長期服役含缺陷球罐合于使用評價的運用

邢海澎，李 兵，馬 力

(濱州市特種設備檢驗研究所，山東 濱州 256600)

近幾年，隨著石油化工和化學工業(yè)的科學化、精細化及可持續(xù)化發(fā)展，壓力容器也正在向大型化、復雜化、高參數(shù)、嚴工況的方向轉變，一旦發(fā)生惡性事故，其帶來的后果將難以估量，因而在其制造、安裝和使用環(huán)節(jié)中，政府和企業(yè)對其要求也越來越高[1-2]。然而在這一嚴峻的現(xiàn)實情況下，社會上依然存在大量的老舊設備仍在服役。這些設備在制造、安裝時缺乏監(jiān)管，在后續(xù)使用時缺乏維護，只有在近幾年才漸漸得以規(guī)范。這些設備中不乏含有缺陷的壓力容器，這些承壓設備是否符合預期的工況及環(huán)境，制造缺陷、服役過程中產生的缺陷或損傷是否威脅其安全運行，令檢驗檢測人員很難快速定性。因此，對含缺陷的長期服役壓力容器需要進行適用性評價，來確保這類壓力容器的安全運行。

壓力容器定期檢驗時發(fā)現(xiàn)缺陷、消除缺陷往往是個漫長的工程，使用單位有時會因為缺陷修復而大大延遲開車的時間，這勢必帶來了效益上的巨大虧損，而承壓設備的合于使用評價能夠有力修復這一短板，讓并不影響繼續(xù)使用的含缺陷壓力容器繼續(xù)安全服役，從而節(jié)省了大量的維修時間，為使用單位帶來巨大的時間效益。

壓力容器在長期服役中，會因為各種工況造成鋼板的腐蝕、沖蝕、機械損傷或因緩慢腐蝕引起局部金屬減薄，也會因存在裂紋類缺陷被打磨形成局部金屬減薄[3]，對于造成的局部減薄，可以根據(jù)TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》來進行定期檢驗確定其安全等級。但當定期檢驗發(fā)現(xiàn)局部減薄較為嚴重并導致其停止使用時，可以進行合于使用評價來作為缺陷處理[4]。GB/T 35013—2018《承壓設備合于使用評價》提出了壓力容器局部金屬減薄的分級評價理念，將評價分為三級，并將之運用于運行和維修的決策之中，以保證那些已通過檢驗發(fā)現(xiàn)有局部減薄缺陷的壓力容器，能夠繼續(xù)安全地服役。本文重點介紹一起實際檢驗案例，來分析1級評價程序。

1 檢驗案例背景及基本參數(shù)

某化工企業(yè)有正在服役的一個液氨球罐，如圖1所示。該設備于1998年10月20日投入使用，至今已累計使用240個月?；緟?shù)如下：工作介質為液氨，介質特性為中度危害，介質密度652 kg/m3；設計壓力2.2 MPa，最高工作壓力1.97 MPa，安全閥啟跳壓力2.1 MPa，基本風壓值450 Pa，設計雪壓200 Pa，地震烈度6度，場地土類別IV-遠震，水壓試驗2.75 MPa，氣密性試驗2.31 MPa；設計溫度為50 ℃，工作溫度為-10～50℃；球殼板材料為16 MnR，設計壁厚為36 mm，腐蝕裕量為1.5 mm，焊縫系數(shù)1.0，內徑9 200 mm，高度11 000 mm，全容積：408 m3，充裝系數(shù)0.9，設備凈重82 385 kg，梯子、平臺質量，充水后質量490 385 kg等。

圖1 液氨球罐外貌

該設備在投入使用時，其特種設備管理并不完善。該液氨球罐于1998年開車投入使用，直到2006年4月才首次進行全面檢驗，首檢與投入使用已相差8年，嚴重不符合特種設備監(jiān)管要求。并且在使用過程中，使用單位對該液氨球罐的使用管理也存在嚴重問題，例如未組織相關人員做事故應急預案，未對該設備進行每年一次的年度檢查，甚至未做好日常交接班的記錄等等。這一系列的問題折射出長期服役設備的監(jiān)管缺失、使用單位管理的麻痹大意，極易引發(fā)惡性事故。因此在2018年10月定期檢驗時，檢驗人員不僅對該設備本體進行了仔細的檢驗檢測，并且?guī)椭褂脝挝煌晟屏颂胤N設備管理體系。

在該次定期檢驗時，首次決定對其所有縱、環(huán)焊縫及角焊縫進行100%熒光磁粉探傷檢測，對外部支柱與球罐的角焊縫100%濕式黑磁粉探傷檢測。在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)大小裂紋23處，液氨球罐產生裂紋大多是因為應力腐蝕。所謂應力腐蝕指的是在特定的腐蝕環(huán)境下再加上較為集中的拉應力共同作用于一些金屬材料上所造成的腐蝕開裂現(xiàn)象[5]。其中22處經打磨消除后凹坑符合TSG21—2016要求，不影響定級。第23處裂紋在球罐下極板間焊縫處，詳見圖2，該裂紋測量長度為337 mm，按照TSG21—2016要求進行打磨消除，形成一“半橢球型”凹坑，其規(guī)化長軸長度為2A=440 mm，短軸長度為2B=120 mm，深度C=18 mm，如圖3所示。由于深度C大于壁厚T的1/3，不符合無量綱參數(shù)G0的計算要求[6]，因此需要對該缺陷進行補焊修理或利用合于使用評價進行處理。

圖2 裂紋原貌

圖3 凹坑示意圖

2 合于使用評價流程

GB/T 35013—2018提供了壓力容器局部減薄適用性評價的三級評價程序：1級評價是三級評價的基礎，所用的信息也最少；2級評價是在1級評價的基礎上，將CTP(危險壁厚截面圖)細分為一系列的子區(qū)域，然后進行一個更細致的評價，評價結果較前一級更精確。在2級評價中，所需檢測信息和1級評價相似，區(qū)別在于2級評價有更詳細的計算；3級評價需要采用應力分類或極限載荷分析方法，結合有限元分析軟件來進行局部金屬減薄的評價。局部金屬減薄缺陷評價流程如圖4所示。

根據(jù)評價要求，首先確定局部金屬減薄區(qū)到總體結構不連續(xù)處的距離Lmsd，經過測量后，確定Lmsd=1 022 mm。如圖5所示。

3 含局部金屬減薄缺陷壓力容器1級評價

整理原始設計資料以及現(xiàn)場實際檢驗獲取的有效數(shù)據(jù)，獲得局部金屬減薄缺陷評價所需參數(shù)，詳見表1，然后結合1級評價程序判定壓力容器局部金屬減薄缺陷的可接受性。

圖4 局部金屬減薄評價流程圖

圖5 缺陷到總體結構不連續(xù)處的距離

表1 局部金屬減薄缺陷評價所需參數(shù)

(1)確定評價用計算壁厚tc[6]：

tc=trd-FCA

(1)

運用公式(1)：tc=35.03 mm。

tmm=16.27mm，s=440mm，Lmsd=1 022mm

(2)確定剩余壁厚比Rt和缺陷軸向長度參數(shù)λs：

(2)

(3)

運用式(2)、式(3)得Rt=0.447,λs=0.994。

(3)判斷該缺陷參數(shù)是否滿足下列要求，滿足即可繼續(xù)進行評價；否則，不滿足1級評價。

Rt≥0.20

(4)

tmm-FCA≥2.5 mm

(5)

(6)

運用式(4)～式(6)，可以繼續(xù)評價。

(4)根據(jù)標準GB150—2011《壓力容器》[7]計算部件的pmax=2.746 MPa

(5)軸向評價：

(7)

考慮缺陷影響部件最大允許操作壓力：

(8)

根據(jù)λs值可知參數(shù)Mt值為1.218。運用公式(7)得RSF=0.819。

根據(jù)圖4，該局部金屬減薄滿足1級評價，這也表明了該球罐通過檢查，在保持服役環(huán)境不變的情況下，還可以繼續(xù)安全服役，但鑒于實際情況，仍需要監(jiān)控使用管理，并制定相應應急預案，防止其他事故的發(fā)生。

4 含局部金屬減薄缺陷壓力容器2級評價與3級評價

局部金屬減薄的2級評價是在1級評價的基礎上進行評價的，首先也要滿足式(4)～式(6)，才能進行評價，否則2級評價不通過。對于球殼和成型封頭，取金屬減薄區(qū)環(huán)向長度和軸向長度的大者進行評價。由于2級評價采取CTP細化區(qū)域計算的方法，其2級評價的結果更加精確，能夠容忍較1級評價更危險的缺陷。

3級評價往往需要有限元分析軟件的幫助，將含缺陷壓力容器制作成有限元分析模型，通過數(shù)值模擬，能夠快速并精確的進行3級評價。3級評價數(shù)值模型制作較為復雜，但后續(xù)計算便捷、準確，是承壓設備合于使用評價的重要環(huán)節(jié)。

5 結 論

研究GB/T 35013中關于局部金屬減薄缺陷的合于使用評價，在保證該球罐安全運行的基礎上，大大縮短了缺陷的修復時間，為使用單位的檢修相應節(jié)約了大量的時間成本。但很多企業(yè)中仍然存在這類長期服役壓力容器，這些壓力容器的安全狀況需要確認，其中不乏有很多是“帶病”上崗，這需要運用各種檢驗檢測手段，為這些企業(yè)“把脈”，將缺陷消除于萌芽之中。

壓力容器的安全使用關乎民生，也關乎企業(yè)命脈，合于使用評價的發(fā)展為檢驗帶來了新的思路，有助于在役壓力容器的最優(yōu)化維護保養(yǎng)和長時間安全運行，繼續(xù)提高特種設備長期服役的安全性和可靠性。