广东省特种设备检测研究院潮州检测院 广东潮州 521000
摘要:为了确保压力容器在使用过程中安全稳定运行,世界各国都制订了一系列压力容器标准规范,给出材料、设计、制造、检验、安全评估等方面的基本要求。随着技术的不断进步,企业生产要求的提高,压力容器也显现出了一些新特征,主要表现为更加复杂化、系统化。对此,需要在日常检验工作中,以科学检验的方式保障其安全运行。本文从常见压力容器的损伤模式入手,提出了检验重点和具有针对性的检测方法,以保证压力容器的安全运行。
关键词:压力容器;损伤模式;检验;探究
引言
压力容器在实际使用的过程中,一般应用在严苛的工况下,承载着高温高压介质,一旦发生爆炸泄漏,就会引发火灾、中毒等灾难性事故。所以需要对压力容器进行检验,从而降低设备发生安全事故的可能性[1]。而压力容器在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下,会造成材料性能下降、结构不连续或承载能力下降[2],这种损伤的持续发展和积累,会引发压力容器失效的产生。因此,正确识别损伤模式,有助于发现压力容器的潜藏缺陷,从而确定其全状况等级,决定是否能继续投入使用。
1 压力容器常见的损伤模式
压力容器的损伤模式主要是腐蚀减薄、环境开裂、材质劣化和机械损伤等。腐蚀减薄指在腐蚀性介质的作用下金属发生损失造成的壁厚减薄。环境开裂指在腐蚀性介质作用下材料发生的开裂。材质劣化指由于服役环境作用下材料的微观组织或力学性能发生了明显退化。机械损伤指材料在机械载荷或垫载荷作用下,发生的承载能力下降[2]。而在压力容器的检验检测中,如果首先识别出压力容器的损伤失效模式,能够发现影响其安全使用的缺陷,然后对缺陷影响安全的程度进行判断,同时对缺陷的发展趋势进行预测,这样对于压力容器的检验起着至关重要的作用。在日常检验工作中,检验人员可以通过分析该压力容器的主要损伤机理、影响因素、敏感材料和可能发生损伤的部位,采取对应的检测方法来制定检验方案,最后,根据压力容器的检验规范来综合评价压力容器的安全状况等级[3],从而确定检验周期。
2 典型压力容器基于损伤模式的检验重点
压力容器品种多样、结构复杂,且不同类型的压力容器应用的工况环境不同,其损伤机理和形态也不尽相同,对应的检验方法也各不相同。
2.1 液化石油气储罐的检验
液化石油气储罐的介质一般是液化石油气(简称LPG),主要组分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯,并含有少量的乙烯、丙烯、乙烷丁烯和微量硫化物杂质。LPG本身对储罐材料无腐蚀损害,但在LPG中不可避免地总是含有极少量的水,其与硫化氢结合时,会对储罐造成应力腐蚀。而介质LPG具有热胀冷缩的性质,温度越高,膨胀越厉害。液体的体积随温度升高的膨胀量可用式(1-1)计算。
V2=V1[1+a(t2-t1)] (1-1)
式中V1、V2——液体在温度t1、t2时的体积,m3;
a——液体温度由t1~t2时的平均体积膨胀系数,1/℃,见表1-1。
表1-1 液化石油气组分及水的体积膨胀系数
温度/℃ | 丙烷 | 丙烯 | 正丁烷 | 异丁烷 | 1-丁烯 | 水 |
0-10 | 0.00265 | 0.00283 | 0.00181 | 0.00233 | 0.00198 | 0.0000299 |
10-20 | 0.00258 | 0.00313 | 0.00237 | 0.00171 | 0.00206 | 0.00014 |
20-30 | 0.00352 | 0.00329 | 0.00173 | 0.00297 | 0.00214 | 0.00026 |
30-40 | 0.00340 | 0.00354 | 0.00227 | 0.00217 | 0.00227 | 0.00035 |
40-50 | 0.00422 | 0.00389 | 0.00222 | 0.00266 | 0.00244 | 0.00042 |
由表1-1可知,液化石油气液体的体积膨胀系数比水大十几倍,且随温度的升高而增大,而液化石油气储罐一般在液化石油气充装站里是露天安装,夏天经常受到烈日暴晒,因此,超装也是造成储罐事故的最大因素。
2.1.1 液化石油气储罐的损伤模式
液化石油气储罐的损伤模式主要是湿硫化氢应力腐蚀开裂。储罐一般材料为碳钢和低合金钢,在含水和硫化氢环境中碳钢和低合金钢会所发生的损伤,形成
氢鼓泡、氢致开裂(HIC)、应力导向氢致开裂(SOHIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSC)4种形式[4]。氢鼓包是由腐蚀产生的氢引起的,在储罐的内表面和外表面以表面凸起的形式出现如图1-1所示)。而氢鼓包可在距钢板表面不同的深度处形成,也可以在钢板中间或者靠近焊缝处。在一些情况下,相邻近的鼓包会连接在一起形成裂纹,而鼓包之间的内部连接裂纹通常有一个台阶状的形貌,图1-2就是氢致开裂的原理示意图。
图1-1 氢鼓包 图1-2 氢致开裂
应力导向的氢致开裂主要表现为相互堆叠的裂纹群,在高水平的应力(残余应力和载荷应力)驱动下,最终形成一条垂直于表面并穿过整个厚度的裂纹(图1-3),通常在靠近焊缝热影响区的基体金属上发生。而硫化物应力腐蚀开裂是金属在湿硫化氢环境下由拉应力和腐蚀共同作用造成的开裂,主要在钢表面焊缝和热影响区的高硬度区(图1-4)发生。
图1-3 应力导向氢致开裂 图1-4 硫化物应力腐蚀开裂
2.1.2 液化石油气储罐的检验
基于该损伤模式下,液化石油气储罐的检验主要进行宏观检验、壁厚测定、硬度测定、表面检测和安全附件检查。
宏观检验
对储罐内外表面进行进行全面的目视观察,观察外表面漆层有无破损、脱落;储罐底部与气液交界处内外表面有无鼓包;观察内外表面有无机械损伤和蚀坑;角焊缝表面有无裂纹、咬边和未填满缺陷等;人孔补强圈的信号孔是否有泄漏液及漏气痕迹;支座有无变形、开裂等。
壁厚测定
重点对液位经常波动、易腐蚀、冲蚀部位和制造成形减薄部位进行超声波壁厚抽查,如发生母材存在夹层缺陷时,应增加测定点;发现壁厚减薄量大于设计腐蚀裕量,则需进行强度校核。
硬度测定
分别测定焊缝、母材和热影响区的硬度,如发现焊缝的硬度明显偏高,如发现焊缝的硬度明显偏高,应进行该处的表面无损检测,必要时,还应进行金相检验。
表面检测
对储罐内表面对接焊缝、组装卡具施焊部位进行100%此份检测,对无法检测的接管部位,还应进行渗透检测。
安全附件检查
观察储罐的安全阀、压力表和液位计的安装是否合理,有无在检定有效期内,紧急切断阀是否能正常动作。
2.2 蒸压釜的检验
蒸压釜的主体部分主要由釜体装置、釜盖装置、摆动装置、手摇减速器、安全装置、支座、保温层[5]和阀门仪表等构成。其工作特点为间歇操作,在操作过程中频繁地加卸料,其承受的压力和温度载荷也在不断变化。
2.2.1 蒸压釜的损伤模式
蒸压釜的釜体法兰与釜体、釜盖法兰与釜盖的连接焊缝处极易产生裂纹,主要受蒸压釜工作条件的特殊性和操作状态受力的复杂性的影响,使其难以避免低应力疲劳破坏,加上位于两端釜体法兰处的活动支座可靠性差,当升温升压时,较高的温差压力使釜体向上拱曲,形成简支梁,釜体法兰下部支座附近存在经叠加的高应力区,导致该处焊缝产生疲劳裂纹并拓展[6]。而釜门齿牙处易产生裂纹,由于釜体在运行中加压、卸压,两釜端的啮合齿在每一次的开关门过程中,承受着交变载荷,并且频繁间歇操作及温差应力等因素共同作用下,容易造成应力集中,从而导致破坏。
蒸压釜内的底部冷凝水区域,易发生电化学腐蚀,在釜体逐渐形成腐蚀孔洞,甚至扩展成裂纹。而在釜体底部的轨道支座焊接点周围,釜底内表面上焊缝的残余应力与冷凝水中的氢氧根离子共同作用形成小裂纹,加上拉伸应力的作用,使裂纹迅速扩展,形成大裂纹,最终导致蒸压釜超压爆炸。
2.2.2 蒸压釜的检验
基于该损伤模式下,蒸压釜的检验主要进行釜内宏观检验、壁厚测定、无损检测和耐压试验。
①釜内宏观检验
重点检查蒸压釜釜齿结构、釜盖法兰与封头、釜体法兰与釜体连接形式、釜体焊缝布置是否合理、开孔及补强是否合理[7];对釜体底部主要检查排污管结构及疏水阀工作情况;检查釜内同断面最大与最小直径之差、封头凹凸量,测量纵、环焊缝的错边量、棱角度及焊缝余高;检查内外表面是否有裂纹、变形、腐蚀、划痕等缺陷;对快开门安全联锁装置进行手动调试,开启、关闭釜盖,安全手柄是否能转动到位[8],是否符合《固定式压力容器安全技术监察规程》里的要求。
②壁厚测定
重点检测易腐蚀、易冲蚀、制造工艺减薄、变形、修磨后及接管部位,对釜体外观检查发现的可疑部位增加测厚点。
③无损检测
重点对釜体法兰与釜体、釜盖法兰与釜盖的连接焊缝、现场组焊的环焊缝和支座与釜体连接的焊缝进行100%的磁粉探伤,对釜内表面的其他焊缝进行大于20%的磁粉探伤检查。
另外,针对釜体、釜门角焊缝、接管角焊缝应进行大于20%的渗透探伤检查。
④耐压试验
对蒸压釜进行整体耐压试验,观察压力表是否有明显变化,釜盖与釜体连接处是否有渗漏,各连接焊缝处是否有小水珠冒出。
2.3 焦炭塔的检验
焦炭塔是延迟焦化装置中的核心装备,其工作过程是重油在加热炉中加热到500℃左右后,通过塔下的四通阀从焦炭塔的底部进入塔内,在塔体内进行焦化反应。
2.3.1 焦炭塔的损伤模式
焦炭塔的工艺特点是操作温度高,变化频繁,每一个操作周期都要由常温变化到最高操作温度,并且生焦周期越短,温度变化速度越快。焦炭塔在每一次的循环中,局部的温差应力都会造成局部材料的屈服,导致焦炭塔产生低频疲劳破坏[9],具体表现形式为塔体鼓凸、倾斜、焊缝开裂和材质劣化。
开裂主要集中在裙座顶部与塔体连接焊缝处,该处多起源于焊缝的波谷处并向母材蔓延[10],主要是由温差应力产生的热疲劳和热冲击造成的,如图1-5所示,这种裂纹往往开口很大,仅凭目视检测就能发现;塔体焊缝处的开裂,主要集中在焊缝的热影响区或者焊缝表面凹凸不平的波峰或波谷处,是因为焊缝的内部缺陷不断扩展和停车时的硫化物应力腐蚀等因素造成的;而其他焊缝处的开裂,主要在堵焦阀、塔顶立柱底板与封头壁之间、以及出焦口等地方。
图1-5 裙座顶部与塔体连接焊缝开裂
材质劣化也是焦炭塔的主要损伤模式,早期的焦炭塔制造材料为20g,长期在400-500℃的高温环境下使用,其力学性能会随着温度的升高而下降。当焦炭塔长期处于500℃的工作温度时,承受着高温应力,其材料的组织结构会发生明显的变化,出现球化、石墨化倾向,降低材料本身的强度和使用寿命,这也是焦炭塔发生蠕变损伤的主要机理和表现。
2.3.2 焦炭塔的检验
基于该损伤模式下,焦炭塔的检验主要进行宏观检验、无损检测、硬度测定和金相检验。
①宏观检验
宏观检验主要分为开裂检测、腐蚀检测和变形检测。
开裂检测是指检查焦炭塔的所有接管角焊缝、裙座角焊缝有无裂纹,可用内窥镜检查裙座角焊缝的根部,内壁的对接焊缝。
腐蚀检测主要检查结焦层有无异常,以及拆除保温层后的接管部位。
变形主要检查焦炭塔的所有接管周围,尤其是堵焦阀的接管周围的塔壁有无明显的变形,焦炭塔是否有鼓凸变形,焦炭塔整体倾斜检测以及下塔盖的变形检测。
②无损检测
重点对裙座角焊缝及堵焦阀与筒体连接的接管角焊缝的表面,以及焦炭塔内壁上部的焊缝和热影响区进行磁粉或者渗透探伤[11]。
③硬度测定和金相检验
主要针对焦炭塔的裙座以下材料球化最严重的部位进行硬度测定,焦炭塔的裙座以上两个筒节也是发现鼓凸最多最明显的部位,也是硬度测定的重点区域,如发现硬度异常,还应对其进行金相检验,全面判断材质是否正常。
3 结束语
综上所述,基于损伤模式下对在用压力容器进行检验,能有效预防安全事故的发生,是一种较为先进全面的检验策略。通过对在用压力容器的损伤模式进行识别,分析风险最大的部位,制定相应的检验方案,利用宏观检验,无损检测和理化检验等手段,对重点部位进行检测,可以大大提高缺陷的检出率,及时修复缺陷,有效的保证了压力容器的安全性和稳定性,避免安全事故的发生。
参考文献:
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