邢海澎，李 兵，馬 力

(濱州市特種設(shè)備檢驗研究所，山東 濱州 256600)

近幾年，隨著石油化工和化學(xué)工業(yè)的科學(xué)化、精細(xì)化及可持續(xù)化發(fā)展，壓力容器也正在向大型化、復(fù)雜化、高參數(shù)、嚴(yán)工況的方向轉(zhuǎn)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(yán)峻的現(xiàn)實情況下，社會上依然存在大量的老舊設(shè)備仍在服役。這些設(shè)備在制造、安裝時缺乏監(jiān)管，在后續(xù)使用時缺乏維護(hù)，只有在近幾年才漸漸得以規(guī)范。這些設(shè)備中不乏含有缺陷的壓力容器，這些承壓設(shè)備是否符合預(yù)期的工況及環(huán)境，制造缺陷、服役過程中產(chǎn)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(jìn)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(fù)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(shè)備的合于使用評價能夠有力修復(fù)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》來進(jìn)行定期檢驗確定其安全等級。但當(dāng)定期檢驗發(fā)現(xiàn)局部減薄較為嚴(yán)重并導(dǎo)致其停止使用時，可以進(jìn)行合于使用評價來作為缺陷處理[4]。GB/T 35013—2018《承壓設(shè)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(shè)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(zhì)為液氨，介質(zhì)特性為中度危害，介質(zhì)密度652 kg/m3；設(shè)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(fēng)壓值450 Pa，設(shè)計雪壓200 Pa，地震烈度6度，場地土類別IV-遠(yuǎn)震，水壓試驗2.75 MPa，氣密性試驗2.31 MPa；設(shè)計溫度為50 ℃，工作溫度為-10～50℃；球殼板材料為16 MnR，設(shè)計壁厚為36 mm，腐蝕裕量為1.5 mm，焊縫系數(shù)1.0，內(nèi)徑9 200 mm，高度11 000 mm，全容積：408 m3，充裝系數(shù)0.9，設(shè)備凈重82 385 kg，梯子、平臺質(zhì)量，充水后質(zhì)量490 385 kg等。

圖1 液氨球罐外貌

該設(shè)備在投入使用時，其特種設(shè)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(jìn)行全面檢驗，首檢與投入使用已相差8年，嚴(yán)重不符合特種設(shè)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(yán)重問題，例如未組織相關(guān)人員做事故應(yīng)急預(yù)案，未對該設(shè)備進(jìn)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(shè)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(shè)備本體進(jìn)行了仔細(xì)的檢驗檢測，并且?guī)椭褂脝挝煌晟屏颂胤N設(shè)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(jìn)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(chǎn)生裂紋大多是因為應(yīng)力腐蝕。所謂應(yīng)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(yīng)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(jīng)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(jìn)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(jìn)行補焊修理或利用合于使用評價進(jìn)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(chǔ)，所用的信息也最少；2級評價是在1級評價的基礎(chǔ)上，將CTP(危險壁厚截面圖)細(xì)分為一系列的子區(qū)域，然后進(jìn)行一個更細(xì)致的評價，評價結(jié)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(xì)的計算；3級評價需要采用應(yīng)力分類或極限載荷分析方法，結(jié)合有限元分析軟件來進(jìn)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(jié)構(gòu)不連續(xù)處的距離Lmsd，經(jīng)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(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)應(yīng)急預(yù)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(chǔ)上進(jìn)行評價的，首先也要滿足式(4)～式(6)，才能進(jìn)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(jìn)行評價。由于2級評價采取CTP細(xì)化區(qū)域計算的方法，其2級評價的結(jié)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(jìn)行3級評價。3級評價數(shù)值模型制作較為復(fù)雜，但后續(xù)計算便捷、準(zhǔn)確，是承壓設(shè)備合于使用評價的重要環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 論

研究GB/T 35013中關(guān)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(chǔ)上，大大縮短了缺陷的修復(fù)時間，為使用單位的檢修相應(yīng)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(rèn)，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(guān)乎民生，也關(guān)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(hù)保養(yǎng)和長時間安全運行，繼續(xù)提高特種設(shè)備長期服役的安全性和可靠性。