在用壓力容器接管壁厚異常的原因分析和安全評定

朱毅瑩 劉希驥

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院 佛山 528000）

近年來,隨著壓力容器定期檢驗工作的全面開展,在檢驗中發(fā)現(xiàn)很多接管都存在腐蝕減薄、焊接缺陷或者選材不當(dāng)?shù)葐栴}。接管是壓力容器中十分常見的一種結(jié)構(gòu),由于物理結(jié)構(gòu)不連續(xù),受力情況復(fù)雜,存在較大應(yīng)力突變,同時還存在物物交換、流體沖刷、溫度梯度、震動等原因造成的多種附加應(yīng)力,是整個壓力容器的薄弱點和風(fēng)險點,因此,接管部位的檢驗也是定期檢驗中的重點和難點。

本文以定期檢驗中一批接管壁厚異常的壓力容器為例,首先通過理論分析,找出壁厚減薄的原因,進而通過強度校核,確定該批壓力容器的安全狀況,以評價壓力容器在評定周期內(nèi)能否繼續(xù)正常使用,為壓力容器接管缺陷的處理提供參考。

1 含缺陷壓力容器的情況簡介

某使用單位的一批在用壓力容器,2011年設(shè)計、制造,2013年9月投入使用,2020年4月由于對該容器制造單位所生產(chǎn)的設(shè)備進行排查而對該批壓力容器進行定期檢驗,其中含缺陷壓力容器的基本參數(shù)見表1。經(jīng)定期檢驗發(fā)現(xiàn),2臺脫氧器、6臺干燥塔及10臺制氮吸附筒的接管實測壁厚均存在異常,原設(shè)計圖紙中出氣口接管規(guī)格為φ76×6 mm,腐蝕裕量不明,實測壁厚在為3.96～4.56 mm。由于實測值與設(shè)計值相差較大,為了確保容器的安全運行和不影響企業(yè)生產(chǎn),需對接管壁厚異常的原因進行分析和評價。

表1 含缺陷壓力容器基本參數(shù)

2 壁厚異常原因分析

對問題容器進行現(xiàn)場測厚,具體數(shù)據(jù)見表2,結(jié)果發(fā)現(xiàn),筒體實測最小壁厚與設(shè)計公稱壁厚相差2%～7%,接管實測最小壁厚與設(shè)計壁厚相差高達24%～34%。

表2 筒體及接管壁厚一覽表

根據(jù)容器的運行工況,首先假設(shè)壁厚異常原因是腐蝕減薄,根據(jù)腐蝕速率計算可知,接管附近筒體腐蝕速率為0～0.108 mm/a,接管腐蝕速率則高達0.337～0.429 mm/a,二者腐蝕速率相差甚大,不符合均勻腐蝕的特征；并且經(jīng)壁厚測定發(fā)現(xiàn)接管部位壁厚均勻,也不符合局部腐蝕的特征。因此可以判斷,壁厚異常不是由腐蝕引起的。其次假設(shè)壁厚異常是由于沖刷減薄,接管部位最易產(chǎn)生沖刷減薄的部位為進氣管對側(cè)的筒體或進液管下部筒體部位,對于出氣管最易減薄的部位為氣流截面急劇減小的位置,然而檢驗發(fā)現(xiàn)容器筒體、接管壁厚均勻,且經(jīng)內(nèi)窺鏡觀察發(fā)現(xiàn)筒體及接管內(nèi)壁不存在與氣體流向一致的溝槽、波紋或者凹谷,因此接管壁厚異常也不是由沖刷引起的。

由上述分析可知,該批容器在制造過程中對原設(shè)計文件進行了修改,實際制造中未使用規(guī)格為φ76×6 mm的接管。但容器竣工資料中未見原設(shè)計單位同意修改的書面證明文件,亦未見制造單位對改動部位的詳細記載[1],因此,需要對接管進行安全評價。

3 壓力容器安全分析

壓力容器接管材質(zhì)按圖紙中注明為20鋼（GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》）,可以根據(jù)GB 150—1998《鋼制壓力容器》進行強度校核和開孔補強計算。

3.1 強度校核

對本次檢驗發(fā)現(xiàn)壁厚異常的接管進行強度校核計算[2],見式（1）、式（2）：

式中：

δt——接管的計算厚度,mm；

pc——容器的計算壓力,MPa；

Dit——接管內(nèi)直徑,mm；

φt——接管焊接接頭系數(shù),取1.0；

C1——厚度允許偏差,按GB/T 8163—2008中4.2.2條中的要求取±0.75 mm[3]；

C2——腐蝕裕量,取1 mm；

C——厚度附加量,mm。

計算結(jié)果見表2,可見該18臺容器壁厚異常接管的剩余最小壁厚均大于計算厚度δt與厚度附加量C之和,強度校核符合使用要求。

3.2 開孔補強計算

本次檢驗發(fā)現(xiàn)壁厚異常的接管原設(shè)計規(guī)格為φ76×6 mm,殼體開孔應(yīng)滿足下述全部要求：

1）設(shè)計壓力p≤2.5 MPa；

2）兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）應(yīng)不小于兩孔直徑之和的2倍；

3）接管公稱外徑≤89 mm；

4）接管最小壁厚滿足表3中的要求。

表3 接管最小壁厚表

按設(shè)計要求,容器開孔處可不另行補強[2],但是表2中的接管實測最小壁厚均小于表3中的要求,即本次檢驗的接管最小壁厚應(yīng)為6 mm,因此需對該接管與筒體連接部位開孔進行開孔補強計算,驗證開孔處強度是否滿足要求。

用等面積法[2]對存在未焊透的接管部位進行殼體開孔補強計算,若Ae≥A,則開孔不需另加補強；若Ae＜A,則開孔需另加補強。

內(nèi)壓容器殼體開孔所需補強面積公式見式（3）：

式中：

A——開孔削弱所需補強面積,mm2；

d——開孔直徑,mm；

δet——接管有效厚度,mm；

fr——強度減弱系數(shù),等于設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值,當(dāng)該比值大于1.0時,取fr=1.0,對安放式接管取fr=1.0；

δ——圓筒或球殼開孔處的計算厚度[2],公式見式（4）,mm：

若開孔在封頭上,則開孔位于以橢圓形封頭中心為中心80%封頭內(nèi)徑的范圍內(nèi)/外時,公式見式（5）：

式中：

K——橢圓形封頭形狀系數(shù)；

Di——容器筒體內(nèi)直徑,mm；

[σ]t——設(shè)計溫度下殼體材料的許用應(yīng)力,MPa；

φ——容器焊接接頭系數(shù),取1.0。

在有效補強范圍內(nèi),可作為補強的截面積,計算見式（6）～式（8）：

式中：

Ae——補強面積,mm2；

A1——殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,mm2；

A2——接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,mm2；

A3—— 焊縫金屬截面積,mm2；

δe——筒體的有效厚度,mm；

h1——接管外側(cè)有效高度,取與接管實際外伸高度之間的最小值；

h2——接管內(nèi)側(cè)有效高度,取與接管實際內(nèi)伸高度之間的最小值；

δnt——接管的名義厚度,mm；

B——補強的有效寬度,取2d與d+2δn+2δnt之間的最小值,mm；

δn——筒體的名義厚度,mm。

計算結(jié)果見表4,該18臺容器接管部位的補強截面積Ae均滿足筒體開孔所需補強面積A,故開孔不需另加補強。

表4 接管壁厚異常部位開孔補強計算結(jié)果

3.3 安全評定

本次檢驗的壓力容器,制造單位在制造過程中對原設(shè)計文件進行了修改,但未取得原設(shè)計單位同意修改的書面證明文件,亦未對改動部位進行詳細記載,不符合TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB 150—1998中的要求。

對于定期檢驗,按TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的規(guī)定,用材與原設(shè)計不符,如果材質(zhì)清楚,強度校核合格,經(jīng)過檢驗未查出新生缺陷（不包括正常的均勻腐蝕）,檢驗人員認為可以安全使用的,不影響定級；如果使用中產(chǎn)生缺陷,并且確認是用材不當(dāng)所致,可以定為4級或者5級[4]。建議對存在問題的接管部位增加表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測等檢驗項目,確認有無其他缺陷。若無其他缺陷,不影響定級；若存在其他缺陷,由于存在此問題的接管管徑小于DN250,本次定期檢驗是首次對其進行上述檢驗項目,無法判定缺陷新生與否,考慮該批容器不屬于介質(zhì)為非易爆或者毒性為極度和高度危害的設(shè)備,設(shè)計壓力為0.99～1.02 MPa,使用工況亦不存在急劇溫度梯度,建議放寬定級至3級,下次定期檢驗對同部位進行同方法檢測,若缺陷未擴展,評為3級；若缺陷擴展,評為4級或者5級。

4 結(jié)論

本次檢驗的壓力容器接管壁厚異常是制造過程中用材不當(dāng)所致。對其接管部位進行強度校核的結(jié)果顯示：

1）接管的實測壁厚滿足強度要求；

2）開孔部位不需另加補強,滿足使用要求。

5 建議

在壓力容器的制造過程中,尤其是連接有小于DN250接管的容器,由于接管不屬于壓力容器主要受壓元件,其質(zhì)量問題非常容易被忽視。但由于其受力復(fù)雜的特點,接管部位的質(zhì)量值得在生產(chǎn)、使用、檢驗等各個環(huán)節(jié)得到重視。制造單位應(yīng)確保其質(zhì)量管理體系的適應(yīng)性、充分性和有效性[5],保證相對先進的制造技術(shù)；檢驗單位應(yīng)全面地看待壓力容器各部位、各環(huán)節(jié)的符合性驗證；使用單位應(yīng)加強運行過程的安全管理,制定有效的使用管理責(zé)任制度,及時發(fā)現(xiàn)使用過程中出現(xiàn)的問題。