壓縮天然氣球罐定期檢驗案例分析

劉 杰

(德陽市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，四川618000)

壓縮天然氣球罐定期檢驗案例分析

劉 杰

(德陽市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，四川618000)

本文通過對某企業(yè)2000 m3壓縮天然氣球罐進(jìn)行定期檢驗，介紹了球罐定期檢驗的檢驗方案，并強調(diào)了球罐焊縫無損檢測要點，重點對檢驗過程發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷進(jìn)行應(yīng)力校核、分析、評價，并進(jìn)行定級。根據(jù)檢驗情況，給出了首次定期檢驗未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄缺陷而本次檢驗發(fā)現(xiàn)諸多表面宏觀裂紋缺陷的主要原因。

球罐；定期檢驗；應(yīng)力校核；缺陷評價；裂紋缺陷

天然氣球罐作為城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)揮著重要的儲氣和調(diào)峰作用[1]，一旦發(fā)生事故，所造成的直接、間接的影響將無法估計。本次檢驗是對某公司4臺2000 m3壓縮天然氣球罐進(jìn)行第2次定期開罐檢驗。檢驗發(fā)現(xiàn)4臺球罐焊縫內(nèi)表面均存在不同程度的表面裂紋，尤其以2#球罐最為嚴(yán)重，本文將以2#球罐檢驗情況為例，進(jìn)行缺陷分析。

1 球罐概況

這4臺球罐制造日期為2007年7月，2008年3月投入使用。球罐設(shè)計型式為混合式四帶球罐，鋼板材質(zhì)為16MnR，公稱壁厚32 mm，罐體內(nèi)徑15 700 mm，由上溫帶、赤道帶、上極、下極共4帶64塊球殼板組焊而成，每個球罐布置立柱12個，沿赤道正切周向均布。2011年4月～6月，德陽市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所依法對這4臺壓縮天然氣球罐進(jìn)行了首次定期檢驗，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄缺陷，檢驗結(jié)果符合要求，且檢驗周期定為5年，2016年4月進(jìn)行第2次定期開罐檢驗。

2 檢驗方案

2.1 檢驗方案制定依據(jù)

(1)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》。

(2)TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》。

(3)TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》。

(4)TSG R5002—2013《壓力容器使用管理規(guī)則》。

(5)GB 12337—2014《鋼制球形儲罐》。

(6)GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》。

(7)NB/T47013.1～47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測》。

(8)《德陽市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所質(zhì)量手冊》(2014版)。

2.2 檢驗人員及設(shè)備

2.2.1 檢驗人員

由2名壓力容器檢驗師、3名檢驗員成立項目組承擔(dān)該公司4臺天然氣球罐的定期檢驗工作。按照檢驗方案具體要求進(jìn)行檢驗。另外，使用單位項目組、使用單位聘請的施工單位、第三方監(jiān)理單位配合我所進(jìn)行檢驗工作。

2.2.2 檢驗設(shè)備

(1)幾何尺寸檢測工具：鋼卷尺、150 mm鋼板尺、焊檢尺、游標(biāo)卡尺、放大鏡、經(jīng)緯儀、吊墜等，需計量檢定的工具均在有效檢定期限之內(nèi)。

(2)無損檢測設(shè)備：超聲波測厚儀、數(shù)字式超聲檢測儀、多功能旋轉(zhuǎn)磁場探傷機。

注：

(1)根據(jù)實際情況內(nèi)部隨機抽測，測厚點一般選取在距離焊縫邊緣約50 mm，原則上每塊鋼板測厚4點。

(2)圖中實線代表焊縫，每條焊縫內(nèi)側(cè)100%MT(熒光)，100%UT。

(3)無損檢測缺陷部位在圖中用粗實線標(biāo)出，且以序號標(biāo)記。

圖1 2#球罐壁厚測定及探傷部位示意圖
Figure 1 Wall thickness determination of 2# spherical tank and schematic of locations for non-destructive test

(3)打磨設(shè)備：角磨機、鋼絲刷、紗布等。

2.3 檢驗項目及內(nèi)容

按照項目組事先制定的檢驗方案，檢驗內(nèi)容包括：技術(shù)資料審查、內(nèi)外部宏觀檢驗、幾何尺寸檢查、壁厚測定、焊縫無損檢測、材料分析、強度校核、安全附件檢查等檢驗項目[2]。

針對本次球罐的檢驗，我們在檢驗方案中做了一些具體規(guī)定：對幾何尺寸檢查除常規(guī)檢查外按GB 12337—2014《鋼制球形儲罐》中要求，增加了球罐支柱徑向、周向垂直度偏差測量。在進(jìn)行焊縫無損檢測時，對焊縫檢測比例予以適當(dāng)提高，即全部球殼板對接焊縫內(nèi)表面兩側(cè)進(jìn)行100%超聲檢測，全部球殼板對接焊縫內(nèi)表面進(jìn)行100%熒光磁粉檢測，對支柱角焊縫外表面進(jìn)行100%磁粉檢測[3]。

3 檢驗結(jié)果及分析、評價

3.1 檢驗結(jié)果

各項檢驗項目完成后，除磁粉檢測外，其余各項目的檢測結(jié)果均符合要求。磁粉檢測發(fā)現(xiàn)缺陷，如圖1和表1。

圖1中缺陷具體位置說明：

①號缺陷位于上溫帶B20號板、下溫帶A20號板的連接環(huán)縫上，距下溫帶A20號板與A19號板連接的縱縫約0～15 mm。

②號缺陷位于上溫帶B10號板與B09號板連接的縱縫上，距上溫帶、下溫帶的連接環(huán)縫約1246～1271 mm。

③號缺陷位于上溫帶B02號板、下溫帶A02號板的連接環(huán)縫上，距下溫帶A02號板與A01號板連接的縱縫約110～120 mm。

表1 2#球罐磁粉檢測結(jié)果評定表Table 1 Result evaluation table of magnetic particles test on 2# spherical tank

④號缺陷位于下溫帶A07號板與下極板的連接焊縫上，距下溫帶A07號板與A08號板連接的縱縫約56～72 mm。

⑤號缺陷位于下溫帶A20號板、A21號板與下極板G1的三條焊縫的交叉部位，缺陷長度L約25 mm。

⑥號缺陷位于下溫帶A21號板與下極板的連接焊縫上，距下溫帶A22號板與A21號板連接的縱縫約235～260 mm。

按相關(guān)技術(shù)要求，在2#球罐發(fā)現(xiàn)的6處缺陷中，只需對⑤號缺陷進(jìn)行分析，并進(jìn)行強度校核。⑤號缺陷檢測中相關(guān)顯示如圖2所示。

3.2 強度校核

按設(shè)計文件進(jìn)行缺陷處強度校核。⑤號缺陷打磨消除后，缺陷處最小壁厚為28.6 mm?，F(xiàn)在對該處進(jìn)行強度校核。

查閱球罐技術(shù)資料，該球罐設(shè)計壓力P=1.26 MPa，最高允許工作壓力Pc=1.2 MPa，球罐內(nèi)徑Di=15 700 mm，焊接系數(shù)φ=1.0，最小壁厚δmin=28.6 mm。球罐按GB12337—2014《鋼制球形儲罐》進(jìn)行設(shè)計制造，材料為16MnR，設(shè)計壁厚δ=32 mm。

經(jīng)查國家標(biāo)準(zhǔn)GB12337—2014《鋼制球形儲罐》，16MnR在16～36 mm板厚范圍內(nèi)許用應(yīng)力[σ]t=163 MPa。在不考慮未來運行周期內(nèi)鋼板腐蝕減薄情況下，按設(shè)計溫度下球殼的計算應(yīng)力公式進(jìn)行校核[4]：

故在最高工作壓力下材料使用應(yīng)力超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力，不符合要求。如考慮未來運行時鋼板腐蝕減薄，結(jié)果將更加超標(biāo)，故要想繼續(xù)運行，可考慮降低工作壓力的方法。

圖2 ⑤號缺陷在檢測中的相關(guān)顯示Figure 2 Related appearance of ⑤ defect during test

根據(jù)使用單位提供數(shù)據(jù)，該球罐實際使用最高工作壓力P實≤1.0 MPa，一般情況下使用壓力均為0.6～0.9 MPa。另外，根據(jù)現(xiàn)場壁厚測量結(jié)果，上一個檢驗周期5年內(nèi)，鋼板均勻腐蝕為0.4 mm，即腐蝕速率為C0=0.4÷5=0.08 mm/年。本次檢驗后檢驗周期若定為3年，則下次檢驗時缺陷處最小壁厚T為：

T=δmin-3C0=28.3 mm

在此，考慮下一個檢驗周期內(nèi)的腐蝕減薄，限定最高工作壓力Pw≤1.0 MPa，按應(yīng)力計算公式重新進(jìn)行校核：

故當(dāng)最高工作壓力不超過1.0 MPa時，可以安全運行。

3.3 缺陷評價

按TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》進(jìn)行凹坑缺陷評價。⑤號缺陷打磨消除后形成的凹坑，如圖3所示。實測2A=60 mm，2B=44 mm，C=3.5 mm。已知Di=2R=15 700 mm，缺陷處最小壁厚δmin=28.6 mm，考慮到腐蝕減薄，下次檢驗周期(3年)時缺陷處最小壁厚T為28.3 mm。

缺陷深度C大于壁厚余量(壁厚余量=實測壁厚-名義厚度+腐蝕裕量)，可以按照TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》中第38條計算無量綱常數(shù)G0，如果G0<0.10，則凹坑在允許范圍內(nèi)[5]，需滿足以下條件：

(1)半寬B≥3C，即22≥3×3.5。

圖3 凹坑尺寸示意圖Figure 3 Schematic of cavity dimension

(2)不受外壓或疲勞載荷，凹坑不靠近幾何不連續(xù)或存在尖銳棱角區(qū)域。

(3)T/R=28.3/7850=0.0036<0.1。

(4)C=3.5，T/3=9.43，C

滿足以上條件，可按下列公式計算G0為：

故G0<0.10，符合要求，則該凹坑缺陷在允許范圍內(nèi)。

3.4 缺陷原因分析及安全狀況等級評定

根據(jù)檢驗中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)表面裂紋的位置、形狀，結(jié)合使用單位設(shè)備運行情況記錄以及提供的氣質(zhì)分析報告，確定該裂紋為H2S應(yīng)力腐蝕開裂。在2#球罐檢驗中，除⑤號缺陷外，其余的缺陷打磨清除后，深度未超過壁厚余量，不影響定級，根據(jù)以上對⑤號缺陷處進(jìn)行應(yīng)力校核和評價，綜合分析檢驗情況，按照TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》中第38條，該球罐安全狀況等級定為3級，并且實際使用最高工作壓力P實≤1.0 MPa，檢驗周期定為3年。

4 結(jié)論

該球罐在投入使用8年后，內(nèi)壁焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)諸多表面裂紋，檢驗表明，介質(zhì)中含H2S、水(四川地區(qū)空氣濕度大，加之使用單位氣水分離效果一般)，并且設(shè)備有應(yīng)力存在時，應(yīng)力腐蝕一直都存在，只是進(jìn)行的速率不同，隨著球罐使用時間的增加，最終表現(xiàn)為表面宏觀裂紋，這也是2011年首次檢驗未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄缺陷，而在2016年第二次檢驗中發(fā)現(xiàn)諸多裂紋缺陷的主要原因。

[1] 楊森，張驍勇，辛希賢. 1萬m3天然氣球罐的首次開罐檢驗與分析[J]. 城市燃?xì)猓?006，(4)：8-13.

[2] 強天鵬. 壓力容器檢驗[M]. 北京：新華出版社，2008.

[3] 壓力容器實用技術(shù)叢書編寫委員會. 壓力容器檢驗及無損檢測[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] GB12337—1998 鋼制球形儲罐[S].

[5] TSG R7001—2013壓力容器定期檢驗規(guī)則[S].

編輯 陳秀娟

Case Analysis of Periodic Inspection of CNG Spherical Tanks

LiuJie

Through periodic inspection of 2000 m3compressed natural gas spherical tank of a certain enterprise, this paper briefly introduces the inspection plan of regular spherical tank inspection and emphasizes the main points of non-destructive test(NDT) of spherical tank weld. Besides, this paper mainly carries out the stress examination, the analysis and evaluation of unacceptable defects during inspection process and the grading as well. Based on the inspection condition, this paper finally states the main reasons why there were so many surface macro-crack defects shall be recorded which were found in this inspection but were ignored in the first regular periodic inspection.

spherical tanks; periodic inspection; defect evaluation; crack defect

2017—09—08

TE8

B