達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限壓力容器的安全評(píng)估

呂文濤 周鵬飛 錢英豪

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院）

近年來，達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器逐漸增多，根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中7.1.7 條的規(guī)定，達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器（以下簡(jiǎn)稱“超限容器”），若要繼續(xù)使用，使用單位應(yīng)委托有檢驗(yàn)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)參照定期檢驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)行安全評(píng)估［1］。從風(fēng)險(xiǎn)隱患、安全責(zé)任的角度考慮，對(duì)于空氣儲(chǔ)罐、蒸汽分汽缸等低價(jià)值、停車成本較低的超限容器， 可以到期直接更換；而對(duì)于化工廠、制藥廠的高價(jià)值超限容器，更換會(huì)帶來巨額的停車成本，故通過檢驗(yàn)、安全評(píng)估等手段確認(rèn)能否繼續(xù)安全使用是目前比較普遍采用的、經(jīng)濟(jì)性高的處理方式。 翁海華等［2］、林思建等［3］均從壓力容器的檢驗(yàn)角度探討了超限容器的安全使用問題。

在此，筆者從安全本質(zhì)問題出發(fā)，主要討論影響壓力容器安全使用的幾個(gè)重要因素，并基于損傷與時(shí)間的相關(guān)性邏輯，給出一種易于實(shí)踐的壓力容器安全評(píng)估辦法。

1 影響壓力容器安全使用的重要因素

1.1 使用管理

在機(jī)械設(shè)備的“安全”相關(guān)工作中，使用管理方面的影響非常之大， 主要涉及制度的建立、制度的實(shí)施執(zhí)行、相關(guān)人員知識(shí)素養(yǎng)、人員的安全責(zé)任意識(shí)及人員的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)等方面。 在壓力容器行業(yè)，TSG 08—2017《特種設(shè)備使用管理規(guī)則》［4］對(duì)所有特種設(shè)備的使用管理做出了一般性的規(guī)定。 結(jié)合該規(guī)章中涉及壓力容器安全使用的部分及壓力容器本身的設(shè)備特性，筆者梳理了可能直接或間接導(dǎo)致壓力容器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生缺陷或影響判斷缺陷時(shí)間相關(guān)性的因素，同時(shí)給出了評(píng)價(jià)方法，具體見表1。

表1 影響壓力容器安全的使用管理方面的重要因素及評(píng)價(jià)方法

（續(xù)表1）

1.2 本質(zhì)安全質(zhì)量

壓力容器的本質(zhì)安全質(zhì)量是指由壓力容器的設(shè)計(jì)、制造及其材料或容器制造過程（焊接、成型等過程）中產(chǎn)生的固有缺陷所決定的壓力容器安全水平。 通常來講，壓力容器的設(shè)計(jì)、制造全過程均要經(jīng)特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)督檢驗(yàn)合格，方能出廠投入使用。 但是由于目前國(guó)內(nèi)壓力容器行業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平整體參差不齊， 且按照TSG 21—2016 第6 章的規(guī)定， 監(jiān)督檢驗(yàn)是一種抽查方式的符合性驗(yàn)證， 故無法事無巨細(xì)地對(duì)所有項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)， 無法保證壓力容器的設(shè)計(jì)制造均合規(guī)、合標(biāo)、合理。 因此，絕大多數(shù)壓力容器都存在本質(zhì)安全質(zhì)量的問題。 筆者根據(jù)多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，篩選、總結(jié)了一些常見的影響本質(zhì)安全質(zhì)量的重要因素，并給出了評(píng)價(jià)方法，具體見表2。

表2 影響壓力容器本質(zhì)安全質(zhì)量常見的重要因素及評(píng)價(jià)方法

1.3 使用過程中產(chǎn)生的損傷

對(duì)容器“使用管理”及“本質(zhì)安全質(zhì)量”進(jìn)行評(píng)價(jià)后，再結(jié)合GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》［5］形成全面的、有針對(duì)性的超限容器專項(xiàng)檢驗(yàn)方案，以確保細(xì)致、無疏漏地檢出超限容器所有危險(xiǎn)的損傷或缺陷。

通常， 超限容器的缺陷或損傷可分為5 類，詳見表3。

表3 超限容器中常見的缺陷或損傷

2 超限容器安全評(píng)估的一般流程

“設(shè)計(jì)使用年限”是容器設(shè)計(jì)者基于用戶提出的“預(yù)期使用年限”而設(shè)定的，一方面，用戶可以根據(jù)該年限為設(shè)備有序更換提前做好準(zhǔn)備，有效降低企業(yè)的停車成本；另一方面，設(shè)計(jì)者需根據(jù)容器使用的介質(zhì)、 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理選材，并有效識(shí)別出容器運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的、與時(shí)間相關(guān)的缺陷或損傷。 通常來講，這類與時(shí)間相關(guān)的缺陷或損傷應(yīng)是線性的、可預(yù)估的（如均勻腐蝕、均勻減?。蚴怯兄浞值睦碚撘罁?jù)作為支撐的、可計(jì)算的（如疲勞極限）。 因此，對(duì)于超限容器的安全評(píng)估，應(yīng)與壓力容器設(shè)計(jì)相似，其核心邏輯是要識(shí)別出檢驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的缺陷或損傷是否與時(shí)間線性相關(guān)。

超限容器安全評(píng)估的一般流程如圖1 所示。

圖1 超限容器安全評(píng)估的一般流程

由圖1 可知，能否準(zhǔn)確地評(píng)估超限容器的安全使用關(guān)鍵在于以下3 個(gè)方面：

a. 確定導(dǎo)致缺陷或損傷產(chǎn)生的主要影響因素。 確定了導(dǎo)致缺陷或損傷產(chǎn)生的主要影響因素， 就基本明確了大部分的缺陷是否與時(shí)間相關(guān)，能否有效消除該缺陷并切斷缺陷的時(shí)間相關(guān)性。

b. 判別缺陷或損傷的時(shí)間特性。對(duì)于一些時(shí)間特征不明顯的缺陷，可以結(jié)合歷次的定期檢驗(yàn)報(bào)告以及容器的使用信息、運(yùn)行記錄等資料進(jìn)行綜合分析，常規(guī)的方法可能不易解決問題，應(yīng)視具體情況，輔以應(yīng)力分析、聲發(fā)射、相控陣及殘余應(yīng)力測(cè)試等特殊的技術(shù)手段才能有效判別缺陷的時(shí)間相關(guān)性。

c. 暫未導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的情況的處理。在對(duì)容器使用管理方面和本質(zhì)安全質(zhì)量方面進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，這些問題可能會(huì)直接或間接導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。 然而，盡管在檢驗(yàn)環(huán)節(jié)這些問題已被檢驗(yàn)，但有可能未檢出新生缺陷。 對(duì)于此類問題，筆者認(rèn)為，有條件消除問題的，應(yīng)盡量消除；無法消除的，應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)手段評(píng)價(jià)該問題對(duì)容器安全運(yùn)行的影響。 例如一臺(tái)超限容器存在標(biāo)準(zhǔn)上不允許采用的結(jié)構(gòu)（制造過程中遺留的），此次經(jīng)無損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷，那么就要采用局部應(yīng)力分析方法確認(rèn)該結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力是否在設(shè)計(jì)許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，因?yàn)閮H依靠無損檢測(cè)是無法確認(rèn)該不合理結(jié)構(gòu)在使用時(shí)是否會(huì)、何時(shí)會(huì)產(chǎn)生新生缺陷的。

表4 給出了一些常見缺陷的時(shí)間特性及判別手段。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，承壓設(shè)備中的壓力管道安全評(píng)估工作已發(fā)展出許多成熟的方法，例如，對(duì)埋地鋼質(zhì)管道已有正式實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其他管道也有因子法、關(guān)鍵指標(biāo)法進(jìn)行物理壽命的評(píng)估，針對(duì)具體的缺陷，亦有腐蝕速率模型、裂紋擴(kuò)展模型等方法對(duì)缺陷的發(fā)展及時(shí)間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算，但是這些方法雖然理論比較先進(jìn)，各類影響因子考慮得比較周全，但還是要以設(shè)備的各類信息、記錄齊全準(zhǔn)確、本質(zhì)安全質(zhì)量達(dá)標(biāo)可控為大前提。 信息不準(zhǔn)確、資料不齊全、本質(zhì)安全質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)等情況普遍存在，這就使當(dāng)今比較流行的評(píng)估模型和方法無法建立在信息有效的基礎(chǔ)之上開展，使得評(píng)估工作無著力點(diǎn)，結(jié)果充滿了不確定性。 筆者從目前行業(yè)實(shí)際情況出發(fā)，探討出一種基于時(shí)間關(guān)聯(lián)性邏輯的、相對(duì)簡(jiǎn)單可行的超限容器評(píng)估方法，隨著行業(yè)中老舊超限壓力容器越來越多，希望本方法能為壓力容器的安全評(píng)估帶來一定幫助。