超期服役壓力容器安全評估工作的探討

占龍楊，王志成，王超然，葛志強，劉飛

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210036)

0 引言

超期服役壓力容器通常是指達到設計使用年限的壓力容器(未規定設計使用年限，但是使用超過20年的壓力容器視為達到設計使用年限，存在一定的操作運行風險。在TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術監察規程》[1](以下簡稱《固容規》)中要求，此類壓力容器如果要繼續使用，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定對其進行檢驗，必要時進行安全評估(合于使用評價)，經過使用單位主要負責人批準后，辦理使用登記證變更，方可繼續使用。

1 關于超期服役壓力容器安全評估的思考

現有規范中提出了超期服役壓力容器的概念，但檢驗檢測標準及規范未給出明確要求，在操作層面出現理解偏差，存在部分監管部門要求企業對超期服役壓力容器逐步進行更新及各地檢驗機構在實際檢驗中存在檢驗項目差別大等問題，這些增加了企業負擔和經濟成本。本文主要從安全評估角度出發，對超期服役壓力容器進行探析。在《固容規》 7.1.7條提出了超期服役壓力容器必要時需要進行安全評估(合于使用評價)，合于使用評價在《固容規》 8.9條中是指監控使用期滿的壓力容器或者定期檢驗中發現嚴重缺陷可能導致停止使用的壓力容器進行的評價工作。對于超期服役壓力容器是否開展合于使用評價，筆者認為應由壓力容器本身是否存在超標缺陷決定，而不應是否超期服役來判定。從完善壓力容器全周期管理的角度，企業可從自身需求出發，決定是否開展安全評估工作。筆者結合超期服役壓力容器安全評估的工作經驗，就超期服役壓力容器安全評估進行探討。

2 壓力容器設計使用年限的問題

設計使用年限在2009年之前一直是設計人員想規避的問題，但在2009年版《固容規》中給出了規定：(1)壓力容器的設計委托方應以書面形式向設計單位提出預期使用壽命；(2)設計單位應在設計總圖上注明壓力容器設計使用年限(疲勞容器標明循環次數)。

在《固容規》規定了未注明設計使用年限但超過20年的壓力容器視為達到設計使用年限主要原因可能有：(1)在實際工作中，檢驗及評估人員在審核相關圖紙時，還會遇到圖紙中沒有注明設計使用年限的問題；(2)相關壓力容器行業標準一般有推薦的設計使用年限(例如HG/T 20580—2011[2]對壓力容器設計使用年限給出了如下推薦性規定：一般容器、換熱器：10年；分餾塔類、反應器、高壓換熱器：20年；球形容器：25年；重要的反應器：30年)。設計使用年限不代表該臺壓力容器就能使用或者只能使用設計使用年限，使用年限應依照壓力容器的使用狀況(例如壓力容器運行時腐蝕性介質有無變化及有無異常工況等)和其自身情況(例如壓力容器有無先天缺陷及使用過程的新生缺陷等)，并結合使用單位的運行維護情況和風險管理等來判定設備能不能繼續使用。

3 超期服役壓力容器安全評估工作

超期服役壓力容器是否開展安全評估工作筆者認為應當由企業根據自身需求決定，故實際遇到這類安全評估工作時，應歸為委托技術服務工作。開展工作前，使用單位應當與檢驗機構簽訂委托評估合同。在評估協議中會約定安全評估工作的技術依據為 GB/T 30579—2014 《承壓設備損傷模式識別》[3]、GB/T 26610—2014 《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》[4]、GB/T 35013—2018 《承壓設備合于使用評價》[5]、GB/T 19624—2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》[6]等。

開展超期服役壓力容器安全評估工作的技術路線通過對超期服役壓力容器的資料(含竣工資料、維修改造資料、年度檢查報告、定期檢驗報告、工藝數據等)的審查，依據GB/T 30579—2014 《承壓設備損傷模式識別》進行潛在損傷模式識別，主要從腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化、機械損傷等方面進行綜合分析。在分析完損傷模式后，結合相關檢驗檢測記錄，依據GB/T 26610.2—2014 《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第2部分：基于風險的檢驗策略》中歷史檢驗情況有效性進行分析，并根據識別出的損傷模式進行與使用年限相關性進行分析，根據分析結果及收集的相關數據進行安全風險評估工作，提出推薦性檢驗策略供檢驗機構實施檢驗。

3.1 壓力容器損傷模式與檢驗有效性分析

3.1.1 腐蝕減薄

腐蝕減薄指在腐蝕性介質作用下金屬發生損失造成的壁厚減薄情況，是壓力容器最常見的一種損傷，通常有均勻腐蝕和局部腐蝕兩種。容器若存在均勻減薄情況時，設計人員在設計過程中通常采用整體增加容器壁厚方式的保證容器完整性，存在局部減薄時，通過局部增加壁厚(例如：設置防沖板、局部增加厚度等)提高承載能力。在檢驗過程中使用目視檢測、縱波超聲測厚、射線成像檢測、漏磁檢測等可以到達中高度有效性以上的檢驗有效性，設備發生失效往往是因為局部減薄造成的。

3.1.2 環境開裂

環境開裂指在腐蝕性介質作用下材料發生開裂的可能性；環境開裂主要影響有敏感的金屬材料、足夠大的拉伸應力、特定的腐蝕介質。在設計時，會考慮介質與材質的匹配情況，在制造過程中，會通過熱處理等消除焊接殘余應力。但從實際檢驗經常還會遇到材料發生環境開裂的情況，主要是由于設計工況與實際工況不能完全一致、腐蝕性介質存在局部濃縮等情況。對環境開裂損傷機理中高度有效性以上的檢驗項目有：熒光磁粉、滲透檢測、渦流檢測等?；钚匀毕菘刹捎寐暟l射能有效的檢出。

3.1.3 材質劣化

材質劣化指由于服役環境作用下材料微觀組織或力學性能發生了明顯退化；對于壓力容器來說，通常是比較苛刻的工作環境才會發生。在設計過程中會選擇耐高溫、耐沖刷的材料。由于實際工況中會出現超溫、超壓等情況，材質劣化現象難以避免。對于發生材質劣化的材料，中高度有效性及以上的檢驗項目有金相分析、硬度檢測等。

3.1.4 機械損傷

機械損傷指材料在機械載荷或熱載荷作用下，發生的承載能力下降；機械損傷通常是實際工況中無法避免，譬如在壓力容器的筒體變徑部位、物料進出口接管部位、液位波動部位等處發生的沖刷磨損。還有一種是介質本身發生相態變化導致的，一般會形成溝槽、波紋狀形貌或凹坑等。產生沖刷的介質相態可以是氣體、液體、氣液及氣固混合物。對于發生機械損傷的材料，中高度有效性以上的檢驗項目有目視檢測、超聲波測壁厚等。

對無法歸入上述損傷模式或非單一損傷的歸入其他損傷。在損傷模式識別過程中要充分和企業相關人員(工藝工程師、設備工程師及儀表工程師等)進行交流，獲得真實可信的數據。

3.2 壓力容器損傷模式與使用年限相關性分析

超期服役壓力容器的評估工作，根據識別出的損傷模式、壓力容器使用年限、檢驗檢測數據等對損傷模式和使用年限進行相關性歸類。相關度可分為四類，不相關、低度相關、中度相關度和高度相關。

腐蝕減薄與容器使用年限相關度分析，可結合竣工圖、歷次年度檢查、定期檢驗等測厚數據計算出實際腐蝕速率，并與設計時的腐蝕速率進行對比，確定腐蝕減薄相關度。

環境開裂與容器使用年限相關度分析，需考慮介質本身是否有腐蝕開裂傾向、容器材質是對工作介質是否有敏感性、是否有應力存在。需要調查容器制造時是否進行熱處理、歷年運行工藝數據、腐蝕性介質標定記錄、歷次定期檢驗報告有無中高度有效性以上的檢測手段。對定期檢驗報告中發現環境開裂傾向的容器應提高相關性等級。

材質劣化與容器使用年限相關度分析，考慮容器在高溫、高壓、再熱等工況下發生的損傷，一般要結合具體操作工況，尤其對于長期高溫運行、反復再熱工況。關注球化、石墨化等損傷機理，在調閱定期檢驗報告時，應關注是否開展了金相、硬度等檢驗項目。

機械損傷與容器使用年限相關度分析，需要考慮機械疲勞、熱疲勞、機械磨損、沖刷、汽蝕、過載、熱沖擊、蠕變等損傷機理。在調閱定期檢驗報告時，應關注測厚數據、宏觀檢查等檢驗項目。

3.3 超期服役壓力容器安全評估

超期服役壓力容器安全評估引入基于風險的檢驗中風險分析及風險評估的內容，需要收集壓力容器的資料主要包含：工藝信息，包括工藝流體物性和潛在腐蝕性數據；機械信息，包括設備的設計、制造、安裝資料；檢驗記錄，包括近幾次定期檢驗報告、年度檢查報告；運行及檢維修記錄。具體需收集的資料如下：

(1)壓力容器管理臺賬、制造監督檢驗證書、使用登記證；

(2)操作工藝規程(含裝置介紹、裝置工藝描述、工藝控制指標)；

(3)工藝流程圖(PFD) 和工藝儀表流程圖(P&ID)，物料平衡表；

(4)壓力容器質量證明文件(含竣工圖)；

(5)近三次定期檢驗報告、年度檢查報告；

(6)運行、維修、改造(包括設備改造和工藝改造)、更新記錄；

(7)現有采樣分析點及分析數據；

(8)裝置現有腐蝕監測數據(包括：定點測厚、腐蝕探針等)；

(9)相關的跑冒滴漏記錄、腐蝕調查報告、失效分析報告、事故分析報告。

采集壓力容器資料時，當不同來源數據間出現模糊或不一致，且經核查仍無法確定時，應由委托單位復核確定，壓力容器數據采集應注明了數據的來源。

在安全評估中，安全風險被量化為失效可能性和失效后果的積，可用公式表示為：

式中：s為失效事件；Ls、Cs分別為事件s的發生概率和事件s引起的后果。

失效可能性研究的是設備發生某種失效的概率。在進行安全風險分析時，失效可能性指的是設備每年可能泄漏的次數。在API 581[7]中，失效可能性分析以同類設備失效頻率為基礎，綜合考慮企業管理水平和設備服役現狀對同類失效頻率影響，通過管理系數和設備系數兩項進行修正，得到調整后的失效頻率即為設備失效可能性，用公式表示為：

式中：FG為同類設備失效頻率，代表同類設備不同尺寸破孔(1/4″，1″，4″，破裂)失效之和；FM為管理修正系數；FE為設備修正系數，FE=DF+USF+MSF+PSF，其中：DF為損傷次因子，包括脆化、外部損傷、機械損傷、SCC、減薄等；USF為通用次因子；MSF為機械次因子；PSF為工藝次因子。

在后果分析中，API581將這些影響歸類為4個基本風險類別。可燃后果可燃事件可以造成兩種方式的損傷：熱輻射和爆炸超壓。熱效應造成的大部分損傷基本在就近范圍內，而爆炸效應所造成的損傷可以波及到爆炸中心以外很遠的范圍。毒性后果僅提到有毒物質泄放對人類的影響，只考慮了暴露的即時影響(相對于慢性)。環境后果環境風險是生產裝置總體風險評價的重要組成部分。著重強調即時環境風險，而不是較低泄放水平所致的慢性風險。商業后果生產中斷所造成的損失往往會超出設備損傷和環境破壞的成本，應將其考慮在內。設備更換的成本(包含在可燃損傷估算中)與某個關鍵裝置在長時間內的運行損失相比，往往是微不足道的。

安全風險分為4個等級，依次為：低風險、中風險、中高風險和高風險。在安全風險矩陣[7]中(圖1)，風險水平沿左下方到右上方對角線逐漸升高。將失效可能性和失效后果級別歸入到安全風險矩陣中，所在的區域即代表了被評設備的風險等級。

圖1 安全風險矩陣圖例說明

根據詳細的定量安全風險分析結果，安全風險評估會得出評估范圍內每臺壓力容器的安全風險等級，依據安全風險等級及識別出的損傷機理，為后續定期檢驗提出推薦性檢驗策略。

在對超期服役壓力容器進行安全評估過程中，主要是識別該壓力容器在允許運行工況下的損傷及其風險狀況，凡涉及該壓力容器的密封失效、安全聯鎖裝置失效、壓力泄放裝置失效、消防、環保、抗震等其他安全問題，不在特種設備安全監管范圍內，故在風險評估工作中沒有體現這些風險對壓力容器運行的影響。在安全評估過程中，發現超標缺陷，應開展合于使用評價工作，若評估不通過，將大幅提高安全風險等級。具體超期服役壓力容器安全評估及檢驗流程如圖2所示。

圖2 超期服役壓力容器安全評估及檢驗流程

3.4 超期服役壓力容器檢驗建議

超期服役壓力容器能否繼續使用，按照《固容規》的要求，應當落實到檢驗檢測的結果，而不能完全依靠安全評估，故超期服役壓力容器安全評估工作除了得出安全風險狀況等級外，還需給出了推薦性檢驗策略。

檢驗策略的制定應結合損傷模式識別的情況及歷次檢驗檢測情況。常規的檢測策略有：宏觀檢驗、壁厚測定、表面缺陷檢測(滲透檢測、磁粉檢測)、埋藏缺陷檢測(超聲檢測、射線檢測、聲發射等)、材料分析(硬度檢測、金相檢測)、安全附件檢查、耐壓試驗(必要時)、泄漏試驗(必要時)等。其中宏觀檢驗主要是采用目視方法(必要時利用內窺鏡、放大鏡或者其他輔助儀器設備、測量工具)檢驗壓力容器本體結構、幾何尺寸、表面情況(如：裂紋、腐蝕、泄漏、變形)，以及焊縫、隔熱層、襯里等。筆者認為宏觀檢驗是直接、有效的發現問題的方式，檢驗人員應格外重視。通過目測或者5～10倍放大鏡對容器外觀進行檢查，檢查范圍為可目視檢查部分，以發現容器在運行過程中產生的缺陷為重點。無法進行內部檢驗的壓力容器，應當采用可靠的檢測技術(例如：內窺鏡、聲發射、超聲檢測等)從外部檢測內部缺陷。目視檢查容器內外表面的腐蝕、裂紋、泄漏、鼓包、變形、機械接觸損傷、過熱等情況。當發現有腐蝕時，應確定腐蝕類型(均勻腐蝕、局部腐蝕、點腐蝕)，對于點腐蝕，應測量腐蝕深度、腐蝕面積、腐蝕長度；對于局部腐蝕，應測量腐蝕深度，當腐蝕深度超過壁厚余量時，測量腐蝕坑形狀和尺寸；對于均勻腐蝕，應進行壁厚測量。

測量打磨腐蝕坑后測量形成凹坑的深度；當深度超過壁厚余量范圍時，按《固容規》第8.5.4條確定A、B、C的尺寸。檢查裂紋、過熱、鼓包、變形、泄漏情況時，對有懷疑的部位，可用5～10倍放大鏡進一步觀察，對于裂紋、機械接觸損傷等需要打磨消除的缺陷時，必要開展合于使用評價。

制定壁厚測定檢驗策略時，應注意測定部位一般選擇以下位置：液位經常波動的部位、物料進口、流動轉向、截面突變等易受腐蝕、沖蝕的部位、制造成型時壁厚減薄部位和使

用中易產生變形及磨損的部位、宏觀檢驗時發現的可疑部位、上次檢驗報告中標注的厚度異常點、容器本體范圍內的接管部位(易因結露、結霜、積液引發腐蝕、易因密封面介質泄漏引發腐蝕的接管及相關部位)。對于表面缺陷檢測可優先采用磁粉檢測和滲透檢測，對于鐵磁性材料應優先選用磁粉檢測，有助于發現淺表面缺陷，表面檢測比例可根據不同操作工況進行選擇，如內表面發現裂紋，應在其相對應的外表面進行檢測；并選取類似部位焊縫，擴大檢測比例。埋藏缺陷檢測一般選用超聲檢測，必要時會采用聲發射方法進行檢測(判斷缺陷的活動性)，要根據實際使用工況情況來判斷決定是否需要材料分析。

超期服役壓力容器必要時應逐臺開展強度校核，對于強度校核工作可以委托有原壓力容器設計單位或具備相應能力的設計單位進行，強度校核的標準可以采用容器制造時有關標準進行。耐壓試驗可根據強度校核結果來判斷是否需要進行，當檢驗人員或使用單位對壓力容器的安全狀況無法確認時，應進行耐壓試驗。

當介質中含有毒性程度為極度、高度危害、設計上不允許有微量泄漏的壓力容器，應當進行泄漏試驗。

檢驗中發現的缺陷和問題，應詳細記錄和定位，并與前期定期檢驗進行對比，按照《固容規》第8.5條、8.6條的相關要求確定缺陷的嚴重程度。對定為2級或3級的缺陷，一般不要求使用單位整改(檢驗機構、或使用登記機關有要求時可要求使用單位整改)；對定為4級的缺陷，一般應要求使用單位整改(當使用單位采取的有效監控措施能夠保證容器安全運行時，容器也可監控使用，但對于累計監控使用時間≥3年時，必須要求使用單位整改)；對定為5級的缺陷，以及安全附件不合格，必須要求使用單位整改。

4 結語

超期服役壓力容器存在一定的運行安全風險，對于超期服役壓力容器能否繼續使用，應當進行一次全面的定期檢驗，根據檢驗結果來確定。運行工況變化對壓力容器的使用年限起決定性作用，通過安全評估得到壓力容器安全風險等級，為使用單位選擇報廢還是繼續使用該臺容器提供了決策支撐。安全評估工作同時為安全風險進行風險分級分類，使用單位可按照安全風險等級對壓力容器進行分級管控，落實分級管控責任。安全評估可作為法定監管外的補充，完善壓力容器全生命周期監管。