐蚀又称为应力腐蚀开裂，是金属在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下而产生的一种破坏型式。压力容器一般都承受着较大的拉伸应力，它的结构也常常难以避免地存在程度不同的应力集中，而且容器的工作介质又经常是带有腐蚀性的，因此应力腐蚀是压力容器最常见而又最危险的一种破坏型式。,45,应力腐蚀开裂过程,46,应力腐蚀裂纹的形貌特征,47,应力腐蚀断口的形貌特征,48,穿晶型应力腐蚀裂纹金相与断口,49,奥氏体不锈钢应力腐蚀的穿晶断口 Cl-引起的解理断口,800,1000,50,应力腐蚀中常见的沿晶断口冰糖状,50,51,200,52,200,53,500,54,低强度钢在湿H2S环境中的氢鼓泡,湿硫化氢引起的氢致开裂 基于与氢鼓泡相同的机理。钢材的含硫良高，形成MnS夹杂亦多，导致层状开裂的机会就多。氢致开裂的突点是不需外加应力的诱导。,55,低碳钢在湿硫化氢环境中出现氢致开裂的金相照片,56,应力腐蚀开裂的影响因素1、材料因素 应尽量选择在所用介质中尚未发现应力腐蚀开型现象或不太敏感的材料，Kiscc较高的材料。 通过采用各种强韧化处理新工艺，改变合金相的相组成、相形态及分布。即通过改变金属的成分和组织结构，消除杂质元素的偏析，细化品粒，提高成分和组织的均匀性，提高材料韧性，进而改善金属的抗应力腐蚀性能。2、拉应力 一方面在构件的设计时不仅要使工作应力远远低于材料的屈服强度，而且要远远低于材料应力腐蚀临界断型应力。3、环境介质改变生产过程中介质的温度、浓度、杂质含量和pH值。,57,e、腐蚀疲劳 疲劳腐蚀(或称腐蚀疲劳)是是由交变的拉伸应力和介质对金属的腐蚀作用所引起的，介质的腐蚀作用与材料的疲劳是相互促进的。 疲劳腐蚀破坏的构件，其宏观特征是具有疲劳破坏的断口，即断口常有两个明显不同的区域，一个是腐蚀疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最后断裂区。疲劳裂纹的起源点往往都是构件表面的腐蚀抗。疲劳腐蚀的裂纹多为穿晶分布的，裂纹形成以后以穿晶方式向内部逐步扩展。,58,5.2.5 蠕变断裂 压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。变形特征：属韧性断裂应力特征：脆性断裂,59,Nimonic 105合金800沿晶蠕变断口 （SEM800）,60,Nimonic 105合金800沿晶蠕变断 （SEM3300）,61,六、压力容器失效分析方法,压力容器失效分析的目的：1、 事故的性质及过程 即要稿清爆炸是属于物理爆炸还是属于化学爆炸。2、 事故的破坏形式 即确定局于下列五种破裂形式中的哪一种：韧性破裂事故、脆性破裂事故、疲劳破裂事故、腐蚀破裂事故、蠕变破裂事故。 3、 事故原因的分析 应鉴别事故属于哪一种原因造成的，如设计、制造、材料、安装、检修、运行、管理或安全附件等方面的原因。根据调查到的全部情况找出事故可能的全部原因，进一步再分清主次，并逻辑地判断出直接原因、间接原因。4、 事故的责任 在以上各项技术分析的基础上再找出事故的直接责任者和领导责任者，并确定主要责任者。,62,6.1现场的紧急处理1、及时切断电源 严防明火引起二次爆炸 事故后电线裸露，容易触电2、将发生事故的压力容器排空，放到备储槽 防止再次燃烧 防止人员和牲畜中毒 防止污染环境-吉林化工厂爆炸 3、关闭阀门，灭火。,63,6.2 现场保护与记录1、严格保护现场，防止人为破坏2、摄影与摄象 建筑破坏情况 周围设备损坏情况 人员伤亡情况 容器破坏后的断口、宏观形貌 仪表的记录数据、图纸 压力表的指向情况3、断口保护 断口的清洁 溶剂清洗 毛刷刷洗 断口的防护 涂防锈油或防锈透明涂料,64,6.3 事故调查组的构成1、事故单位的主管部门安全技术管理人员有有关负责人。2、当地压力容器安全监察机构和检验单位派出人员。3、爆炸事故并造成重大经济损失人员伤亡的事故应有上级安全监察机构派出人员。4、邀请科研单位和大专院校有关技术人员。6、有重大经济损失和人员伤亡的事故应有公安机关、检察机关派员参加。7、善后处理事宜,65,6.4 事故调查的一般工作程序1、明确规定事故现场的范围，并组织人员做好现场保护工作。2、召集有关人员了解事故有关情况。3、查阅发生事故的压力容器的合关设计、制造、检验、安装、修理服役的历史。将以上了解到的情况形成文字，便可形成文字资料与图片。4、对事故现场进行周密详细的调查5、进行必要的技术检验和鉴定工作。,66,6、根据调查资料和技术检验与鉴定资料正确地综合地分析事故的的原因、容器的破坏形式、事故的责任。7、提出事故处理的意见。8、提出预防发生类似事故的措施。9、写出压力容器事故的调查报告。10、按照有关要求，将压力容器调查报告上报给安全监察的主管部门。,67,6.5 事故现场的调查1、收集事故前的记录 操作压力 操作温度 物料填装量 物料化学成分 物料的流量,68,2、容器破坏情况检查和测量 鼓胀测量周向和纵向周长 泄漏测量泄漏的位置、泄漏口的尺寸 裂口-记录裂开的位置、方向、裂口长度及裂口张开的最大宽度、周长的变化、裂口处厚度减薄的情况。估算出周长的伸长率和壁厚减薄量，可估计容器发生塑性变形的大小。 爆炸-点齐块数，各个碎块的质量、抛出的距离，尽可能估计抛出的角度，推算爆炸的能量。设法估计出容器破裂时的体积变形，鉴别爆破的性态(脆性还是塑性)。,69,3、超压泄放装置情况的调查 安全阀是否有泄放过的迹象 爆破片是否破裂 泄漏通道是否堵塞、严重锈 蚀或另部件脱落,70,4 压力表完好情况检查 根据指针的位置，初步判断事故时是否超压 压力表不回零位 可能发生过超压 可能在事故中损坏 检验弹簧管 弹簧管完好 指针在事故中震坏 弹簧管损坏 可能发生过超压,71,5、现场破坏情况及人员伤亡情况的调查建筑物及周围设备破坏情况 波及范围 面积 受害的最远距离 破坏程度爆炸声响的传播距离火灾情况人员伤亡情况,72,73,6.6 事故过程调查1、事故前容器运行情况 实际操作温度、压力-温度、压力的波动 物料流量工作是否正常 装填量或液位-是否有超装 各物料的成分-物料成分反常 物料性质(燃烧、爆炸及爆炸极限、腐蚀性能)等。 需了解事故发生前是否有异常情况， 阀门操作失误、以及泄漏与明火情况， 对记录仪表的正确读数作出鉴别， 对人工记录的数据的真伪作认真的调查。 审核发生前后操作人员的操作经过。,74,2、事故发生的经过情况 何时发生有异常情况 采取措施情况 安全装置动作情况 事故时详细情况 闪光、 响声 爆炸声的次数 着火情况,75,气体冷却器泄漏水蒸汽与物料反应起火时温度迅速升高,76,6.7 容器制造与服役历史的调查1、制造情况调查 设计是否存在设计缺陷 制造- 制造资料出厂资料齐全 选用材料选材合理，用材得当 焊接焊材、预热、焊接工艺、评定 无损检测是否有漏检缺陷 热处理是否进行，是否合理 检验、修理、改造情况2、容器服役历史的调查 历年压力、温度波动情况 物料、介质对材料的影响,77,3、 超压泄放装置信况 超压泄放装置的型式、规格、已使用时间，日常维修及校检情况。4、操作人员情况 包括操作人员 技术水平 工作经历 劳动纪律 操作熟练程度 事故紧急处理等,78,6.8 压力容器爆炸能量的估算,6.8.1根据建筑物破坏情况，估算爆心爆炸能量 a、 根据测量受破坏建筑物距爆心的距离，通过查表可以查出冲击波超压值 b、计算TNT爆炸试验模拟比 c、容器爆炸的TNT当量 d、估算爆心的爆炸能量,79,80,81,82,83,84,准解理断口,85,5级带状组织,86,珠光体带内条状的硫化物夹杂,87,珠光体带内条状MnS夹杂物能谱分析,88,计算和结论的前提条件：1、爆炸之前已经卸料2、现场没有着火迹象3、压力表未回零位4、只听到一声爆炸声，无二次爆炸5、断口为脆性断口6、材料有条带组织7、非金属夹杂物8、冲击韧性值偏低,89,6.8.2 根据设备破坏情况 ，估算碎片抛射功。a、估算抛射初速度b、计算每一碎片的动能c、计算碎片总动能d、现场爆炸总能量,90,6.8.3 在工作压力下的爆炸能量计算,6.8.4 罐体爆破压力下的爆炸能量计算：,91,6.8.5 初始压力为设计压力的爆炸压力计算 充分燃烧,结论：现场产生的爆炸能量远大于罐体在工作压力和爆破压力以及常压下罐内瞬间充分燃烧所产生的能量，而略小于工作压力下罐内瞬间充分燃烧所产生的能量，排除了罐体在工作压力下发生的低应力脆断和缓慢物理超压造成破坏的可能，说明罐体是内部发生了爆燃，使内压瞬间大大超过材料抵抗冲击的能力而发生的破坏。,92,6.9 材料分析6.9.1 寻找裂纹源