關(guān)于儲(chǔ)氣罐進(jìn)出氣口改造的問題探討

張 磊 蘇文娟 管凌峰 趙 洋 金蘇柯

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院 常州 213000）

根據(jù)《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》[1]的規(guī)定，對(duì)壓力容器進(jìn)行改造的單位必須具備壓力容器改造資質(zhì)，在實(shí)施改造前，改造單位應(yīng)向當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備安全監(jiān)察部門（以下簡(jiǎn)稱監(jiān)察部門）辦理開工告知，再向特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)報(bào)檢，在檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)改造監(jiān)檢合格并辦理使用登記證書變更后，方可繼續(xù)使用。

在對(duì)儲(chǔ)氣罐日常的定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因采購(gòu)的儲(chǔ)氣罐普遍是制造廠家生產(chǎn)的定型產(chǎn)品，并不是根據(jù)紡織生產(chǎn)工藝要求的定制產(chǎn)品，且部分中小型紡織企業(yè)對(duì)特種設(shè)備法律法規(guī)不熟悉，往往對(duì)儲(chǔ)氣罐私自進(jìn)行非法改造，將進(jìn)、出氣口開孔增大，以滿足其生產(chǎn)工藝對(duì)壓縮空氣高流量的要求。以往檢驗(yàn)人員在此類壓力容器改造監(jiān)檢時(shí)往往會(huì)有所忽視，而且也未曾檢索到有關(guān)儲(chǔ)氣罐進(jìn)、出氣口改造的文獻(xiàn)。本文全面地闡述了此類壓力容器改造存在的安全隱患，提出了針對(duì)性解決措施，為壓力容器檢驗(yàn)人員和改造過程相關(guān)單位提供參考。

1 設(shè)備概況

在對(duì)某紡織企業(yè)在用的2臺(tái)儲(chǔ)氣罐定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出氣口都有改造痕跡，開孔均增大為DN200，開孔增大部位焊縫外觀成形質(zhì)量差，接管壁厚降低，且無開孔補(bǔ)強(qiáng)措施。經(jīng)調(diào)查核實(shí)，從事該壓力容器改造的單位未取得相應(yīng)的資質(zhì)，改造單位未向所在地的特種設(shè)備監(jiān)察部門書面告知，改造過程未經(jīng)過特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)監(jiān)督檢驗(yàn)，屬于非法改造。2臺(tái)儲(chǔ)氣罐均為上海某公司制造，具體參數(shù)見表1，改造效果見圖1、圖2。檢驗(yàn)員當(dāng)即向使用單位出具了整改意見通知書，后監(jiān)察部門到場(chǎng)出具了監(jiān)察指令書，責(zé)令限期整改。

圖1 儲(chǔ)氣罐1出氣口

圖2 儲(chǔ)氣罐2進(jìn)氣口

表1 2臺(tái)儲(chǔ)氣罐參數(shù)

2 存在的安全隱患

2.1 開孔應(yīng)力集中

當(dāng)壓力容器筒體上開孔且有接管時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)比板材上開孔但無接管時(shí)更為復(fù)雜，它不僅包括薄膜應(yīng)力，而且包括由于接管和筒體相連接時(shí)所引起的邊緣應(yīng)力以及由于開孔接管過渡區(qū)引起的局部應(yīng)力集中、應(yīng)力梯度較大，極易成為設(shè)備的破壞源，因此對(duì)開孔接管部位作詳細(xì)的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定是確保壓力容器安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一。容器開孔接管引起孔邊應(yīng)力集中，其原因在于：1）容器筒身因開孔削弱了承載面積造成容器高薄膜應(yīng)力；2）容器整體的連續(xù)性被破壞，在開孔和接管處因變形不協(xié)調(diào)，連接處將產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力分量，影響最大的是附加彎曲應(yīng)力，因此，開孔和接管附近形成局部的高應(yīng)力區(qū)。再者，接管上有時(shí)還承受其他載荷以及容器開孔本身的制造缺陷和殘余應(yīng)力的影響，開孔附近就往往成為容器的薄弱部位[2]。

由上可知對(duì)壓力容器進(jìn)行開孔本身就具有一定風(fēng)險(xiǎn)，而此案例中未進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算就私自對(duì)儲(chǔ)氣罐進(jìn)、出氣口開孔增大改造，接管壁厚被降低，使壓力容器的承壓能力大大降低，嚴(yán)重影響儲(chǔ)氣罐使用安全。

2.2 焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)

如果改造單位是沒有資質(zhì)的單位，改造單位質(zhì)量保證體系運(yùn)行情況、實(shí)施改造的人員資質(zhì)情況不明，那么無法保證開孔部位焊縫的焊接質(zhì)量。使用單位對(duì)于特種設(shè)備法律法規(guī)不熟悉，不能充分認(rèn)識(shí)到對(duì)壓力容器本體切割、施焊帶來的如下質(zhì)量隱患和安全風(fēng)險(xiǎn)。

1）此開孔部位原來是全截面焊透的角接頭，為對(duì)接焊縫和角焊縫的組合焊縫（如圖3所示），然而改造施工時(shí)焊接未按要求開坡口，實(shí)際焊接接頭多為角焊縫形式（如圖4所示），承載強(qiáng)度大大降低。

圖4 改造實(shí)際焊接接頭

2）私自改造過程中焊材的選用、保管、烘烤、領(lǐng)用等程序不規(guī)范，焊工未持有監(jiān)察部門頒發(fā)的特種設(shè)備焊工證，且無經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝文件支持，焊接質(zhì)量無法保證，導(dǎo)致焊縫外觀成形質(zhì)量差，焊縫內(nèi)部可能存在嚴(yán)重缺陷，如未熔合、未焊透、裂紋、超標(biāo)氣孔、夾渣等。

3）空壓機(jī)吸排氣過程中具有間歇性，致使管道內(nèi)氣流的壓力和速度呈脈動(dòng)性和周期性變化，這種脈動(dòng)氣流會(huì)引起管路振動(dòng)。此外，因儲(chǔ)氣罐安裝不規(guī)范，底座未固定，罐體與空壓機(jī)安裝距離未按設(shè)計(jì)要求安裝也會(huì)引起和加劇管道振動(dòng)。該焊縫承載著管路系統(tǒng)的振動(dòng)，受到附加疲勞載荷，易產(chǎn)生疲勞裂紋，一旦裂紋導(dǎo)致開裂嚴(yán)重情況下甚至?xí)鸨╗3]。

綜上所述，焊接質(zhì)量差的改造進(jìn)、出氣口可能會(huì)成為容器的破壞源，嚴(yán)重影響儲(chǔ)氣罐使用安全。

2.3 原安全閥泄放量不足

儲(chǔ)氣罐進(jìn)、出氣口開孔增大改造后，原有安全閥將不能繼續(xù)滿足安全泄放的要求，這往往是改造過程中最容易被忽視的問題。安全閥通徑必須根據(jù)泄放量來確定，安全閥的泄放量Ws'必須大于等于安全泄放量Ws。安全閥通徑選用不正確，將有超壓風(fēng)險(xiǎn)，造成儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓急劇上升。

下面以5 m3儲(chǔ)氣罐為例，根據(jù)GB／T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[4]附錄B，計(jì)算改造后的安全閥的最小泄放面積，另一臺(tái)3 m3儲(chǔ)氣罐以此類推，計(jì)算結(jié)果與之一致。

容器進(jìn)料管規(guī)格為φ219 mm×4.5 mm，內(nèi)直徑d =（219?4.5×2）mm = 210 mm。安全閥整定壓力 Ps=0.84 MPa，泄放裝置泄放溫度Tf= 80 ℃ = 353.15 K。介質(zhì)是空氣，應(yīng)選擇全啟式安全閥，根據(jù)安全閥制造廠家提供的數(shù)據(jù)，額定泄放系數(shù)K = 0.7?？諝獾哪栙|(zhì)量M = 28.97 kg／kmol，氣體絕熱指數(shù)k =1.4，氣體壓縮系數(shù)Z = 1。在此條件下，空氣密度ρ =10.02 kg／m3，流速 v = 8 m／s。

根據(jù)儲(chǔ)氣罐出廠質(zhì)量證明書中的安全閥計(jì)算書和安全閥銘牌參數(shù)，原型號(hào)A28H-16，公稱通徑DN50全啟式安全閥，流道直徑d1= 32 mm，實(shí)際泄放面積見式（8）：

A1＜A，原泄放面積不再滿足要求。

3 針對(duì)性的解決措施

3.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

根據(jù)GB／T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》[5]，此案例情形適用于等面積法。若補(bǔ)強(qiáng)面積Ae大于等于所需補(bǔ)強(qiáng)面積A，則不需另加補(bǔ)強(qiáng)；若補(bǔ)強(qiáng)面積Ae小于所需補(bǔ)強(qiáng)面積A，則需要另加補(bǔ)強(qiáng)。通過單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法計(jì)算，得出A = 818.6 mm2，Ae= A1+A2+A3=(216.7+277.4+18) mm2=512.1 mm2，Ae＜A，必須另加補(bǔ)強(qiáng)。因計(jì)算過程較煩瑣，這里不再詳列。

3.2 焊接質(zhì)量控制

根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]，壓力容器改造施工方案需要由具備資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位書面同意。改造單位應(yīng)具備相應(yīng)的壓力容器改造資質(zhì)，建立施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量保證體系，嚴(yán)格按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和施工方案進(jìn)行施工，規(guī)范焊材的選用、保管、烘烤、領(lǐng)用，由符合資質(zhì)要求的持證焊工，嚴(yán)格按照經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝開坡口施焊，保證全截面焊透。在焊接結(jié)束后，對(duì)焊縫外觀質(zhì)量進(jìn)行目視檢查，并進(jìn)行無損檢測(cè)，排除焊接缺陷后，再進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。另外，在今后的定期檢驗(yàn)中檢驗(yàn)人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)該焊縫的檢測(cè)。

3.3 安全閥通徑計(jì)算

以安全閥的最小泄放面積A作為安全閥的流道面積，計(jì)算安全閥的流道直徑，見式（9）：

所以需選擇流道直徑d0=50 mm的安全閥。根據(jù)統(tǒng)計(jì)概算，全啟式安全閥的流道直徑d0與公稱直徑DN之比約為0.625，根據(jù)文獻(xiàn)[7]和制造廠家產(chǎn)品數(shù)據(jù)（見表2），選用型號(hào)A28H-16，公稱通徑DN80的帶扳手外螺紋連接彈簧全啟式安全閥。

表2 安全閥制造廠家公稱通徑DN和流道直徑d0的標(biāo)準(zhǔn)系列 mm

實(shí)際泄放面積計(jì)算見式（10）：

A0>A，泄放面積滿足要求。

從上面的計(jì)算過程可以看出，進(jìn)口直徑由DN100增大到DN200后，安全泄放量也隨之增大，導(dǎo)致安全閥的最小泄放面積增大，流道直徑增大，原DN50的安全閥不再滿足泄放要求，應(yīng)更換為DN80的安全閥。另外原安全閥螺紋接口與原安全閥公稱通徑一致，應(yīng)將DN50的安全閥接口更換為DN80的接口。

4 結(jié)束語

1）儲(chǔ)氣罐進(jìn)、出氣口改造主要存在開孔應(yīng)力集中、焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)、原安全閥泄放量不足3個(gè)問題。

2）設(shè)計(jì)單位應(yīng)對(duì)壓力容器重新設(shè)計(jì)，做好開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、焊接接頭設(shè)計(jì)、安全閥通徑計(jì)算，并審核改造施工方案。

3）改造單位應(yīng)按規(guī)定辦理改造相關(guān)的手續(xù)，做好開孔補(bǔ)強(qiáng)措施、焊接質(zhì)量控制，更換合適的安全閥。

4）壓力容器檢驗(yàn)人員在平時(shí)定期檢驗(yàn)中應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類壓力容器介質(zhì)進(jìn)、出口私自改造的問題，督促整改閉環(huán)，保障壓力容器的安全運(yùn)行。