多層包扎壓力容器的結構、損傷和檢驗

李志峰，王曉博，楊利軍

（中國特種設備檢測研究院，北京 100013）

多層包扎壓力容器一直被用作煉油和化工行業(yè)的反應或存儲容器，典型設備有化肥裝置的氨合成塔、尿素合成塔、甲醇合成塔、預熱器、儲氫罐等。多層包扎容器的出現(xiàn)是由于當時的材料加工能力較差，大壁厚板材的鍛壓、切割、卷板等機械的欠缺，為了滿足高壓容器的制造需求只能研發(fā)可替代整體鍛制材料的制造方法，所以采用了多層薄鋼板包扎焊接而成的多層包扎制造形式。國外在上世紀三十年代開始制造多層包扎壓力容器，我國在1956 年試制成功第一臺多層包扎高壓容器[1]，最初此類型設備被用于氮肥的生產裝置，為發(fā)展我國化肥工業(yè)解決了關鍵設備問題。經過多年的發(fā)展，多層包扎容器的設計結構和制造過程也經過了不同的優(yōu)化，例如從深環(huán)焊縫結構轉化為錯位和臺階狀角焊縫結構，從多段包扎結構轉化為整體包扎結構，從鋼絲繩預緊轉化為液壓預緊等，這些變化讓多層包扎容器在制造過程中的質量更加可控，在使用過程中更加安全。

在多層包扎容器使用期間，大部分多層包扎壓力容器的檢修周期較長，最長的可達六年；而且在檢修時部分設備受制于內部催化劑沒有到期等情況無法開罐檢驗，這就導致設備內部檢驗無法實施，所以根據其結構形式和損傷機理制定有針對性的檢驗方案并實施是保證其運行周期內安全的一個必要的工作。由于老舊設備的持續(xù)性使用，目前在用化工裝置中存在各種不同方法制造的多層包扎容器，這些不同的制造結構限制了定期檢驗過程中檢驗檢測方法的選擇，常規(guī)檢驗方法（例如超聲檢測和磁粉檢測）的檢驗有效性并不一定能夠達到要求，必須詳細了解設備的結構情況，在檢驗過程中制定有針對性的檢驗方案；而且多層包扎容器大多都是高壓容器，部分設備的使用工況比較苛刻，像處于高壓、高溫、臨氫工況的氨合成塔，甲醇合成塔，處于高壓工況和盛裝強腐蝕性介質的尿素合成塔，這些苛刻工況下可能產生特殊的損傷機理，這對設備的檢驗和檢驗后的缺陷處理也有很大的影響，所以分析和研究多層包扎壓力容器的結構和損傷對其定期檢驗的有效實施是非常重要的。 本文分析了多層包扎容器的各種不同形式和操作條件對檢驗方法的影響，并提出了對應的檢驗方 法。

1 結構形式對檢驗方法的影響

1.1 多層包扎容器的結構形式

多層包扎容器是由內筒和多層層板組成的，部分設備在內筒和層板之間還設有盲層，主要結構形式有分段包扎和整體包扎兩種。

分段包扎形式的容器一般投用時間都比較早，在上世紀三十年代至本世紀初制造的多層包扎容器大部分都采用的分段包扎形式。分段包扎形式的最大的特點是封頭與筒節(jié)、以及各筒節(jié)之間的連接部位存在深環(huán)焊縫。

圖1 深環(huán)焊縫焊接結構Fig.1 Welding structure of deep ring weld

針對深環(huán)焊縫因厚度較大導致焊接過程質量難于控制、部分焊接結構因幾何突變產生的應力較大的問題，在本世紀初國內外設計人員提出了焊接結構的優(yōu)化方法，其中應用最多的就是整體包扎結構。整體包扎結構可以在包扎的過程中錯開每層層板的縱、環(huán)焊縫，并采用液壓鉗逐層包扎[2]。這種方法的簡單工藝為：先將內筒制造完成，然后可以先將其與兩邊封頭焊接后再整體逐層包扎層板，也可以先整體逐層包扎層板后與兩邊封頭焊接。整個設備沒有深環(huán)焊縫結構，其中一種筒體和封頭的焊接接頭見圖2 所示，而且多個學者也對封頭和筒節(jié)處的焊接結構進行了模擬計算，優(yōu)化了不等厚焊接結構[3-4]，還將此結構用于設計壓力為99.75 MPa 的氮氣儲罐[5]。

圖2 整體包扎結構中筒體和封頭的焊接結構之一Fig.2 One of the welding structures of shell and head in the whole wrapping structure

1.2 檢驗方法的選擇

目前國內工程技術人員對采用分段包扎形式的多層包扎壓力容器的檢驗提出了一些有針對性的檢測方法。熊明明[6]提出在多層包扎容器定期檢驗過程中需要進行聲發(fā)射檢測、磁粉和滲透檢測；黃輝等[7]提出了針對于深環(huán)焊縫的相控陣檢測方法；許波[8]等提出了采用模擬焊接試塊對深環(huán)焊縫內的橫縱缺陷進行檢測；程曉陽[9]對深環(huán)焊縫進行了超聲波探傷試驗，并提出了多層包扎容器環(huán)焊縫超聲波檢測工藝；最早由沈功田等[10]提出了在多層包扎設備上應用聲發(fā)射檢測，并給出了通過二次升壓和多次保壓對比確定有意義的聲發(fā)射源的方法，論證了聲發(fā)射檢測方法適用于多次包扎設備整體檢驗，隨后多位工程師也在文章中對此方法持肯定態(tài)度[11-12]，并在氨合成塔[13]和尿素合成塔[14]上應用了此種方法，獲得了較好的效果。

以上各種方法的應用大部分都是針對于分段包扎具有深環(huán)焊縫的設備，而極少有對整體包扎設備的檢測方法論述。深環(huán)焊縫的特點是焊縫深度在100 mm 左右，焊接難度較大，而且為了保證包扎層板的預緊力在焊后不需要做消應力熱處理，所以如果焊接質量難以得到保證，會在焊縫中存在夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等常見的焊接缺陷，在疲勞工況下這些缺陷的存在會成為裂紋的起裂源，造成焊縫開裂。而裂紋的走向并不一定是垂直于焊縫，所以在磨平的深環(huán)焊縫上實施超聲波檢測時應該變換多種探測角度，而由于層板之間的貼合問題平行于焊縫的裂紋的檢出率較低。為了能夠更有效的識別危險缺陷，可以使用聲發(fā)射檢測的方法，將探頭布置于深環(huán)焊縫附近，檢測缺陷的活動性。

對于整體包扎的容器，由于沒有深環(huán)焊縫的存在，而且層板之間貼合條件并不足以讓超聲波通過，所以采用超聲檢測方法只能檢測外部表層層板的縱、環(huán)焊縫和內壁縱、環(huán)焊縫。聲發(fā)射檢測從原理上是可以用于整體包扎的容器，可以嘗試采用二次升壓方法對整體包扎容器進行檢測，探頭在滿足聲發(fā)射檢測要求的前提下均布于整個設備；對焊縫集中的筒體和封頭連接處應多加關注，可以布置較多探頭；在檢測前應明確每層層板焊縫的位置，方便辨識聲發(fā)射信號定位源；也可利用第一次升壓得到的聲發(fā)射信號定位源與焊縫布置圖相印證。因每層焊縫都被上一層層板遮擋，所以得到的聲發(fā)射定位源可能比較難以驗證，可以在使用過程中長時間監(jiān)測這些定位源的聲發(fā)射信號，以此進一步判斷聲發(fā)射信號的性質。

2 操作條件對檢驗方法的影響

2.1 高壓臨氫設備

多層包扎容器用于高壓臨氫設備的比較多，常見的是氨合成塔和各種高壓儲氫設備，其中氨合成塔中的介質還具有腐蝕性。文獻案例報道的氨合成塔的檢驗較多，劉升啟[15]在2010 年對1988 年投用的氨合成塔檢驗時，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)內壁環(huán)焊縫多處條狀和網狀裂紋，從操作條件分析開裂是由氫腐蝕和焊縫成型質量差導致的；蔣家慧[16]在2009 年對1999 年投用的氨合成塔檢驗時，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)成型較差的環(huán)向接頭及熱影響區(qū)存在大量裂紋，分析后得到部分裂紋是焊接延遲裂紋，沒有發(fā)現(xiàn)存在應力腐蝕和氫腐蝕現(xiàn)象； 1996 年投用的氨合成塔在2000 年泄放孔發(fā)生泄漏，李耀明[17]在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)內筒壁存在多處裂紋，有一處為貫穿性裂紋，還發(fā)現(xiàn)一處鼓包，與貫穿裂紋在同一筒節(jié)，分析裂紋的產生原因是由于焊接質量差再加上氫腐蝕，而鼓包是由于貫穿裂紋的出現(xiàn)，導致內層與層板之間存在壓力，使得內層發(fā)生鼓凸。張道云[18]等在2009 年對1983 年投用的氨合成塔檢驗時發(fā)現(xiàn)兩處近表面裂紋，結合射線檢測結果分析裂紋產生的原因是焊縫內部缺陷為起裂源的延遲裂紋。

高壓臨氫多層包扎設備最主要的特點是內部存在較高的氫分壓，對于高溫運行的設備材料可以采用API 941 納爾遜曲線判斷是否會發(fā)生高溫氫腐蝕，在檢驗過程中要著重對內筒進行目視檢查；如果目視檢查發(fā)現(xiàn)有鼓凸的情況，應在鼓凸附近焊縫進行磁粉檢測或擴大磁粉檢測比例。對于內筒材質為非奧氏體不銹鋼的運行溫度較低的高壓臨氫設備或在高溫臨氫設備停車時，器壁中可能存在滲入后未及時逸出的氫，達到臨界濃度后在參與應力和外加載荷的作用下發(fā)生開裂，如果此類設備焊接過程中存在各類缺陷，其發(fā)生氫脆的概率會大大增加，在檢驗過程中要著重對內筒進行目視檢查和磁粉檢測，必要時采用磁記憶掃查焊縫或母材應力較高的部位后再進行重點檢測。

部分高壓儲氫設備的操作條件一般都比較穩(wěn)定，但在需要時要向管網補充氫氣，如果補充的頻率較高，應在檢驗過程中考慮疲勞產生的裂紋，對出口接管及其附近的焊縫和目視檢查發(fā)現(xiàn)的成型不良的焊縫進行磁粉檢測。

2.2 高壓強腐蝕性設備

多層包扎容器用于高壓腐蝕性介質的設備多存在于化肥行業(yè)的尿素裝置，例如尿素合成塔。國內外的尿素合成塔發(fā)生過多起爆炸事故[19]，從多層包扎容器的設計角度考慮，如果內筒失效，應該是可以從泄漏孔發(fā)現(xiàn)介質泄漏從而避免發(fā)生惡性的爆炸事故，但從上世紀七十年代到目前發(fā)生了不下十起的尿素合成塔爆炸事故，造成多人死亡和財產損失。對于爆炸的原因各方在物理爆炸還是化學爆炸上眾說紛紜，但無論是物理爆炸還是化學爆炸都與缺陷的存在削弱了設備的本體強度有關。而在檢驗過程中也發(fā)現(xiàn)了尿素合成塔各種損傷[20-24]，具體見表1 所示。

從各案例分析發(fā)現(xiàn)，異?；驌p傷多見于內筒、外壁和泄漏孔，其中內筒損傷類型最多，需要檢驗的內容也相對較多。一般內筒材質為尿素級不銹鋼，例如316 L mod、00Cr25Ni22Mo2 等，內部檢驗時應關注均勻腐蝕、點蝕、裂紋、鼓凸、垢下裂紋和泄漏孔部位對應的內筒背部開裂等損傷，采用檢驗方式包括目視檢查、磁粉檢測、超聲檢測、滲透檢測，也可使用更精確的紅外激光掃描成像系統(tǒng)、裂紋測深儀、內窺鏡等方法和儀器對損傷進一步的觀察和測量，具體的檢測方法見表1。而在檢驗前也應關注工藝資料的收集，例如介質成分分析（腐蝕性介質，如Cl-、HS-等和鎳離子的含量）。

在檢驗發(fā)現(xiàn)缺陷后的處理方式應分為腐蝕、開裂和其他損傷三個方面。對于腐蝕減薄，應該根據腐蝕損失的壁厚量來確定返修方案，如果壁厚損失量通過強度校核或建模計算后在可接受范圍內，則外部腐蝕應該打磨后重新防腐處理，內部腐蝕應圓滑過度后繼續(xù)使用；如果壁厚損失量已經超過可接受范圍，應該補焊恢復壁厚后繼續(xù)使用，補焊的過程和質量控制應參照相關的制造標準。開裂和其他損傷的處理方法見表1。其他多層包扎容器如果存在相似的缺陷，處理方法也可參照表1 內容。

表1 尿素合成塔的損傷和檢驗Table 1 Damage and inspection of urea synthesis tower

2.3 高壓無腐蝕性或腐蝕性較輕微的設備

多層包扎設備也被用于盛裝高壓氣水和氮氣，在穩(wěn)定的壓力和溫度下一般不會產生損傷。但如果存在頻繁的壓力升降或溫度變化也會造成設備的損傷，

王春發(fā)[25]在2020 年對2010 年投用的用于儲存高壓氣水的多層包扎容器進行檢驗時發(fā)現(xiàn)深環(huán)焊縫存在外部裂紋，打磨過程中發(fā)現(xiàn)焊縫內部存在大量條渣。該設備壓力升降壓較為頻繁，在原始制造缺陷存在基礎上發(fā)生了開裂。如果操作條件穩(wěn)定的此類容器檢驗按照常規(guī)檢驗方法即可，但如果存在疲勞工況應在檢驗過程中重點關注深環(huán)焊縫、角焊縫等焊接部位。

3 RBI在多層包扎設備檢驗的應用

目前國內多家檢驗單位也對合成氨和尿素裝置的壓力容器應用了基于風險的檢驗技術[26-33]，分析了這些裝置的風險狀況，有的還提出了檢驗策略。在RBI 技術中，檢驗方式按照GB/T 26610.2 的規(guī)定，分為在線檢驗、停車開罐檢驗和停車不開罐檢驗三種。在煉油或化工裝置中，如果在線檢測方法滿足檢驗有效性，則可采用在線檢驗或停車不開罐的方式對設備進行檢驗，按照TSG 21—2016 的規(guī)定，通過風險水平確定容器下次的檢驗周期。在線檢驗可以在不停車的情況下完成容器的定期檢驗，停車外部檢驗可以在不倒空罐內介質的情況下完成容器的定期檢驗。這兩種檢驗方式的應用在合法、合規(guī)的基礎上，節(jié)約了企業(yè)的檢修時間，增加了企業(yè)的市場競爭力，但是應用的前提是有能夠有效識別損傷，滿足檢驗有效性的在線檢測方法或從外部檢內部的檢測方法。

多層包扎容器的在線檢測方法除聲發(fā)射檢測外，目前并無其他有效的方法可以應用，而聲發(fā)射檢測僅針對活動性缺陷，且僅有檢測深環(huán)縫的試驗和數(shù)據，在整體包扎結構上的應用較少，有效性有待進一步的驗證。鑒于多層包扎容器的特殊結構，在煉油和化工裝置中采用的電磁超聲、脈沖渦流、平衡場渦流、高溫滲透等在線檢測方法都無法真實檢測內層和內部各層板的腐蝕和開裂狀況。

在停車不開罐檢驗的過程中，可以采用超聲檢測對分段包扎結構的深環(huán)縫進行檢測，但僅能發(fā)現(xiàn)垂直或近似垂直于環(huán)焊縫的缺陷，對整體包扎結構的容器超聲檢測也僅能檢測外層焊縫。而且沒有有效的方法可以在停車不開罐時對多層包扎容器內襯或內壁的減薄、鼓包、開裂等損傷進行檢測。而在表1中可以看出設備內筒發(fā)生的損傷最多，其他部件，例如液氨物料管也是在內壁焊縫出現(xiàn)開裂。

綜上所述，不建議對主要損傷發(fā)生在內壁的合成氨和尿素裝置中盛裝腐蝕性介質、使用蒸汽檢漏的多層包扎設備采用在線檢驗或停車不開罐檢驗的方式實施檢驗。對這些裝置中高壓臨氫工況的、具有深環(huán)焊縫的多層包扎設備采用在線檢驗或停車不開罐的方式檢驗時應結合設備具體的操作條件制定單獨的檢驗方案，充分考慮檢測方法的有效性，必要時應該考慮做對比試驗，且不開罐檢驗的時間盡量不超過8 年。使用單位應該結合觸媒的壽命合理安排停車開罐檢驗時間。

4 結論

多層包扎容器與單層厚壁容器相比，生產設備和加工難度較低，原材料的采購方面較容易，所以在制造成本上優(yōu)于單層厚壁容器，但檢驗的難度要大于單層厚壁容器。通過上述內容分析可以得到以下結 論：

（1）從設備結構分析，具有深環(huán)焊縫的分段式多層包扎容器的檢驗關注點在封頭和筒體相連的深環(huán)焊縫，此處因幾何不連續(xù)產生的局部應力最大，開裂可能性最大，檢測方法可選用超聲檢測、相控陣檢測和在線聲發(fā)射檢測；而整體包扎容器并無從外部檢內部的有效的檢測方法，所以該結構容器應開罐內檢，尤其盛裝腐蝕性介質的容器更應內檢。

（2）在檢驗前應重點查閱設備的基礎資料，分析其可能存在的損傷，按照損傷類型選擇對應的檢測方法，發(fā)現(xiàn)缺陷后應科學擴檢、查找并消除設備隱患。

（3）采用RBI 技術實施檢驗時，應該考慮在線檢驗或停車不開罐檢驗方式可利用的檢測方法及其有效性，對于合成氨和尿素裝置中盛裝腐蝕性介質、使用蒸汽檢漏的多層包扎設備建議實施內檢而不能通過在線檢驗或停車外部檢驗的方式確定其下次檢驗時間。