压力容器作为我国法定的八大类特种设备之一，在工业工程方面有着不可替代的作用。近年来，随着国际资本的进入和我国企业扩大生产以及对利润需求的提升，腐蚀问题在压力容器行业中逐渐被重点考虑，基于失效模式的设计方法被广泛应运，相关的失效模式也被重点总结归纳。但随着原料劣质化和压力容器大型化，高参数化和高规格化的趋势，预计腐蚀问题的会长期存在并逐渐增加权重，需要社会各界共同努力以推动问题的解决。

 

    文/赵博　中国特种设备检测研究院

 

    一、压力容器的腐蚀与发展

 

    压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐蚀、无损检测、安全防护等众多行业。随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新产品所代替，而冶金、机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步， 是压力容器行业整体技术水平提高的前提条件。

 

    腐蚀是影响压力容器行业发展的重要阻碍之一，并广泛地分布于各种使用场合。腐蚀对压力容器的危害性主要表现在：一方面导致压力容器发生早期失效或突然损坏，造成停车停产，浪费人力物力；另一方面造成压力容器的内部介质泄漏，造成产品流失，污染环境引起公害。与常规设备相比，压力容器中的腐蚀问题往往更为严重。一方面其盛装介质多具有腐蚀性，且在长期的使用过程中难以保证介质稳定，常受到环境变化的冲击；另一方面其长期在极端的压力温度等条件下运行，往往承担极限较高的环境苛刻性，是危险性较高的特种设备。基于此，压力容器在生产和使用中发生腐蚀的形式比较复杂，种类较多。如全面腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢损伤、孔蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀和腐蚀疲劳等都有可能发生。

 

    在我国，压力容器行业面临的腐蚀失效问题更是日益严重。造成这种情况的主要原因有二：

 

    其一是原料明显呈劣质化趋势，致使部分压力容器运行环境的苛刻性增强，对既有的腐蚀与安全经验构成重大的冲击。以炼化用原油为例，近20年全球原油硫含量持续上升，高酸原油在世界原油供应中的比例从2000年的7.5%增加到2010年的约10％。预计未来20年，这一趋势将会继续加重。我国这种情况则更为严重。2010年我国炼油企业进厂原油平均硫含量为1.24%；酸值为0.6 mg KOH/g；盐含量53.8 mg NaCl/L，已属于高硫高酸原油的范畴，劣质化程度极高。随着近些年来国际政治形势的变动和我国廉价劣质原油的大量进口，炼化用原油进一步劣质化已不可避免。原料的劣质化带来的不仅是腐蚀程度的变化，其腐蚀机理也在发生相应的改变。例如有报道称，有劣质原油在炼化过程中的环烷酸腐蚀发生温度可下降至200℃左右，有别于既往认知的220~230℃，这其中到底是什么起到了关键性的作用还不清楚，因此须对相关知识体系进行变革完善。

 

    其二是近年来我国企业扩大装置生产能力的需求加强，致使压力容器对腐蚀的发生及其损伤程度的容忍力大大降低。如图1所示为压力容器新旧设计对比图，从图中可以看出近年来压力容器明显呈大型化，高参数化和高规格化的发展趋势。千吨级的加氢反应器、二千吨级的煤液化反应器、一万立方米的天然气球罐、大直径的长输管线和超超临界动力锅炉等已经在我国大量应用。随着压力容器的进一步发展，极端的服役环境需要的设计边界不断拓展，其变化会引起失效模式与设计准则的改变。这种变化既促进了材料科学的发展，也造成既有的选材标准以及相关腐蚀观念的适用性逐渐与实际工程发展脱节。大型化意味着新材料的使用，设计方法的变革，制造装备要求的提高，以及检验工艺的复杂化；高参数化意味着边界极端化、高腐蚀性的环境介入；复杂化意味着结构复杂化、操作复杂化和破坏机理复杂化。这些都可能造成不可预知的设备损伤，成为设备失效的重要诱因。因此，耐高温、高压和耐强腐蚀的压力容器用材料的研制与开发一直是压力容器行业所面临的重大课题。

 

    图 1 压力容器新旧设计边界对比

 

    二、基于失效模式的压力容器腐蚀与防护理念发展

 

    近年随着经济全球化的趋势国际资本大量进入我国进行大型工程装置建设，和给我国的压力容器相关行业带来了并存的机遇和挑战：一方面，国际化的工程项目带来了国际竞争，对我国企业的生存能力提出了更高的要求；另一方面，国际企业也带来了更先进的技术能力、更严谨的管理方法和更宽阔的行业视野，为我国本土企业追近国际先进水平提供了条件 。在国际市场竞争的大环境下， 我国企业对利润的追求更加迫切。受此影响，需要我国的压力容器设计单位、运行单位和检测单位共同协作努力，在保证安全的基础上，采用更经济的设计、制造方法，体现更高的综合建造能力的技术要求，推广更宽的标准适用范围，并谋求在国际贸易中的国家竞争力。其中，腐蚀作为影响压力容器安全的最重要因素之一，是业内瞩目的焦点问题。压力容器设计单位目前广泛发展的基于失效模式的设计方法，就对此有所体现。

 

    作为一种理念，基于失效模式的设计方法首先由ISO 16528提出并明确。其内容是在承压设备设计寿命内，考虑全寿命过程中设备的服役条件下可能出现的各种失效模式和损伤机理产生的风险对设备安全性与寿命的影响，通过合理选材、改进结构设计、优化制造工艺等措施，在设计制造早期控制和降低承压设备在全寿命过程中的风险，使其安全服役到预定的寿命。由此可知，以失效模式为依据的设计方法重点强调了两个方面：其一是针对承压设备服役条件下可能出现的各种失效模式和损伤机理进行有针对性的风险控制措施；其二是该风险控制措施局限于合理选材、改进机构设计和优化制造工艺等设计方法进行的早期控制。

 

    基于失效模式的设计方法的准则如图2所示，其最重要的意义是通过对失效模式的识别和设计准则的归纳，在压力容器的设计阶段针对预期出现的主要失效模式进行重点有针对性的风险规避，一方面可以避免由于设计标准不足带来的不安全性；另一方面可以避免对材质与制造工艺盲目要求和设计冗余带来的不经济性，以期通过设计同时满足压力容器的安全性与经济性要求。

 

    图2 基于失效模式的压力容器设计准则

 

    ISO 16528还综合世界主要工业国家的技术标准规定，针对锅炉和压力容器常见的失效形式，将其失效模式归类为三大类、14种失效模式。14种失效模式可主要归为力学失效和腐蚀失效两大原因，其中冲蚀、腐蚀失效模式，环境助长开裂失效模式，以及环境助长疲劳失效模式和腐蚀的相关性最强，详见表1。因此，基于压力容器失效模式进行的设备设计、防护以及相关的研究中，对腐蚀因素的考虑主要集中于此三种失效模式中。

 

    可以看出，在压力容器的失效模式中，腐蚀的作用往往集中于相对较苛刻的介质环境和较长期的设备服役时期中。这是因为压力容器的作用需要两个必备因素：其一是根据反应热力学定律，需要能诱发材料发生电化学或化学反应的环境因素；其二是根据反应动力学定律，需要能支持从腐蚀反应发生到压力容器失效的时间因素。

 

    需要说明的是，从传统意义上讲，腐蚀不包含于所有压力容器设计时必须考虑的失效模式中，在设计时需综合考虑环境的苛刻性与材料的适用性两方面，方能确定腐蚀在其设计中的加权。但是由于前文所述压力容器发展对材料的在极端环境下服役提出的强烈的需求，以及腐蚀与失效所带来越发严重的后果，使得作为压力容器最常见的失效模式之一的腐蚀，逐渐成为各国承压设备的标准中都将其归为设计者考虑的问题。

 

    我国对此研究也多有进展，在最新颁布的《承压损伤模式识别》标准（GB/T 30579-2014）中，以API571为蓝本，将承压设备的损伤模式和失效机理归纳四大类82种，其中减薄32种、环境开裂13种、材质劣化17种、机械损伤20种，其中大部分损伤模式与腐蚀相关。在该标准中对每一种损伤模式均包括如下技术内容，这些技术内容可以为设计者和生产运行单位在腐蚀控制时提供参考：

 

    （1）该损伤模式的定义描述；

 

    （2）该损伤模式的机理、表象、形态或者典型图谱；

 

    （3）容易产生该损伤模式的敏感材料；

 

    （4）影响该损伤模式的主要因素；

 

    （5）容易发生该损伤模式的主要装置和典型设备；

 

    （6）预防该损伤模式的建议措施；

 

    （7）该损伤模式的监测、检测方法；

 

    （8）与该损伤模式相关或伴随的其他损伤模式。

 

    需要说明的是，压力容器的运行环境是多元性的，各种损伤模式往往并行发生并起到耦合作用，而并非简单叠加。相关损伤模式的协同效应研究，是目前承压设备腐蚀的重点研究方向之一，也是在现实工程中的防腐蚀问题所必须考虑的因素。

 

    三、结论

 

    我国的压力容器技术现在已经进入了一个高速发展的时期， 期间由于各种问题发生的压力容器腐蚀不容忽视，也需要业内的研究机构对既有存在的不足，采用实验室联盟的形式共同进行研究工作，实现行业安全与个体需求的协同发展，共同推动我国压力容器安全事业的发展。