淺談壓力容器的利舊改造設(shè)計(jì)

俞天健　陳琪君

摘 要：國(guó)內(nèi)石化行業(yè)近幾年都在快速發(fā)展，新舊更替。以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境為前提，某些服役期滿的石化裝置、因故關(guān)閉裝置等的閑置設(shè)備，在設(shè)備完好的情況下想繼續(xù)在新的工程中使用，或舊裝置搬遷改擴(kuò)建涉及的在用設(shè)備，都是利舊改造的對(duì)象。由于利舊設(shè)計(jì)沒(méi)有特定的標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)規(guī)范可以遵循，只能根據(jù)設(shè)計(jì)者的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文根據(jù)實(shí)際完成的改造項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)角度論述了壓力容器改造設(shè)計(jì)的流程，提出改造中應(yīng)注意的技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：壓力容器;利舊改造;設(shè)計(jì);技術(shù)要點(diǎn)

國(guó)內(nèi)石化行業(yè)近幾年都在快速發(fā)展，舊裝置在改擴(kuò)建、升級(jí)或搬遷改造過(guò)程中，常常會(huì)利用閑置設(shè)備，既能節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，又可以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提高利用率。壓力容器改造設(shè)計(jì)沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)規(guī)范可以遵循，改造結(jié)果因人而異，舊設(shè)備如能合理利用必定會(huì)節(jié)省投資，但如果改造不妥非但不能充分利用好舊設(shè)備，反而有增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患的可能。筆者近期完成了某化工裝置的設(shè)備改造工作，針對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行一下梳理，并對(duì)改造的設(shè)計(jì)過(guò)程提出個(gè)人的看法，以供參考。

1 利舊的前提和原則

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5.2.1（2）“壓力容器的改造或者重大修理方案應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)原設(shè)計(jì)單位或者具備相應(yīng)能力的設(shè)計(jì)單位書面同意”，所以改造應(yīng)優(yōu)先找原設(shè)計(jì)單位進(jìn)行利舊改造，因?yàn)樯婕暗降脑荚O(shè)計(jì)資料保存完整。但實(shí)際上由“具備相應(yīng)能力的設(shè)計(jì)單位”來(lái)完成利舊工作的情況也很多。筆者完成的改造項(xiàng)目設(shè)備就是由多個(gè)制造廠分包完成的設(shè)計(jì)和制造。

1.1 前提

利舊設(shè)計(jì)前必須全面掌握設(shè)備的檔案資料，不清楚之處必須進(jìn)行實(shí)際測(cè)繪，對(duì)設(shè)備的服役過(guò)程及檢修、維修、改造等情況必須了解，對(duì)設(shè)備目前的狀況必須非常清楚，這是進(jìn)行利舊改造設(shè)計(jì)的前提。

1.2 確定利舊設(shè)備的安全等級(jí)

容器使用單位應(yīng)委托當(dāng)?shù)氐奶胤N設(shè)備監(jiān)管部門或有資質(zhì)的檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，按照TSG R7001《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》進(jìn)行檢驗(yàn)，確定容器的安全等級(jí)。安全狀況等級(jí)在1～3級(jí)者可利舊使用;安全狀況等級(jí)為4級(jí)的可以根據(jù)實(shí)際情況有條件的利舊，或降低工況使用;安全狀況等級(jí)為5級(jí)的不得利舊用于壓力容器，可根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況改用于常壓容器，盛裝中度毒性以下非易爆類介質(zhì)。

1.3 保證利舊設(shè)備的經(jīng)濟(jì)合理

利舊的主要目的就是為了節(jié)約成本，提高舊有資源的利用率，所以除了對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行安全評(píng)定外，還應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，如果舊設(shè)備的檢測(cè)、試驗(yàn)、評(píng)定等費(fèi)用較高，使用壽命又較短，再加上使用中的管理費(fèi)用和檢修維護(hù)費(fèi)用等與新設(shè)備相差不大，這種情況下不建議利舊。比如接近或超過(guò)設(shè)計(jì)年限的普通碳鋼容器，規(guī)格只有幾個(gè)立方，新設(shè)備的制造成本和舊設(shè)備檢測(cè)、試驗(yàn)、評(píng)定等費(fèi)用相當(dāng)，完全沒(méi)有必要。

1.4 保證利舊設(shè)備的安全使用

除非舊設(shè)備服役年限較短，運(yùn)行良好，且原設(shè)計(jì)余量滿足新工況，否則不要盲目提高利舊設(shè)備的設(shè)計(jì)工況，盡量在同等工況使用，或降低后使用。

2 利舊設(shè)備的設(shè)計(jì)流程

2.1 確認(rèn)資料的完整性

容器使用單位應(yīng)提供舊設(shè)備清單及相應(yīng)設(shè)備的全部資料，包括：①原始設(shè)計(jì)資料：設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算書、竣工圖等;②制造日期、服役年限;③使用記錄：是否在正常操作條件下操作，有無(wú)超溫、超壓、超量情況，持續(xù)時(shí)間，對(duì)壓力容器有無(wú)危害安全使用的損傷等;④設(shè)備檔案：制造檢驗(yàn)記錄、檢維修記錄、中間改造記錄、改造圖和定期檢查記錄等。

2.2 設(shè)計(jì)方案的確定

工藝專業(yè)根據(jù)以上資料及新的操作條件，首先確認(rèn)擬利舊設(shè)備的直徑、長(zhǎng)度（或高度）、開(kāi)口大小、方位等外形尺寸是否滿足操作要求，再根據(jù)設(shè)備在裝置中的重要性及利舊價(jià)值進(jìn)行分類，將1.3中提到的不經(jīng)濟(jì)合理的普通材質(zhì)小設(shè)備直接剔除，不予利舊。將符合要求的設(shè)備對(duì)應(yīng)資料和新數(shù)據(jù)表提供給設(shè)備專業(yè)，由設(shè)備專業(yè)根據(jù)原設(shè)備數(shù)據(jù)，在新的工藝操作條件和自然條件下按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步的判斷，主要受壓元件（包括筒體、封頭等）的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核滿足要求的，應(yīng)逐臺(tái)將核算結(jié)果及各自實(shí)際所需的測(cè)繪、檢驗(yàn)項(xiàng)目以書面型式提供給容器使用單位，由他們委托當(dāng)?shù)氐奶胤N設(shè)備監(jiān)管部門或有資質(zhì)的第三方檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)并提供相應(yīng)的安全評(píng)估報(bào)告。

普通壓力容器主要包括以下內(nèi)容：①設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖（包括內(nèi)件）。如果設(shè)備資料齊全則可免掉此項(xiàng)，否則應(yīng)通過(guò)測(cè)繪補(bǔ)齊;②容器殼體和所有受載荷元件的最小壁厚，包括接管、法蘭、人手孔、裙座、支座、加強(qiáng)圈等。并應(yīng)提供厚度測(cè)定點(diǎn)分布圖，包括但不限于：a.肉眼可見(jiàn)腐蝕嚴(yán)重部位;b.容器內(nèi)物料氣液相分界面;c.封頭過(guò)渡區(qū);d.管口接管與法蘭焊接部位;③設(shè)備內(nèi)、外部檢驗(yàn)，包括腐蝕程度、腐蝕坑深、錯(cuò)邊量、橢圓度等，另外還要如實(shí)提供設(shè)備在拆卸及運(yùn)輸中是否引起變形、凹癟、接管彎曲等。

對(duì)于原使用環(huán)境為高溫高壓或存在應(yīng)力腐蝕的設(shè)備，理論分析存在疲勞損傷、裂紋敏感（如氫腐蝕、硫化氫應(yīng)力腐蝕）、高溫蠕變、有脫碳傾向等的設(shè)備，應(yīng)進(jìn)行化學(xué)成分分析和機(jī)械性能試驗(yàn)，必要時(shí)還可以采用光學(xué)顯微鏡、電化學(xué)試驗(yàn)等手段，對(duì)設(shè)備進(jìn)行微觀裂紋檢測(cè)、金相分析及微觀組織檢驗(yàn)等。拿到檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)出具的報(bào)告后就可以進(jìn)行下一步改造工作，改造方案通常按兩種方式出具。符合TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第5.2.1（1）的，改變受壓元件的結(jié)構(gòu)或者改變壓力容器運(yùn)行參數(shù)、盛裝介質(zhì)、用途等改造或主要受壓元件的更換、矯形、挖補(bǔ)、以及對(duì)接接頭的補(bǔ)焊等重大修理的情況一般以施工圖的方式出具改造方案，除上述情況外的其他情況以聯(lián)絡(luò)單形式出具。筆者完成的改造項(xiàng)目中涉及到一類設(shè)備，其設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度都與原數(shù)據(jù)相同或降低，所有管口都利舊不變，只變更了同類型盛裝介質(zhì)、設(shè)備名稱、設(shè)備位號(hào)，此時(shí)改造圖不必重新畫圖，只需包含技術(shù)條件及數(shù)據(jù)表，將更新后的內(nèi)容表述清楚即可，另須按實(shí)際的厚度進(jìn)行必要的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核計(jì)算，便于容器使用單位向當(dāng)?shù)氐奶胤N設(shè)備監(jiān)管部門申請(qǐng)備案變更。在與工藝專業(yè)確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求盡量不在設(shè)備本體上動(dòng)火，能利用的接管、法蘭、人手孔、內(nèi)件等元件盡量利舊，確認(rèn)不再使用的開(kāi)孔接管應(yīng)用盲板焊死或采用法蘭蓋、緊固件及墊片封堵。

2.3 校核計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上步驟完成后，就可以根據(jù)新條件及檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行正式的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。校核應(yīng)按現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，但材料的許用應(yīng)力等性能參數(shù)應(yīng)按容器設(shè)計(jì)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。對(duì)于新增開(kāi)口、筒節(jié)等受壓元件應(yīng)按現(xiàn)行標(biāo)

準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)，且應(yīng)采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中允許的材料。殼體計(jì)算直徑應(yīng)根據(jù)檢測(cè)報(bào)告中的實(shí)測(cè)最大值選取。焊接接頭系數(shù)應(yīng)根據(jù)原對(duì)接接頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)型式和檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行選取，參照原設(shè)計(jì)圖宜就低不就高。校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)以設(shè)備實(shí)測(cè)最小壁厚及預(yù)期的腐蝕裕量為基準(zhǔn)，其

中腐蝕裕量的確定是非常關(guān)鍵的因素，一般考慮均勻腐蝕工況：腐蝕裕量C2=腐蝕速率×預(yù)期設(shè)計(jì)使用年限（見(jiàn)2.4條）。當(dāng)實(shí)測(cè)最小壁厚去除腐蝕裕量后不滿足強(qiáng)度要求時(shí)，可以對(duì)設(shè)備所需的最小厚度作出明確規(guī)定（在改造圖中標(biāo)明），或按照實(shí)測(cè)最小值減去至下次檢驗(yàn)日期的腐蝕裕量，作為強(qiáng)度校核的壁厚。對(duì)于壁厚能滿足內(nèi)壓的強(qiáng)度校核，但又不滿足其他載荷（比如風(fēng)載荷、地震載荷、局部集中載荷等）要求時(shí)，可以采用設(shè)置加強(qiáng)圈或局部加強(qiáng)等辦法來(lái)達(dá)到利舊的目的。對(duì)于高徑比較大的塔器，如不在原址使用，而風(fēng)載荷和地震載荷又不小于原工況時(shí)，建議更換整個(gè)裙座，因?yàn)槿棺芰Ρ容^苛刻，有防火層時(shí)壁厚又不好測(cè)量，使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)間后裙座筒體和基礎(chǔ)環(huán)板腐蝕較嚴(yán)重，對(duì)塔頂撓度的影響很大，且塔器發(fā)生裂紋多數(shù)存在于裙座與下封頭焊接處，所以高塔裙座采用新制較好。

2.4 設(shè)計(jì)使用年限

對(duì)于利舊設(shè)備，如何確定設(shè)計(jì)使用年限是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，但總體原則是應(yīng)根據(jù)已使用的設(shè)備年限、腐蝕情況、新操作工況及設(shè)備安全評(píng)級(jí)等因素進(jìn)行確定。一般情況下定為不少于3年或一個(gè)檢修周期，當(dāng)不能滿足要求時(shí)，應(yīng)考慮降低要求后改造它用。

3 設(shè)計(jì)中的圖面要求及技術(shù)要點(diǎn)

利舊設(shè)備技術(shù)要求可參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行，但與新制設(shè)備有些區(qū)別，下文列舉幾條不同之處的要求：

①改造圖樣中應(yīng)注明本施工圖為改造施工圖，改造須遵循TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》的有關(guān)規(guī)定;檢測(cè)及改造實(shí)施單位須具有相應(yīng)資質(zhì)等級(jí);②改造圖樣應(yīng)注明擬利舊設(shè)備的原設(shè)備名稱、位號(hào)、材質(zhì)及新的使用年限（按2.4條確定）。圖紙中技術(shù)條件數(shù)據(jù)表按新的工藝條件以及自然條件進(jìn)行填寫;③改造圖對(duì)原有設(shè)備結(jié)構(gòu)以雙點(diǎn)劃線示意，改造及新增部分以粗實(shí)線表示。因改造時(shí)容器使用單位也會(huì)向改造單位提供完整的竣工圖，為了保證圖面整潔，舊有尺寸只須標(biāo)注外形等關(guān)鍵部分，其余省略;④對(duì)于管口表，可以只列改造、新增管口，但為了方便相關(guān)專業(yè)配管配閥等需求，最好列出完整的管口信息，備注各管口是利舊、新增、改造等何種情況，方便后續(xù)查閱;⑤改造前應(yīng)將焊縫坡口（或缺陷待修補(bǔ)處）附近的油污、腐蝕產(chǎn)物、氧化皮等附著物徹底清除干凈，并充分干燥;⑥Cr-Mo鋼改造部位火焰切割前（或用砂輪打磨前）應(yīng)進(jìn)行充分的消氫處理?；鹧媲懈顣r(shí)的環(huán)境溫度不得低于0℃，否則應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱;經(jīng)火焰切割的坡口表面，應(yīng)打磨去除淬硬層;⑦不銹鋼的坡口應(yīng)采用機(jī)加工或等離子切割的方法，不得使用碳弧氣刨切割坡口和清根;⑧改造后對(duì)新增 A、B類焊縫應(yīng)進(jìn)行射線或超聲檢測(cè)，新增C、D 類焊縫應(yīng)進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，檢驗(yàn)長(zhǎng)度、合格級(jí)別根據(jù)設(shè)備新工況確定。同時(shí)為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，也可要求對(duì)原設(shè)備A、B類焊縫進(jìn)行局部或全部射線檢測(cè)復(fù)驗(yàn);⑨設(shè)備改造完成后按規(guī)定需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的，必須去除所有焊縫處原有涂漆，露出金屬光澤后方可進(jìn)行，耐壓試驗(yàn)的要求按GB/T150.4-2011相關(guān)規(guī)定;⑩原設(shè)備要求熱處理的，原則上改造后要求重新進(jìn)行熱處理，但新工藝條件低于原設(shè)備的，也可根據(jù)設(shè)備材質(zhì)、盛裝介質(zhì)等參數(shù)確定是否進(jìn)行熱處理;?對(duì)于采用特殊材料，或盛裝極度、高度危害等特定介質(zhì)的設(shè)備，其改造中涉及的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)要求同新設(shè)備設(shè)計(jì)，本文不再展開(kāi)討論。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述內(nèi)容是在完成某改造項(xiàng)目的過(guò)程中得到的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，供同行討論參考共同完善。利舊設(shè)計(jì)與新設(shè)備設(shè)計(jì)有著明顯的區(qū)別，對(duì)此必須要有明確的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)前對(duì)舊設(shè)備資料了解的越全面，制定的改造方案就越合理，設(shè)計(jì)質(zhì)量也會(huì)越高，認(rèn)真細(xì)致做好改造的各項(xiàng)工作，嚴(yán)格遵守相關(guān)的規(guī)程法規(guī)，才能保障裝置和人員的安全，不留任何隱患，使容器使用單位安全經(jīng)濟(jì)的合理使用舊設(shè)備，達(dá)到節(jié)省投資降低成本的目的。

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作者簡(jiǎn)介：

俞天?。?982- ），男，漢族，本科學(xué)歷，工程師，研究方向：主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。