清洗罐開裂失效與設計條件的討論

張 光陳 罡張雅新

（1.中國石油遼陽石油化纖公司機械廠 遼陽 111003）

（2.遼陽石化公司機動設備處 遼陽 111003）

清洗罐開裂失效與設計條件的討論

張 光1陳 罡1張雅新2

（1.中國石油遼陽石油化纖公司機械廠 遼陽 111003）

（2.遼陽石化公司機動設備處 遼陽 111003）

設計輸入是保證設計質量的前提，設計條件的準確性與完整性決定設計文件的正確性與完整性，影響建造的可靠性與使用的安全性，關系壓力容器的本質安全。以清洗罐開裂失效為例，從對清洗罐工作原理和清洗過程分析看出，由于設計條件與使用工況的不符合，使得失效模式與設計準則的確定不全面，造成設計與使用的偏離，導致產品性能滿足不了使用的安全要求。由此說明設計條件的重要性，建議用戶、設計及標準等相關各方關注設計條件的完整性。

清洗罐 開裂失效 設計條件 完整性

《固容規》［1］及GB 150［2］對設計委托方（用戶）增加了職責，要求用戶以正式書面形式向設計單位提供充分而準確的設計條件。現以清洗罐開裂失效為例，對設計條件的重要性、完整性及用戶與設計的職責等問題進行討論，以引起用戶、設計及標準等相關各方的關注，保證壓力容器的本質安全。

一臺高壓超臨界甲醇清洗罐（簡稱清洗罐），結構形式如圖1所示，技術特性見表1，施工圖要求設計、制造與檢驗標準按TSG R0004—2009、GB 150—2011及HG/T 20584—2011，而風險評估報告中的失效模式則是強度失效、均勻腐蝕及泄漏失效，但清洗罐卻在使用中發生圓筒縱向開裂，參考文獻［3］對此分析認為是應力腐蝕失效。這是一起典型的因設計條件不完整所導致的設計與使用的偏離或用戶使用工況超出所提出的設計條件而造成的事故。

圖1 清洗罐示意

表1 技術特性

1 設計條件的重要性

設計條件的準確性與完整性決定著設計文件的正確性與完整性，影響著壓力容器的類別劃分、失效模式、設計準則、設計壽命以及制造檢驗、使用管理、定期檢驗等安全技術，由此影響壓力容器建造的可靠性，

關系壓力容器的本質安全。

1.1 設計條件決定失效模式

根據清洗罐的工作原理和清洗過程［3］，清洗罐的失效模式不只是強度失效和均勻腐蝕及泄漏失效，尚存在以下失效。

1）鑒于在清洗罐內用超臨界甲醇溶解重油而清洗過濾芯的過程為間歇式操作，所以在封閉罐開工過程中的介質腐蝕不僅僅是超臨界甲醇，尚有重油污垢中的硫化氫等殘留物的腐蝕；而在敞開罐停工時則存在應力腐蝕環境。對此，設計既要考慮控制介質的全面腐蝕，又要規避局部腐蝕-應力腐蝕開裂風險。

2）鑒于清洗罐操作為間歇式-每24小時進行一次，每次操作過程為：在常溫常壓下將待洗的污垢過濾芯裝罐→封閉罐蓋→注入甲醇→外壁電加熱升溫至300℃（超臨界狀態）→保持一定時間以去除濾芯上污垢→停止加熱并放出甲醇→常溫常壓下開罐并取出過濾芯，由此完成一次清洗操作?？梢姡粼O計壽命為10年，僅“啟動與停車的壓力循環次數”已超過1000次［4］，則應按JB4732-附錄C進行疲勞失效的分析設計。

3）鑒于清洗罐操作時用戶采用外壁局部（裝有甲醇的部位）電加熱使甲醇達到超臨界狀態，這在設計文件中沒有顯示。雖然電加熱器加熱不像直接火焰加熱那樣因火焰大小或波動而使溫度不均衡或不穩定，但局部電加熱對罐體同樣產生氧化腐蝕和內外壁溫差應力以及因溫度梯度引起的軸向熱應力等不確定因素。所以，至少GB150不適用，至于JB4732是否適用和《固容規》是否監管有待商榷。若通過局部電加熱使罐內甲醇達到300℃，則管壁的金屬溫度就要高于300℃，所以清洗罐的設計溫度有待考證。因為，電加熱罐內流體的傳熱過程是：熱輻射外壁→熱傳導內壁→對流傳熱至流體，這要比管殼式換熱器中流體間傳熱（對流傳熱外壁→熱傳導內壁→對流傳熱至流體）的傳熱強度對罐壁金屬溫度的影響要大得多。

從設計文件上看，顯示不出上述操作過程與工況，不論是失效模式與設計準則，還是材料選擇以及技術要求，就是設計溫度都與清洗罐操作過程存在偏離，設計文件不能應對用戶使用的失效模式，這是由于設計條件不準確與不完整所致。

1.2 設計條件決定設計壽命

清洗罐設計文件注明設計使用年限（設計壽命）為10年，可實際上清洗罐卻只使用了20次（間歇操作：每24h為1次操作循環）發生罐體圓筒破裂失效，造成設計壽命與實際使用較大偏離的原因是設計條件的不準確與不完整，正如上面所述。從中體現設計壽命是容器設計的重點與難點，《固容規》強調設計壽命是必要的。

1）《固容規》為避免壓力容器因超期使用而發生安全事故，同時為推行失效模式的設計理念提高設計水平，利于壓力容器的使用管理、定期檢驗及安全監督，將“預期使用年限”作為設計條件內容和“設計使用年限（疲勞容器標明循環次數）”作為設計總圖內容加以明確，要求設計者與委托方協商，根據容器的使用工況、失效模式、重要性與經濟性以及工程經驗等合理確定設計壽命。

2）設計壽命不等同于實際使用壽命，應根據失效模式與工程經驗來合理確定。工程經驗如可對比的成功使用容器以及相關標準［5］對煉油裝置或化工裝置容器的使用壽命規定等，而基于失效模式則需要設計者全面考慮設計條件有效控制失效風險。并且用戶尚應在使用中根據定期檢驗修訂設計壽命以安全使用。

3）對于清洗罐應全面分析設計條件，應合理選擇材料以控制應力腐蝕，再以疲勞失效分析設計確定合適的設計壽命，并根據介質的均勻腐蝕確定合理的腐蝕裕量。

1.3 設計條件決定資格職責

《固容規》為保證壓力容器設計的正確與完整性和制造的可靠性，要求設計與制造應分別持有相應的許可證。

1）根據設計條件，清洗罐按《固容規》劃為Ⅲ類壓力容器，屬于高壓（p=15MPa）反應（超臨界甲醇溶解重油）容器，設計至少應具備A2級設計資質并持有應力分析設計許可證；

2）對于疲勞分析設計的Ⅲ類高壓容器制造，其資質至少為A2級制造許可證并具有相應的質量保證體系；

3）對于清洗罐用戶采用局部電加熱方式來實現甲醇的超臨界狀態，此工況的壓力容器《固容規》是否監管以及JB 4732是否適用？請業內討論。

2 設計條件的完整性

從上面討論的設計條件重要性中可以看出，容器設計的正確與完整性需要設計條件的準確與完整性的支持。

2.1 規程標準規定

《固容規》3.3對設計條件明確規定：壓力容器的設計委托方應當以正式書面形式向設計單位提出壓力容器設計條件。設計條件至少包含以下內容：

1）操作參數（包括工作壓力、工作溫度范圍、液位高度、接管載荷等）；

2）壓力容器使用地及其自然條件（包括環境溫度、抗震設防烈度、風和雪載荷等）；

3）介質組分與特性；

4）預期使用年限；

5）幾何參數和管口方位；

6）設計需要的其他必要條件。

GB 150.1—4.2.2.1 則在此基礎之上增加了一條：容器設計所依據的主要標準和規范。

2.2 設計條件解讀

1）載荷條件：分為內載荷與外載荷。內載荷是容器內在條件（如工作壓力與工作溫度范圍等）；而外載荷是容器外部條件（如環境溫度、抗震設防烈度、風和雪載荷等）。其中工作壓力與工作溫度（在工藝過程中容器的工作范圍內相互對應）決定著設計壓力與設計溫度，兩者一起（最苛刻的壓力-溫度組合）作為設計載荷條件，前者決定容器的計算應力水平，后者決定容器材料的設計應力強度（許用應力）和沖擊韌性（沖擊功值），共同決定著容器的安全性能（強度、剛度、穩定性和抗腐蝕性）。并且，設計壓力（高低或循環）是設計的重要數據，不僅是容器劃類的條件（介質-p-V）之一，更是選擇設計準則的依據。

2）介質條件：介質的組分決定著介質的特性（危險性即易爆或毒性、腐蝕性即均勻腐蝕或局部腐蝕）。介質是容器作用的“主角”，不僅是容器劃類的條件（介質-p-V）之一，更是材料選擇的重要依據。介質離不開工藝過程，如對于物理或化學反應，介質既包括反應物又包括生成物。

3）結構尺寸：立式或臥式、幾何參數和管口方位簡圖。結構尺寸決定V值，是容器劃類的條件（介質-p-V）之一，也是失效模式的主體。

4）預期壽命：用戶提出的希望值，但需要設計合理確定。

5）必要條件：選材要求、防腐要求、表面處理、特殊試驗、安裝運輸要求等。

可見，要完成一定結構尺寸容器的設計并保證設計壽命期內的安全性能，載荷與介質至關重要，而且都離不開工藝過程。

2.3 上述案例討論

作為過程使用的容器，一切都離不開工藝過程。而工藝過程呈現出介質的組分及壓力的變化，決定著設計所要考慮的因素，關系著設計的正確與完整性，影響著容器的本質安全。

1）從上述案例的設計文件中，看不出清洗罐的工作原理和清洗過程，只能從施工圖數據表中看到：介質為超臨界甲醇/易爆、中毒危害，p=15MPa，V=0.09m3，Ⅲ類壓力容器；設計、制造與檢驗標準按TSG R0004—2009、GB 150—2011及HG/T 20584—2011。而風險評估報告中的失效模式則是強度失效、均勻腐蝕及泄漏失效。這是忽略了清洗罐的工作原理和清洗過程及溶質的緣故。

2）從清洗罐的工作原理和清洗過程看出，容器內的介質不僅僅是溶劑-超臨界甲醇，尚有過濾芯上的溶質-重油，這樣才能完成物理反應-溶解（清洗），并且清洗罐是間歇操作（每24h完成1次操作）。所以，在確定設計壽命時，不僅要進行疲勞分析設計，而且尚要考慮開工時溶質與溶劑的均勻腐蝕、停工時的局部腐蝕-應力腐蝕。

3）至于清洗罐用戶采用局部電加熱方式來實現甲醇的超臨界狀態，在此工況下的容器設計如何考慮，請業內討論。

綜上討論，設計條件的完整性關系著設計質量能否符合容器的安全性能要求，而《固容規》從容器劃分類別考慮，去掉了工作原理和工藝過程，但設計條件中不能缺少容器使用過程的說明，設計者對此應引起注意。

3 用戶與設計的職責

《固容規》為增強容器安全主體的責任，增加了用戶的職責，并規范了設計條件。為此，GB 150也增加修訂了用戶與設計等職責，以保證容器的本質安全。

3.1 標準規定

1）用戶職責：容器的用戶或設計委托方應當以正式書面形式向設計單位提出容器設計條件。并規定了設計條件的內容要求（略）。

2）設計職責：設計單位應對設計文件的正確性和完整性負責。并規定了設計文件的內容及保管要求（略）。

3.2 職責解讀

1）向設計單位提供完整而準確的設計條件是用戶的責任，以利于設計全面考慮各種工況因素實施基于失效模式的設計理念，所以，用戶應對設計條件的準確性與完整性負責。同時用戶也可以提出設計所用標準（規則設計或分析設計）及預期壽命等要求。

2）設計應對設計條件的準確性與完整性予以確認，以圓滿完成容器的設計，并為設計文件的正確性和完整性負責。

3.3 案例討論

1）用戶應完善設計條件，尤其是應注重對清洗罐工作原理和清洗過程的說明，并給出過濾芯污垢重油的組分，以及停工時清洗罐如何清洗罐內殘留污垢等。

2）設計應確認設計條件，合理確定失效模式與設計準則及選材，并與用戶協商設計壽命的合理確定，使設計文件達到正確性和完整性要求。

4 結語

綜上討論，得出結論：

1）設計輸入是保證設計質量的前提，設計條件的準確性與完整性決定設計文件的正確性與完整性，影響建造的可靠性與使用的安全性，關系壓力容器的本質安全。

2）設計條件中的載荷與介質是設計重要數據，不但影響容器的結構尺寸、設計壽命的確定，而且更關系容器的類別劃分、失效模式、設計準則、技術要求以及制造檢驗、使用管理、定期檢驗等安全技術。

3）作為工藝過程使用的壓力容器，其設計條件離不開工藝過程。所以，設計條件內容應增加“工作原理和工藝過程”。

［1］ TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術監察規程及釋義［S］.

［2］ GB 150—2011壓力容器器及釋義［S］.

［3］ 喻杰，等.超臨界甲醇清洗罐開裂失效分析［J］.壓力容器，2014，31（7）：55-58.

［4］ JB 4732—1995 鋼制壓力容器——分析設計標準（2005年確認）［S］.

［5］ SH/T 3074—2007 石油化工鋼制壓力容器［S］.

Cracking Failure Analysis of the Cleaning Tank and the Necessity Analysis of Giving Explicit Design Condition

Zhang Guang1Chen Gang1Zhang Yaxin2
（1.CNPC Liaoyang Petrochemical Fibre Company Machinery Factory Liaoyang 111003）
（2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003）

Determining the design conditions is the premise to ensure the design quality. The accuracy and completeness of design condition determines the correctness and completeness of design documents， also determines the fi nal reliability and the safety of the pressure vessel. Taking a cleaning tank cracking failure case as an example， this paper analysis the work principle and the cleaning process， the following conclusions have been taking: due to the design conditions and using conditions are not met， the failure modes and the design guidelines have not been determinate completely. It causes the design condition and the vessel work diverges from each other. It also causes the performance of vessel cannot meet the safety requirements. This illustrates the importance of determining the design condition. It suggests the users， the design units and the standard preparation department to concern the integrity of the given design conditions.

Cleaning tank Cracking failure Design conditions Completeness

X933.4

B

1673-257X（2015）04-26-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.007

張光（1960～），男，本科，高級工程師，從事壓力容器建造工作。

2014-12-09）