基于API標(biāo)準(zhǔn)的常壓儲罐焊縫缺陷風(fēng)險(xiǎn)評估

王玉林　劉功祥

基于API標(biāo)準(zhǔn)的常壓儲罐焊縫缺陷風(fēng)險(xiǎn)評估

王玉林*劉功祥

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院）

常壓儲罐常采用射線探傷進(jìn)行無損檢測。很多常壓儲罐經(jīng)射線探傷發(fā)現(xiàn)存在Ⅳ級缺陷，需要進(jìn)行修復(fù)甚至報(bào)廢。但是，在實(shí)際情況中并不是所有的Ⅳ級缺陷都影響儲罐的安全使用。引入美國API 579-2007、API Std 653-2009標(biāo)準(zhǔn)，對常壓儲罐的焊縫缺陷進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，以確定焊縫缺陷是否會(huì)對該儲罐的安全使用造成影響。

常壓儲罐焊縫缺陷風(fēng)險(xiǎn)評估壓力容器焊接罐壁厚度

0　引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)水平的發(fā)展，各大城市的工業(yè)園區(qū)飛速發(fā)展。儲罐是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一種壓力容器，通常用于儲存石油、化工原料、食用油等原料。在儲罐中，常壓儲罐的使用占了很大一部分。隨著技術(shù)的發(fā)展，儲罐向著大型化發(fā)展，大型儲罐的裝載量往往達(dá)到10 000 m3以上。而在常壓儲罐容積增大的同時(shí)，也必然帶來更大的安全監(jiān)管難度。近年來，發(fā)生過多起常壓儲罐坍塌的事故，如2012年“3·14”浙江杭州水泥儲罐坍塌事故、2013年“1·31”江蘇泰州植物油儲罐坍塌事故等，對國家造成重大經(jīng)濟(jì)損失。這些服役多年的老儲罐的坍塌事故發(fā)生的原因均與儲罐存在焊縫缺陷有關(guān)。因此，對常壓儲罐的安全監(jiān)管時(shí)刻不能松懈［1］。

1　API標(biāo)準(zhǔn)安全評估的必要性

目前常壓儲罐的安全檢驗(yàn)一般采用無損檢測。在實(shí)際情況中，射線探傷檢測的分級并不能具體評價(jià)儲罐的安全狀況。存在相當(dāng)一部分被評為Ⅳ級的缺陷并不會(huì)對設(shè)備的安全造成影響。因此，需要一種可靠的方法，對射線探傷檢測到的缺陷進(jìn)行后期評估，將對設(shè)備安全影響較小的缺陷區(qū)分出來，以減小對嚴(yán)重缺陷的返修范圍，減小工作量，減少不必要的勞動(dòng)。

API 579—2007和API Std 653-2009標(biāo)準(zhǔn)是美國石油協(xié)會(huì)編寫的規(guī)范儲罐使用環(huán)境、健康和安全責(zé)任的標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是世界上為數(shù)不多的、能對常壓儲罐的缺陷進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的標(biāo)準(zhǔn)。它是根據(jù)煉化企業(yè)對壓力設(shè)備適應(yīng)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的需要而形成的。所謂的適應(yīng)性其定義為“帶缺陷或損傷的服役構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)完整性的能力”。標(biāo)準(zhǔn)制定的目的在于：（1）使長期服役的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)保證人員、公眾和環(huán)境的安全；（2）從技術(shù)上提供一個(gè)完善的適應(yīng)性評價(jià)步驟，以保證對不同的服役結(jié)構(gòu)和設(shè)施提供壽命預(yù)測方法；（3）有助于在役設(shè)備的最優(yōu)維護(hù)保養(yǎng)和運(yùn)行，保持老設(shè)備的可用性，以及提高結(jié)構(gòu)和設(shè)施的長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的可行性［2］。

2　API安全評估方法

常壓儲罐的缺陷主要采用API 579－2007《合于適用性評價(jià)》和API Std 653—2009《儲油罐檢驗(yàn)、修理、改造和重建》兩本標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)。夾渣、氣孔和未焊透經(jīng)常出現(xiàn)在儲罐焊縫缺陷中，表現(xiàn)為條狀或者較大圓孔。根據(jù)API 579－2007第九章的規(guī)定，這些缺陷可以作為裂紋型缺陷來評價(jià)；若焊縫中的圓孔很小，原則上根據(jù)API Std 653－2009的規(guī)定，以點(diǎn)蝕的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算。

2.1裂紋型缺陷的評價(jià)方法

夾渣、未焊透和較大的圓孔均可視為裂紋型缺陷。裂紋型缺陷評價(jià)方法分三級，若滿足以下幾個(gè)條件就可以進(jìn)行一級評價(jià)：（1）原始設(shè)計(jì)準(zhǔn)則嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)；（2）未發(fā)生蠕變行為；（3）動(dòng)載荷影響不大；（4）裂紋型缺陷在所承受的載荷及環(huán)境下不影響裂紋的擴(kuò)展；（5）裂紋型缺陷處壁厚小于35 mm，且為軸向或者周向分布；（6）圓筒內(nèi)半徑R和厚度t的比值R/t≤5。

本文要討論的評估方法針對的是常壓儲罐因制造、焊接不當(dāng)產(chǎn)生的裂紋缺陷。大多數(shù)儲罐的使用周期都超過十年，本次檢測的儲罐使用時(shí)間甚至都在15年以上。漫長的使用時(shí)間已經(jīng)使得焊縫中的殘余應(yīng)力釋放殆盡，經(jīng)殘余應(yīng)力射線檢測儀檢測，殘余應(yīng)力已經(jīng)不存在，因此可以采用一級評價(jià)方法。具體步驟如下：

（1）確定評價(jià)中的載荷和材料最低許用溫度。由于討論對象為常壓儲罐的焊縫缺陷，因此，載荷影響不予考慮，只需確定最低許用溫度。方法如圖1所示。圖中曲線A、B、C、D分別對應(yīng)不同材料的最低許用溫度。根據(jù)API 579-2007所述，一般常壓儲罐所用的碳鋼可以用圖中曲線C來查詢最低許用溫度。

圖1　材料最低許用溫度

（2）根據(jù)構(gòu)件的幾何尺寸以及裂紋缺陷的長度和深度，選擇合適的圖確定允許裂紋長度，例如圖2～圖5（裂紋模型及斜裂紋投影方法見圖7及本文的“3.2裂紋型缺陷評價(jià)”一節(jié)）。通過前面的最低許用溫度確定參照溫度，其計(jì)算式為

式中x——參照溫度，℃；

T——評價(jià)溫度，℃；其計(jì)算方法為儲罐所在地區(qū)年最低平均氣溫加8℃；

Tref——最低許用溫度，℃；按圖1選取。

圖2　圓柱殼縱向焊縫中裂紋型缺陷平行于焊縫

（3）選擇圖2～圖5中合適的評價(jià)曲線。選擇原則如下：如果不能得到缺陷在焊縫中的精確深度，那么只能使用較為保守的虛線；當(dāng)能測出缺陷在焊縫中的深度時(shí)，當(dāng)壁厚t≤25.4 mm時(shí)，直接選用實(shí)線評價(jià)；當(dāng)壁厚t＞25.4 mm時(shí)，若絕對裂紋深度小于其1/4，依然采用實(shí)線評價(jià)，反之則用虛線。無論虛線還是實(shí)線都存在A、B、C三條，分別代表缺陷位于母材、位于受過熱處理的焊縫和未受過熱處理的焊縫中。

圖3　圓柱殼縱向焊縫中裂紋型缺陷垂直于焊縫

圖4　圓柱殼周向焊縫中裂紋型缺陷平行于焊縫

（4）將確定的允許最大裂紋長度與實(shí)際裂紋長度對比，即可以對缺陷進(jìn)行安全評估，以確定是否需要維修、置換或者退役。

2.2點(diǎn)蝕的評價(jià)方法［3］

2.2.1確定缺陷尺寸

根據(jù)API 653中4.3.2.2b款的要求，對儲罐射線檢測結(jié)果進(jìn)行評判。該評價(jià)方法需滿足在總長為203.2 mm范圍內(nèi)的點(diǎn)蝕缺陷長度總和小于50.8 mm。缺陷為密集點(diǎn)蝕，沿著貫穿這些缺陷的任何直線，按照分散點(diǎn)蝕進(jìn)行評價(jià)，不需考慮其長度的影響，此時(shí)只需考慮缺陷的深度。

2.2.2確定最小許用厚度

由于缺陷為分散的點(diǎn)蝕，其長度方向必然很小，不屬于長條形的缺陷范圍。由于此類缺陷對儲罐整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性基本不產(chǎn)生影響，只會(huì)對儲罐的腐蝕致密性產(chǎn)生影響，因此按照點(diǎn)蝕型缺陷進(jìn)行評判。當(dāng)儲罐直徑小于61 m時(shí)，點(diǎn)蝕缺陷的評價(jià)只需考慮儲罐的液體載荷，不考慮其他諸如動(dòng)載荷、固定載荷、風(fēng)載荷等，因此需要計(jì)算其最小的許用厚度。依據(jù)API Std 653-2009中4.3.3.1款的規(guī)定，按下述方法確定最小許用厚度tmin。

（1）每層罐壁的最小許用厚度tmin按下式計(jì)算：

（2）某層罐壁任何其他位置的最小許用厚度（局部狹窄區(qū)域或其他有關(guān)的位置，如開孔、管道）：

式中tmin——最小許用厚度，mm；此外，任何層罐壁的tmin不得小于2.5 mm；

D——儲罐公稱直徑，m；

H——從每層罐壁腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域的底部到最高設(shè)計(jì)液位的高度，m；

G——存儲液體的最大相對密度；

S——最大許用應(yīng)力，MPa；底層和第二層罐壁采用0.80Y和0.429T中的較小值；所有其他各層罐壁采用0.88Y和0.472T中的較小值；

Y——鋼板規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度，MPa；如果未知，采用206.85 MPa；

T——鋼板規(guī)定的最低抗拉強(qiáng)度和551.6MPa兩者中的較小者；如果未知，采用

379.23MPa；

E——儲罐焊接接頭系數(shù)，取0.9；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度大于390 MPa時(shí)，底圈壁板取0.85。

將無損檢測的厚度與許用厚度比較，即可得出是否適用的結(jié)論。

3　常壓儲罐安全評估實(shí)例

3.1常壓儲罐基本數(shù)據(jù)

該常壓儲罐為南通市開發(fā)區(qū)化工園區(qū)某公司服役19年的化工常壓儲罐，其參數(shù)如表1所示。

表1　儲罐設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)檢驗(yàn)部門所出的射線檢測報(bào)告，達(dá)到Ⅳ級的缺陷共有五處，均位于儲罐罐壁的焊縫內(nèi)，罐壁厚度12 mm。缺陷具體情況如表2所示。

表2　儲罐罐壁中的缺陷

表2中的缺陷1、4、5采用裂紋型缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，缺陷2、3采用點(diǎn)蝕型缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2裂紋型缺陷評價(jià)

通過比對射線拍片的結(jié)果，可以精確地得到缺陷的長度和深度。裂紋型缺陷的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。表3中的缺陷4為兩道所處位置較近的裂紋型缺陷，且不與焊縫平行或者垂直，如圖6所示。

表3　裂紋型缺陷詳細(xì)數(shù)據(jù)

圖6　缺陷射線圖及CAD圖

由于缺陷4為斜裂紋且為兩道，根據(jù)API 579標(biāo)準(zhǔn)，需要將兩道裂紋沿焊縫方向投影成垂直于焊縫，求取等效裂紋長度，同時(shí)還需要考慮裂紋之間是否有相互影響。

裂紋投影計(jì)算步驟如下：首先將裂紋投影到選定的主平面，測得裂紋與主平面投影方向的夾角θ，假設(shè)裂紋投影長度為2a0，再乘以系數(shù)w，即得c=2a=2wa0，如圖7所示，系數(shù)w取值如圖8所示。

圖7　裂紋投影示意圖

圖8　w取值

圖6中角θ1為29°，角θ2為35°。兩道缺陷投影長度為2a01=8.75 mm，2a02=6.55 mm。由圖8有w1=1.16，w2=1.18。經(jīng)計(jì)算，得到等效缺陷長度c1= 10.15 mm，c2=7.73 mm。

根據(jù)API 579，如果裂紋之間距離為s，兩道裂紋長度c1和c2滿足c1+c2≥2s，則兩道裂紋之間相互影響，這時(shí)需要考慮的裂紋長度為c=c1+c2；反之，則只需要考慮較長裂紋的影響。經(jīng)計(jì)算，本文中缺陷4的兩道裂紋不存在相互影響，所以只需考慮較長的裂紋，c1=10.15 mm。

評價(jià)溫度T為儲罐所在區(qū)域年最低平均氣溫加8℃。根據(jù)南通地區(qū)的實(shí)際情況，取T=0℃。儲罐板厚為12 mm，根據(jù)圖1中的曲線C，選取Tref=-30℃。儲罐服役19年，因此不存在殘余應(yīng)力，并且該儲罐滿足前文所述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此計(jì)算參照溫度x=T-Tref+55.6=85.6℃。根據(jù)裂紋的形狀和位置，使用圖2、圖4、圖5評價(jià)，計(jì)算得到儲罐的縱向焊縫平行缺陷其允許缺陷長度為C=45 mm，儲罐的周向焊縫平行缺陷其允許缺陷長度為C=127 mm，儲罐的周向焊縫垂直缺陷其允許缺陷長度為C=45 mm，均滿足使用要求。最終，判斷該缺陷滿足評價(jià)要求，可繼續(xù)使用一個(gè)檢測周期。

3.3點(diǎn)蝕型缺陷評價(jià)

點(diǎn)蝕型缺陷詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　點(diǎn)蝕型缺陷數(shù)據(jù)

根據(jù)儲罐射線檢測結(jié)果，缺陷產(chǎn)生于儲罐罐壁的第一層縱向焊縫，其距離設(shè)計(jì)液位高度H=15 m。儲罐材質(zhì)為20鋼，最低屈服強(qiáng)度為Y=245 MPa，最低抗拉強(qiáng)度為T=410 MPa。根據(jù)儲罐設(shè)計(jì)文件可知，儲罐公稱直徑D=8.6 m，介質(zhì)相對密度G= 0.797 8，罐壁設(shè)計(jì)厚度t設(shè)=12 mm。經(jīng)計(jì)算，S= 193 MPa，tmin＝2.8 mm，取腐蝕余量為1 mm，確定最小許用厚度為3.8 mm。根據(jù)表4中的檢測數(shù)據(jù)計(jì)算，罐壁剩余厚度（缺陷2處為9 mm，缺陷3處為9.5 mm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小許用厚度，完全符合安全評定規(guī)范，可繼續(xù)使用一個(gè)檢驗(yàn)周期。經(jīng)計(jì)算，該常壓儲罐射線檢測報(bào)告中的Ⅳ級缺陷均不影響常壓儲罐的使用，該儲罐可以繼續(xù)使用一個(gè)檢驗(yàn)周期。

4　結(jié)論

本文引進(jìn)美國石油行業(yè)API 579和API 653標(biāo)準(zhǔn)，對國內(nèi)目前缺失的儲罐安全評估進(jìn)行了探索。通過研究API標(biāo)準(zhǔn)，整理了儲罐安全評估的方法。同時(shí)通過安全評估實(shí)例，證明安全評估可以對儲罐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性起到有效的輔助作用，提高檢測效率，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。這一工作也為以后儲罐的安全評估提供了實(shí)例參考。

［1］沈斐敏，陳伯輝.化工貯罐區(qū)安全評價(jià)的探討［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（8）：73-75.

［2］API 579-2007合于適用性評價(jià)［S］.

［3］API Std 653-2009儲油罐檢驗(yàn)、修理、改造和重建［S］.

上海石化超重力脫硫技術(shù)試驗(yàn)成功

2016年7月27日，作為脫除煉油裝置尾氣中硫化氫組分的一種全新技術(shù)——超重力脫硫技術(shù)在上海石化4號煉油裝置首次側(cè)線試驗(yàn)獲得成功。據(jù)了解，脫硫劑在脫除硫化氫的同時(shí)，也會(huì)吸收一部分的CO2，不利于脫硫效率的提高。由上海石化、華東理工大學(xué)和北京化工研究院共同研發(fā)的超重力脫硫技術(shù)，主要研究超重力條件下，高效復(fù)合脫硫劑對硫磺裝置尾氣的脫硫脫碳選擇性，考察超重力機(jī)轉(zhuǎn)速、填料類型、氣液比、貧液濃度等設(shè)備及操作參數(shù)對脫硫脫碳效果及選擇性的影響，優(yōu)選適宜的超重力選擇性脫硫設(shè)備參數(shù)及工藝條件，以達(dá)到強(qiáng)化脫硫、調(diào)控脫碳的目的，提高硫化氫脫除效率。在為期24天的試驗(yàn)里，上海石化分別選用了三種不同濃度和類型的脫硫劑，發(fā)現(xiàn)超重力機(jī)轉(zhuǎn)速、氣液比、貧液濃度是影響脫硫脫碳選擇性的關(guān)鍵因素。超重力脫硫技術(shù)可在現(xiàn)有工業(yè)裝置再生塔上正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)再生貧液硫含量不高于0.5 g/L時(shí)，可實(shí)現(xiàn)凈化尾氣中硫化氫含量不高于80 mg/Nm3、CO2共吸率不高于20%的目標(biāo)。該技術(shù)的試驗(yàn)成功，不僅可以高效脫除尾氣中的硫化氫組分，提高硫磺回收裝置硫磺回收率，更能減少硫排放，不斷改善煉油裝置的環(huán)保運(yùn)行水平，為煉油裝置提升環(huán)保運(yùn)行水平提供有價(jià)值的技術(shù)借鑒。

（章文）

Atmospheric Tank Weld Defect Risk Assessment Based on the API Standard

Wang YulinLiu Gongxiang

Radiographic detecting is often used for the atmospheric tanks welding line nondestructive testing. Atmospheric tanks need be repaired or even scrapped when levelⅣdefects are found.However，in fact，not all the levelⅣdefects will affect the safety of tanks.American standards API 579-2007 and API Std 653-2009 were introduced to assess the risk whether the defects on welds would affect the safety use the tank.

Atmospheric tank；Weld defects；Risk assessment；Pressure vessel；Welding；Tank wall thickness

TQ 050.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.010

2016-01-15）

*王玉林，男，1986年生，工程師。南通市，226000。