張 光陳 罡張雅新

（1.中國(guó)石油遼陽(yáng)石油化纖公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

（2.遼陽(yáng)石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 遼陽(yáng) 111003）

清洗罐開(kāi)裂失效與設(shè)計(jì)條件的討論

張 光1陳 罡1張雅新2

（1.中國(guó)石油遼陽(yáng)石油化纖公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

（2.遼陽(yáng)石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 遼陽(yáng) 111003）

設(shè)計(jì)輸入是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提，設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確性與完整性決定設(shè)計(jì)文件的正確性與完整性，影響建造的可靠性與使用的安全性，關(guān)系壓力容器的本質(zhì)安全。以清洗罐開(kāi)裂失效為例，從對(duì)清洗罐工作原理和清洗過(guò)程分析看出，由于設(shè)計(jì)條件與使用工況的不符合，使得失效模式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的確定不全面，造成設(shè)計(jì)與使用的偏離，導(dǎo)致產(chǎn)品性能滿足不了使用的安全要求。由此說(shuō)明設(shè)計(jì)條件的重要性，建議用戶、設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)各方關(guān)注設(shè)計(jì)條件的完整性。

清洗罐 開(kāi)裂失效 設(shè)計(jì)條件 完整性

《固容規(guī)》［1］及GB 150［2］對(duì)設(shè)計(jì)委托方（用戶）增加了職責(zé)，要求用戶以正式書(shū)面形式向設(shè)計(jì)單位提供充分而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)條件?，F(xiàn)以清洗罐開(kāi)裂失效為例，對(duì)設(shè)計(jì)條件的重要性、完整性及用戶與設(shè)計(jì)的職責(zé)等問(wèn)題進(jìn)行討論，以引起用戶、設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)各方的關(guān)注，保證壓力容器的本質(zhì)安全。

一臺(tái)高壓超臨界甲醇清洗罐（簡(jiǎn)稱清洗罐），結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，技術(shù)特性見(jiàn)表1，施工圖要求設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按TSG R0004—2009、GB 150—2011及HG/T 20584—2011，而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中的失效模式則是強(qiáng)度失效、均勻腐蝕及泄漏失效，但清洗罐卻在使用中發(fā)生圓筒縱向開(kāi)裂，參考文獻(xiàn)［3］對(duì)此分析認(rèn)為是應(yīng)力腐蝕失效。這是一起典型的因設(shè)計(jì)條件不完整所導(dǎo)致的設(shè)計(jì)與使用的偏離或用戶使用工況超出所提出的設(shè)計(jì)條件而造成的事故。

圖1 清洗罐示意

表1 技術(shù)特性

1 設(shè)計(jì)條件的重要性

設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確性與完整性決定著設(shè)計(jì)文件的正確性與完整性，影響著壓力容器的類別劃分、失效模式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)壽命以及制造檢驗(yàn)、使用管理、定期檢驗(yàn)等安全技術(shù)，由此影響壓力容器建造的可靠性，

關(guān)系壓力容器的本質(zhì)安全。

1.1 設(shè)計(jì)條件決定失效模式

根據(jù)清洗罐的工作原理和清洗過(guò)程［3］，清洗罐的失效模式不只是強(qiáng)度失效和均勻腐蝕及泄漏失效，尚存在以下失效。

1）鑒于在清洗罐內(nèi)用超臨界甲醇溶解重油而清洗過(guò)濾芯的過(guò)程為間歇式操作，所以在封閉罐開(kāi)工過(guò)程中的介質(zhì)腐蝕不僅僅是超臨界甲醇，尚有重油污垢中的硫化氫等殘留物的腐蝕；而在敞開(kāi)罐停工時(shí)則存在應(yīng)力腐蝕環(huán)境。對(duì)此，設(shè)計(jì)既要考慮控制介質(zhì)的全面腐蝕，又要規(guī)避局部腐蝕-應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

2）鑒于清洗罐操作為間歇式-每24小時(shí)進(jìn)行一次，每次操作過(guò)程為：在常溫常壓下將待洗的污垢過(guò)濾芯裝罐→封閉罐蓋→注入甲醇→外壁電加熱升溫至300℃（超臨界狀態(tài)）→保持一定時(shí)間以去除濾芯上污垢→停止加熱并放出甲醇→常溫常壓下開(kāi)罐并取出過(guò)濾芯，由此完成一次清洗操作?？梢?jiàn)，若設(shè)計(jì)壽命為10年，僅“啟動(dòng)與停車的壓力循環(huán)次數(shù)”已超過(guò)1000次［4］，則應(yīng)按JB4732-附錄C進(jìn)行疲勞失效的分析設(shè)計(jì)。

3）鑒于清洗罐操作時(shí)用戶采用外壁局部（裝有甲醇的部位）電加熱使甲醇達(dá)到超臨界狀態(tài)，這在設(shè)計(jì)文件中沒(méi)有顯示。雖然電加熱器加熱不像直接火焰加熱那樣因火焰大小或波動(dòng)而使溫度不均衡或不穩(wěn)定，但局部電加熱對(duì)罐體同樣產(chǎn)生氧化腐蝕和內(nèi)外壁溫差應(yīng)力以及因溫度梯度引起的軸向熱應(yīng)力等不確定因素。所以，至少GB150不適用，至于JB4732是否適用和《固容規(guī)》是否監(jiān)管有待商榷。若通過(guò)局部電加熱使罐內(nèi)甲醇達(dá)到300℃，則管壁的金屬溫度就要高于300℃，所以清洗罐的設(shè)計(jì)溫度有待考證。因?yàn)?，電加熱罐?nèi)流體的傳熱過(guò)程是：熱輻射外壁→熱傳導(dǎo)內(nèi)壁→對(duì)流傳熱至流體，這要比管殼式換熱器中流體間傳熱（對(duì)流傳熱外壁→熱傳導(dǎo)內(nèi)壁→對(duì)流傳熱至流體）的傳熱強(qiáng)度對(duì)罐壁金屬溫度的影響要大得多。

從設(shè)計(jì)文件上看，顯示不出上述操作過(guò)程與工況，不論是失效模式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，還是材料選擇以及技術(shù)要求，就是設(shè)計(jì)溫度都與清洗罐操作過(guò)程存在偏離，設(shè)計(jì)文件不能應(yīng)對(duì)用戶使用的失效模式，這是由于設(shè)計(jì)條件不準(zhǔn)確與不完整所致。

1.2 設(shè)計(jì)條件決定設(shè)計(jì)壽命

清洗罐設(shè)計(jì)文件注明設(shè)計(jì)使用年限（設(shè)計(jì)壽命）為10年，可實(shí)際上清洗罐卻只使用了20次（間歇操作：每24h為1次操作循環(huán)）發(fā)生罐體圓筒破裂失效，造成設(shè)計(jì)壽命與實(shí)際使用較大偏離的原因是設(shè)計(jì)條件的不準(zhǔn)確與不完整，正如上面所述。從中體現(xiàn)設(shè)計(jì)壽命是容器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，《固容規(guī)》強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)壽命是必要的。

1）《固容規(guī)》為避免壓力容器因超期使用而發(fā)生安全事故，同時(shí)為推行失效模式的設(shè)計(jì)理念提高設(shè)計(jì)水平，利于壓力容器的使用管理、定期檢驗(yàn)及安全監(jiān)督，將“預(yù)期使用年限”作為設(shè)計(jì)條件內(nèi)容和“設(shè)計(jì)使用年限（疲勞容器標(biāo)明循環(huán)次數(shù)）”作為設(shè)計(jì)總圖內(nèi)容加以明確，要求設(shè)計(jì)者與委托方協(xié)商，根據(jù)容器的使用工況、失效模式、重要性與經(jīng)濟(jì)性以及工程經(jīng)驗(yàn)等合理確定設(shè)計(jì)壽命。

2）設(shè)計(jì)壽命不等同于實(shí)際使用壽命，應(yīng)根據(jù)失效模式與工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)合理確定。工程經(jīng)驗(yàn)如可對(duì)比的成功使用容器以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5］對(duì)煉油裝置或化工裝置容器的使用壽命規(guī)定等，而基于失效模式則需要設(shè)計(jì)者全面考慮設(shè)計(jì)條件有效控制失效風(fēng)險(xiǎn)。并且用戶尚應(yīng)在使用中根據(jù)定期檢驗(yàn)修訂設(shè)計(jì)壽命以安全使用。

3）對(duì)于清洗罐應(yīng)全面分析設(shè)計(jì)條件，應(yīng)合理選擇材料以控制應(yīng)力腐蝕，再以疲勞失效分析設(shè)計(jì)確定合適的設(shè)計(jì)壽命，并根據(jù)介質(zhì)的均勻腐蝕確定合理的腐蝕裕量。

1.3 設(shè)計(jì)條件決定資格職責(zé)

《固容規(guī)》為保證壓力容器設(shè)計(jì)的正確與完整性和制造的可靠性，要求設(shè)計(jì)與制造應(yīng)分別持有相應(yīng)的許可證。

1）根據(jù)設(shè)計(jì)條件，清洗罐按《固容規(guī)》劃為Ⅲ類壓力容器，屬于高壓（p=15MPa）反應(yīng)（超臨界甲醇溶解重油）容器，設(shè)計(jì)至少應(yīng)具備A2級(jí)設(shè)計(jì)資質(zhì)并持有應(yīng)力分析設(shè)計(jì)許可證；

2）對(duì)于疲勞分析設(shè)計(jì)的Ⅲ類高壓容器制造，其資質(zhì)至少為A2級(jí)制造許可證并具有相應(yīng)的質(zhì)量保證體系；

3）對(duì)于清洗罐用戶采用局部電加熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)甲醇的超臨界狀態(tài)，此工況的壓力容器《固容規(guī)》是否監(jiān)管以及JB 4732是否適用？請(qǐng)業(yè)內(nèi)討論。

2 設(shè)計(jì)條件的完整性

從上面討論的設(shè)計(jì)條件重要性中可以看出，容器設(shè)計(jì)的正確與完整性需要設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確與完整性的支持。

2.1 規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

《固容規(guī)》3.3對(duì)設(shè)計(jì)條件明確規(guī)定：壓力容器的設(shè)計(jì)委托方應(yīng)當(dāng)以正式書(shū)面形式向設(shè)計(jì)單位提出壓力容器設(shè)計(jì)條件。設(shè)計(jì)條件至少包含以下內(nèi)容：

1）操作參數(shù)（包括工作壓力、工作溫度范圍、液位高度、接管載荷等）；

2）壓力容器使用地及其自然條件（包括環(huán)境溫度、抗震設(shè)防烈度、風(fēng)和雪載荷等）；

3）介質(zhì)組分與特性；

4）預(yù)期使用年限；

5）幾何參數(shù)和管口方位；

6）設(shè)計(jì)需要的其他必要條件。

GB 150.1—4.2.2.1 則在此基礎(chǔ)之上增加了一條：容器設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.2 設(shè)計(jì)條件解讀

1）載荷條件：分為內(nèi)載荷與外載荷。內(nèi)載荷是容器內(nèi)在條件（如工作壓力與工作溫度范圍等）；而外載荷是容器外部條件（如環(huán)境溫度、抗震設(shè)防烈度、風(fēng)和雪載荷等）。其中工作壓力與工作溫度（在工藝過(guò)程中容器的工作范圍內(nèi)相互對(duì)應(yīng)）決定著設(shè)計(jì)壓力與設(shè)計(jì)溫度，兩者一起（最苛刻的壓力-溫度組合）作為設(shè)計(jì)載荷條件，前者決定容器的計(jì)算應(yīng)力水平，后者決定容器材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度（許用應(yīng)力）和沖擊韌性（沖擊功值），共同決定著容器的安全性能（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗腐蝕性）。并且，設(shè)計(jì)壓力（高低或循環(huán)）是設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)，不僅是容器劃類的條件（介質(zhì)-p-V）之一，更是選擇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的依據(jù)。

2）介質(zhì)條件：介質(zhì)的組分決定著介質(zhì)的特性（危險(xiǎn)性即易爆或毒性、腐蝕性即均勻腐蝕或局部腐蝕）。介質(zhì)是容器作用的“主角”，不僅是容器劃類的條件（介質(zhì)-p-V）之一，更是材料選擇的重要依據(jù)。介質(zhì)離不開(kāi)工藝過(guò)程，如對(duì)于物理或化學(xué)反應(yīng)，介質(zhì)既包括反應(yīng)物又包括生成物。

3）結(jié)構(gòu)尺寸：立式或臥式、幾何參數(shù)和管口方位簡(jiǎn)圖。結(jié)構(gòu)尺寸決定V值，是容器劃類的條件（介質(zhì)-p-V）之一，也是失效模式的主體。

4）預(yù)期壽命：用戶提出的希望值，但需要設(shè)計(jì)合理確定。

5）必要條件：選材要求、防腐要求、表面處理、特殊試驗(yàn)、安裝運(yùn)輸要求等。

可見(jiàn)，要完成一定結(jié)構(gòu)尺寸容器的設(shè)計(jì)并保證設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的安全性能，載荷與介質(zhì)至關(guān)重要，而且都離不開(kāi)工藝過(guò)程。

2.3 上述案例討論

作為過(guò)程使用的容器，一切都離不開(kāi)工藝過(guò)程。而工藝過(guò)程呈現(xiàn)出介質(zhì)的組分及壓力的變化，決定著設(shè)計(jì)所要考慮的因素，關(guān)系著設(shè)計(jì)的正確與完整性，影響著容器的本質(zhì)安全。

1）從上述案例的設(shè)計(jì)文件中，看不出清洗罐的工作原理和清洗過(guò)程，只能從施工圖數(shù)據(jù)表中看到：介質(zhì)為超臨界甲醇/易爆、中毒危害，p=15MPa，V=0.09m3，Ⅲ類壓力容器；設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按TSG R0004—2009、GB 150—2011及HG/T 20584—2011。而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中的失效模式則是強(qiáng)度失效、均勻腐蝕及泄漏失效。這是忽略了清洗罐的工作原理和清洗過(guò)程及溶質(zhì)的緣故。

2）從清洗罐的工作原理和清洗過(guò)程看出，容器內(nèi)的介質(zhì)不僅僅是溶劑-超臨界甲醇，尚有過(guò)濾芯上的溶質(zhì)-重油，這樣才能完成物理反應(yīng)-溶解（清洗），并且清洗罐是間歇操作（每24h完成1次操作）。所以，在確定設(shè)計(jì)壽命時(shí)，不僅要進(jìn)行疲勞分析設(shè)計(jì)，而且尚要考慮開(kāi)工時(shí)溶質(zhì)與溶劑的均勻腐蝕、停工時(shí)的局部腐蝕-應(yīng)力腐蝕。

3）至于清洗罐用戶采用局部電加熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)甲醇的超臨界狀態(tài)，在此工況下的容器設(shè)計(jì)如何考慮，請(qǐng)業(yè)內(nèi)討論。

綜上討論，設(shè)計(jì)條件的完整性關(guān)系著設(shè)計(jì)質(zhì)量能否符合容器的安全性能要求，而《固容規(guī)》從容器劃分類別考慮，去掉了工作原理和工藝過(guò)程，但設(shè)計(jì)條件中不能缺少容器使用過(guò)程的說(shuō)明，設(shè)計(jì)者對(duì)此應(yīng)引起注意。

3 用戶與設(shè)計(jì)的職責(zé)

《固容規(guī)》為增強(qiáng)容器安全主體的責(zé)任，增加了用戶的職責(zé)，并規(guī)范了設(shè)計(jì)條件。為此，GB 150也增加修訂了用戶與設(shè)計(jì)等職責(zé)，以保證容器的本質(zhì)安全。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

1）用戶職責(zé)：容器的用戶或設(shè)計(jì)委托方應(yīng)當(dāng)以正式書(shū)面形式向設(shè)計(jì)單位提出容器設(shè)計(jì)條件。并規(guī)定了設(shè)計(jì)條件的內(nèi)容要求（略）。

2）設(shè)計(jì)職責(zé)：設(shè)計(jì)單位應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)文件的正確性和完整性負(fù)責(zé)。并規(guī)定了設(shè)計(jì)文件的內(nèi)容及保管要求（略）。

3.2 職責(zé)解讀

1）向設(shè)計(jì)單位提供完整而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)條件是用戶的責(zé)任，以利于設(shè)計(jì)全面考慮各種工況因素實(shí)施基于失效模式的設(shè)計(jì)理念，所以，用戶應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確性與完整性負(fù)責(zé)。同時(shí)用戶也可以提出設(shè)計(jì)所用標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)則設(shè)計(jì)或分析設(shè)計(jì)）及預(yù)期壽命等要求。

2）設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確性與完整性予以確認(rèn)，以圓滿完成容器的設(shè)計(jì)，并為設(shè)計(jì)文件的正確性和完整性負(fù)責(zé)。

3.3 案例討論

1）用戶應(yīng)完善設(shè)計(jì)條件，尤其是應(yīng)注重對(duì)清洗罐工作原理和清洗過(guò)程的說(shuō)明，并給出過(guò)濾芯污垢重油的組分，以及停工時(shí)清洗罐如何清洗罐內(nèi)殘留污垢等。

2）設(shè)計(jì)應(yīng)確認(rèn)設(shè)計(jì)條件，合理確定失效模式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及選材，并與用戶協(xié)商設(shè)計(jì)壽命的合理確定，使設(shè)計(jì)文件達(dá)到正確性和完整性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上討論，得出結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)輸入是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提，設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確性與完整性決定設(shè)計(jì)文件的正確性與完整性，影響建造的可靠性與使用的安全性，關(guān)系壓力容器的本質(zhì)安全。

2）設(shè)計(jì)條件中的載荷與介質(zhì)是設(shè)計(jì)重要數(shù)據(jù)，不但影響容器的結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)計(jì)壽命的確定，而且更關(guān)系容器的類別劃分、失效模式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、技術(shù)要求以及制造檢驗(yàn)、使用管理、定期檢驗(yàn)等安全技術(shù)。

3）作為工藝過(guò)程使用的壓力容器，其設(shè)計(jì)條件離不開(kāi)工藝過(guò)程。所以，設(shè)計(jì)條件內(nèi)容應(yīng)增加“工作原理和工藝過(guò)程”。

［1］ TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及釋義［S］.

［2］ GB 150—2011壓力容器器及釋義［S］.

［3］ 喻杰，等.超臨界甲醇清洗罐開(kāi)裂失效分析［J］.壓力容器，2014，31（7）：55-58.

［4］ JB 4732—1995 鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）［S］.

［5］ SH/T 3074—2007 石油化工鋼制壓力容器［S］.

Cracking Failure Analysis of the Cleaning Tank and the Necessity Analysis of Giving Explicit Design Condition

Zhang Guang1Chen Gang1Zhang Yaxin2
（1.CNPC Liaoyang Petrochemical Fibre Company Machinery Factory Liaoyang 111003）
（2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003）

Determining the design conditions is the premise to ensure the design quality. The accuracy and completeness of design condition determines the correctness and completeness of design documents， also determines the fi nal reliability and the safety of the pressure vessel. Taking a cleaning tank cracking failure case as an example， this paper analysis the work principle and the cleaning process， the following conclusions have been taking: due to the design conditions and using conditions are not met， the failure modes and the design guidelines have not been determinate completely. It causes the design condition and the vessel work diverges from each other. It also causes the performance of vessel cannot meet the safety requirements. This illustrates the importance of determining the design condition. It suggests the users， the design units and the standard preparation department to concern the integrity of the given design conditions.

Cleaning tank Cracking failure Design conditions Completeness

X933.4

B

1673-257X（2015）04-26-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.007

張光（1960～），男，本科，高級(jí)工程師，從事壓力容器建造工作。

2014-12-09）