李 輝，高 健，錢亞勇，楊佩旭

(1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

某電廠330 MW機組脫硝工藝采用選擇性催化還原法,脫硝劑為液氨。脫硝裝置主要由液氨儲存、氨氣制備、供應系統(tǒng)、氨氣混合系統(tǒng)、廢水吸收系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、催化劑、煙氣系統(tǒng)、反應器等組成,其中2臺液氨儲罐于2001年投入使用,無設計使用年限,設計壓力2.16 MPa,最高工作壓力1.6 MPa,設計使用溫度-9～50 ℃,容積60 m3,內徑2800 mm,材料Q345R,筒體厚度20 mm,封頭厚度22 mm。

2022年接使用單位報檢,對2號液氨儲罐進行委托檢驗。因該液氨儲罐無法查到設計使用年限,但使用已經(jīng)超過20年,根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》7.17條規(guī)定,達到設計使用年限的壓力容器(未規(guī)定設計使用年限,但是使用超過20年的壓力容器視為達到設計使用年限),如繼續(xù)使用,使用單位應當委托有檢驗資質的特種設備檢驗機構參照定期檢驗的有關規(guī)定對其進行檢驗,必要時進行安全評估(合于使用評價)。為確保該液氨儲罐的檢驗方法科學有效,及時發(fā)現(xiàn)影響設備安全運行的潛在隱患,在保障安全的前提下增加設備使用年限,減少使用單位成本投入[1],參考相關技術規(guī)范、檢驗檢測標準,針對性地制定專項檢驗方案并組織實施。

1 專項檢驗方案制定

通過審查設計資料、制造資料,包括質量證明書、竣工圖、監(jiān)檢資料、安裝竣工資料、歷年定期檢驗報告、年度檢查報告和月度檢查記錄等,發(fā)現(xiàn)該廠自2020年以來,連續(xù)兩年未開展全廠壓力容器年度檢查,且月度檢查內容不全,相關檢查記錄缺失,設計資料不全,未查到設計使用年限,實際使用超20年后,也未辦理使用登記證書變更。

通過詳細查閱該液氨儲罐的所有運行、檢修資料,了解日常使用狀況并分析失效模式,依據(jù)標準GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式》識別、分析其可能存在的主要損傷為腐蝕減薄、應力腐蝕開裂及其他損傷。對于超設計使用年限的2號液氨儲罐,為充分了解其壓力容器可能存在的缺陷,準確評價其安全狀況,檢驗方案中除開展宏觀檢查、壁厚測定、表面缺陷檢測和安全附件檢驗外,還增加了埋藏缺陷檢測項目；針對該液氨儲罐介質特點,特別要求在內表面進行表面檢測,同時增加了壁厚測定、焊縫表面檢測、接管座焊縫的檢測比例,要求在發(fā)現(xiàn)表面缺陷、埋藏缺陷、厚度異常時將檢測比例擴大到100 %,并與使用單位協(xié)商在條件允許時,增加耐壓試驗。

2 檢驗過程

2.1 宏觀檢查

宏觀檢查是壓力容器檢驗項目中最直接、最有效的方法之一。在該液氨儲罐的宏觀檢查中,重點檢查了其在運行過程中結構有無變形、幾何尺寸有無變化、是否存在介質泄漏、受壓元件有無改造、修理、內外表面有無明顯的機械損傷以及支座有無開裂、基礎有無下沉等情況[2]。檢查發(fā)現(xiàn)液氨儲罐東側封頭局部表面有油漆脫落,從東側數(shù)第二節(jié)筒體上存在一處凹坑,有機械打磨痕跡,其余承壓部位無變形、開裂等異常情況；宏觀檢查發(fā)現(xiàn)筒體表面有輕微腐蝕,液位計下端口管座角焊縫存在咬邊,長度20.0 mm,最大深度0.5 mm,其余部位未見異常。

2.2 壁厚測定

在審查上年度定期檢驗報告時,發(fā)現(xiàn)該液氨儲罐筒體南側第2條環(huán)焊縫附近實測壁厚與公稱厚度差值較大,為重點抽查區(qū)域；同時,對液位波動區(qū)域、進出口接管附近和宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的外表面油漆層脫落部位進行壁厚測量,壁厚測量點位及測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 壁厚測量數(shù)據(jù) 單位：mm

在對南側第3條環(huán)焊縫和縱縫附近筒體測厚時,發(fā)現(xiàn)局部厚度異常,為進一步確認壁厚測量數(shù)值,將該區(qū)域表面油漆去除露出金屬光澤,重新在試塊上校準儀器后進行復測,數(shù)據(jù)與前次測量相差無幾。

根據(jù)測量值及表面形貌進行研究分析,確認其為分層,且與表面存在一定夾角,分層區(qū)域壁厚測量值如表2所示。

表2 分層區(qū)域壁厚測量值 單位：mm

在該分層區(qū)域,根據(jù)實測壁厚值計算分層缺陷與自由面的夾角a,根據(jù)夾角值的大小判定分層的嚴重程度,分層區(qū)域壁厚測量見圖1,計算公式如式(1)所示。

圖1 分層區(qū)域壁厚測量

式中,h1、h2分別為分層區(qū)域測得的最小、最大壁厚,其值分別為9.02 mm、11.21 mm；L為最大壁厚與最小壁厚之間的距離(12.80 mm),則tga=0.17,得出a=ctg0.17=9.7°。

2.3 無損檢測

本次檢測主要采用表面檢測和超聲波檢測兩種方式。內部筒體焊縫及管座角焊縫采用磁粉探傷,檢測比例超過50 %,范圍覆蓋所有管座角焊縫及筒體環(huán)焊縫、縱焊縫及丁字接頭。采用超聲波探傷對筒體環(huán)焊縫和縱焊縫進行埋藏缺陷檢測,檢測區(qū)域包括所有筒體環(huán)焊縫、縱焊縫、丁字接頭和分層區(qū)域,整體檢測比例超過50 %。通過表面檢測和超聲波檢測均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.4 強度校核

由上次定檢報告壁厚測量結果和本次檢驗壁厚測量值,計算出液氨儲罐筒體的平均腐蝕速率為0.322 mm/年。該液氨儲罐最高工作壓力1.6 MPa,實際工作壓力0.98 MPa,內徑2800 mm,材料Q345R,筒體厚度20 mm,設計使用溫度-9～50 ℃。該材料在50 ℃時的許用應力為185 MPa,容器環(huán)焊縫、縱焊縫為雙面焊雙面焊成型,焊接系數(shù)為0.85,采用壁厚校核公式進行校核。

式中,δ為最小需要壁厚,mm；p為工作壓力,MPa；σ為使用溫度下的許用應力,MPa；ψ為焊接系數(shù)；d為罐體內徑,mm；c為腐蝕裕量,mm,此處c=2 mm。

按最高工作壓力1.60 MPa進行校核,代入上述數(shù)據(jù),得δ=16.32 mm。

根據(jù)實測液氨儲罐筒體最小壁厚16.19 mm,經(jīng)過壁厚校準,該液氨儲罐的筒體厚度在該條件下不滿足強度要求。

按實際工作壓力0.98 MPa進行校核,代入上述數(shù)據(jù),得δ=10.75 mm。

經(jīng)壁厚強度校核,在實際工作壓力為0.98 MPa下,該液氨儲罐的筒體厚度滿足強度要求,可繼續(xù)運行。

2.5 表面凹坑缺陷安全評定

2.5.1 凹坑缺陷的規(guī)則化和表征

按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》的規(guī)定,對該液氨儲罐外表面的不規(guī)則凹坑缺陷按其外接矩形將其規(guī)則化,長軸長度150 mm、短軸長度45 mm、最大深度4.60 mm。

2.5.2 計算凹坑缺陷的無量綱參數(shù)G0

經(jīng)檢測確認,凹坑及其周圍無其他表面缺陷和埋藏缺陷,符合進行無量綱參數(shù)的計算條件。若G0＜0.1,則該凹坑缺陷可免于評定,認為是安全的或可接受的?？紤]到該液氨儲罐屬于超設計使用年限的壓力容器,以3年為一個檢驗周期計算G0。

式中,B為評定用殼體計算厚度,mm；B0為凹坑附近實測容器殼體壁厚,mm；C2為一個檢驗周期內腐蝕減薄量(3年),mm；年平均腐蝕速率為0.322 mm/年；Z為凹坑深度,mm；X為凹坑長軸長度的一半,mm；R為容器平均半徑,mm。

經(jīng)計算可得B=15.964 mm,G0=0.144。因G0＞0.1,還需繼續(xù)按塑性極限載荷和最高容許工作壓力進行評定。

2.5.3 確定極限載荷和最高容許工作壓力

1) 計算材料流變應力。

由此可得σ—'=0.5(σs+σb)=412.5 MPa。

2) 計算無凹坑缺陷殼體塑性極限載荷。

代入相關數(shù)據(jù),計算得出pL0=5.413 MPa。

3) 計算帶凹坑缺陷容器極限載荷。

代入相關數(shù)據(jù),計算得出pL=4.797 MPa。

4) 計算帶凹坑缺陷容器最高容許工作壓力。

代入相關數(shù)據(jù),計算得出pmax=2.665 MPa。

工作壓力p=0.98 MPa＜pmax,可見該液氨儲罐的凹坑缺陷是安全、可接受的。

2.6 安全附件檢查

對安全閥、液位計、壓力表進行現(xiàn)場檢查,審查安全附件本年度校驗報告,結果顯示檢驗合格,符合運行要求。

2.7 耐壓試驗

耐壓試驗是一種采用靜態(tài)超載方法驗證壓力容器整體強度,對壓力容器進行綜合性考核的試驗,可以防止帶有嚴重質量問題或缺陷的容器投入使用。因該液氨儲罐屬于超設計使用年限的壓力容器,檢驗人員建議使用單位進行一次耐壓試驗或者在本次壁厚測量發(fā)現(xiàn)異常且強度校核不合格后必須進行耐壓試驗。由于液氨屬于有毒、易爆的危險化學品,本次方案中采用氮氣作為試驗介質進行氣壓試驗。氣壓試驗的最低試驗壓力計算如下。

式中,PT為耐壓試驗壓力,MPa；η為耐壓試驗壓力系數(shù)(1.10),[σ]為試驗溫度下Q345R的許用應力(185 MPa),[σ]t為設計溫度下Q345R的許用應力(185 MPa),P為液氨儲罐的設計壓力(2.16 MPa)。由此可得PT=2.38 MPa。

具體試驗程序如下：試驗前將液氨儲罐的其他無關閥門關閉,打開筒體壓力表閥門和充氮管道閥門開始打壓,應先緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力0.238 MPa并保壓5 min,對液氨儲罐整體及連接部位進行檢查,如無泄漏可繼續(xù)升壓至規(guī)定壓力1.19 MPa并保壓5 min,如無異常,按照0.238 MPa/min的速率進行升壓至2.38 MPa并保持10 min,再降壓至2.16 MPa,然后進行檢查,檢查期間壓力保持不變,則試驗合格。

3 安全狀況等級評定

對于超設計使用年限的壓力容器,安全狀況等級評定可參考T/CASEI 013—2022《超設計使用年限壓力容器檢驗規(guī)范》進行,對檢測結果綜合評定,以其中項目等級最低者為評定等級,進行單項評定時,同等情況宜從嚴掌握。根據(jù)該液氨儲罐宏觀檢查結果,液位計下端口內部焊縫咬邊,以及凹坑缺陷無量綱參數(shù)與極限載荷和最高容許工作壓力的計算,評定為3級；壁厚測定結果經(jīng)強度校核,滿足使用要求,筒體分層夾角小于10°,評定為3級,其余檢驗檢測未發(fā)現(xiàn)異常。綜上評定認為,該液氨儲罐綜合評定為3級。

4 檢驗周期確認

檢驗周期的確定參考TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》和T/CASEI 013—2022《超設計使用年限壓力容器檢驗規(guī)范》的相關規(guī)定進行。因該液氨儲罐已超過設計使用年限,存在未按規(guī)定進行年度檢查和月度檢查不規(guī)范的問題,根據(jù)本次檢驗綜合評定的安全狀況等級,并結合使用單位的綜合管理能力、應急水平及其意見[3],最終確定檢驗周期為3年。

5 檢驗結論及建議

該廠2號液氨儲罐屬于超設計使用年限的壓力容器,后期運行存在一定的安全風險。此次根據(jù)該液氨儲罐壓力容器的工藝、工況及識別的損傷模式制定了專項檢驗方案,除耐壓試驗因檢修工期的原因未執(zhí)行外,其余檢驗、檢測項目均已按方案嚴格實施,通過安全狀況等級評定,給出符合要求的結論,認定該液氨儲罐可按原參數(shù)繼續(xù)運行。根據(jù)給出的檢驗周期,要求使用單位在有效期滿的前1個月內向有資質的檢驗機構提出委托檢驗申請。

對于此類超設計使用年限或將要超設計使用年限的壓力容器,使用單位在今后的工作中應加強管理,做好年度檢查和月度檢查工作以及運行過程中壓力容器缺陷和問題的記錄；同時,使用單位盡快對超過設計使用年限的壓力容器進行使用登記證書變更辦理,做好壓力容器安全臺賬、技術資料更新。此外,因液氨屬于易爆、易燃、有毒性物質,建議對超設計使用年限的液氨儲罐在下次有效期滿前,委托有資質的檢驗機構進行合于使用評價,評估剩余使用壽命。

6 結束語

通過編制及實施合理的壓力容器檢驗方案,可避免發(fā)生檢驗過度或檢驗不足等情況,為超設計使用年限壓力容器的安全使用提供科學依據(jù)；同時還可在事故發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)存在的缺陷,提出具有針對性的檢驗檢測方案和返修措施,大大降低超設計使用年限壓力容器的潛在風險,為其他在役超設計使用年限壓力容器的長期安全運行提供參考,達到節(jié)約成本、提高使用單位經(jīng)濟效益的目的。