1. 概述
近年来，压力容器事故频繁发生，例如1997年北京东方化工厂乙烯球罐爆炸，以及1998年西安煤气公司液化石油汽贮罐事故等。压力容器爆炸不仅导致严重的人员伤亡，还可能引发火灾或更严重的爆炸。因此，深入研究压力容器爆炸事故机理，分析事故原因，对于预防事故、确保设备安全至关重要。
2. 压力容器的破坏形式
根据国际《压力容器、锅炉和管道委员会》的分类方法，压力容器的破坏形式可以根据破坏形态和原因进行如下划分：
2.1 过度塑性变形
当压力载荷远远超出设计值时，容器壁变薄，最终在压力稍有增加时即发生破裂。容器破裂时，断口为撕裂状态，破坏时不会产生碎片或仅有少量碎块，爆破口的大小取决于容器破裂时的膨胀能量。除了压力因素，高温下的金属蠕变也是导致塑性变形的重要原因。蠕变过程中，材料发生连续塑性变形，经过一段时间后可能以破裂结束。
2.2 过度弹性变形
弹性变形是固体在外力作用下的一种行为。当外力移除后，物体能够恢复到原来形状的能力称为弹性。过度的弹性变形可能导致容器失去稳定性，甚至失稳。
2.3 大应变疲劳
在交变应力作用下，压力容器某些局部区域（如开孔接管周围、结构不连续处等）的金属晶粒发生滑移，形成微小裂纹。裂纹两端不断扩展，最终导致容器疲劳破坏。疲劳首先出现在上述高应力区域，即大应变疲劳。压力容器疲劳破坏的特征包括：容器无明显变形、断口存在两个区域（疲劳裂纹产生至扩展区和最后断裂区）、容器常因泄漏而失效、疲劳破坏总是在容器经历反复加载和卸载后发生。
2.4 腐蚀疲劳
腐蚀疲劳是金属在腐蚀和应力共同作用下的一种破坏形式。腐蚀不仅导致金属表面局部损坏，还促进疲劳裂纹的产生和发展。同时，交变应力破坏金属表面的保护膜，加速表面腐蚀。在交变应力作用下，被破坏的保护膜无法再次形成，腐蚀产物阻止氧的扩散，使保护膜难以恢复。因此，在腐蚀和交变应力的共同作用下，裂纹不断发展，最终导致金属断裂。
2.5 应力腐蚀
应力腐蚀是金属在腐蚀介质和拉伸应力共同作用下产生的一种破坏形式。应力腐蚀时，腐蚀和应力相互促进。腐蚀减小金属有效截面积和表面形成缺口，产生应力集中；应力加速腐蚀进程，使表面腐蚀缺口向深处扩展，最终导致断裂。
2.6 脆性破裂
脆性破裂指没有明显塑性变形的断裂。对于压力容器，脆性破裂发生在塑性材料制成的容器中。脆性破裂时，工作应力远低于材料强度极限，甚至低于屈服极限。压力容器脆性破裂的特征包括：容器壁无明显伸长变形，容器厚度通常不变；断口呈金属光泽的结晶状，裂口平整与主应力方向垂直；脆性破裂的容器常呈碎块状，常有碎片飞出；脆性破裂多数在温度较低情况下发生；脆性破裂更易在高强度钢制容器和厚壁中、低强度容器上发生。
2.7 氢腐蚀破坏
在高温高压下，吸附在钢表面的氢分子部分分解为氢原子或离子，固溶于钢表面层并向内部扩散。氢脆和氢腐蚀影响钢的性能。氢脆是由于氢扩散并溶解于金属晶格中，使钢在缓慢变形时呈现脆性，此时钢的塑性显著降低。氢腐蚀是指氢原子或离子扩散进入钢中，与微孔壁上的碳或碳化物及非金属夹杂物产生化学反应，这些不易溶解的气体生成物在晶界微隙内形成局部高压，造成应力集中，使晶界变宽，发展成微裂纹，降低钢的机械性能。
3. 压力容器事故分析方法
3.1 宏观检查
宏观检查是确定破坏原因和事故现象的重要方法。通过分析断口断裂源区、断裂方向、断口表面光泽、颜色、晶粒大小、断口花纹、边缘情况、冶金缺陷等宏观特征，可以确定压力容器破坏类型和破坏点等情况。
3.2 微观检查
微观检查是对断口细部组织和微观形态进行仔细观察的方法。它是在宏观分析基础上进行的，以弥补宏观检查不足之处。目前，主要采用光学显微镜和电子显微镜进行观察。
3.3 化学成分检查
化学成分检查是在事故容器某些部位取样，检验或核实容器制造材料原有化学成分的方法。只有当怀疑材料性能不良导致事故时，才在失效部位取样进行化学成分检查，重点分析对性能有影响的元素成分，以验证金属化学成分是否符合压力容器技术要求。
3.4 机械性能检查
机械性能与金属断裂有直接关系。因此，对破裂容器常在事故断裂部位和远离断口处取样，进行机械性能测试和对比性能试验，以验证所用材料是否符合设计要求，核对断口附近组织和性能是否有变化，材料机械性能在加工过程中是否发生显著变化。通过一系列机械性能测试，可以获取压力容器事故原因。
3.5 疲劳分析
随着压力容器大型化、安全系数降低和工作条件日益严峻，峰值应力水平不断提高，加上近年来广泛采用低合金高强度钢，屈强比较高，尽管容器承载能力有所上升，但材料塑性储备、应力集中敏感性、耐疲劳抗力降低，增加了压力容器疲劳破坏风险。因此，疲劳失效问题在压力容器设计中越来越受重视，疲劳分析方法在事故分析中成为极其重要的一种分析方法。目前，涉及压力容器疲劳分析的规范有美国ASME《锅炉及压力容器规范》、国际压力容器标准ISO/DIS2694和英国BS5500《非直接火焊制压力容器规范》。
3.6 断裂力学分析
绝大多数压力容器事故由裂纹引起。这些裂纹在一定条件下迅速扩展，导致压力容器低应力破坏。断裂力学研究带有裂纹材料强度问题，与相关力学问题相结合，形成一门新兴固体力学。断裂力学不仅研究脆性断裂，还研究塑性断裂。断裂力学为结构材料裂纹产生和扩展规律研究提供了新途径，为压力容器事故分析提供了有效方法。
3.7 蠕变分析方法
压力容器高温蠕变问题较为复杂。不仅要考虑压力容器蠕变变形后内部应力如何重新分配和计算，还要考虑在一定时间内将产生多少蠕变变形量等。通过计算蠕变后应力和蠕变稳定阶段蠕变速度，可以求取任意一点应变，进而计算任意一点直径扩大量。这些计算为事故分析提供了数据。
4. 事故调查分析步骤
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