超期設計使用年限的壓力容器檢驗案例分析

田金龍，劉奉東，楊文博，孫婷婷

（北方化錦化學工業股份有限公司檢驗中心，遼寧盤錦 124000）

0 引言

隨著我國工業化水平的不斷提高，壓力容器的數量也逐年劇增，據國家市場監督管理局的統計數據顯示，截至到2019 年，我國的壓力容器在用數量已接近400 余萬臺[1]。與此同時，超過設計使用年限的壓力容器也在逐年增加。一般情況下，超過設計使用年限的壓力容器應當給予報廢、注銷，但是部分設計人員為了規避風險，對所設計的壓力容器的設計使用壽命規定得較短，這類壓力容器尚有繼續使用的可能性。根據國家特種設備安全法和壓力容器相關技術規范，此類壓力容器應當委托檢驗機構對其檢驗。在檢驗實踐過程中，對一臺超設計使用年限的壓力容器進行檢驗時，采取專用檢驗方案，對其進行檢驗后，成功發現其存在的潛在缺陷，避免了該壓力容器事故的發生。

1 設備基本情況

該設備為某公司液化石油氣儲罐，是附屬的殘液罐，制造于1998 年，該儲罐的設計使用年限為20 年，已超過設計使用年限，具體的使用參數:設計壓力1.77 MPa；使用壓力≤1.6 MPa；設計溫度50 ℃；使用溫度≤50 ℃；主體材料16MnR；封頭厚度16 mm；筒體厚度14 mm；容器直徑2000 mm；容積32 m3；工作介質為液化石油氣。

2 檢驗情況

使用單位于2019 年12 月1 日向檢驗單位申請委托檢驗，因該儲罐已超過設計使用年限，根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》編制了其專用的檢驗方案，所編制的檢驗方案與其他壓力容器的通用檢驗方案相比，突出了以下重點:

（1）資料審查。該設備是移裝后，在我機構首次進行檢驗，因此對于其設計、制造、安裝竣工資料（包含前一使用單位的安裝竣工資料）、修理改造資料、日常使用維護資料和定期檢驗資料年度檢查資料等，進行詳細徹底的審查。

（2）檢驗項目和方法。該設備屬于超設計使用年限的設備，其使用介質為液化石油氣，制造材料為16MnR，綜合考慮其失效模式，根據承壓設備損傷模式識別來分析，較有可能發生的損傷是腐蝕減薄和環境開裂。因此，在方案中，增加了測厚的點數，對于環境開裂，采用了對內壁所有縱、環焊縫采用100%埋藏缺陷檢測和表面無損檢測的方式，對所有的角接焊縫采用滲透檢測100%檢測。

3 檢驗中發現的問題

根據專用檢驗方案，對該液化石油氣儲罐進行檢驗。經審查其資料齊全，設計、制造和歷年的定期檢驗報告均有，且發現在其整個使用過程中并未發生過修理和改造，但是使用單位未按要求進行年度檢查。

在儲罐內進行宏觀檢查時，發現其東面的封頭下半部分有15 個呈白色、直徑30～60 mm、高度5～15 mm 的異形缺陷，初步確定是鼓泡缺陷（圖1）。發現其存在鼓泡缺陷后，對其周圍增加測厚點數，發現其附近內壁往外測壁厚僅有6±2 mm；而在同樣的位置，外壁向內壁測量其壁厚為10±2 mm。對其鼓泡的位置進行打磨，用滲透檢測進行無損檢測，有些鼓泡內部發現存在30～50 mm 長不等的潛在裂紋（圖2）。

4 缺陷成因分析

首先分析其制造材料，查閱使用單位留存的檔案資料，對該壓力容器筒體及封頭的材料，查閱其元素含量和力學性能表。從資料中可以發現，封頭材料其Mn 元素的含量比筒體材料的稍高，而且其抗拉強度、屈服強度均比筒體材料高。16MnR 是我國自主研發的一種壓力容器專用鋼材，它主要含有錳合金元素。錳能夠增加珠光體的含量，從而使其具有良好的綜合機械性能。我國絕大多數的液化石油氣儲罐都使用16MnR 制造，其使用在這類壓力容器中的最大缺陷是具有較高的濕H2S 腐蝕敏感性。

液化石油氣是從石油的開采、裂解、煉制等生產過程中得到的副產品，它是碳氫化合物的混合物，其主要成分包括:丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）、丁烯（C4H8）和丁二稀（C4H6），同時還含有少量的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、戊烷（C5H12）及硫化氫（H2S）等成分。從不同生產過程中得到液化石油氣，其組成有所差異。它在常溫下加上0.5～1.8 MPa 的壓力即成為液體。目前，液化石油氣依然是我國居民生活主要使用的能源之一。

圖1 氫鼓泡

圖2 氫鼓泡上的裂紋

本次檢驗的液化石油氣貯罐使用時間21 年，查閱歷年的檢驗報告，未發現有任何關于氫鼓泡的記錄和其他任何危害儲罐使用安全的缺陷。從前述液化石油氣的成分上分析，其中含有的少量硫化氫容易與水分相結合，形成濕硫化氫氛圍，產生濕硫化氫破壞。根據GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》的描述，對濕硫化破壞的描述為:在含水和硫化氫環境中碳鋼和低合金鋼所發生的損傷，包括氫鼓泡、氫致開裂、應力導向氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂4 種形式[2]。①氫鼓泡，金屬表面硫化物腐蝕產生的氫原子擴散進人鋼中，在鋼中的不連續處（如夾雜物、裂隙等）聚集并結合生成氫分子，當氫分壓超過臨界值時會引發材料的局部變形，形成鼓泡；②氫致開裂，氫鼓泡在材料內部不同深度形成時，鼓泡長大導致相臨的鼓泡不斷連接，形成臺階狀裂紋；③應力導向氫致開裂，在焊接殘余應力或其他應力作用下，氫致開裂裂紋沿厚度方向不斷相連并形成穿透至表面的開裂；④硫化物應力腐蝕開裂，由于金屬表面硫化物腐蝕過程中產生的原子氫吸附，在高應力區（焊縫和熱影響區）聚集造成的一種開裂[3]。

在這臺壓力容器中，長年累月的濕硫化氫環境，使得16MnR材料和H2S 的反應生成的氫原子向鋼中擴散，在鋼材的非金屬夾雜物、分層和其他不連續處，易聚集形成分子氫。由于在鋼組織內部的氫分子很難逸出，從而形成強大內壓導致其周圍組織屈服，形成表面層下平面孔穴結構，即宏觀觀察到的氫鼓泡。與此同時，氫鼓泡在材料內部不同深度形成時，鼓泡長大導致相臨的鼓泡不斷連接，形成了臺階狀裂紋，如圖2 打磨后滲透檢測所發現的裂紋。對其他筒體和封頭進行了仔細檢測，在沒有分層的板材部位均未發現有氫鼓泡。說明該貯罐是因為封頭存在分層，加之液化石油氣中的硫化氫含量超標而導致氫鼓泡開裂。

5 缺陷處理及措施

根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》第8 章關于定期檢驗的規定，本次檢驗對該壓力容器的安全技術等級定為了5 級。考慮到鼓泡的點數較多，打磨深度較大，鋼板分層的面積較大，綜合考慮到該壓力容器已使用了21 年，維修價值不大，因此建議使用單位立即停止使用該壓力容器，同時向監察部門辦理報廢手續。對于本次檢驗案例，為防止再次發生氫鼓泡現象，建議用戶和廠方采取以下改進措施:①嚴格控制液化石油氣硫化氫和水的含量；②采用涂層的方法在罐體內表面形成保護膜，使鋼板與硫化氫環境隔絕，從而防止鋼材受損；③選用低硫磷的抗硫化氫腐蝕的專用鋼材制造；④嚴格控制分層鋼板的使用。