超期設(shè)計使用年限的壓力容器檢驗案例分析

田金龍，劉奉東，楊文博，孫婷婷

（北方化錦化學(xué)工業(yè)股份有限公司檢驗中心，遼寧盤錦 124000）

0 引言

隨著我國工業(yè)化水平的不斷提高，壓力容器的數(shù)量也逐年劇增，據(jù)國家市場監(jiān)督管理局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至到2019 年，我國的壓力容器在用數(shù)量已接近400 余萬臺[1]。與此同時，超過設(shè)計使用年限的壓力容器也在逐年增加。一般情況下，超過設(shè)計使用年限的壓力容器應(yīng)當(dāng)給予報廢、注銷，但是部分設(shè)計人員為了規(guī)避風(fēng)險，對所設(shè)計的壓力容器的設(shè)計使用壽命規(guī)定得較短，這類壓力容器尚有繼續(xù)使用的可能性。根據(jù)國家特種設(shè)備安全法和壓力容器相關(guān)技術(shù)規(guī)范，此類壓力容器應(yīng)當(dāng)委托檢驗機構(gòu)對其檢驗。在檢驗實踐過程中，對一臺超設(shè)計使用年限的壓力容器進(jìn)行檢驗時，采取專用檢驗方案，對其進(jìn)行檢驗后，成功發(fā)現(xiàn)其存在的潛在缺陷，避免了該壓力容器事故的發(fā)生。

1 設(shè)備基本情況

該設(shè)備為某公司液化石油氣儲罐，是附屬的殘液罐，制造于1998 年，該儲罐的設(shè)計使用年限為20 年，已超過設(shè)計使用年限，具體的使用參數(shù):設(shè)計壓力1.77 MPa；使用壓力≤1.6 MPa；設(shè)計溫度50 ℃；使用溫度≤50 ℃；主體材料16MnR；封頭厚度16 mm；筒體厚度14 mm；容器直徑2000 mm；容積32 m3；工作介質(zhì)為液化石油氣。

2 檢驗情況

使用單位于2019 年12 月1 日向檢驗單位申請委托檢驗，因該儲罐已超過設(shè)計使用年限，根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》編制了其專用的檢驗方案，所編制的檢驗方案與其他壓力容器的通用檢驗方案相比，突出了以下重點:

（1）資料審查。該設(shè)備是移裝后，在我機構(gòu)首次進(jìn)行檢驗，因此對于其設(shè)計、制造、安裝竣工資料（包含前一使用單位的安裝竣工資料）、修理改造資料、日常使用維護資料和定期檢驗資料年度檢查資料等，進(jìn)行詳細(xì)徹底的審查。

（2）檢驗項目和方法。該設(shè)備屬于超設(shè)計使用年限的設(shè)備，其使用介質(zhì)為液化石油氣，制造材料為16MnR，綜合考慮其失效模式，根據(jù)承壓設(shè)備損傷模式識別來分析，較有可能發(fā)生的損傷是腐蝕減薄和環(huán)境開裂。因此，在方案中，增加了測厚的點數(shù)，對于環(huán)境開裂，采用了對內(nèi)壁所有縱、環(huán)焊縫采用100%埋藏缺陷檢測和表面無損檢測的方式，對所有的角接焊縫采用滲透檢測100%檢測。

3 檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題

根據(jù)專用檢驗方案，對該液化石油氣儲罐進(jìn)行檢驗。經(jīng)審查其資料齊全，設(shè)計、制造和歷年的定期檢驗報告均有，且發(fā)現(xiàn)在其整個使用過程中并未發(fā)生過修理和改造，但是使用單位未按要求進(jìn)行年度檢查。

在儲罐內(nèi)進(jìn)行宏觀檢查時，發(fā)現(xiàn)其東面的封頭下半部分有15 個呈白色、直徑30～60 mm、高度5～15 mm 的異形缺陷，初步確定是鼓泡缺陷（圖1）。發(fā)現(xiàn)其存在鼓泡缺陷后，對其周圍增加測厚點數(shù)，發(fā)現(xiàn)其附近內(nèi)壁往外測壁厚僅有6±2 mm；而在同樣的位置，外壁向內(nèi)壁測量其壁厚為10±2 mm。對其鼓泡的位置進(jìn)行打磨，用滲透檢測進(jìn)行無損檢測，有些鼓泡內(nèi)部發(fā)現(xiàn)存在30～50 mm 長不等的潛在裂紋（圖2）。

4 缺陷成因分析

首先分析其制造材料，查閱使用單位留存的檔案資料，對該壓力容器筒體及封頭的材料，查閱其元素含量和力學(xué)性能表。從資料中可以發(fā)現(xiàn)，封頭材料其Mn 元素的含量比筒體材料的稍高，而且其抗拉強度、屈服強度均比筒體材料高。16MnR 是我國自主研發(fā)的一種壓力容器專用鋼材，它主要含有錳合金元素。錳能夠增加珠光體的含量，從而使其具有良好的綜合機械性能。我國絕大多數(shù)的液化石油氣儲罐都使用16MnR 制造，其使用在這類壓力容器中的最大缺陷是具有較高的濕H2S 腐蝕敏感性。

液化石油氣是從石油的開采、裂解、煉制等生產(chǎn)過程中得到的副產(chǎn)品，它是碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，其主要成分包?丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）、丁烯（C4H8）和丁二?。–4H6），同時還含有少量的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、戊烷（C5H12）及硫化氫（H2S）等成分。從不同生產(chǎn)過程中得到液化石油氣，其組成有所差異。它在常溫下加上0.5～1.8 MPa 的壓力即成為液體。目前，液化石油氣依然是我國居民生活主要使用的能源之一。

圖1 氫鼓泡

圖2 氫鼓泡上的裂紋

本次檢驗的液化石油氣貯罐使用時間21 年，查閱歷年的檢驗報告，未發(fā)現(xiàn)有任何關(guān)于氫鼓泡的記錄和其他任何危害儲罐使用安全的缺陷。從前述液化石油氣的成分上分析，其中含有的少量硫化氫容易與水分相結(jié)合，形成濕硫化氫氛圍，產(chǎn)生濕硫化氫破壞。根據(jù)GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》的描述，對濕硫化破壞的描述為:在含水和硫化氫環(huán)境中碳鋼和低合金鋼所發(fā)生的損傷，包括氫鼓泡、氫致開裂、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂4 種形式[2]。①氫鼓泡，金屬表面硫化物腐蝕產(chǎn)生的氫原子擴散進(jìn)人鋼中，在鋼中的不連續(xù)處（如夾雜物、裂隙等）聚集并結(jié)合生成氫分子，當(dāng)氫分壓超過臨界值時會引發(fā)材料的局部變形，形成鼓泡；②氫致開裂，氫鼓泡在材料內(nèi)部不同深度形成時，鼓泡長大導(dǎo)致相臨的鼓泡不斷連接，形成臺階狀裂紋；③應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂，在焊接殘余應(yīng)力或其他應(yīng)力作用下，氫致開裂裂紋沿厚度方向不斷相連并形成穿透至表面的開裂；④硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，由于金屬表面硫化物腐蝕過程中產(chǎn)生的原子氫吸附，在高應(yīng)力區(qū)（焊縫和熱影響區(qū)）聚集造成的一種開裂[3]。

在這臺壓力容器中，長年累月的濕硫化氫環(huán)境，使得16MnR材料和H2S 的反應(yīng)生成的氫原子向鋼中擴散，在鋼材的非金屬夾雜物、分層和其他不連續(xù)處，易聚集形成分子氫。由于在鋼組織內(nèi)部的氫分子很難逸出，從而形成強大內(nèi)壓導(dǎo)致其周圍組織屈服，形成表面層下平面孔穴結(jié)構(gòu)，即宏觀觀察到的氫鼓泡。與此同時，氫鼓泡在材料內(nèi)部不同深度形成時，鼓泡長大導(dǎo)致相臨的鼓泡不斷連接，形成了臺階狀裂紋，如圖2 打磨后滲透檢測所發(fā)現(xiàn)的裂紋。對其他筒體和封頭進(jìn)行了仔細(xì)檢測，在沒有分層的板材部位均未發(fā)現(xiàn)有氫鼓泡。說明該貯罐是因為封頭存在分層，加之液化石油氣中的硫化氫含量超標(biāo)而導(dǎo)致氫鼓泡開裂。

5 缺陷處理及措施

根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8 章關(guān)于定期檢驗的規(guī)定，本次檢驗對該壓力容器的安全技術(shù)等級定為了5 級?？紤]到鼓泡的點數(shù)較多，打磨深度較大，鋼板分層的面積較大，綜合考慮到該壓力容器已使用了21 年，維修價值不大，因此建議使用單位立即停止使用該壓力容器，同時向監(jiān)察部門辦理報廢手續(xù)。對于本次檢驗案例，為防止再次發(fā)生氫鼓泡現(xiàn)象，建議用戶和廠方采取以下改進(jìn)措施:①嚴(yán)格控制液化石油氣硫化氫和水的含量；②采用涂層的方法在罐體內(nèi)表面形成保護膜，使鋼板與硫化氫環(huán)境隔絕，從而防止鋼材受損；③選用低硫磷的抗硫化氫腐蝕的專用鋼材制造；④嚴(yán)格控制分層鋼板的使用。