含平面埋藏缺陷的高壓氫氣儲罐的合于使用評價

錢正武 白學剛 劉 文 康昊源

（1.國能新疆化工有限公司 烏魯木齊 831400）

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（3.國家市場監管技術創新中心（煉油與化工裝備風險防控） 北京 101399）

壓力容器在制造和使用過程中難以避免會出現各種缺陷。其中，在設備定期檢驗中發現超標缺陷較為常見，在檢修工期有限的條件下若對所有發現的超標缺陷進行處理，則經濟性較差且在修理過程中可能會產生新的“缺陷”，進一步影響設備的安全性能[1-3]。因此針對檢修過程發現的缺陷進行合理評估，根據評估結果判定缺陷是否需要維修處理，在保障安全性的同時能夠顯著提升企業的經濟效益。

我國針對含缺陷壓力容器“帶病”運行的安全性做了大量研究工作。目前，我國特種設備安全技術規范允許對含缺陷壓力容器進行安全評定，當缺陷不影響壓力容器安全運行時可保留缺陷暫不進行處理[4]，同時基于科研成果頒布了GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》和GB/T 35013—2018《承壓設備合于使用評價》，給出了在役設備及材料退化損傷的安全評定方法[5-6]。近年來，合于使用評價被廣泛研究應用，從而減少不必要的修理工作，但技術人員確定設備的缺陷類型并進行安全評定計算的過程較為復雜，對于復雜結構處的缺陷，還需采用有限元應力分析法計算缺陷部位的彈性應力[2，7-8]。

高壓氫氣儲罐作為一種存儲壓力容器，其服役過程壓力大、儲存的氫介質易燃易爆，一旦出現安全問題，會造成重大后果。某煤化工裝置中，來自甲醇合成裝置變壓吸附的3.2 MPa 氫氣經高壓氫氣壓縮機加壓到13.5 MPa 后輸送至高壓氫氣儲罐，正常生產時，來自甲醇合成裝置變壓吸附的氫氣直接去下游裝置，高壓氫氣儲罐主要起到儲存氫氣的作用。當氫氣管網壓力降低時，高壓氫氣儲罐內的高壓氫氣經減壓后被送至氫氣管網，以維持氫氣管網壓力穩定。該氫氣儲罐在檢修過程中發現了未熔合埋藏缺陷，本研究以對該缺陷進行合于使用評價為例，詳細分析其所處工況下合于使用評價的評定過程，為相關行業技術人員對帶缺陷壓力容器的安全評定及使用管理提供借鑒和參考。

1 概況

2018 年6 月，對某煤化工企業的高壓氫氣儲罐進行首次檢驗，其基本信息見表1，經外壁超聲波檢測發現1 處未熔合埋藏缺陷，其位置如圖1 所示，缺陷尺寸見表2。由于工藝生產等原因企業暫時無法對超標埋藏缺陷進行返修，2018 年7 月，經合于使用評價，未對該缺陷進行修理處理，確定其下次檢驗日期為2021 年7 月。2021 年6 月，對該高壓氫氣儲罐進行第2 次定期檢驗，對首檢發現超標缺陷的部位復檢發現，缺陷未發生擴展。按照企業需求，對此超標缺陷再次進行安全評價，確定其是否可以不進行修理而安全使用至下一檢驗周期（2024 年6 月）。

圖1 高壓氫氣儲罐超標缺陷位置圖(☆為缺陷位置示意)

表1 高壓氫氣儲罐基本信息

表2 超標埋藏缺陷超聲波檢測結果

2 潛在失效模式分析、評價方法和計算工況

高壓氫氣儲罐實際運行壓力為8.0 ～11.0 MPa，自2014 年投用以來，由于異常工況使用高壓氫氣儲罐向氫氣管網供氫氣次數較少，每年約1 ～2 次，每次約持續1 天，壓降從正常使用的10 MPa 降至6.0 ～7.0 MPa。日常運行中為維持氫氣管網壓力穩定，高壓氫氣儲罐向氫氣管網補充氫氣，平均約2 個月1 次。高壓氫氣儲罐壓力低于8.0 MPa 時，高壓氫氣壓縮機啟動向氫氣儲罐充壓。從已知工況可以看出，高壓氫氣儲罐充壓及向氫氣管網補充氫氣導致壓力波動次數少。據廠方監測數據，氫氣儲罐日常壓力波動主要來自早晚溫差，壓力波動為正常工作壓力的5%～10%，即0.5～1.0 MPa。

根據高壓氫氣儲罐的基本信息及裝置工藝信息，其主要損傷模式為外部腐蝕（無絕熱層）、沖刷、疲勞等[9]。缺陷的潛在失效模式為裂紋應力集中導致的彈塑性斷裂失效，或因疲勞導致裂紋擴展斷裂。故本研究按照GB/T 19624—2019 分2 種工況分別進行評價計算[5]。

第1 種是不考慮疲勞工況條件，基于雙判據通用失效評定圖技術的常規評定方法進行評價計算。以失效后果為嚴重的情況確定常規評定安全系數的取值。對于操作工況，評定的計算壓力取其設計的操作壓力最大值16.0 MPa。對于耐壓試驗工況，評定的計算壓力取水壓試驗壓力。第2 種是考慮疲勞載荷情況，進行疲勞斷裂評定。評定時按保守計算，實際操作壓力波動范圍取6.0 ～11.0 MPa，循環頻率按照1 次/天。

3 材料性能數據的確定

由于該氫氣儲罐處于在用狀態，無法取樣進行力學性能試驗，故進行安全評價計算時材料的彈性模量、屈服極限等常規機械性能參數，選取其原設計標準JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準（2005 年確認）》中相應數值[10]，若原設計標準中無相應數據，選用GB/T 150—2011《壓力容器》中相關標準值進行替代，同時參考《壓力容器材料實用手冊（碳鋼及合金鋼）》[11]。該氫氣儲罐運行狀態下的材料性能數值見表3。

表3 材料性能數據替代值（常溫）

4 缺陷表征

4.1 幾何尺寸

該氫氣儲罐缺陷附近部位的幾何尺寸實測值見表4。偏保守地按第2 次檢驗實測最小壁厚結果進行腐蝕速率計算，其公稱壁厚為92 mm，投用使用時間5 年，因此其腐蝕速率約為0.18 mm/a，其余幾何尺寸取自第1 次檢驗時的實測結果。

表4 高壓氫氣儲罐缺陷部位相關檢測數據

4.2 缺陷表征

按平面型缺陷進行評定計算，該處缺陷距離內、外表面均大于0.4H（H 為缺陷自身高度），可偏保守地表征為橢圓形埋藏裂紋，如圖2 所示，該氫氣儲罐缺陷表征結果見表5。

圖2 缺陷表征圖例（橢圓形埋藏裂紋）

表5 缺陷表征結果

5 安全系數取值及評定計算過程

對此缺陷分別進行常規安全評定和疲勞安全評定計算，以判斷該高壓氫氣儲罐本次檢驗發現的超標埋藏缺陷在3 年內是否可通過安全性評價。

5.1 平面缺陷（表征為埋藏裂紋）常規安全評定計算

計算壓力取設計最大工作壓力16.0 MPa，對于水壓試驗工況，評定時計算壓力取水壓試驗壓力22.5 MPa。載荷比Lr計算方法見式（1），斷裂比Kr計算方法見式（2），計算結果見表6。

表6 常規評定安全系數及計算結果（不考慮疲勞）

式中：

ζ ＝ 2ac ［ B (c ＋ B) ］；

γ ＝p1B；

G——彈塑性干涉效應系數；

ρ——塑性修正因子。

將超標缺陷的評定點（Lr，Kr）繪制在通用失效評定圖中，如圖3 所示，高壓氫氣儲罐在最高可能工作壓力和水壓試驗工況下，所評價缺陷位于失效評定圖的安全區。因此，該埋藏缺陷能夠通過常規評定方法的安全性評價計算。

圖3 含缺陷高壓氫氣儲罐斷裂安全評定圖

5.2 平面缺陷（表征為埋藏裂紋）疲勞安全評定計算

該高壓氫氣儲罐實際運行壓力在8.0 ～11.0 MPa，偶爾出現異常工況時，壓力降至6.0 MPa，因此偏保守地按實際操作壓力波動范圍在6.0 ～11.0 MPa、每天1 次循環進行評價計算，疲勞校核安全系數見表7，缺陷載荷比和斷裂比計算結果見表8 ～表9。

表7 疲勞校核安全系數

表8 缺陷載荷比（疲勞校核）計算表

表9 缺陷斷裂比（疲勞校核）計算表

計算的一次應力和二次應力變化幅值及應力強度因子變化范圍見表10。本次評價缺陷表征為橢圓形埋藏裂紋，根據GB/T 19624—2019，ΔK ≤100 時，容許承受循環次數為1×105。設備投用時間為2016 年6 月，本次評估預計的檢驗周期為3 年，按照每天循環1 次，總循環次數為2 920 次，遠小于容許承受循環次數。因此，該缺陷在高壓氫氣儲罐當前運行工況（6.0 ～11.0 MPa 范圍內波動）時，可以免于評定。

表10 應力變化及應力強度因子變化計算結果

6 結束語

針對某企業檢維修過程中發現的未熔合埋藏缺陷，本文詳細分析了其所處工況下合于使用評價的評定過程，獲得以下結論：

1）基于安全評定計算結果，預計至2024 年6 月，該高壓氫氣儲罐在當前操作溫度即常溫、最大設計操作壓力、水壓試驗壓力的工況條件下均可以通過在常規評定方法下的安全性評價；同時，根據實際運行工況，高壓氫氣儲罐在正常運行壓力8.0 ～11.0 MPa，及偶爾發生異常工況壓力降至6.0 MPa 時，按偏保守計算，可以免除疲勞評價。因此，在當前工況下，該高壓氫氣儲罐的未熔合缺陷可不進行修理安全運行至下次定期檢驗日期（2024 年6 月）。

2）為保障該高壓氫氣儲罐的安全運行，建議使用單位在下次定期檢驗前對此埋藏缺陷進行再次檢測，以掌握該缺陷的擴展情況。

3）使用單位應加強對該高壓氫氣儲罐的監控，保證其在壓力6.0 ～11.0 MPa 及常溫下運行，同時在開停車期間應緩慢升降壓。

4）本研究采用常規評定和疲勞失效方法進行安全評定，為含缺陷的高壓氫氣儲罐的安全使用提供科學依據，并且為相關行業技術人員實際應用安全評定方法及使用管理提供參考。