压力容器定期检验规程.ppt

1 压力容器定期检验规则 二 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥通用所压力容器检验站 2 安全状况等级评定 一 第三十七条在用压力容器主要根据材质检验 结构检验 缺陷检验三个检验项目的检验结果 划分压力容器的安全状况等级 影响压力容器安全状况的三要素为 材料 应力 缺陷 从失效的角度 可以将压力容器视为串联系统 其失效总是由最薄弱的环节引起的 其它环节无法对最薄弱环节进行补偿 因此以各检验结果中的最低等级作为压力容器的安全状况等级应该是最为合理的 对于经过维修改造后的容器 由于原先决定其安全等级的因素已经被改变 潜在的危险源已被消除 从这个意义出发按维修改造后的复检结果进行安全状况等级评定比较合理 安全附件并非压力容器的本体 因此安全附件的合格与否不构成评定压力容器安全状况等级的评定依据 但是安全附件是否合格将对压力容器的长周期安全使用产生潜在的危害影响 因此本规程规定安全附件不合格不允许投入使用 3 安全状况等级评定 二 第三十八条1 用材与原设计不符如果材质清楚 强度校核合格 在检验中未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明所用材料符合使用的要求 不影响定级 反之 则表明所用材料不符合使用的要求 定为4级或5级 移动式压力容器和液化石油气储罐 因现行标准规定禁止用沸腾钢 所以凡采用沸腾钢材料的必须定为5级 2 材质不明压力容器中 材料误用 混用是经常可以遇到的 彻底查清材质 即使可能 也要花费很大的代价 如果压力容器材质不清 可以从偏保守的角度 进行强度校核 原检规中采用A3钢校核强度 新国标中已无此牌号 故采用强度级别最低的Q235钢代替 校核的前提是可以确认容器是钢制压力容器 如果强度校核合格 在检验中未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明实际所用材料符合使用的强度要求 但材质不明毕竟是一种安全隐患 与上一版 检规 4 安全状况等级评定 二 相比 由于社会的进步 管理的加强 这种现象已经逐渐减少至消失 所以应从严定级 根据经验和安全管理的需要 对在常温下使用的一般压力容器 可以定为3级或4级 反之 如果强度校核不合格 则表明所用材料可能不符合使用的要求 定为5级 对移动式压力容器和液化气储罐 现行标准规定禁止用沸腾钢 若材质不明 则可能是沸腾钢 因此必须定为5级 特别值得注意的是 如果检验后需要进行焊接修复的 则必须查明材料 不得在材质不明的基础上进行处理 3 材质劣化压力容器的材料在使用中其性能可能会发生退化 称为材质劣化 材质劣化的两个主要原因是在高温下长期使用和腐蚀 必须指出有材质劣化倾向并不表明材质已经劣化 只有当发现了由于材质劣化引起的缺陷或者材质劣化的明显表征时 才能作出此结论 而且 部分材质劣化引起的缺陷是可以进行修复的 如应力腐蚀产生的裂纹 如果通过分析判断能够确保缺陷修复后容器在下一检验周期内的安全使用 则其安全状况等级可定为3级 5 安全状况等级评定 三 第三十九条 结构不合理会使应力增加 或降低压力容器的承载能力 1 如果封头参数不合标准 则需要通过检验判断其是否符合使用的要求 如果检验中未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明其符合使用要求 可以定为2级或3级 反之则表明不符合使用要求 需要根据检验出的缺陷进行相应的安全等级划分 2 如果封头与筒体的连接采用单面焊 则可能存在未焊透 当检验确实发现存在未焊透时 罐车必须定为5级 其它压力容器则根据未焊透的实际情况按照第四十五条的规定定级 如果封头与筒体的连接采用不允许的搭接结构 则定为4级或5级 如果封头与筒体的连接是不等厚的对接焊 并且按规定应削薄 或堆焊 而未削薄 或堆焊 的 则会引起应力集中 如果检验中未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明虽然存在应力集中 但还不足以诱发裂纹类缺陷 可以认为符合使用要求 但较大的应力集中是一安全隐患 因此 定为3级 如果检验中发现新生缺陷 则表明该结构不满足使用要求 定为4级或5级 3 焊缝 包括热影响区 是压力容器中的薄弱部位 如果焊缝布置不当或焊缝间距小 则会削弱压力容器的承载能力 如果检验中未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明虽然压力容器的承载能力被削弱了 但由于压力容器设计时有较大的安全系数 该容器仍然符合 6 安全状况等级评定 三 使用要求 定为3级 如检验发现新生缺陷并确认是焊缝布置不当或焊缝间距小所引起的 则表明该结构不满足使用要求 定为4级或5级 4 如果主要受压元件按规定应采用全焊透结构的角接焊缝或接管角焊缝而未采用全焊透结构 则会削弱该元件的承载能力 检验未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明虽然承载能力被削弱了 但由于压力容器设计时有较大的安全系数 该容器仍然符合使用要求 定为3级 如果检验中发现新生缺陷 则表明该结构不满足使用要求 定为4级或5级 对于非主要受压元件 可以适当放宽要求 5 开孔是压力容器中的薄弱部位 需要补强 在开孔方面常见的问题有 开孔位置不当 孔径过大和补强不足 如果开孔位置不当 则会削弱压力容器的承载能力 如果检验中未发现新生缺陷 不包括正常的均匀腐蚀 则表明虽然压力容器的承载能力被削弱了 但由于压力容器设计时有较大的安全系数 该容器仍然符合使用要求 对一般压力容器 定为2级或3级 对于有特殊要求的压力容器 则定为3级或4级 如果检验中发现新生缺陷并确认是开孔位置不当引起的 则表明该结构不满足使用要求 可定为4级或5级 如果孔径过大 但有充分的补强 则不会削弱压力容器的承载能力 不影响定级 如果补强不充分 则表明压力容器的承载能力被削弱了 不符合使用要求 定为4级或5级 7 安全状况等级评定 四 第四十条 裂纹是一种非常危险的缺陷 虽然从断裂力学的角度看 允许存在一定尺寸的裂纹 但压力容器内外表面的裂纹与腐蚀介质直接接触 很容易发生腐蚀扩展 而且扩展速率很难掌握 所以从偏保守的角度 不允许存在裂纹 裂纹打磨消除后形成的凹坑 改变了容器原来的应力分布 故不能简单地采用剩余壁厚进行强度校核的方法 应根据国家 八五 重点科技攻关研究成果进行评价 1 若凹坑深度在壁厚余量内 则该凹坑允许存在 否则 应将凹坑长轴长度 短轴长度及深度分别为2A mm 2B mm 及C mm 的半椭球形凹坑 并计算无量纲参数 2 进行无量纲参数计算的凹坑应满足如下条件 凹坑表面光滑 周围无其它表面缺陷或埋藏缺陷 凹坑不靠近几何不连续或存在尖锐棱角度的区域 容器不承受外压或疲劳载荷 8 安全状况等级评定 四 T R小于0 18的薄壁筒壳或T R小于0 10的薄壁球壳 材料满足压力容器设计规定 未发现劣化 凹坑深度C小于壁厚T的1 3且小于12mm 坑底厚度不小于3mm 凹坑半长A 1 4 RT 1 2 凹坑半宽B不小于凹坑深度C的3倍 3 计算凹坑缺陷无量纲参数G0 C A T RT 1 2 式中T为凹坑所在部位容器的计算壁厚 取实测壁厚减去下一个使用周期的腐蚀量 mm R为容器平均半径 mm 如果凹坑在允许范围内 则表明其满足使用要求 不影响定级 如果凹坑不在允许范围内 则需要补焊或者进行应力分析 补焊合格或应力分析表明不影响安全使用 可以定为2级或3级 对于内壁凹坑 应考虑腐蚀对凹坑尺寸的影响 应当强调的是 在裂纹打磨消除前 应对打磨后形成的凹坑进行试算 如果满足凹坑评价的前提条件且凹坑在允许范围内 则按凹坑进行打磨 反之 按补焊方案进行打磨 9 安全状况等级评定 五 第四十一条 1 机械损伤多是制造时遗留下来的 也有运输或使用过程中管理不善造成的 这类缺陷一般不会扩展 如果在其附近未发现异常情况 则表明压力容器符合使用要求 一般不影响定级 有特殊要求的压力容器 应打磨修复并圆滑过渡 打磨后形成的凹坑按第四十条的规定评定级别 2 工卡具焊迹和电弧灼伤一般不会扩展 在中 低强度钢焊制的压力容器中 如果检验时在工卡具焊迹和电弧灼伤附近未发现裂纹类缺陷 一般不影响定级 否则按发现的缺陷进行相应的定级 有特殊要求的压力容器或由可焊性较差的材料制成的压力容器中如存在工卡具焊迹和电弧灼伤 应打磨消除 打磨后形成的凹坑按第四十条的规定评定级别 3 变形 压力容器变形会使其应力重新分布 并有可能造成应力集中 变形大致可分为非工作载荷引起的变形和工作载荷引起的变形 前者的危害性较小 而后者的危害性较大 如能确保变形不影响使用 则不影响定级 否则必须分析变形原因和危害程度 如不能满足安全要求 定为4级 10 安全状况等级评定 六 第四十二条咬边是表面缺陷 容易诱发裂纹 危害性较大 因此各规范都严格控制咬边尺寸 英国PD6493 91 焊接结构缺陷验收评定方法指南 规定 在屈服强度小于450MPa 且最低工作温度下V型缺口夏比冲击功不小于40J的钢制结构中允许存在最大深度小于1mm且小于壁厚的10 的咬边 在其它任何情况下 均应将咬边作为平面缺陷进行安全评定 此次 检规 修订对咬边的规定与原 检规 相同 内表面焊缝咬边深度不超过0 5mm 咬边连续长度不超过100mm 且焊缝两侧咬边总长度不超过该焊缝长度的10 时 外表面焊缝咬边深度不超过1 0mm 咬边连续长度不超过l00mm 且焊缝两侧咬边总长度不超过该焊缝长度的15 时 对一般压力容器不影响定级 超过时应予修复 对有特殊要求的压力容器或罐车 检验时如未查出新生缺陷 如焊趾裂纹 可定为2级或3级 查出新生缺陷或超过上述要求的 应予修复 低温压力容器不允许有咬边 11 安全状况等级评定 七 第四十三条1 分散的腐蚀 压力容器中的常见分散的腐蚀包括 点腐蚀 晶间腐蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳等 这种腐蚀形式较均匀腐蚀有更大的危险性 会使材料的机械性能下降 促进裂纹的萌生和扩展 或直接造成压力容器穿孔 危害性很大 必须严格控制 检验时应加以特别的关注 对点腐蚀 美国NBIC和API510规范允许 腐蚀深度不超过壁厚 扣除腐蚀裕量 的50 在直径203mm的范围内 面积不超过45 2cm2 沿任一直径连线上点腐蚀长度之和不超过50 8mm 此次检规修订基本采用了美国API510规范中关于点腐蚀的规定 但允许的点蚀深度要严格一些 为不超过壁厚的1 3 对晶间腐蚀 应力腐蚀或腐蚀疲劳 应该重点检验腐蚀部位附近是否存在裂纹或诱发裂纹的倾向 如果存在裂纹或诱发裂纹的倾向 则应根据实际情况另行处理 2 均匀腐蚀 均匀腐蚀造成压力容器壁厚的整体减薄 由于压力容器在设计时通常会考虑腐蚀裕量 并且压力容器的安全系数通常较大 所以这种腐蚀的危害性相对较小 如果强度校核合格 不影响定级 否则 需要进行补焊 补焊接合格的 从偏保守的角度 定为2级或3级 3 对于非材质劣化类的局部腐蚀 可参考第四十条的规定按凹坑评级 但必须要充分考虑到在检验周期内腐蚀坑尺寸的变化 12 安全状况等级评定 八 第四十四条错边和棱角度是压力容器中的常见几何缺陷 主要影响压力容器的受力状况 产生应力集中 国内外各制造标准对于错边和棱角度都有允许范围的规定 由于这类缺陷是制造过程中产生的 压力容器在设计时具有较大的安全系数 当容器不承受疲劳载荷且错边和棱角度附近不存在裂纹 未熔合 未焊透等危险性缺陷时 这种应力集中对容器的安全性影响不大 本次修订参照GB150 98的容限值适当放宽给出了一个尺寸范围表 包含在此范围表内的错边和棱角度的容器 可定为2级或3级 错边和棱角度虽然在上述范围内 当容器存在疲劳载荷或者错边和棱角度附近存在严重缺陷时 应力集中将对容器的安全性产生较大影响 这种影响的程度 无法通过简单的计算来判定 必须通过应力分析 确定容器能否安全使用 在规定的操作条件下和检验周期内能安全使用的定为4级 否则定为5级 13 安全状况等级评定 九 第四十五条1 圆形缺陷 圆形缺陷是指长宽比不大于3的缺陷 包括气孔 条孔等 圆形缺陷是一种体型缺陷 对焊缝强度的影响较小 本次修订 主要是根据中国的国情和长期使用经验 以目前我国压力容器制造过程中普遍采用的无损检测标准JB4730 94为基础 对于相应安全状况等级对应的缺陷点数进行了划定 其中 适用于只要求局部探伤的压力容器的表3和适用于要求全面探伤的压力容器 低温压力容器和罐车的表4均是按GB150 98和JB4730 94放宽1级得到的 由于是制造中产生的非严重危害缺陷 此次修订 还给予检验员一定的灵活性 相应的缺陷尺寸并不对应于唯一的安全等级 由检验员根据容器和缺陷的实际情况确定容器的安全等级 制造标准允许的焊缝埋藏缺陷 不影响定级 超出制造标准的圆形缺陷与相应的安全状况等级 见表3和表4 14 安全状况等级评定 九 表3只要求进行局部无损检测的压力容器 不包括低温容器 表4要求进行100 无损检测的压力容器 包括低温容器 15 安全状况等级评定 九 2 非圆形缺陷是指长宽比大于3的缺陷 包括条形夹渣 未熔合 未焊透等 相对圆形缺陷来讲 非圆形缺陷的危险性比较大 尤其是未熔合和未焊透 很可能在使用过程中引发新的裂纹 本次对非圆形缺陷的允许范围和相应安全等级进行了修订 主要依据国家 八五 攻关课题的研究成果 此外 容检规 还增加了如下规定 对所有超标非圆形缺陷均应测定其长度和自身高度 并在下次检验时对缺陷尺寸进行复验 这是因为非圆形缺陷的最大危害是可能引发新的裂纹 并导致容器破坏 因此要求每次检验中均对这些超标缺陷进行复验 以判断其是否扩展 要确定缺陷是否扩展 就要测定缺陷高度 随着无损检测技术的发展 缺陷测高已经取得较大的进展 对于压力容器 如果能通过有效方式确认缺陷是非活动的 则其长度容限值可增加50 这里所指的有效方式 既包括缺陷定期的自身高度测量监控 也包括应用声发射 缺陷应力分析和安全性评价等新技术 新成果 非圆形缺陷与相应的安全状况等级 见表5和表6 16 安全状况等级评定 九 表5一般压力容器非圆形缺陷与相应的安全状况等级表6有特殊需要的压力容器非圆形缺陷与相应的安全状况等级 17 安全状况等级评定 十 第四十六条母材中的夹层如果与自由表面平行 则可近似看成多层包扎的压力容器 满足使用条件 不影响定级 如果与自由表面的夹角小于10 即近似与自由表面平行 其危害性不大 可以认为满足使用要求 定为2级或3级 如果与自由表面的夹角大于或等于10 则对压力容器有较大危害 检验人员可采用超声检测或应力分析等方法综合判定 确认夹层不影响容器安全使用的 可定为3级 否则定为4级或5级 第四十七条使用中产生的鼓包 一般是由于金属局部过热 局部腐蚀 局部磨损或局部冲刷使材料强度降低 厚度变薄所引起的 或是由于氢原子的作用所引起的 对压力容器有较大的危害性 必须查明起因 并判断其稳定状况 如果能查明鼓包起因并确定其不再扩展的 可定为3级 无法查明起因 或虽查明起因但仍会继续扩展的 定为4级或5级 18 安全状况等级评定 十一 第四十八条耐压试验是对压力容器安全性能的综合测试 如果耐压试验不合格 并且是由于压力容器本身的原因造成的不合格 则表明压力容器的安全性能不合格 应定为5级 如果进行修复 修复后必须再次进行耐压试验 直到合格为止 第四十九条对于需要进行安全评定的大型关键性压力容器 应按本规则进行安全状况等级评定 评定单位应根据安全评定的结果确定容器的安全状况等级 安全评定程序按 压力容器安全技术监察规程 第139条规定办理 压力容器使用单位应向国家安全监察机构提出申请 经主管部门和当地安全技术监察机构同意 在用压力容器缺陷安全评定采用国家安全监察机构逐项批准的方式 压力容器使用单位应和国家安全技术监察机构批准的评定单位签定评定合同 评定单位应具有检验资格 承担在用压力容器缺陷安全评定的评定单位应给出明确的评定结论 使用期限不超过一个检验周期 承担在用压力容器缺陷安全评定单位应对缺陷安全评定结论负责 压力容器使用单位持评定报告和结论到当地安全监察机构办理使用手续 19 石化系统压力容器检验概况 压力容器使用量大面广 是国民经济的支柱产业 82年国务院发布了 实施强制性的许可证制度和产品质量的第三方监督检验制度 并且将其作为一种政府行为 2003年国务院又颁布了 特种设备安全监察条例 20多年来 通过逐步制订和完善各类法规标准 开展以断裂力学为基础的缺陷评定与寿命预测工作 爆炸事故从七 八十年代的205起 年降低到九十年代初期130起 年 目前影响石化企业压力容器安全运行的突出问题有三个 1 随着高含硫含酸原油加工 石化企业压力容器面临着防止应力腐蚀 腐蚀疲劳 氢损伤等破坏方式的新课题 如加氢裂化 加氢重整 加氢精制容器的氢损伤与回火脆化 催化再生器的露点腐蚀 延迟焦碳塔热疲劳开裂 湿H2S对低合金高强钢设备的应力腐蚀 冷换设备的cl 腐蚀 尿素设备的晶间腐蚀 化纤设备的醋酸腐蚀等等 2 超期服役的 类容器中 安全状况为3级 4级的容器占50 以上 3 石化装置与单体设备的大型化必然导致低合金高强钢的广泛应用 但同时会引起裂纹敏感性增强 20 压力容器检验的目的和注意点 1 检验目的 找出危险源 缺陷 损伤 预测可能失效模式 强度失效 脆性破坏 塑性破坏 疲劳断裂 蠕变断裂 腐蚀断裂 刚度失效 失稳失效 泄漏失效 制定合理的无损检测方案和确定适宜的理化检验方法 探讨无损检测可靠性 判断和综合评价 a 质量控制标准 定检规则 断裂力学为主的缺陷评定 b 安全性分析 包括材料损伤的扩展速率和腐蚀性环境的影响 c 装置系统风险评估 d 使用寿命 检验周期判断及安全状况等级评定等 2 三类主要缺陷及其破坏形式 体积型缺陷 死缺陷 制造遗漏埋藏缺陷 活缺陷 冲刷 点蚀 腐蚀 腐蚀与冲刷速率 平面型缺陷 应力腐蚀裂纹 氢致开裂 冷热裂纹 再热裂纹 疲劳裂纹 亚临界扩展速率 弥散型损伤 白点 蠕变开裂 材质劣化 氢腐蚀 材料损伤速率 3 检验注意点 设计的特殊要求 选材的特殊要求 制造工艺的特殊要求 使用工况和环境变化 其它 重要度 设计 制造 安装 使用管理水平等 21 压力容器的主要失效模式 压力容器失效大致可分为强度失效 刚度失效 失稳失效 泄漏失效四类 其中强度失效是最主要失效形式 包括韧性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 腐蚀断裂 韧性断裂是指压力容器在载荷作用下 应力水平达到或接近材料强度极限时发生的断裂 选用材料 壁厚不当 腐蚀减薄 超压运行等 脆性断裂是指变形量很小 应力值远低于材料强度极限时发生的断裂 选材 焊接热处理不当 材料低温 高温脆化 存在缺陷 疲劳断裂是指在交变载荷作用下 经一定循环次数后产生裂纹或断裂 结构不良 操作失当 制造质量差 蠕变断裂指高温下长期受载 随时间增加不断出现变形 最终导致压力容器的断裂失效 焦炭塔筒体变形 腐蚀断裂 因均匀和局部腐蚀引起的断裂有明显的变形 具有明显的韧性断裂特征 因晶间腐蚀 应力腐蚀引起的断裂没有明显的变形 具有明显的脆性断裂特征 22 安全评估与寿命预测技术进展 1 七十年代 合肥通用所等单位率先将断裂力学用于在用压力容器的缺陷评估与寿命预测 编制CVDA 84规范 该规范与国外同期的缺陷评定规范 如日本WES 2805 英国BS PD6493 国际焊接学会IIW X 749 74等 是建立在以D M模型和宽板试验为基础的COD设计曲线基础之上 是安全的工程评定方法 2 CVDA主要针对非高应变区裂纹状缺陷 对体积型缺陷以及接管高应变区缺陷过于保守 七五 八五 期间在J积分失效评定曲线和通用失效评定曲线的断裂评定方法 体积型缺陷极限载荷与安定性分析评估研究 接管高应变区缺陷安全评估方法及综合安全状况等级评定研究等方面取得突破 3 国标 含缺陷压力容器安全评定 对体积性缺陷评定采用了极限载荷与安全性分析为基础的研究成果 对平面缺陷断裂评定采用三级技术路线 4 九五 开展 在用重要压力容器寿命预测技术研究 课题 重点考虑介质腐蚀和工艺环境对压力容器安全性影响 23 安全评估与寿命预测技术进展 在用压力容器抗应力腐蚀开裂技术研究 通过07MnCrMoVR16MnR钢对H2S和OCr18Ni9 00Cr17Ni14Mo2钢对Cl 等典型钢种和介质的应力腐蚀敏感性 开裂及裂纹扩展速率 da dt 的影响因素及控制参量的研究 探索防止或减缓产生SSCC的方法 以提出抗应力腐蚀安全评估工程方法 在用压力容器在典型介质中腐蚀疲劳剩余寿命评估技术研究 通过常用钢种腐蚀裂纹扩展速率的收集分析与试验验证相结合 提出腐蚀疲劳安全评估的指导性意见 典型临氢装置氢损伤评定与寿命预测技术 利用挂片研究2 25Cr 1Mo材料氢脆与回火脆化及氢致裂纹扩展机理 提出热壁加氢反应器氢损伤评价方法 提高寿命措施及剩余寿命评定方法 应变疲劳剩余寿命技术研究 以循环J积分作为应变疲劳裂纹扩展速率参量并研究其工程计算结果 结合模拟试样试验研究 考虑外载影响提出寿命评估方法 实用延寿技术研究 将表面技术用于压力容器的延寿领域 利用表面改性 表面涂 镀 覆技术隔离或减缓介质环境对压力容器的作用 其研究成果 将使我国压力容器评定与寿命预测技术进一步完善 1998 2000年 合肥通用所 华东理工大学 浙江工业大学等单位 对二十余家大型企业的近千台带缺陷压力容器进行了安全评估 尤其是对四十余台高温高压临氢环境下压力容器 百余台湿H2S环境及无水液氨环境下压力容器 二十余台硝酸盐环境下催化再生器等的安全评估与综合延寿技术应用取得了重大进展 24 压力容器装置系统风险评价技术 风险评估RBI技术是近三十年来国际上新兴的一门学科 其基本思路是采用系统论的原理和方法 对系统中固有的或潜在的危险发生的可能性与后果进行科学分析的基础上 给出风险排序找出薄弱环节 以确保本质安全和减少运行费用为目标 优化检验策略的一种管理方式 上个世纪九十年代初期 欧美二十余家石化企业集团为了在安全的前提下降低运行成本 共同发起资助美国石油学会 API 开展RBI在石化企业 主要是炼油厂 的应用研究工作 1996年API公布了RBI基本资源文件APIBRD581的草案 2000年5月又公布API581正式文件 2002年5月正式颁布了RBI标准APIRP580 十多年来 西方发达国家甚至亚洲的韩国 新加坡等国家和地区的石化炼油厂广泛应用了RBI方法进行成套装置中的承压设备的检验与维修 使得风险和检验维修费用都大幅度下降 鉴于传统的检验维修规程是基于保守的安全考虑 未将经济性和安全性以及可能存在的失效风险有机地结合起来 检验的频率和程度和受检设备的风险不相称 常规检验不是 25 压力容器装置系统风险评价技术 系统化的针对高风险设备 运行的经济性要求延长每次停机检验的间隔周期 因此随着诊断技术的发展和设备多年的运行经验 这种新型的风险检验概念被引进国际上大中型石化能源工业 用于提高设备运行的可靠性并降低检验成本 并经过实践检验被证明为一种高效的风险分析工具 风险评估所提供的成果是优化的检验策略 即通过识别可能的潜在高风险概率的设备 采用针对性的检验技术来进行检测 编制与风险相适应的检验规程 自上世纪末期中国有关高校与研究机构引入RBI概念 中国国家科技部及中国石化也设立多项科研项目支持这项工作 2000年前后开展了一些定性RBI工作 取得了一些成效 2003年3月合肥通用机械研究所压力容器检验站 GMRI 法国国际检验局 BV 与中国石化茂名分公司组成项目组 采用BV先进的软件及数据库 首次在中国国内石化企业开展定量RBI的应用工作 进行高温高压化工 石化工艺过程装置风险评估 包括大连WEPECARDS装置 金陵石化凡士林加氢装置 茂名石化公司乙烯裂解装置和炼油加氢裂化装置等 解决实际生产问题 26 检验方案 一 1 设备的基本参数 主要包括设计压力 使用压力 设计温度 使用温度 压力容器结构规格 材质 使用介质 压力容器类别 保温层 2 检验依据 3 检验准备 检验单位的技术方案 设备 人员准备 现场联系协调人员的确定 被检设备的停工 盲板 置换 搭架 打磨 4 检验质保体系 人员情况 技术负责人 项目负责人 检验责任工程师 无损检测责任工程师 理化责任工程师 安全员 质保体系有效运转 5 原始资料审查 设计文件图纸 材料质保书 制造质保书 安装质保书 使用工况 实际工艺参数 历次检验报告 修理改造记录和历次事故处理报告 6 宏观检验 结构形式检查 几何尺寸检查 表面情况检查 腐蚀 泄漏 保温层 衬里 裂纹 咬边 局部变形 7 超声测厚 27 检验方案 二 8 无损检测 RT UT MT PT 9 材料检验 化学成份 金相检验 硬度 铁素体含量检验 晶间腐蚀试验 能谱试验 光谱试验 X J系数测定 裂纹断口取样等等 10 强度校核 11 缺陷评定 压力容器及压力管道安全评估与寿命预测技术和标准规范 目前国内主要用ASME第十篇 IWB3640用于奥氏体压力管道 IWB3650用于铁素体压力管道 12 缺陷处理 13 水压试验 耐压试验是利用水或其他的加压介质 采用比设计压力还要高的试验压力对压力容器的焊缝 接管和母材进行一次综合性的评价 检查压力容器是否有渗漏和明显的塑性变形 以验证其整体强度是否满足设计要求 14 气密性试验 15 安全附件检验 检验单位校验或是用户自行处理 16 安全状况等级和检验周期的确定 28 典型压力容器在用检验 一 多层热套式压力容器的在用检验 在石油化工等工业领域中广泛地使用着各种多层热套式压力容器 因为使用工况恶劣 受力情况苛刻 很容易发生灾难性事故 因此对该类容器的定期在用检测就成了保证设备安全运行的关键性环节 齐鲁化工二厂氨合成塔进出口物料换热器1 主要技术参数 操作压力 22 8Mpa 操作温度 160 容器规格 1050 12 7 14294 材质 K TEN60MA 屈强比 0 928 介质 氮气 氢气 1974年神户制钢所制造 2 齐鲁检测中心检测发现 环缝发现多条裂纹 深度在30mm左右 纵焊部分裂纹已裂到根部 板材发现大面积龟裂 外表面第一层层板已裂穿 3 检验和处理 利用小K值的聚焦斜探头 双晶直探头 双晶斜探头 大直径的聚焦直探头 小直径的直探头等对环缝进行超声检测 MT检测表面裂纹 进行强度和失效分析 焊接返修 对环焊缝 纵焊缝进行焊接返修和局部处理 对板材多条龟裂采取两端打止裂孔的方法 避免裂纹扩展 由于内壁不能进入 无法进行热处理 因此在核算强度满足的条件下 采用奥氏体钢焊条进行补焊 经检验和失效分析后 目前已安全使用一个检验周期 取得较好的经济效益和社会效益 29 典型压力容器在用检验 二 在用催化再生器应力腐蚀开裂检验 近年来 石化企业已有近二十套再生器系统发生了裂纹 裂纹一般位于内壁焊缝与保温钉附近 经调查 研究 测试分析已确认 再生系统设备焊缝裂纹为再生烟气酸性冷凝液中的NO 3引起的应力腐蚀裂纹 1 主要特征 烟气露点温度高于壁温时 形成含硝酸盐的酸性水溶液 再生器操作压力较低 往往焊前不预热 焊后不热处理 有很大的残余应力 硝酸盐酸性溶度环境构成阳极溶解型应力腐蚀开裂环境 金相与断口分析表明裂纹为沿晶开裂 明显的应力腐蚀开裂特征 2 内表面裂纹的超声波检测在运行状态或不打开内衬的情况下 超声波检测是从容器外壁发现内表面应力腐蚀裂纹并确定其深度 裂纹自身高度 的最为合适的方法 3 预防对策 定期对再生器的烟气成份 露点温度 冷凝液PH值及壁温测试分析 升壁温避开应力腐蚀环境 降低焊缝中的焊接残余应力 定期对再生器进行在线超声波检测 在中石化 中石油系统对二十余台 套再生器 沉降器 三旋分离器进行了不卸剂情况下的检测或带温带压在线检测 其中16台发现了裂纹 由于在线检测工作条件苛刻 温度较高 只能采用抽查方式 在线检测可以帮助业主制定检修计划 确定停车检修时间和确定拆除内衬的部位 从安全性和经济性两个角度为业主解决了生产中的问题 30 典型压力容器在用检验 三 在用热壁加氢反应器的检验 加氢裂化反应器是炼油 化工行业关键设备 通常在高温 高压 临氢条件 所谓高温 高压 临氢条件是指温度 250 氢分压 1 4MPa 下工作 使用条件十分恶劣 1 我国是在80年代初开始由国外引进热壁加氢反应器 并於89年在国内制造了第一台560吨级锻焊式热壁加氢反应器 目前的制造能力已达到千吨级 煤化工使用的热壁加氢反应器 据不完全统计国内在用热壁加氢反应器已达上百台 2 热壁加氢反应器主要是由2 25Cr 1Mo钢材和锻件制成的 目前国内开始大量使用3Cr 1Mo 1 4V Ti B材料制造热壁加氢反应器 设计温度可以达到450 设计壁厚大致在在80 240mm范围内 内壁堆焊两层奥氏体不锈钢堆焊层 347盖面 309过渡层 设计压力为8 20MPa 设计温度大致在370 410 工作介质主要是H2 油 H2S等 3 由于热壁加氢反应器主体材料面临着介质腐蚀 应力腐蚀 氢腐蚀 氢脆 回火脆化和蠕变脆化等一系列问题 同时目前国内的热壁加氢反应器已使用了6 20年 其危险性在逐年递增 31 加氢裂化装置损伤形态 1 氢损伤高温 高压 临氢的运行环境使得热壁加氢反应器的器壁在运行过程中吸收了一定量的的氢 当反应器停工后 就有一部分残余氢在反应器的器壁之中 这些残留氢就有可能在反应器中引起亚临界裂纹扩展 甚至引起脆性破坏 2 堆焊层表面裂纹不锈钢堆焊层金属的表面裂纹表现在表面产生并向母材方向扩展 堆焊层的表面裂纹一般出现在可能存在的三相应力的内件支撑表面 通常具有以下特征 裂纹一般出现在热壁反应器的内部支撑凸台部位 裂纹以环向裂纹和龟裂为主 铁素体含量偏高或偏低的部位容易出现裂纹 裂纹从热壁加氢反应器堆焊层的表面向内部扩展 扩展较为严重的表面裂纹会穿透347堆焊层 大部分中止在347与309堆焊层的界面上 但也有极少数的裂纹会穿透309过渡层 32 照片1堆焊层裂纹宏观形貌3 照片2堆焊层裂纹微观形貌200 3 连多硫酸应力腐蚀开裂在临氢设备中 由连多硫酸 H2SXO6 X 3 6 引起不锈钢应力腐蚀开裂更具危险性 在高温硫化氢和氢介质环境下生成的硫化铁在反应器停止运转或检修时 与出现的水分和空气中的氧发生反应生成了连多硫酸 一定的拉伸应力就可能引起奥氏体不锈钢开裂 33 照片3人孔顶盖密封槽底裂纹形貌60 照片4人孔顶盖密封槽底裂纹微观形貌200 鉻钼钢的回火脆化Cr Mo钢长时间地保持在325 575 或在该温度范围缓慢地冷却时 出现材料损坏 性能劣化现象 通常称之为高温回火脆化 它产生的主要原因是由于钢中的微量不纯元素在原奥氏体晶界偏析 使晶界凝集力下降 其特征是沿晶破坏形态 冲击韧性的降低和脆性转变温度向高温侧迁移 除化学成分影响外 热处理工艺 加工工艺 强度大小 塑性变形 碳化物形态 使用时的操作温度等许多因素也都会影响到材料的回火脆性 回火脆化是可逆的 将脆化的材料加热到600 以上急冷 钢材可以恢复原来的韧性 但一旦产生裂纹则是不可逆的 34 典型压力容器在用检验 三 在用热壁加氢反应器的检验 堆焊层剥离 剥离现象产生属于氢脆的范围 堆焊层和母材之间的界面在正常操作过程中积累了比二侧多得多的氢 停工冷却时来不及逸出被冻在界面上 且冷却后的反应器氢不断往界面处浓缩 产生很大的垂直应力 有人测试过大约有14kg mm2的垂直应力 加上两者金属的热膨胀系数之差 在冷却时内壁比外壁降温快 产生大的切向应力 由于材料氢脆现象等因素的叠加 在比较薄弱的部位产生剥离 不锈钢堆焊层的剥离裂纹具有以下特征 剥离裂纹出现在不锈钢堆焊层与母材熔合面的堆焊层一侧 沿着生长在熔合面上粗大奥氏体晶粒的晶界形成和发展 其性质属氢脆断口 两条焊道的搭接部位为剥离裂纹最容易出现的部位 剥离裂纹大多为片状 且基本平行于堆焊层的熔合面 堆焊层剥离裂纹的产生与热壁加氢反应器的制造和使用过程息息相关 制造中影响堆焊层剥离的因素包括堆焊材料 焊接工艺 热处理等 使用中影响因素主要为操作工况 35 典型压力容器在用检验 三 在用热壁加氢反应器的检验 1 对于不锈钢堆焊金属表面裂纹的检验 主要采用目视和渗透检测 首先应找出返修部位 并对返修部位和其它典型部位进行铁素体含量分析 对于铁素体含量较高和返修部位应作为渗透检测的重点 2 不锈钢堆焊层剥离裂纹的检验 3 对于主焊缝来说 由于筒体母材和焊缝的回火脆化 造成韧性降低 一些较小的缺陷就有可能得到较快的扩展而引起反应器失效 而热壁加氢反应器的强度主要是由筒体母材和主焊缝来保证的 因此对反应器主焊缝的检测要求相应就比较高 4 利用纵波斜探头由外壁检测堆焊层皮下裂纹 利用双斜探头由内壁进行补充检验 同时利用双晶直探头由内壁检测堆焊层内缺陷 以消除氢脆开裂和皮下裂纹的危险性 5 奥氏体不锈钢硫化物应力腐蚀开裂的检验一般说可采用荧光着色检测和涡流检测 对于渗透检测很难发现的一些微细裂纹 也可以利用金相检验来发现和评价 6 TP321不锈钢焊接管 相脆化检验 7 长期服役在316 到594 的奥氏体不锈钢铸件 会导致部分奥氏体向马氏体转变 引起脆化 其特征是铁磁量增加 硬度增加 在等于或低于使用温度时延伸率和韧性下降 夏比V型缺口冲击韧性值会显著降低 36 典型压力容器在用检验 三 在用热壁加氢反应器的检验 1 不锈钢堆焊层表面裂纹的扩展模式及安全分析裂纹从热壁加氢反应器堆焊层的表面向内部扩展 扩展较为严重的表面裂纹会穿透347堆焊层 大部分中止在347与309堆焊层的界面上 比较浅的表面裂纹打磨消除 深的表面裂纹测定深度 对于接近穿透309堆焊层的表面裂纹应监控 对接近母材裂纹扩展模式进行分析研究 提高反应器的最低升压温度 和采用合理的开 停工程序 2 不锈钢堆焊层剥离裂纹的安全分析 不锈钢堆焊层剥离是使用中内壁不锈钢堆焊层产生的主要缺陷 国内 外对剥离现象进行了研究 确认剥离不会使裂纹向母材扩展 而是平行于二者的表面 由于堆焊层仅仅解决设备的腐蚀而不承受材料的强度 因而不会对反应器强度构成威胁 剥离性能和扩展速率进行研究 37 典型压力容器在用检验 三 在用热壁加氢反应器的检验 3 热壁加氢反应器回火脆化的安全分析制造时就应减少杂质元素 降低X J系数 应测定制造时的VTr40 2 5 VTr40数值 使其 38 100 F 使用中应进行挂片 定期检验其回火脆化程度 没有挂片的可与相同或类似的产品比较 4 氢脆开裂的安全分析研究资料报导 拉伸强度为550 650Mpa的材料 临氢环境中的断裂韧性KISCC 100 当2 25Cr 1Mo钢产生回火脆化之后 抵御氢致开裂的能力将会明显降低 在应力高度集中的部位 开 停工时容易产生氢致开裂 使用中应进行挂片 定期检验其回火脆化程度 没有挂片的可与相同或类似的产品比较 38 典型压力容器在用检验 四 延迟焦炭塔的在用检验 延迟焦炭塔操作条件非常苛刻 一个生产周期需经历48小时高温与冷却的循环过程并连续运行 近年来全国在役焦炭塔在运行中发现诸如塔体鼓凸变形 以及裙座角焊缝 塔体环焊缝 堵焦阀等接管部位和内壁不锈钢复层出现裂纹问题 构成对焦炭塔安全运行的潜在威胁 焦炭塔裙座角焊缝的受的交变应力水平是相当高的 在裙座角焊缝部位很容易产生局部裂纹 目前在设计上采用改变结构 增加柔性槽方式来分散裙座角焊缝的应力水平应该说是比较有效的 部分塔体上部带不锈钢 0Cr13 复合层段的焦炭塔 0Cr13是铁素体不锈钢 由于长期保持在370 510 会出现475 脆化 裂纹主要发生在该区域 焦炭塔塔体下部实际使用温度要高达490 但是目前国内使用的材料为Q 235A 16MnR 20g 温度一旦超过475 其许用应力急剧降低 导致塔体局部热强度不够 产生蠕变鼓凸变形 影响焦炭塔的安全长周期运行 39 典型压力容器在用检验 五 高强钢球罐 07MnCrMoVR 在用检验 1 70年代日本等研制出 s 490Mpa b 610MPa的低碳微合金低焊接裂纹敏感性的高强钢 简称CF 62钢 2 80年代初期武汉钢铁公司组织有关单位开展 s 490Mpa的低焊接裂纹敏感性钢种的研制 3 80年代中期由合肥通用所组织有关单位进行国产CF钢的工程应用研究4 球罐总数超过100台 最低设计温度达 40 其中进行焊后整体热处理和不进行焊后整体热处理的大约各占一半 5 随着工程上的扩大应用及经验的积累 设备安装 制造以及使用中的问题也在暴露 目前这类钢制设备的裂纹屡有发生 40 41 典型压力容器在用检验 五 高强钢球罐 07MnCrMoVR 在用检验 1 应力腐蚀是指由于拉应力的作用造成的一种延迟破裂 其形成是金属组织 应力和介质的联合作用 2 由于焊接接头粗晶粒的存在以及不可避免的残余应力影响 应力腐蚀开裂出现机率高的仍是焊接接头及邻近母材 3 调质型CF 62钢的金相组织主要是板条状的回火马氏体 回火索氏体和贝氏体 钢板表面的回火马氏体和索氏体占2 3以上 因此 CF 62钢材 特别是表层 的强度和硬度较高 4 CF 62钢的强度 硬度和应力水平较高 在湿H2S环境与含O2及CO2的液态氨环境容易引起材料的应力腐蚀开裂 42 典型压力容器在用检验 五 高强钢球罐 07MnCrMoVR 在用检验 1 07MnCrMoVR系列钢的含碳量低 C 0 09 其高强度是通过钢中加入Cr Mo V等碳化物形成元素的弥散强化以及添加B等淬透性强的元素来达到的 GB12337规定 对厚度大38mm的07MnCrMoVR钢应进行焊后热处理 565 20 2 国产CF 62钢属于对再热裂纹敏感的钢种 3 对福炼球罐赤道带环缝进行整体热处理 热处理温度小于580 几次热处理均不同程度发现了多条在HAZ粗晶区沿晶开裂的典型再热裂纹 最大裂纹长度达到2m 最大深度为20mm 4 CF 62钢球罐在热处理后不进行表面磁粉和射线检测 包括全部或局部 造成对再热裂纹检验的失控 给安全生产带来隐患 43 典型压力容器在用检验 五 高强钢球罐 07MnCrMoVR 在用检验 1 一般低合金热处理温度控制在600 650 范围内 CF 62系列钢是调质钢 为了保证其调质性能 采用较低的热处理温度 565 20 因此残余应力水平比较高 2 现场检测与失效分析的一些数据表明 无论是否热处理 这类球罐的残余应力水平都比较高 3 目前球罐的制造安装标准规范如GB12337 GB50094等对残余应力水平没有相应的数值要求 但中厚板残余应力水平较高的部位 在使用中产生表面裂纹的可能性很大 44 照片1C处缺陷全貌 位于下熔合线附近及焊缝金属上 3 夹渣横裂纹纵裂纹 裂纹断面 照片21 断口宏观形貌 内壁赤道环缝 13 45 照片31 断口表面腐蚀产物能谱谱线 照片2赤道大环缝上熔合线裂纹60 46 安全状况等级与检验周期 对G2071与G2073两台球罐提出安全状况等级定为3级 使用一年后重新开罐进行全面检验的建议 主要理由如下 a 两台球罐历经多次焊接返修与焊后热处理 其力学性能是否会劣化 为此 监理公司找到球罐的一块余料 参照多次返修与热处理的实际情况 进行热循环的模拟试验 试验结果证明各项力学性能良好 未发现劣化迹象 b 两台球罐在全面返修前 每次焊接返修后 每次热处理后以及水压试验后 均由建造单位采用X光或 射线及V型片和磁粉进行全面检测 返修质量合格 c 两台球罐已成功的经受了水压试验的考核 通过了水压试验 就意味着为安全运行提供了强度的保障 d 业主 福建炼化公司 承诺这两台球罐只盛装纯净丙烯 不存在湿H2S应力腐蚀开裂问题 47 几点建议 1 对CF 62钢的技术参数进行一次审定 并组织CF 62钢的研制和生产单位探讨再热裂纹的产生与防治及多次返修 热处理对焊接接头使用性能的影响等 2 建议GB12337 钢制球形储罐 对于 b 540Mpa且对再热裂纹敏感的钢种 在SR后应进行一定数量的射线或超声复验 同时增加热处理和水压试验后抽比例不少于20 的磁粉检测 3 建议JB4730 锅炉 压力容器及压力管道无损检测 提高高强钢球罐焊接接头射线检测灵敏度 4 目前球罐的制造安装标准规范如GB12337 GB50094等对残余应力水平没有相应的数值规定 国内也没有残余应力对球罐延迟开裂和应力腐蚀开裂影响的经验数据 建议开展此项专题研究 必要时适当限制钢板的使用厚度范围 48 几点建议 5 微量Ni B等对07MnCrMoVR系列钢的应力腐蚀和再热裂纹有明显影响 作为一个成熟的钢种 应在标准规范中对Ni B等的数量和相应的处理措施予以体现 随意在供货或冶炼中改变微量元素的组成和数量 对于 s 490MPa的低焊接裂纹敏感性钢的推广应用和市场竞争是不利的 6 在扩大国产07MnCrMoVR系列钢板的生产能力 包括数量和板宽幅度大小 的同时 保证批量生产材料性能的稳定性以及定点生产该系列钢板的配套锻件08MnNiCrMoVDR和焊材 新J607CF钢焊条 对于保证这种 s 490MPa的低焊接裂纹敏感性钢的规范化和安全使用是至关重要的 49 典型压力容器在用检验 六 低合金高强钢球罐应力腐蚀开裂检验 高强钢压力容器在使用中发现了裂纹 其中有30 左右是40 2000m3的大型球罐 产生裂纹的主要原因之一 则是湿硫化氢与无水液氨环境所引起的钢材开裂 目前石化企业中的各类球罐中使用的材质较多 如16MnR 15MnV FG43 SPV50 SPV50Q SPV355 07MnCrMoVR等等 1 美国腐蚀工程师协会NACE 兰石所及HG15 89对湿硫化氢环境规定 气体硫化物分压 0 00035MPa或水中溶解度 10ppm 温度0 65 介质含液相水或处于水的露点以下 PH值小于6或有氰化物存在 2 高强钢球罐产生硫化物应力腐蚀除了与硫化物浓度以外 还与钢材的纯净度及制造安装的焊接工艺与热处理情况有关 在球罐设计时 要提出控制杂质含量试验表明如能控制P 0 008 S 0 002 甚至S 0 001 钢材发生H2S应力腐蚀的可能性极小 控制焊接质量 防止焊接冷裂纹 防止再热 SR 裂纹 降低残余应力 降低残余应力 防止焊缝和热影响区脆化 3 科学使用高强钢压力容器 加强对高强钢设备的环境监控 加强对重点部位的监测 表面技术应用 50 典型压力容器在用检验 七 低温压力容器的在用检验 低温压力容器 ASME 30 JISB8270 10 AD规范 10 法国 20 BS5500 0 中国 20 低温压力容器主要的破坏模式是低应力脆性断裂 大庆石化公司1500M3乙烯球罐检验 该球罐是国内首次采用国产07MnNiCrMoVDR制造的低温球罐 属 八五 国家重大技术装备科技攻关项目 主要技术参数 设计压力 2 254Mpa 设计温度 30 50 容器规格 S 14400 44mm 材质 07MnNiCrMoVDR 容积 1500m3腐蚀裕量 1 5mm 焊缝系数 1 该球罐于1995年投产 2001年10月乙烯球罐开车时 由于乙烯气体不慎带液 导致气温急剧下降至 70 此时球罐压力在0 6Mpa左右 对此采用降压措施 温度继续下降至 103 该过程前后长达18个小时 后经大庆石化检验站100 的内壁荧光磁粉检测和100 UT 发现48处表面裂纹 采样管角焊缝发现70mm和50mm两处表面裂纹 接管角焊缝以及裂纹附近焊缝金属 热影响区 极板母材硬度正常 金相复验 裂纹以穿晶为主 局部有沿晶特征 裂纹附近金相组织正常 采样管角焊缝发现一圈断续表面裂纹 经打磨消除 最大深度为3mm 超声复验 发现整圈断续未焊透和夹渣 最大长度为30