壓力容器作為我國法定的八大類特種設備之一，在工業工程方面有著不可替代的作用。近年來，隨著國際資本的進入和我國企業擴大生產以及對利潤需求的提升，腐蝕問題在壓力容器行業中逐漸被重點考慮，基于失效模式的設計方法被廣泛應運，相關的失效模式也被重點總結歸納。但隨著原料劣質化和壓力容器大型化，高參數化和高規格化的趨勢，預計腐蝕問題的會長期存在并逐漸增加權重，需要社會各界共同努力以推動問題的解決。

 

    文/趙博　中國特種設備檢測研究院

 

    一、壓力容器的腐蝕與發展

 

    壓力容器是一個涉及多行業、多學科的綜合性產品，其建造技術涉及到冶金、機械加工、腐蝕與防腐蝕、無損檢測、安全防護等眾多行業。隨著冶金、機械加工、焊接和無損檢測等技術的不斷進步，特別是以計算機技術為代表的信息技術的飛速發展，帶動了相關產業的發展，在世界各國投入了大量人力物力進行深入的研究的基礎上，壓力容器技術領域也取得了相應的進展。為了生產和使用更安全、更具有經濟性的壓力容器產品，傳統的設計、制造、焊接和檢驗方法已經和正在不同程度地為新技術、新產品所代替，而冶金、機械加工、焊接和無損檢測等壓力容器相關行業的技術進步， 是壓力容器行業整體技術水平提高的前提條件。

 

    腐蝕是影響壓力容器行業發展的重要阻礙之一，并廣泛地分布于各種使用場合。腐蝕對壓力容器的危害性主要表現在：一方面導致壓力容器發生早期失效或突然損壞，造成停車停產，浪費人力物力；另一方面造成壓力容器的內部介質泄漏，造成產品流失，污染環境引起公害。與常規設備相比，壓力容器中的腐蝕問題往往更為嚴重。一方面其盛裝介質多具有腐蝕性，且在長期的使用過程中難以保證介質穩定，常受到環境變化的沖擊；另一方面其長期在極端的壓力溫度等條件下運行，往往承擔極限較高的環境苛刻性，是危險性較高的特種設備。基于此，壓力容器在生產和使用中發生腐蝕的形式比較復雜，種類較多。如全面腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、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生。

 

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

 

    其一是原料明顯呈劣質化趨勢，致使部分壓力容器運行環境的苛刻性增強，對既有的腐蝕與安全經驗構成重大的沖擊。以煉化用原油為例，近20年全球原油硫含量持續上升，高酸原油在世界原油供應中的比例從2000年的7.5%增加到2010年的約10％。預計未來20年，這一趨勢將會繼續加重。我國這種情況則更為嚴重。2010年我國煉油企業進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，劣質化程度極高。隨著近些年來國際政治形勢的變動和我國廉價劣質原油的大量進口，煉化用原油進一步劣質化已不可避免。原料的劣質化帶來的不僅是腐蝕程度的變化，其腐蝕機理也在發生相應的改變。例如有報道稱，有劣質原油在煉化過程中的環烷酸腐蝕發生溫度可下降至200℃左右，有別于既往認知的220~230℃，這其中到底是什么起到了關鍵性的作用還不清楚，因此須對相關知識體系進行變革完善。

 

    其二是近年來我國企業擴大裝置生產能力的需求加強，致使壓力容器對腐蝕的發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計對比圖，從圖中可以看出近年來壓力容器明顯呈大型化，高參數化和高規格化的發展趨勢。千噸級的加氫反應器、二千噸級的煤液化反應器、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力鍋爐等已經在我國大量應用。隨著壓力容器的進一步發展，極端的服役環境需要的設計邊界不斷拓展，其變化會引起失效模式與設計準則的改變。這種變化既促進了材料科學的發展，也造成既有的選材標準以及相關腐蝕觀念的適用性逐漸與實際工程發展脫節。大型化意味著新材料的使用，設計方法的變革，制造裝備要求的提高，以及檢驗工藝的復雜化；高參數化意味著邊界極端化、高腐蝕性的環境介入；復雜化意味著結構復雜化、操作復雜化和破壞機理復雜化。這些都可能造成不可預知的設備損傷，成為設備失效的重要誘因。因此，耐高溫、高壓和耐強腐蝕的壓力容器用材料的研制與開發一直是壓力容器行業所面臨的重大課題。

 

    圖 1 壓力容器新舊設計邊界對比

 

    二、基于失效模式的壓力容器腐蝕與防護理念發展

 

    近年隨著經濟全球化的趨勢國際資本大量進入我國進行大型工程裝置建設，和給我國的壓力容器相關行業帶來了并存的機遇和挑戰：一方面，國際化的工程項目帶來了國際競爭，對我國企業的生存能力提出了更高的要求；另一方面，國際企業也帶來了更先進的技術能力、更嚴謹的管理方法和更寬闊的行業視野，為我國本土企業追近國際先進水平提供了條件 。在國際市場競爭的大環境下， 我國企業對利潤的追求更加迫切。受此影響，需要我國的壓力容器設計單位、運行單位和檢測單位共同協作努力，在保證安全的基礎上，采用更經濟的設計、制造方法，體現更高的綜合建造能力的技術要求，推廣更寬的標準適用范圍，并謀求在國際貿易中的國家競爭力。其中，腐蝕作為影響壓力容器安全的最重要因素之一，是業內矚目的焦點問題。壓力容器設計單位目前廣泛發展的基于失效模式的設計方法，就對此有所體現。

 

    作為一種理念，基于失效模式的設計方法首先由ISO 16528提出并明確。其內容是在承壓設備設計壽命內，考慮全壽命過程中設備的服役條件下可能出現的各種失效模式和損傷機理產生的風險對設備安全性與壽命的影響，通過合理選材、改進結構設計、優化制造工藝等措施，在設計制造早期控制和降低承壓設備在全壽命過程中的風險，使其安全服役到預定的壽命。由此可知，以失效模式為依據的設計方法重點強調了兩個方面：其一是針對承壓設備服役條件下可能出現的各種失效模式和損傷機理進行有針對性的風險控制措施；其二是該風險控制措施局限于合理選材、改進機構設計和優化制造工藝等設計方法進行的早期控制。

 

    基于失效模式的設計方法的準則如圖2所示，其最重要的意義是通過對失效模式的識別和設計準則的歸納，在壓力容器的設計階段針對預期出現的主要失效模式進行重點有針對性的風險規避，一方面可以避免由于設計標準不足帶來的不安全性；另一方面可以避免對材質與制造工藝盲目要求和設計冗余帶來的不經濟性，以期通過設計同時滿足壓力容器的安全性與經濟性要求。

 

    圖2 基于失效模式的壓力容器設計準則

 

    ISO 16528還綜合世界主要工業國家的技術標準規定，針對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種失效模式可主要歸為力學失效和腐蝕失效兩大原因，其中沖蝕、腐蝕失效模式，環境助長開裂失效模式，以及環境助長疲勞失效模式和腐蝕的相關性最強，詳見表1。因此，基于壓力容器失效模式進行的設備設計、防護以及相關的研究中，對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較苛刻的介質環境和較長期的設備服役時期中。這是因為壓力容器的作用需要兩個必備因素：其一是根據反應熱力學定律，需要能誘發材料發生電化學或化學反應的環境因素；其二是根據反應動力學定律，需要能支持從腐蝕反應發生到壓力容器失效的時間因素。

 

    需要說明的是，從傳統意義上講，腐蝕不包含于所有壓力容器設計時必須考慮的失效模式中，在設計時需綜合考慮環境的苛刻性與材料的適用性兩方面，方能確定腐蝕在其設計中的加權。但是由于前文所述壓力容器發展對材料的在極端環境下服役提出的強烈的需求，以及腐蝕與失效所帶來越發嚴重的后果，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備的標準中都將其歸為設計者考慮的問題。

 

    我國對此研究也多有進展，在最新頒布的《承壓損傷模式識別》標準（GB/T 30579-2014）中，以API571為藍本，將承壓設備的損傷模式和失效機理歸納四大類82種，其中減薄32種、環境開裂13種、材質劣化17種、機械損傷20種，其中大部分損傷模式與腐蝕相關。在該標準中對每一種損傷模式均包括如下技術內容，這些技術內容可以為設計者和生產運行單位在腐蝕控制時提供參考：

 

    （1）該損傷模式的定義描述；

 

    （2）該損傷模式的機理、表象、形態或者典型圖譜；

 

    （3）容易產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）容易發生該損傷模式的主要裝置和典型設備；

 

    （6）預防該損傷模式的建議措施；

 

    （7）該損傷模式的監測、檢測方法；

 

    （8）與該損傷模式相關或伴隨的其他損傷模式。

 

    需要說明的是，壓力容器的運行環境是多元性的，各種損傷模式往往并行發生并起到耦合作用，而并非簡單疊加。相關損傷模式的協同效應研究，是目前承壓設備腐蝕的重點研究方向之一，也是在現實工程中的防腐蝕問題所必須考慮的因素。

 

    三、結論

 

    我國的壓力容器技術現在已經進入了一個高速發展的時期， 期間由于各種問題發生的壓力容器腐蝕不容忽視，也需要業內的研究機構對既有存在的不足，采用實驗室聯盟的形式共同進行研究工作，實現行業安全與個體需求的協同發展，共同推動我國壓力容器安全事業的發展。