化工设备失效分析(下)|狠安全

作者：徐书根

（续前）

3.3腐蚀失效

腐蚀的危害

腐蚀造成的损失是极其惊人的。据统计，全球工业装备因腐蚀而产生的经济损失大约为7000亿美元，占全球生产总值的2％～4％。

腐蚀是影响金属装备及其构件使用寿命及功能的主要因素之一。在化工、石油化工、轻工、能源、交通等行业中，约60％的失效与腐蚀有关。化工与石油化工行业腐蚀失效所占比例更高一些。国内先后四次对石化企业的压力容器使用情况进行调查，统计发现在使用中因腐蚀产生严重缺陷及材质劣化，是近年来引起容器报废的主要原因。

腐蚀的分类

(1)按腐蚀历程分类

a.化学腐蚀 是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏，在化学腐蚀过程中不产生电流。

b.电化学腐蚀指金属表面与离子导电的电解质因发生电化学作用而产生的破坏，任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流联系在一起。

c.物理腐蚀 指金属材料由于单纯的物理作用所引起的材料恶化或损失。

(2)按腐蚀环境条件分类

a.工业介质的腐蚀化工设备及其构件有一定的工艺操作环境，不同的工业介质有不同的腐蚀类型。

b.自然环境的腐蚀金属装备及其构件与自然环境接触，也受到环境中腐蚀性介质的侵蚀，主要腐蚀类型有大气腐蚀、海水腐蚀及土壤腐蚀。

(3)按腐蚀形貌分类

a.全面腐蚀 腐蚀分布在整个金属构件表面上(包括均匀的、较均匀的和较不均匀的)称为全面腐蚀。

b.局部腐蚀腐蚀从金属构件表面萌生以及腐蚀的扩展都是在很小的区域内选择地进行的称为局部腐蚀。常见的腐蚀包括（点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀等。）

点腐蚀

在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为点腐蚀，又称孔蚀或小孔腐蚀。点腐蚀是一种由小阳极大阴极腐蚀电池引起的阳极区高度集中的局部腐蚀形式。每一种工程金属材料，对点腐蚀都是敏感的。

点腐蚀的形貌

影响点蚀的因素

①材料 钝化的金属材料有较高的点蚀敏感性，如铬镍奥氏体不锈钢的点蚀敏感性比普通碳钢高。钼、铬、镍、氮等合金元素能提高不锈钢抗点蚀的能力，而硫、碳等元素则会降低不锈钢的抗点蚀能力。提高钢的冶金质量，降低有害元素及各种偏析、夹杂物等缺陷有利于提高抗点蚀能力。

②环境 含氯离子的溶液最容易引起点腐蚀，在实际生产中，许多装备都是在含有不同浓度的氯离子的水溶液中有点腐蚀倾向，其中含有氧化性金属阳离子的氯化物如FeCl3、HgCl2等属于强烈的点腐蚀促进剂。

缝隙腐蚀

金属之间或金属与非金属之间形成很小的缝隙，使缝隙内介质处于静滞状态，从而引起缝内金属加速腐蚀的局部腐蚀形式称为缝隙腐蚀。

缝隙腐蚀的特点

缝隙腐蚀起源于构件金属表面的狭小缝隙，形成闭塞电池而加速腐蚀，与点蚀有差别。

晶间腐蚀

晶间腐蚀是构件金属材料的晶界及其邻近部位优先受到腐蚀，而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻微的一种局部腐蚀。

晶间腐蚀的特点

①腐蚀只沿着金属的晶粒边界及其邻近区域狭窄部位无规则取向扩展。

②发生晶间腐蚀时，晶界及其邻近区域被腐蚀，而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻微，或整个晶粒可能因其晶界被破坏而脱落。

③腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱，严重时使构件完全丧失力学强度和韧性。

④晶间腐蚀敏感性通常与构件成形热加工有关。

⑤构件在服役或检修期间都难于发现及检测晶间腐蚀，当构件产生严重的晶间腐蚀时，导致的失效往往是很危险的。

晶间腐蚀的形貌

产生晶间腐蚀时，外形尺寸几乎不变，在远离焊缝的母材区，宏观形貌也没有明显的变化。而在焊接接头，往往能观察到焊缝热影响区腐蚀或刀口状腐蚀。但无论是母材还是焊缝，在构件的表面或截面，从微观上都能观察到晶界被腐蚀的形貌，严重时能看见晶粒脱落的凹坑，晶间腐蚀连接成网状。

晶间腐蚀的机理

晶间腐蚀是由于晶界原子排列较为混乱，缺陷多，晶界较易吸附S、P、Si等元素及晶界容易产生碳化物、硫化物、相等析出物。这就导致晶界与晶粒本体化学成分及组织的差异，在适宜的环境介质中可形成腐蚀原电池，晶界为阳极，晶粒为阴极，因而晶界被优先腐蚀溶解。

奥氏体不锈钢晶间腐蚀的贫铬论

不锈钢出厂时已经固溶处理，固溶处理就是把钢加热到1050～1150℃后进行淬火，以获得均相固溶体，即过饱和的碳在材料中是均匀分布的。但钢材在制成构件的过程中或在以后的使用中，当其受热或冷却通过450~850℃时，过饱和的碳便会形成(Fe，Cr)23C6从奥氏体基体中析出而分布在晶界上。高铬量的碳化物的析出消耗了晶界附近大量的碳和铬，而消耗的铬因为扩散速度比碳慢，不能从晶粒中得到补充.

奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响因素

只有具有晶间腐蚀倾向的金属材料接触了具有晶间腐蚀能力的介质，才有可能产生晶间腐蚀。

材料成分影响

奥氏体不锈钢碳含量越高，晶间腐蚀倾向越大，不仅产生晶间腐蚀倾向的加热温度和范围扩大，晶间腐蚀程度也加重；铬、钼含量增高，有利于减弱晶间腐蚀倾向；钛和铌与碳的亲和力大于铬与碳的亲和力，形成稳定的碳化物TiC、NbC，可降低晶间腐蚀倾向。

加热温度和时间的影响

在450～850℃的敏化温度范围，奥氏体不锈钢才容易发生晶间腐蚀，其中700~750℃温度区最为危险。

在某一温度区停留的时间对扩散也有影响，即使经过敏化区的温度，但若停留时间很短，碳来不及扩散至晶界；若停留时间很长，连晶粒的铬也能扩散到晶界，则晶界附近区域也不会贫铬。一定的温度区域及一定的保温时间内，金属材科才会有晶间腐蚀倾向。

环境介质的影响

并非处于敏化状态的奥氏体不锈钢在所有的环境介质中都会出现晶间腐蚀。一般能促使晶粒表面钝化，同时又使晶界表面活化的介质，或者可使晶界处的析出相发生严重的阳极溶解腐蚀的介质，均能诱发晶间腐蚀。而那些可使晶粒及晶界都处于钝化状态或活化状态的介质，因为晶粒与晶界两者间的腐蚀速度无太大的差异，不会导致晶间腐蚀发生。

预防晶间腐蚀的措施

（1）尽可能降低钢中的碳含量，以减少或避免晶界上析出碳化物。选用超低碳不锈钢，如00Crl9Ni11、00Crl7Nil4Mo2及00Crl9Nil3Mo3等。

（2）采用适当的热处理以避免晶界沉淀相的析出或改变晶界沉淀相的类型。采用固溶处理，冷却时快速通过敏化温度范围，以避免敏感材料在晶界形成连续的网状碳化物，这是解决奥氏体不锈钢晶间腐蚀的有效措施。

（3）在不锈钢中加入适量的稳定化元素钛或铌，或加入微量的晶界吸附元素硼，控制晶界沉淀和晶界吸附。

（4）选用奥氏体一铁素体(不形成连续网络状)双相不锈钢，这类钢具有良好的抗晶间腐蚀性能。

电偶腐蚀

浸泡在电解质溶液中的金属构件，当其与不同电极电位的其他构件接触(包括能电子导电的非金属)，或该金属构件的不同部位存在电位差时，电位较负的金属或部位腐蚀加速，这就是电偶腐蚀。

应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是金属材料在静拉伸应力和特定的腐蚀介质协同作用下，所出现的低于其强度极限的脆性开裂现象。

应力腐蚀断裂是介质腐蚀造成构件断裂中最常见、危害最大的一种。应力腐蚀是特殊的腐蚀现象和腐蚀过程，应力腐蚀断裂是应力腐蚀的最终结果。

应力腐蚀的特点

⑴引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破坏。应力既可由载荷引起，也可以是焊接、装配或热处理引起的内应力，即残余应力。

⑵纯金属不发生应力腐蚀破坏，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中，都会产生应腐蚀裂纹。极少量的合金或杂质都会使材料产生应力腐蚀。各种工程材料几乎都有应力腐蚀敏感性。

⑶产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系，即当二者是某种特定组合时才会发生应力腐蚀。

⑷应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展等阶段，失稳扩展即造成应力腐蚀断裂。

应力腐蚀开裂的机理

氢致开裂型

如果应力腐蚀体系中阳极金属溶解所对应的阴极过程是析氢反应，而且氢原子能扩散进入构件金属并控制了裂纹的萌生和扩展，这一类应力腐蚀就称为氢致开裂型的应力腐蚀。

氢致开裂是以氢脆理论为基础的，氢进入金属内部，氢致塑性区的扩大，所产生的大量位错，有助于氢的输运和富集，从而促进开裂，即促进氢脆。

高强钢在水溶液中的应力腐蚀就是氢致开裂机理。

阳极溶解型

如果应力腐蚀体系中阳极金属溶解所对应的阴极过程是吸氧反应，或者虽然阴极是析氢反应，但进入构件金属的氢原子不足以引起氢致开裂，这时应力腐蚀裂纹萌生和扩展是由金属的阳极溶解过程控制，称为阳极溶解型的应力腐蚀。

阳极溶解型的应力腐蚀开裂有预先存在活性通道机理和应变诱发活性通道机理。

阳极溶解型的应力腐蚀开裂是以闭塞电池理论为基础的，裂纹尖端闭塞，溶液不能整体流动，内部pH值不断降低使溶液酸化，促成裂尖腐蚀增加，阳极加速溶解。

奥氏体不锈钢在热浓的氯化物水溶液中应力腐蚀开裂时，阳极溶解起着主要的控制作用，阴极反应析出的氢若能进入钢中，只起协助作用，促进腐蚀与滑移。

应力腐蚀开裂的过程

金属的应力腐蚀开裂过程包括金属中裂纹的萌生、裂纹的扩展、金属的断裂三个阶段。

裂纹的萌生

在介质中能发生应力腐蚀开裂的金属，大多数在介质中能生成保护膜。只有金属表面的保护膜局部破坏后，才能萌生裂纹。膜的局部破坏与金属表面存在的位错露头、晶界、相界等微观缺陷有关。

由于局部活化金属表面的高速溶解，金属表面会产生微观缺口，当有外力作用时，其中较大的缺口会再次开裂而成为应力腐蚀的开裂源。

裂纹的扩展

i．应力集中的裂纹尖端发生塑性变形→滑移台阶露出金属表面→裂尖膜破裂→裂尖活化溶解(裂纹扩展)→表面重新形成保护膜。上述过程的连续重复致使裂纹不断扩展。

ii．裂尖的应力集中诱发塑性变形，这一变形阻止了裂尖生成保护膜，裂尖溶解和新开裂的裂纹侧表面形成保护膜的连续过程构成了裂纹的扩展的过程。

iii．氢致开裂的裂纹扩展过程。

裂纹的扩展速率

第I种情况

KI≥KISCC，da/dt虽小，但是受KI影响较大，KI控制的腐蚀过程，即应力参与促进腐蚀。

第II种情况

KI>1.4KISCC，da/dt决定于环境而受KI影响较小，腐蚀过程决定着裂纹的扩展，KI只是一个保证。

第III种情况

裂纹长度已接近临界尺寸，实质是接近过载断裂，腐蚀因素作用较小。

构件的最终断裂

当裂纹扩展使得裂纹尖端的KI值达到金属材料的断裂韧性KIC值以后，裂纹便失稳扩展至构件断裂，这是构件承载能力不足的瞬断，是过载断裂。本阶段金属的断裂呈现金属力学破坏的特征。

a.宏观形貌及断口特征

断裂区附近看不出明显的塑性变形迹象,脆性断裂特征；

构件外表面及裂缝内壁的腐蚀程度通常很轻微或不发生普遍腐蚀；

裂纹一般比较深，但宽度较窄，有时裂纹已经穿透构件厚度，但表面只有难以观察到的裂纹痕迹；

应力腐蚀裂纹，尤其是阳极溶解型的应力腐蚀裂纹，在主裂纹上常常产生大量分叉，并在大致垂直于影响裂纹产生及成长方向上连续扩展，有强烈的方向性。

b.微观形貌及断口特征

应力腐蚀开裂的微观形貌表现主要是裂纹的微观扩展路径及裂纹形状。

裂纹扩展路径有穿晶的、沿晶的或二者混合的，视金属材料与环境体系的不同而异。碳钢及低合金钢、铬不锈钢、铝、钛、镍等多为沿晶的；奥氏体不锈钢则多为穿晶的，但也有很多例外。

金属应力腐蚀开裂的微观形状主要有两种，一种是裂纹既有主干又有分支，貌似没有树叶的树干和枝条；另一种是单支的，少有分叉。

金属应力腐蚀开裂的断口微观形貌可呈现各种各样的花样。

穿晶型断口的花样形式较多，有河流花样、扇形花样、羽毛状花样、鱼骨花样等；

沿晶型断口最典型的是冰糖状花样。

如果断口表面腐蚀产物或表面膜没有清除干净，常常会看见泥块花样。

韧性好的金属材料，在断口局部位置能看见韧窝。

应力腐蚀开裂的预防措施

a．合理选材和提高金属材料的质量

合理地选材就是构件设计首要的工作。应尽量选择在所用介质中尚未发现应力腐蚀开裂现象或不太敏感的材料，KISCC较高的材料。

b．控制和降低应力

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裂应力。

避免应力集中，降低残余应力。应尽量避免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角，防止有害离子的积聚。

c．改善环境条件，采取保护措施

改变介质条件，在可能的情况下，设法消除或减少引起腐蚀开裂的有害化学离子。采用有机涂层，无机涂层或覆以金属镀层。

几种常见的应力腐蚀开裂现象

奥氏体不锈钢的应力腐蚀

据近年统计的不锈钢腐蚀失效事例中，几乎50％是应力腐蚀失效。奥氏体型不锈钢对氯离子的应力腐蚀(俗称氯脆)十分敏感。

凡奥氏体不锈钢经过敏化温度(450～850℃)加热(包括焊接区)，过饱和的碳形成碳化物沉淀并在缓冷过程中易形成晶界贫铬的，晶界的耐蚀性下降，晶界的负电位更低，容易形成沿晶的应力腐蚀。

低碳、超低碳的奥氏体不锈钢或不经敏化温度热加工的，则不易形成沿晶的应力腐蚀，但易形成穿晶应力腐蚀。特别是经过冷作加工的更易形成穿晶应力腐蚀。

碱脆

低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的应力腐蚀称为碱脆。较多发生在用NaOH处理过的软化水系统中。

当碱浓度大于5％～15％时才可能出现碱脆，浓度达到30％时最为敏感。设备中容易发生NaOH富集浓缩的地方尤易出现碱脆，产生碱脆的最低温度为60～65℃，温度愈高愈易发生，在沸点附近最容易发生碱脆。

含碳量低于0.20％的低碳钢和低合金钢较敏感。合金元素Al、Ti、Nb、V、Cr等的加入可以降低其敏感性。

能导致碱脆的介质还有KOH、LiOH及K2CO3、铝酸钠等。

硝脆

生产硝酸钠、化肥及炼油的催化裂化再生器的碳钢低合金钢设备发生过很多硝脆失效事例。硝脆是指在含硝酸根或其他氮氧化物介质环境中，钢材的应力腐蚀开裂。硝脆比碱脆更容易发生。硝脆应力腐蚀倾向由大到小的排列次序是：

NH4NO3>Ca(NO3)2>LiNO3>KNO3>NaNO3

露点腐蚀引起的应力腐蚀最为有效的防治措施是设法提高壁温。

湿硫化氢的应力腐蚀和氢损伤

湿硫化氢环境中钢材开裂实际上有两类开裂现象。一种是应力诱导的氢致开裂(SOHIC)，也是应力腐蚀；另一种是与应力无关的氢鼓泡(HB)和氢致开裂(HIC)。

电化学阳极反应方程可简单的表达为

Fe2十＋S2－→FeS  (阳极溶解-腐蚀;阴极反应则为析氢过程)

2H＋＋2e→2H   (氢原子析出进入钢的基体)

(1)湿硫化氢引起的应力腐蚀开裂

电化学阳极反应方程可简单的表达为

Fe2十＋S2－→FeS (阳极溶解—腐蚀)阴极反应则为析氢过程

2H＋＋2e→2H   (氢原子析出进入钢的基体)

溶液的pH值对这一应力腐蚀过程有重要影响。pH很低时很容易开裂和造成试样断裂。推荐应采用HB≤200的钢作为油气田选用钢材的标准，屈服强度大于900～1000MPa的高强度钢在湿硫化氢环境很易发生这种应力腐蚀，不应用于此种环境。

(2)湿硫化氢引起的氢鼓泡

硫化氢溶于水之后离子氢渗入钢中成原子氢，再形成了氢分子并聚积成氢气团，且有很高的压力。当这些氢气团仅存在于接近钢材表面的表层时，很容易在平行于轧制方向的带状组织的层间鼓胀，使钢材表面出现鼓泡，鼓泡还可能破裂。湿硫化氢引起的氢鼓泡最容易发生在钢中硫化物夹杂处，且在常温下最易出现。

(3)湿硫化氢引起的氢致开裂

基于与氢鼓泡相同的机理。钢材的含硫量高，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。

氢腐蚀

工程上一般把钢在高温(高于200℃，而又不是太高)高压含氢环境中，由于氢原子扩散进入钢中，与钢中的碳结合生成甲烷，使钢出现沿晶裂纹，引起钢的强度和塑性下降的腐蚀现象称为氢腐蚀。

特点

（1）氢与碳生成甲烷的反应是不可逆的。

氢原子与游离碳反应  4H+C→CH4

氢分子与游离碳反应  2H2+C→CH4

氢分子与渗碳体反应  2H2+Fe3C→3Fe+CH4

（2）氢腐蚀经历了孕育期和快速腐蚀阶段。

孕育期：从氢原子在钢构件表面吸附至微裂纹的形成。

快速腐蚀阶段：微裂纹逐渐长大、连接、扩展成大裂纹，裂纹的迅速扩展使钢材的力学性能急剧下降，最明显的是断面收缩率的下降，钢材塑性逐渐丧失，而脆性增加。

（3）氢腐蚀的程度可用构件脱碳层深度来衡量。

氢腐蚀形貌

氢腐蚀影响因素

（1）温度和氢分压（Nelson曲线）

（2）钢的成分

钢中含碳量越高，越容易产生氢腐蚀，表现为氢腐蚀的孕育期缩短。钢中加入钛、钒、铌、锆、钼、钨、铬等碳化物形成元素能大大提高钢的抗氢腐蚀能力。一般以钼当量进行衡量。

（3）热处理与组织碳化物球化的热处理

可以延长氢腐蚀的孕育期，球化组织表面积小、界面能低、对氢的附着力小，球化处理越充分，氢腐蚀的孕育期就越长。

腐蚀疲劳

金属材料在交变载荷及腐蚀介质的共同作用下所发生的腐蚀失效现象，其特点如下：

①腐蚀促进疲劳裂纹的萌生与扩展，而载荷交变又加速腐蚀使疲劳裂纹更快扩展。

②腐蚀疲劳对环境介质没有特定的限制。

③腐蚀疲劳不存在疲劳极限。

④腐蚀疲劳与交变载荷的特性有密切关系。

⑤腐蚀疲劳断裂的形貌特征。

3.4磨损失效

磨损失效

互相接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称为磨损。

目前较通用的是按磨损机理来划分，即将磨损分为磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、微动磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。

3.5失稳失效

外压容器的失稳

外压作用下，突然发生的容器失去原来形状（或稳定性）的现象称为失稳。

从一种平衡状态跃变为另一种平衡状态，变现为波形或者褶皱。

事故案例一

2006年3月30日，山东某厂一发酵罐发生失稳，直接经济损失80多万元。该罐筒节长10m，壁厚12mm。容积135m3设计压力0.4MPa，工作压力0.1MPa。使用该发酵罐的工艺流程为：首先高温灭菌，然后投料，再灭菌，最后出料冷却。发酵罐在冷却过程中发生了失稳现象，筒节上有四五个波束，罐体发生倾斜。

事故原因

通过对事故的分析和调查，得出原因如下：

罐内混入了水蒸气，在冷却过程中发生了相变，是罐内产生了真空，这是导致失稳的直接原因。

在设计时未考虑罐体在使用过程中可能出现负压，即在设计壁厚时未考虑失稳。

在该罐顶部没有负压保护装置。

事故案例二

抽真空事故演示

3.6密封失效

密封失效的特点

密封失效不属于基本失效形式。它涉及到密封结构系统（如法兰、垫片、紧固螺栓）中每个构件的自身失效行为，最终反映出泄漏失效。

法兰垫片及紧固螺栓三者构成一个密封系统。一对法兰的接触面上总是存在粗糙度的，不用垫片而仅靠螺栓夹紧实际是做不到密封不漏的。

⑴初始密封

也就是预紧密封，在装配时就可完成。

⑵工作密封

预紧后的法兰垫片螺栓三构件系统，当受到工作介质压力作用之后，一对法兰的两个密封面将被迫发生相对分离，保持密封界面上仍有足够以维持密封的残留垫片应力（压应力），以保证将流体介质密封住。

垫片密封的失效

垫片密封的失效主要是泄漏。

不同仪器的灵敏度不一样，其“零泄漏”时的微泄漏量实际上就不一样。所以“密封度”实际上是个相对的概念。

工程上只能采用“允许泄漏率”来要求和衡量密封结构能有效满足设计或生产所要求的允许的泄漏率。

达到什么泄漏状态应判为失效，这些都没有统一的标准。对于易燃易爆或有毒物料的泄漏则应规定更严的垫片密封失效标准，特别是极毒性物料。但都没有统一标准，企业需要自己从严制订执行标准。

泄漏失效时，虽然总的表现形态就是显著泄漏，但垫片损坏的形态基本上有两种。一种是垫片的密封面上出现泄漏通道。另一种则是垫片被吹出，造成垫片大块缺损。

影响垫片密封失效的重要因素

⑴垫片的压缩-回弹性能。

垫片材料的载荷-变形行为，包含压缩后的回弹性能。应当注意的是，不同预紧应力下卸载将得到不同的卸载线，其回弹量δR也不相同。垫片压紧后卸载时的回弹量愈大，同时残余的压紧应力σgo也愈大，则垫片在工作状态下的密封性能也愈好。显然，预紧时的预紧点σgi的选择非常重要。

垫片装配时的压紧应力是影响密封性能的重要影响因素，预紧载荷不够，加上垫片的压缩回弹性能差，易导致垫片密封的失效。

⑵垫片的蠕变松驰行为

长期运行后，垫片的厚度还会不断减少，垫片上的压紧应力也相应不断递减，这就是垫片的应力松驰.垫片的蠕变与松驰同时产生，蠕变是指恒应力作用条件下材料不断发生变形的行为，而松驰是指恒变形（固定的变形量）条件下材料的应力不断发生变化的行为 ,温度较高时垫片的蠕变松驰更为明显。

每种垫片材料都有允许的最高使用温度（T），但同时还规定其可以使用的最高压力（P）。

⑶螺栓的影响

垫片压紧应力的大小，不管是预紧阶段还是进入工作状态下的压紧应力都是在螺栓紧固时所施加的。因此螺栓的强度与刚度就显得非常重要。

设计是一回事，而装配是另一回事。因为装配中螺栓预紧的程度带有很大的不确定性，螺栓在高温下的蠕变与松驰也是引起密封泄漏失效的常见原因。

第四章化工设备事故调查、分析与处理

4.1.1事故调查

事故现场调查

事故过程调查

事故现场调查

当化工设备发生事故后，要尽快地对事故现场进行严密的检查、观察和必要的技术测送。事故现场检查应根据具体情况来决定检查的具体内容。一般包括以下基本内容。

本体的破裂情况

承压设备断裂面的初步观察：应对断口的形状、颜色、晶粒和断口纤维状等特征进行认真观察和记录。断裂口在承压设备焊缝部位的，应认真检查焊缝断裂口有无裂纹、未焊透、夹渣、未熔合等缺陷以及有无腐蚀物痕迹。对断裂面的初步观察，大体可确定承压设备的破裂形式。

承压设备破裂形状的检查和尺寸的测量：对无破碎块的承压设备，应测量开裂位置、方向、裂口宽、长度及壁厚，并与原周长、壁厚比较，计算破裂后的伸长率和壁厚减薄率；对破裂后成几大块的承压设备，可按原位拼组计算，并纪录飞出距离、重量。

承压设备内外表面情况的检查：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。

安全装置的完好情况

⑴压力表进气口是否堵塞，爆破前是否失灵。

⑵安全阀进气口是否堵塞，阀瓣与阀座间是否因粘结、弹簧锈蚀、卡住或过分拧紧，重锤被移动等造成失灵的现象，以及安全阀是否有开启过的痕迹，必要时放到试验台上检查开启压力。

⑶温度仪表是否失灵。

⑷减压阀是否失灵。

⑸爆破片是否爆破，必要时作爆破压力测定试验。

现场破坏及人员伤亡情况

周围建筑物的破坏情况：地坪、屋顶、墙壁厚度及破坏状况，与爆炸中心的距离，门窗破坏情况、与爆破中心的距离，以反证评估承压设备爆炸能量。

人员伤亡：受伤部位及程度。

现场及周边状况：有否易燃物燃烧痕迹。

事故过程调查

事故过程调查的内容包括以下几个方面：

事故前运行情况

事故发生的经过情况

事故前运行情况

承压设备事故前的实际操作温度、压力、介质性质（燃烧、爆炸及爆炸极限、腐蚀性能）等。

需要了解事故发生前是否有异常状况，如温度、压力的波动，是否有超装（特别是液化气储罐）或阀门操作失误、物料成分反常以及泄漏与明火情况。

事故发生的经过情况

何时发生有异常情况，采取措施情况，向生产指挥负责人员汇报及下达指令的情况。

安全装置动作情况，以及事故发生时的详细情况，例如闪光、响声、爆炸声的次数、着火情况等。

承压设备的事故往往不是由孤立的某一原因产生的，常常涉及到从原材料、制造、检验到使用及历次维修的情况，因此必须作详细的调查。

制造与服役历史的调查

制造情况

制造厂、出厂年月、产品合格征书。有时还必须追踪到原材料的情况，如质量保证书或复验单、代用情况等。

焊接材料及焊接试验资料、焊接工艺、无损检测资料、热处理记录，以及水压试验或其它压力试验记录资料。特别在承压设备起爆部位应详细了解当时制造的情况，如该部位钳边、角变形、咬边及其它焊接工艺情况，以及出厂时是否有记录，是否有该部位的无损检测记录资料，是否有射线检测底片等。

服役历史的调查

历年来所处理过的物料、操作温度、压力及其它改变的情况，使用的年数，实际运行的累计时间，检验的历史及上次检验检修的时间和内容，曾经发现过的问题，处理的措施。

特别要注意了解温度与压力波动（交变）的范围和周期，很多承压设备的名义操作压力和温度与实际操作压力和温度有相当大的距离，应设法了解那些波动范围超过20％的周次。

对于厚壁承压设备特别要注意内外壁温的变化与波动，因为这会造成温差应力的波动。此外还应了解物料对材料的腐蚀情况（更要注意是否有应力腐蚀成晶间腐蚀倾向等问题）。

超压泄放装置情况

包括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。对易燃易爆物料更应注意对这些情况的调查。

包括操作人员的技术水平、工作经历、劳动纪律、本岗位的操作熟练程度及事故紧急处理等情况，还应了解过去操作人员变动情况。

4.1.2技术检验与鉴定

对情况比较复杂的承压设备事故，只依靠一般的现场调查还不能确定事故性质，难以做出肯定的分析结论，往往有必要进行进一步的技术检验、计算、试验，才能查明确切的原因。技术检验与鉴定主要包括如下内容。

材质分析

查明材料的成分和性能是否符合设计要求或该设备实际使用工况的要求，以及设备材料在使用过程中，其化学成分、性能和金相组织是否发生变化。检验内容主要包括：化学成分分析、力学性能测试、金相检查、工艺性能试验。

化学成分分析

重点化验对设备性能有影响的元素成分，对材质可能发生脱碳现象的设备，应化验其表面层含碳量和内层材质含碳量，并进行对比。分析介质对材质的影响，借以鉴别是否错用钢种或材质发生变化。

力学性能测试

测定钢材强度、塑性、硬度等以判断材质组织变化情况或是否错用钢材。测定钢材的韧性指标，以鉴定是否可能脆性断裂。

金相检查

观察断口及其它部位金属相的组成，注意是否有脱碳现象，分析裂纹性质，为鉴别事故性质提供依据。

工艺性能试验

主要是焊接性能试验、耐腐蚀性能试验。试验时应取与破裂设备相同的材料和焊条、焊接工艺，观察试样是否有与破裂设备类同的缺陷。

断口分析

断口是设备破裂时形成的断裂表面及其外观形貌，它能提供有关断裂过程的许多信息。因此，断口分析是研究承压设备破坏现象微观机理的一种重要手段，可以为断裂原因的分析提供重要依据。断口分析进程分为三个步骤：

断口的保护和清理，即事故发生后尽快观察全部断口并把主要特征记录下来，并将断口清洗干净、吹干、保存好；

断口宏观分析，即用肉眼或放大镜对断口进行观察来判断设备的断裂形式；

断口微观分析，即借助电子显微镜对断口的微观形态进行分析，以弥补宏观检验的不足，即通过微观分析确定裂纹的扩展、断口析出相和腐蚀产物的属性。断口试样应保留至事故无争议并处理完毕。

分析测试

分析计算

如强度计算（爆破前的壁厚）、爆炸能量计算、液化气体过量充装可能量计算等。

无损检测

重点是检查设备投入使用后新产生的缺陷和投用后发展了的制造原始缺陷，包括表面裂纹分布情况和焊缝内部缺陷情况。

安全附件检验与鉴定

对事故发生后保留下来的安全附件如压力表、液位计、温度计、安全阀、爆破片等进行技术检验，鉴定其技术状况。

4.1.3综合分析

事故综合分析的目的是最终对事故的过程、性质断裂形式及性态和事故的原因做出科学的结论。

综合分析的基础和依据是事故调查及技术鉴定。由于事故的原因复杂，必须将调查及技术鉴定的资料仔细研究分析，去伪存真，防止片面，才能使结论科学可靠。

破坏或爆炸事故性质的判断

破坏程度

按严重程度分为四个等级。

⑴鼓胀：指肉眼可见的承压设备局部或整体的过度变形，后果不太严重。

⑵泄漏：介质从已穿过的缺陷中涌出甚至喷出，有可能引起爆炸。

⑶爆裂：局部存在严重缺陷，在不太高的压力下裂开很大的缝隙，破裂时有响声，可能引起燃烧爆炸。

⑷爆炸：承压设备不但裂开大口，而且伴有巨大响声、变形、撕裂甚至有碎片或整台承压设备飞出。它会引起严重后果，设备、建筑物破坏及人身伤亡、火灾等。

爆炸事故性质的判断

爆裂与爆炸的承压设备按破裂的性质可分为如下四种。

⑴正常压力下爆炸

指在工作压力或压力试验压力下的爆裂或爆炸。

鉴别这类破坏的主要依据是设备是否超压。

⑵超压爆炸

一般爆炸压力在水压试验以上压力下爆裂或爆炸均可称为超压爆炸。这类破坏一般是由于操作失误、高温高压液体瞬间较大量泄漏或泄放造成平衡状态破坏、液化气储罐超装引起压力明显升高所致。

鉴别这类爆炸的依据仍然是压力。需以各种途径来查证爆炸时的压力。

正常压力下或超压下的破坏一般指物理原因所致，属物理爆炸。可以是液体爆炸，也可以是气体爆炸。压力升高过度缓慢，而不是像化学爆炸那样在爆炸前压力急速增高。这类事故通常可通过定期测厚及无损检测，并严格按规程精心操作加以避免。

⑶化学爆炸

承压设备内介质由于发生不正常的化学反应，例如反应速度失控或者混合可燃气体并达到爆炸极限而发生剧烈反应，压力急剧升高，导致承压设备爆炸。

⑷二次爆炸

承压设备在正常压力下的爆炸后或超压爆炸后逸出设备外的气体与空气混合达到爆炸极限后再发生的爆炸。

破裂形式的鉴别

化工设备破坏型式是指设备断裂之后的客观形态（韧性与脆性）或造成破坏的机理（微孔聚集、解理、疲劳、腐蚀、蠕变等）。将形态与机理两个范畴的问题结合在一起，习惯上可以分为以下五种基本的承压设备破坏型式，即：a、韧性断裂；b、脆性断裂；c、疲劳断裂；d、腐蚀断裂；e、蠕变断裂。

按照断裂后的承压设备形貌、形态、断口分析、材料分析和金相分析等各种技术分析的结果进行综合鉴别。

设计制造方面的原因

设计原因

设计选材不当造成的；

焊接接头设计不当造成的；

有交变载荷需要考虑疲劳破坏应作疲劳分析设计而未作考虑。

制造原因

制造时所用材料未达到设计要求，或采用了不符合要求的代用材料，致使承压设备的材料存在严重缺陷；

制造中焊接工艺不当，如焊条、焊丝选用不当，焊条焊剂未按要求烘干与保存，焊接加热、冷却、保温不当造成焊接裂纹，或焊接规范不当造成晶粒粗大、或残余应力过大导致开裂。

运行管理方面的原因

超压、液化气超装、遮阳装置破坏、保温保冷材料破损等原因，造成储罐或容器升温超压而引起事故。

阀门操作失误，流量、温度失控导致压力升高造成事故。

可能因操作不当使物料成分不纯，混入含爆炸性的混合物质而造成爆炸事故。

含硫的介质未经严格脱硫而造成严重腐蚀。

冷却水含氯量超过标使不锈钢遭受应力腐蚀。

安全附件方面的原因

安全阀与爆破片

如果由于未设置这些安全附件，或设计的排放能力过小，或年久失修，严重腐蚀，致使安全附件失灵，或可能因爆破片材料使用状态不对或选材错误，爆破片精度太差，无法按设定压力爆破。若由以上原因造成承压设备超压而安全附件也不能开启或爆破排放，以致发生破坏事故的，都属于这一类原因。当确定这一类原因时，均应对安全附件作技术检验与鉴定，然后才能作出结论。

4.2承压设备事故处理

4.2.1定义

承压设备事故是在设计、制造、安装、使用、修理、改造等过程中因某些原因导致的设备损坏。

4.2.2事故分类

《锅炉压力容器事故报告办法》中的分类

原国家劳动总局1981年颁布的《锅炉压力容器事故报告办法》中，根据锅炉或压力容器的损坏程度，分为爆炸事故、重大事故和一般事故。

⑴爆炸事故 锅炉或压力容器在使用中或试压时发生破裂，使压力瞬时降至等于外界大气压力的事故。这种事故是压力容器事故中最严重的，因为爆炸的一瞬间，具有一定压力和温度的介质几乎全部冲出器外，能够使设备腾空而起，飞出几十米甚至数百米之远。同时，冲击波的巨大能量，能够摧毁和震坏建筑物，造成严重的破坏和伤亡。

⑵重大事故锅炉或压力容器由于受压部件严重损坏（如：变形、渗漏）、附件损坏或炉膛爆炸等，被迫停止运行，必须进行修理的事故。

⑶一般事故：损坏程度不严重，不需要停止运行进行修理的事故。

《锅炉压力容器压力管道特种设备事故处理规定》中的分类

依据国家质检总局2001年11月颁布的《锅炉压力容器压力管道特种设备事故处理规定》，将锅炉压力容器和压力管道及特种设备事故分类方法改成了五个不同级别。

发生事故的主要破坏形态和危害是爆炸，爆炸产生的冲击波对人员和财产造成破坏。因此多年来锅炉压力容器的事故是按“爆炸事故”、“损坏事故”分类的。这次修订时，因适用范围扩大到特种设备，而特种设备的事故现象不是发生爆炸；同时，多数意见认为事故分类还应考虑事故造成的破坏程度，其中包括人员伤亡和经济损失。因此，修订时事故的分类改为综合考虑人员伤亡、经济损失和破坏形态等因素。现在的分类方法是将事故分为如下五类。

特别重大事故 是指造成死亡人数大于等于30人，或者受伤（包括急性中毒，下同）人数大于等于100人，或者直接经济损失大于等于1000万元的设备事故。

特大事故 是指造成死亡10-29人，或者受伤50-99人，或者直接经济损失等于500万元至1000万元以下的设备事故。

重大事故 是指造成死亡3-9人，或者受伤20-49人，或者直接经济损失等于100万元至500万元以下的设备事故。

严重事故 是指造成死亡1-2人，或者受伤19人及以下，或者直接经济损失等于50万元至100万元以下，以及无人员伤亡的设备爆炸事故。

一般事故 是指无人员伤亡，设备损坏不能正常运行，且直接经济损失少于50万元的设备事故。

4.2.3承压设备事故处理的基本原则

承压设备发生事故后，事故发生单位或者业主，除按规定报告外，必须严格保护事故现场，妥善保存现场相关物件及重要痕迹等各种物证，并采取措施抢救人员和防止事故扩大。

为防止事故扩大、抢救人员或者疏通通道等，需要移动现场物件、设施时，必须做出标志，绘制现场简图并写出书面记录，见证人员应签字，必要时应当对事故现场和伤亡情况录相或者拍照。

4.2.4事故报告

发生特别重大事故、特大事故、重大事故和严重事故后，事故发生单位或者业主必须立即报告主管部门和当地质量技术监督行政部门。当地质量技术监督行政部门在接到事故报告后应当立即逐级上报，直至国家质检总局。发生特别重大事故或者特大事故后，事故发生单位或者业主还应当直接报告国家质检总局。

发生一般事故后，事故发生单位或者业主应当立即向设备使用注册登记机构报告。移动式压力容器、特种设备异地发生事故后，业主或者聘用人员应当立即报告当地质量技术监督行政部门，并同时报告设备使用注册登记的质量技术监督行政部门。当地质量技术监督行政部门在接到事故报告后应当立即逐级上报。

事故报告应当包括：

⑴事故发生单位或者业主名称、联系人、联系电话；

⑵事故发生地点；

⑶事故发生时间（年、月、日、时、分）；

⑷事故设备名称；

⑸事故类别；

⑹人员伤亡、经济损失以及事故概况。

省级监管部门应当于每季度首月15日前将所辖区上季度事故汇总表报国家质检总局，每年1月15日之前将所辖区上年度事故汇总表报国家质检总局。

各级监管部门设立事故举报电话并向社会公布，及时受理有关事故的情况、意见和建议。

4.2.5事故现场紧急处理

承压设备发生事故后应当采用一系列紧急措施，包括：

⑴立即进行灭火及抢救伤员。承压设备发生破坏性事故时，应立即灭火和抢救伤员。

⑵马上采取减轻事故后果的措施。承压设备一旦发生事故，操作人员要冷静沉着、准确判断、分析事故的原因，及时处理。采取各种措施防止事故蔓延扩大。如果邻近还有正在运行的承压设备，应防止引起连续爆炸事故。具体有：

①切断电源。电源与明火往往在承压设备破裂后引起灾难性后果，有时甚至是引起二次爆炸的重要原因。为了防止更严重的后果，应使电源切断。如果由于切断电源时爆出的电火花，会引起弥散于空间的构料造成燃烧爆炸的，就要特别小心，应设法安全地切断电源。

②妥善处理物料。发生事故的容器与管道应将物料及时排空，并放到安全的贮罐内或事故槽罐内，切不可胡乱地排放到下水道或阴沟中，以防造成二次爆炸或人身伤害等。对已破坏的容器，应及时关闭进料阀和物料进口阀，以免事故进一步扩大。

⑶按规定及时向有关人员和上级部门报告事故的情况。操作人员一时查不清事故原因时，应迅速报告上级，不得盲目处理，在事故未妥善处理之前，操作人员和管理人员不得擅离岗位。

⑷保护现场。事故现场是查清事故的主要依据。事故发生后，除采取防止事故扩大的措施及由于需要必须及时清理外，不得变动现场。保护现场应包括飞散出去的零部件及各种附件。这些零部件飞出太远，无法监护而容易丢失，应当拾回来保管好、并在散落处做必要的标记，以便对事故进行调查分析。

现场紧急处理后，必须严格保护现场，并详细记录，以便进一步做调查分析，防止破坏现场，以避免得出错误结论。在收集到爆炸碎片之后，连同设备原物一起，应做如下记录与处理：

①摄影与摄像

②断口保护

③收集并保护承压设备的各种操作记录。

④事故现场调查。

4.2.6事故调查

事故调查工作必须坚持实事求是，尊重科学的原则。

特别重大事故按照国务院的有关规定由国务院或者国务院授权的部门组织成立特别重大事故调查组，国家质检总局参加。

特大事故由国家质检总局会同事故发生地省级人民政府及有关部门组织成立特大事故调查组，省级质量技术监督行政部门参加。

重大事故由省级质量技术监督行政部门会同事故发生地市（地、州）人民政府及有关部门组织成立重大事故调查组，市（地、州）质量技术监督行政部门参加。

严重事故由市（地、州）质量技术监督行政部门会同事故发生地县（市、区）人民政府及有关部门组织成立事故调查组，县（市、区）质量技术监督行政部门参加。

一般事故由事故发生单位组织成立事故调查组。

上一级质量技术监督行政部门认为有必要的，可以会同有关部门直接组织成立事故调查组。

移动式压力容器、特种设备异地发生的事故，由事故发生地有关部门按照上述原则组织成立事故调查组，并通知办理使用注册登记的质量技术监督行政部门参加。办理使用注册登记的质量技术监督行政部门应当协助调取设备档案等资料，配合做好事故调查工作。

事故调查组有权向事故发生单位、有关部门及有关人员了解事故的有关情况、查阅有关资料并收集有关证据。

事故发生单位及有关人员，必须实事求是地向事故调查组提供有关设备及事故的情况，如实回答事故调查组的询问，并以提供情况的真实性负责。

事故调查过程中，事故调查组可以根据需要委托有能力的单位，进行技术检验或者技术鉴定。

接受委托的单位完成技术检验或者技术鉴定工作后，应当出具技术检验或技术鉴定报告书，并对其负责。

事故调查应当根据事故发生和当事人的行为，确定当事人应当承担的责任，并在事故报告书中，提出事故处理意见。当事人应当承担的责任分为：全部责任、主要责任、同等责任、次要责任。

当事人故意破坏、伪造事故现场、毁灭证据、未及时报告事故等致使事故责任无法认定的，当事人应当承担全部责任。

事故调查组应当将事故调查报告书报送组织该起事故调查的行政部门，并由其进行批复。

4.2.7事故处理

事故批复后，组织该起事故调查的行政部门应当将事故调查报告书归档备查，并将事故调查报告书副本送达国家质检总局事故调查处理中心、当地人民政府和有关主管部门。

事故发生单位及主管部门和当地人民政府应当按照国家有关规定对事故责任人员作出行政处分或者行政处罚的决定；构成犯罪的，由司法机关依法追究刑事责任。行政处分或者行政处罚的决定应当在接到事故调查报告书之日起30日内完成，并告知组织该起事故调查的行政部门。