在役壓力容器局部凹坑的安全性評(píng)定研究

劉禾　唐偉　王傲

摘 要：針對(duì)在役壓力容器局部凹坑進(jìn)行安全性評(píng)定有助于強(qiáng)化壓力容器使用性能，故而應(yīng)予以重視。在此之上，本文簡(jiǎn)要分析了在役壓力容器的特點(diǎn)及凹坑條件，并通過(guò)采用無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法、精準(zhǔn)檢測(cè)局部凹坑深度、強(qiáng)化在役壓力容器檢驗(yàn)效果、明確局部凹坑安全評(píng)定目的等方法，以此增加在役壓力容器安全性。

關(guān)鍵詞：在役壓力容器;局部凹坑;安全性

壓力容器作為化工石油企業(yè)不可或缺的重要特種設(shè)備，它往往用于承載易燃易爆類氣液體物質(zhì)。而在其出現(xiàn)局部凹坑后，很容易遭受安全風(fēng)險(xiǎn)。為了確保壓力容器發(fā)揮出最大化作用，應(yīng)對(duì)其局部凹坑安全性加以評(píng)定，以此在提高運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上保證壓力容器實(shí)現(xiàn)合理化利用。

1 在役壓力容器的特點(diǎn)及凹坑條件

1.1 特點(diǎn)

通常情況下，在役壓力容器是處于運(yùn)行狀態(tài)下的壓力容器。石化企業(yè)所使用的壓力容器多半處于高溫或高壓、腐蝕性運(yùn)行環(huán)境下，一旦在役壓力容器出現(xiàn)破損或斷裂，將引發(fā)大型安全事故。常見(jiàn)的事故緣由包括不規(guī)范的管理、溫度壓力超出極限負(fù)荷、運(yùn)行期間出現(xiàn)局部凹坑、破損等，這些都會(huì)造成壓力容器無(wú)法正常運(yùn)行。所以，對(duì)在役壓力容器進(jìn)行安全性評(píng)定很有必要。

1.2 凹坑要求

在役壓力容器所產(chǎn)生的局部凹坑，一旦無(wú)法通過(guò)安全評(píng)定，將增加壓力容器的操作風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)档蛪毫θ萜鞯陌踩浴Ｔ趯?duì)其進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)常需要遵循以下流程：首先需對(duì)在役壓力容器局部凹坑的尺寸進(jìn)行測(cè)量，并知曉壓力容器的材質(zhì)與自身規(guī)格，然后計(jì)算出相關(guān)無(wú)量綱參數(shù)，若具體數(shù)值低于0.1，可判定此局部凹坑處于安全范圍內(nèi)，只需定期檢查即可。而在無(wú)量綱計(jì)算參數(shù)高于0.1的情況下，需再次對(duì)在役壓力容器的極限負(fù)荷與容壓極限值進(jìn)行確定，在超出最大值時(shí)，局部凹坑則會(huì)對(duì)壓力容器帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害，此時(shí)應(yīng)立即停止使用，并且對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。在役壓力容器局部凹坑在利用無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)定時(shí)還應(yīng)滿足以下要求：

①在役壓力容器局部凹坑凹陷平緩且較為平滑，且半寬度≥3倍局部凹坑深度，周邊未發(fā)生深度埋藏類缺陷;②局部凹坑具有明顯的尖銳棱角，此時(shí)也適用于無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法;③在役壓力容器未受到外力沖擊、擠壓，又或是在遭受疲勞載荷;④局部凹坑區(qū)域壓力容器的壁厚與壓力容器半徑的商值不高于0.18的圓筒殼體，以及商值低于0.1的球狀薄壁殼體;⑤局部凹坑未造成壓力容器呈現(xiàn)材料劣化趨勢(shì);⑥局部凹坑深度未超過(guò)1/3倍壁厚數(shù)值，并且還應(yīng)低于12mm。同時(shí)，局部凹坑的厚度最小極限值也應(yīng)≥3mm;⑦壓力容器中產(chǎn)生的局部凹坑半長(zhǎng)不超于1.4數(shù)值。

只有符合上列條件，才能在無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法的協(xié)助下判斷局部凹坑是否超出了安全范圍。

2 在役壓力容器局部凹坑安全性評(píng)定方法

2.1 采用無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法

無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法是在役壓力容器局部凹坑安全性評(píng)定的主要方法。所以，相關(guān)人員在發(fā)現(xiàn)在役壓力容器出現(xiàn)局部凹坑現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況從無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算結(jié)果中評(píng)定壓力容器局部凹坑安全等級(jí)，最終確定是否需要對(duì)壓力容器的局部凹坑進(jìn)行修復(fù)處理，以此最大化保障壓力容器的使用安全性。

以某企業(yè)容量為2000m3的壓力容器為例，其使用溫度為常溫狀態(tài)，且主體厚度為42mm、內(nèi)徑值為15600mm，

工作壓力為1.8MPa，經(jīng)過(guò)判斷后發(fā)現(xiàn)該壓力容器出現(xiàn)了深度可達(dá)6mm的局部凹坑。在分析后得知它的平均半徑為7842mm，凹坑壁厚是42mm，凹坑半徑數(shù)值計(jì)算后為210mm。在與0.1進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)其未超過(guò)0.1，經(jīng)過(guò)相關(guān)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，該局部凹坑適用于無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法。

無(wú)量綱參數(shù)的計(jì)算公式如下：

局部凹坑無(wú)量綱=凹坑深度/凹坑壁厚×[凹坑半長(zhǎng)/）]

將相關(guān)數(shù)值代入到計(jì)算式中可得出無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算結(jié)果為0.037，因其低于標(biāo)準(zhǔn)值0.1，故而可判斷此局部凹坑符合安全范疇，無(wú)需安排人員對(duì)其進(jìn)行修復(fù)[1]。

2.2 精準(zhǔn)檢測(cè)局部凹坑深度

在役壓力容器局部凹坑的深度也會(huì)影響其安全性。故而在對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)階段還需精準(zhǔn)檢測(cè)凹坑深度，以此為后期評(píng)定工作提供重要參考數(shù)據(jù)。

其一，可對(duì)在役壓力容器實(shí)施定期檢測(cè)手段，若局部凹坑深度不大于壁厚余量，將不會(huì)對(duì)壓力容器安全評(píng)定等級(jí)帶來(lái)負(fù)面干擾。其中壁厚余量是指壁厚與實(shí)際壁厚數(shù)值間的差值。凹坑深度只有超出標(biāo)準(zhǔn)范圍才會(huì)引發(fā)大型危險(xiǎn)事件。所以，凹坑深度也是最直觀的安全檢測(cè)方法。

其二，在對(duì)局部凹坑深度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)還應(yīng)保證所選用的檢測(cè)設(shè)備精準(zhǔn)度較高，否則極易破壞檢測(cè)結(jié)果的可信度。在實(shí)踐操作中還可采用“邊界法”或“有限元法”結(jié)合局部凹坑的長(zhǎng)短軸向數(shù)值判斷凹坑是否已經(jīng)對(duì)壓力容器造成安全危害。同時(shí)，還可在符合無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法條件的情況下計(jì)算凹坑安全等級(jí)。另外，在根據(jù)凹坑深度檢測(cè)壓力容器安全性時(shí)還應(yīng)考慮到壓力容器自身的延展特征與抗剪應(yīng)力。為了保證壓力容器具有較強(qiáng)的安全性，在實(shí)際設(shè)計(jì)階段還需對(duì)比凹坑深度與壁厚的大小，在其不超過(guò)1/3倍壁厚且低于12mm時(shí)則可視為壓力容器的設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際使用需求相匹配。

其三，在對(duì)凹坑深度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，若其未超出壁厚余量的可允許范圍，可將該凹坑看成良性凹坑，并不會(huì)對(duì)壓力容器的正常使用帶來(lái)不利影響。如若安全評(píng)定等級(jí)為四級(jí)或五級(jí)，可借助焊接或者其他修復(fù)工藝進(jìn)行完善，便于壓力容器能夠再次投入到企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目中。

2.3 強(qiáng)化在役壓力容器檢驗(yàn)效果

一般情況下，壓力容器出現(xiàn)爆炸事故屬于一個(gè)逐漸劣化的過(guò)程。比如在壓力容器出現(xiàn)局部凹坑時(shí)，未能對(duì)其安全性進(jìn)行科學(xué)評(píng)定，直到該凹坑不斷塌陷或遭受腐蝕，最終加劇凹坑破壞性，由此引發(fā)安全事故。因此，在評(píng)定在役壓力容器局部凹坑安全性期間，還需隨時(shí)關(guān)注壓力容器的檢驗(yàn)效果，最大程度上保障壓力容器的使用安全。

具體內(nèi)容如下：為了確保壓力容器局部凹坑不會(huì)對(duì)壓力容器實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量帶來(lái)較大影響，需在其運(yùn)行期間對(duì)其實(shí)施運(yùn)行檢驗(yàn)，它主要是針對(duì)在役壓力容器所采用的一種檢驗(yàn)手法。一方面，可按照企業(yè)生產(chǎn)周期與運(yùn)行規(guī)律對(duì)其性能進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)可邀請(qǐng)專業(yè)檢驗(yàn)人員進(jìn)行檢驗(yàn)。另一方面，可在運(yùn)行期間對(duì)各元件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，一旦出現(xiàn)局部凹坑需立即展開(kāi)安全評(píng)定工作[2]。當(dāng)所獲得狀態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果處在壓力容器安全運(yùn)行范圍內(nèi)，可判斷局部凹坑在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)破壞壓力容器運(yùn)行秩序。

2.4 明確局部凹坑安全評(píng)定目的

在役壓力容器局部凹坑常見(jiàn)的有單凹坑、多凹坑兩種類型。在對(duì)前者進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，應(yīng)確定壓力容器在出現(xiàn)局部凹坑后的最大容壓值與圓筒容器極限負(fù)荷間的差距，若在運(yùn)行階段實(shí)際壓力值低于最大容壓值，代表該凹坑并不會(huì)對(duì)壓力容器帶來(lái)較大破壞，且處于安全范圍內(nèi)。

至于多凹坑，在對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)定過(guò)程中需意識(shí)到多凹坑之間的干涉性，應(yīng)對(duì)其綜合壓力進(jìn)行計(jì)算，并建立“有限元模型”，便于對(duì)排列分布特點(diǎn)進(jìn)行全面了解，這樣才能知曉多凹坑是否在協(xié)同狀態(tài)下增加了壓力容器安全風(fēng)險(xiǎn)。由于通過(guò)局部凹坑與強(qiáng)度的關(guān)系可得出最佳修復(fù)規(guī)格，故而是省時(shí)節(jié)能的重要途徑。

綜上所述，在役壓力容器局部凹坑的安全性評(píng)定是保證壓力容器使用效果及使用質(zhì)量的重要因素。所以，應(yīng)采取有效措施對(duì)壓力容器缺陷處進(jìn)行安全評(píng)定。一般可從無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算法、局部凹坑深度、在役壓力容器檢驗(yàn)、局部凹坑安全評(píng)定目的等方面著手，以此為在役壓力容器的相關(guān)研究提供重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張廣興.火力發(fā)電廠壓力容器制造中產(chǎn)生的典型缺陷及處理措施[J].焊接技術(shù)，2020，49（04）：86-89.

[2]謝陽(yáng)，龍偉，趙波.壓力容器缺陷安全評(píng)定研究進(jìn)展和衰減路徑速度積方法[J].機(jī)械，2019，46（11）：8-15+28.

作者簡(jiǎn)介：

劉禾（1985- ），男，民族：漢，籍貫：山東省濟(jì)南市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于山東省藝術(shù)學(xué)院 武漢工程大學(xué)研究生在讀，現(xiàn)有職稱：中級(jí)工程師，研究方向：質(zhì)量工程。