Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估与系统开发

周玉华++李霞++肖胜华

[摘 要]近年来，压力容器设计阶段的风险评估问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了压力容器存在的风险特征，并结合相关实践经验，分别从风险分析计划内容等多个角度与方面，就设计阶段应关注的压力容器失效模式展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

[关键词]压力容器；设计阶段；风险评估；研究

中图分类号：TQ051.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）09-0315-01

1 前言

作为压力容器设计阶段中的重要环节，其风险评估的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对设计阶段风险评估的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化压力容器设计工作的最终整体效果。

2 概述

根据压力容器自身运行特点，压力容器本体、其它主要受压元件、安全附件等具有的可靠性功能是产生压力容器危险的根本条件，也是构成风险的必要条件或风险因素，其结构的强度、刚度、稳定性、密封性、耐蚀性等任一种约束条件出现失效，势必使潜在的危险或危险因素在外界触发因素的诱导下，使风险事件转化成为风险后果。

3 壓力容器存在的风险特征

3.1 毒物释放

作业人员与毒性介质接触的可能性、时间长短和介质的毒性程度导致压力容器失效后产生的风险程度，一旦压力容器本体断裂、安全附件意外泄露、接头泄露、超压泄放装置失灵、通风设施失效、设备布置不当、违背操作规程都可能造成作业人员中毒危害。如容器内含有氯气，作业人员经口腔接触的浓度LD50值一旦大于或等于25mg/kg，就会引起急性中毒甚至致命的伤害；对于长期接触氯乙烯介质时，可能会危及作业人员的健康。压力容器设计时，应密切关注化学介质的毒性程度和作业人员可能接触的剂量，即急性中毒指标LC50或LD50值和慢性中毒指标TLV值，也可以判定作业场所空气有害物质最高容许浓度值。

3.2 燃烧和爆炸

火灾必然与燃烧过程紧密相关，从燃烧的机理和压力容器运行特点来看，对于容器内部的易燃介质，遵循标准规定，开展压力容器设计时也可以参照标准规定判断可燃气体和可燃液体的危险性，依据可燃物质的燃点、闪点、自燃点进一步识别压力容器系统内潜在火灾或爆炸的危险可能性。

压力容器出现任何一种或多种形式失效都可能引起燃烧或爆炸，如安全附件之一的温度计失灵，使得容器内温度升高超过介质自燃点；压力表出现故障，压力容器内部压力骤升引起其本体或安全附件出现断裂导致介质泄漏；压力容器本体先天性强度不足或因腐蚀、磨损、机械疲劳、材料性能恶化等因素造成使用过程的强度或刚度逐步降低等情形。可以从以下几方面分析燃烧和爆炸的风险特征：容器内部的单一或混合易爆介质的易燃和易爆特性；容器内部反应热引起燃烧；容器外部遇火源引起燃烧；腐蚀减薄引起介质泄露；环境开裂引起介质泄露；机械磨损引起燃烧；内部压力增高或外来热源引起超压；容器设计性能不足；容器使用性能不足；安全附件失灵；违背操作规程等。

3.3 泄漏窒息

对于压力容器内部的液化气体，一旦泄露所造成的作业人员窒息现象，已经得到行业高度重视，如易爆介质泄露不仅仅引起火灾或爆炸事故，还因环境缺氧而致使现场作业人员窒息或死亡。

当然以上风险特征几乎不是孤立存在的，往往因压力容器内介质的特点会引发若干危险特征，压力容器设计时，应对各种风险的可能性进行综合判断。如硝基苯生产过程中，所使用的甲苯、苯酚等主要原料都是易燃易爆介质，用浓硝酸、浓硫酸所配置的混合酸有强烈的氧化性和腐蚀性，而硝化产物又具有强烈的爆炸性，反应过程的化合物，其蒸气和粉尘毒性程度较高，基于此情形，开展综合性风险评估是非常必要的。

4 设计阶段应关注的压力容器失效模式

4.1 风险分析计划内容

压力容器设计阶段的风险分析计划，应立足于以下几方面进行综合考虑。如压力容器的风险主体来源可以划分为：压力容器本体、安全附件、配套设施、使用工况、介质特性、作业人员状况等。

对于每类风险主体来源再进行细分，确定风险子项来源。如对于压力容器本体可能引起的若干风险，分别列出设计条件和依据、设计标准和计算、材料与零部件、结构分析、制造工艺、特殊制造要求、检验要求、其他相关要求等八个子项，然后对于每个子项中可能存在的风险进行归纳分析，指出潜在的危害项目和发生危害的时机，最后对危害的可能性和危害程度进行判断。

4.2 定性风险评价依据

压力容器风险评估应当建立评价标准和准则，正如采用规则设计方法或分析设计方法等技术标准确定压力容器材料许用应力的最小安全系数，就是常规的风险评价方法和可接受准则；依据国家颁布的管理标准或安全规范评价风险的危害程度或危害等级，也是常用的评价依据。除严格遵循国家颁发的与安全相关的法律法规外，压力容器设计人员还要掌握安全技术规范及技术标准、管理标准的要求。

4.3 危害要素或失效模式及其形成原因

确定压力容器系统内的危害要素后，根据压力容器本体结构的强度、刚度、稳定性、耐腐蚀性和特殊性能以及安全附件的可靠性，按照ISO/CD16528给出的三大类、十四种失效模式和我国颁布的《承压设备损伤模式识别》标准，判断失效模式和分析对应的失效机理，依此可以分析出设备与设施、材料与零部件及安全附件、介质特性、环境因素、人为因素等直接或间接导致失效模式的原因，可以用表格的形式予以描述，提出不可能产生失效的理由。

4.4 消除或降低风险的措施

涉及的危害项目可能涉及到压力容器爆炸、泄漏、破损、变形或其他情形，一旦不能排除产生失效的可能，就要针对性地提出处置措施。

如一台160M3柴油加氢反应器，介质为柴油、氢气、硫化氢，设计温度为427℃，设计压力为9.5MPa，主要受压元件材料12Cr2Mo1R。这是典型的Ⅲ类压力容器，按照使用工况和介质特性，首先对风险来源的主体及其子项目进行分析，其产生的危害项目有压力容器变形、破损乃至泄漏或爆炸等，这些危害项目与风险源子项目对照后可以明确危害部位，进一步分析出对应的损伤模式：短时延性破坏、长时蠕变破坏、蠕变疲劳、过度变形、逐渐趋向于结构坍塌和扭曲等机械损伤；均匀腐蚀、高温氧化、应力腐蚀等腐蚀减薄；氢致裂纹、应力导向型氢致裂纹、应力腐蚀裂纹、氢腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、热疲劳、蠕变等环境开裂；压力容器用材料的石墨化、回火脆化等金相组织变化等。设计时应针对可能出现的失效模式和其产生的失效机理提出相应的措施，为了减少接管与器壁交接处可能产生的焊接引发的热裂纹，通常采用厚壁锻制管加工出翻边与器壁对接焊接结构，是一种较理想的补强结构形式，可以降低连接处的总体应力水平；再者，基于操作过程的可能产生危害的具体情况，设计人员须针对性地提出运行期间的安全措施。

5 结束语

综上所述，加强对压力容器设计阶段风险评估问题的研究分析，对于其良好设计效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的压力容器设计阶段风险评估过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献

[1] 蔡克霞，王毅.压力容器强度可靠性平均安全系数校核[J].哈尔滨工业大学学报.2016（10）：60-62.