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海洋平台压力容器的失效故障研究

发表时间：2020/9/4 来源：《文化时代》2020年11期作者：王良杰

[导读] 海洋平台压力容器服役环境相对较为特殊，典型的特征包括外部载荷和温差大、环境腐蚀性较强、持续工作不便检查等，这些特征导致压力容器在服役时容易出现各种失效故障问题。对压力容器常见的失效故障进行了系统的梳理分析，包括韧性断裂、脆性断裂、腐蚀断裂、疲劳断裂、蠕变断裂失效等问题。分析了引发容器出现失效故障的本质原因，在此基础上提出针对性的防范措施。

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300452 摘要：海洋平台压力容器服役环境相对较为特殊，典型的特征包括外部载荷和温差大、环境腐蚀性较强、持续工作不便检查等，这些特征导致压力容器在服役时容易出现各种失效故障问题。对压力容器常见的失效故障进行了系统的梳理分析，包括韧性断裂、脆性断裂、腐蚀断裂、疲劳断裂、蠕变断裂失效等问题。分析了引发容器出现失效故障的本质原因，在此基础上提出针对性的防范措施。关键词：海洋平台；压力容器；失效故障；腐蚀断裂压力容器作为重要的特种设备在海洋平台中的应用越来越广泛，且随着海洋领域的快速发展，所使用的压力容器正朝着大型化、高精度化方向发展，意味着海洋平台压力容器需要承受越来越复杂的服役环境，导致容器容易出现失效故障问题［1, 2］。压力容器在服役过程中如果出现失效故障问题，会导致整个生产过程无法正常稳定运行，轻则给企业造成重大经济损失，严重时还可能引发人员伤亡安全事故，造成不好的社会影响［3, 4］。所以有必要对海洋平台压力容器常见失效故障进行研究，明确导致容器出现故障问题的根本原因，在此基础上提出有效的防范措施，延缓甚至避免压力容器出现各类失效故障问题。对于提升海洋平台压力容器服役可靠性和稳定性具有重要的实践意义。海洋平台压力容器服役环境压力容器属于特种设备，服役时需要承受较为复杂的工作环境［5］。对于海洋平台压力容器而言，服役环境更加恶劣，更容易出现各种失效故障问题，进而引发安全事故。（1）外部载荷和温差大。压力容器的使用特点决定了在服役时需要承受较大的外部载荷。主要表现在两个方面，其一为内部装载压力大，其二需要承受较大的外部载荷，比如海洋中海浪和海风的冲击等。另外，海洋环境昼夜温差大，容器装载物质温差可能也较大，使得压力容器需要承受较大的温差，会在一定程度上降低压力容器的承载能力。此时如果加上操作人员的处理不当，可能引发容器内部压力快速提升甚至超过其承载能力，导致容器出现失效故障问题。（2）环境腐蚀性较强。海洋平台压力容器外表面与海水或附近空气相接触，海水具有一定的腐蚀性，会腐蚀容器外表面。容器内表面与装载物质相接触，装载物质通常也具有一定的腐蚀性，会对容器内表面造成腐蚀。腐蚀是所有压力容器使用时不可避免的问题，轻微腐蚀不会对其服役性能产生严重影响。但是如果压力容器表面遭遇严重腐蚀，则会显著削弱容器的整体性能。（3）持续工作不便检查。压力容器投入使用后必须实现连续运转，如果停止运行会对整个工艺流程造成不利影响。这给压力容器的检修维护提出了较高的要求，难度提升，如果无法及时发现容器在使用时出现的安全隐患，可能会引发严重的失效故障。海洋平台压力容器常见失效故障分析压力容器失效故障基本内涵压力容器失效故障指的是容器在服役过程中受到外部因素影响或服役时间较长，容器出现变形或其他故障问题，使其失去原有的设计功能的现象。如果压力容器出现失效故障，必须及时进行处理，如若不然可能引发严重的生产安全事故［6］。压力容器常见失效故障总结实践经验认为海洋平台压力容器常见的失效故障问题主要包含以下几个方面：（1）韧性断裂失效。制作压力容器的金属材料通常具有一定的强度极限，如果容器在服役时实际承受的压力值超过了该类型材料的强度极限值，会导致材料发生屈服，使容器发生显著变形，最终出现韧性断裂。（2）脆性断裂失效。海洋平台压力容器的服役环境温差相对较大，当温度较低时材料通常会表现出低温脆性的特征。此时如果材料遭受较大外部载荷，会出现脆性断裂的现象。脆性断裂是突发性的，不会出现显著变形，而韧性断裂则是一个持续的过程，容器需要先发生塑性变形最后才会断裂。（3）疲劳断裂失效。海洋平台压力容器服役时需要承受外部载荷，最典型的是海浪和海风等对容器表面造成的周期性冲击，使得容器承受循环载荷，时间长久后容器可能会疲劳断裂失效故障问题。（4）腐蚀断裂失效。压力容器工作时不管是海水、空气还是内部装载物资都会对容器内外表面造成一定程度的腐蚀，容器在长时间遭遇腐蚀的情况下，会出现腐蚀断裂失效问题。（5）蠕变断裂失效。蠕变是指金属材料受到的外部载荷即便没有超过屈服强度，时间长久后仍然出现变形的现象。

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蠕变是不可避免的问题，压力容器服役时需要持续承受相对较大的内部压力，因此容易出现蠕变断裂失效故障。海洋平台压力容器失效原因及防治措施研究压力容器失效故障原因（1）韧性断裂失效。导致压力容器出现韧性断裂的根本原因在于其承受的压力超过了材料所允许的极限强度值，材料发生塑性变形最终引发断裂问题。韧性断裂失效的特征在于断裂前会出现显著塑性变形，尤其是断口附近塑性变形特征更加明显。断裂方向通常与承受的载荷方向呈45°，表面为暗灰色。（2）脆性断裂失效。原因在于压力容器处在低温环境时承受较大工作载荷。当压力容器所处环境温度较低时，即便承受的载荷没有超过屈服强度也会出现断裂的现象，即低温脆性断裂。脆性断裂与韧性断裂相比较，特征在于断裂前不会出现显著变形，而是突发性的。断口相对平整，且与受力方向保持垂直，颜色较为光亮。（3）疲劳断裂失效。海洋平台压力容器在承受周期性的海浪或海风冲击时，内部会逐渐形成微裂纹，时间长久后微裂纹进一步拓展形成较大的裂缝，最终导致压力容器出现疲劳断裂失效故障。疲劳断裂具有局部性的特点，容易出现在焊缝位置。（4）腐蚀断裂失效。压力容器出现腐蚀的原因在于海水、空气和装载的腐蚀性物质对容器表面造成的侵蚀，使容器厚度逐渐降低，局部位置可能出现点坑甚至是穿孔的现象，最终出现腐蚀断裂失效。腐蚀是不可避免的现象，也是一个缓慢的过程，压力容器服役一段时间后才会出现。（5）蠕变断裂失效。由于压力容器需要持续承受较大载荷，所以出现蠕变现象是不可避免的，时间长久后出现断裂失效故障。压力容器失效故障防治措施（1）韧性断裂失效。在制作压力容器时使用极限强度更好的材料，对生产工艺流程进行优化改进，避免压力容器长时间承受较高的工作载荷，注重容器日常维护保养工作，及时发现小问题并处理。（2）脆性断裂失效。压力容器出现脆性断裂的根本原因在于环境温度较低时承受较大的工作载荷。因此在实际操作时，当环境温度较低时应该尽可能控制容器工作载荷。（3）疲劳断裂失效。如果容器制作材料内部本身具有缺陷问题，则容易出现应力集中进而导致疲劳断裂失效问题。因此需要对加工材料进行处理，避免使用存在缺陷问题的材料进行加工，而选用疲劳强度更大的材料。（4）腐蚀断裂失效。做好压力容器的防护工作，比如可以在内外表面涂或镀上防腐层，将压力容器与腐蚀性介质隔开。另外，鉴于腐蚀现象的不可避免性，在设计阶段要考虑压力容器的腐蚀现象，留有一定的腐蚀余量。（5）蠕变断裂失效。选用蠕变性能更强的材料加工压力容器，工作时如果周围环境温度较高则应该降低容器工作载荷，以减缓容器的蠕变现象。结论本文在充分总结实践经验的基础上，对海洋平台压力容器常见的失效故障问题进行了系统的梳理和研究，所得结论主要包含以下几点：（1）海洋平台压力容器服役环境较为复杂，其特征主要有外部载荷和温差大、环境腐蚀性较强、持续工作不便检查等，这些不良特征决定了容器容易出现失效故障问题；（2）对压力容器常见的韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、腐蚀断裂和蠕变断裂失效故障问题进行了全面阐述，分析了出现这些失效故障问题的根本原因，在此基础上提出了针对性的防治措施。参考文献: ［1］姜少强. ACFM技术在海上压力容器检测中的应用前景［J］. 中国石油和化工标准与质量. 2019, 39(3): 53-54. ［2］章向荣. 项目质量管理在海洋石油平台压力容器设备制造过程中的应用［J］. 建材发展导向（上）. 2019, 17(5): 73. ［3］刘继文，祁增慧，李家玮. 压力容器故障检测装置研究［J］. 河北建筑工程学院学报. 2018, 36(1): 90-93, 111. ［4］车达. 压力容器常见故障分析及解决建议［J］. 化工管理. 2017(27): 225. ［5］陈文松，沈允生. 特殊环境下压力容器的密封技术应用［J］. 化工设计. 2017, 27(4): 31-33, 44. ［6］赵诚. 高温环境下压力容器与管道的超声波检测技术［J］. 化工管理. 2018(26): 200-201.