淺析超設計使用年限壓力容器的檢驗與安全評估

蘇明，趙乾成，張磊，張偉倫

（遼寧省安全科學研究院，遼寧 沈陽 110004）

1 前言

當今，超設計使用年限壓力容器的數量逐年遞增，其檢驗及安全評估越來越受到人們的重視。設備達到設計使用年限后，并不意味著無法繼續使用或者必須進行報廢處理。根據相關規定，達到設計使用年限的壓力容器，如果檢驗后確保能夠繼續使用，需委托具備相應檢驗資質的檢驗機構對其進行檢驗，而且，必要時進行相應的安全評估。該單位的主要負責人進行批準后（應有書面文件），還需到登記管理機關變更使用登記證書，方可繼續使用。從設備風險隱患、使用安全責任的角度考慮，對于簡單壓力容器、空氣儲罐、蒸汽分汽缸等成本較低、停車更換較容易的設備，在達到超設計使用年限后，可以到期直接更換；而對于化工廠、制藥廠、熱電廠等設備成本較高的超設計使用年限容器，停車更換會給使用單位帶來較大代價損失，故通過檢驗、安全評估等手段判斷能否繼續安全使用是目前普遍采用的、經濟性較高的一種方法。尤其是近年來石化行業在我國的飛速發展，壓力容器等承壓設備的使用數量倍增。其中，由于化工工藝需要、節能環保等因素，一些超設計使用年限的壓力容器無法輕易更換，從而導致其安全隱患不斷增加。因此，對超設計使用年限的壓力容器進行檢驗及安全評估是保障安全生產的重要環節。

對超設計使用年限的壓力容器進行檢驗不屬于常規定檢范疇，而是屬于委托檢驗。此情況下，使用單位應和檢驗機構簽署委托檢驗協議，通過檢驗和評估來確定壓力容器的安全狀態。其中，當檢驗過程中，發現嚴重缺陷甚至可能導致停止使用時，才需進行安全評估。安全評估可參照相關標準執行。目前我國還沒有出臺統一的檢驗或者評估的規范或標準，但近期出臺的T/CASEI 013-2022《超設計使用年限壓力容器檢驗規范》、T/CMES 16005-2022 T/CPASE PT 020-2022《超設計使用年限壓力容器評估與檢驗導則》2 個團標已經在實際操作層面給出了很好的指導。

2 檢驗與安全評估原則及步驟

超設計使用年限壓力容器的檢驗與安全評估的步驟和程序可簡要概括為以下內容，如圖1 所示，資料審查、損傷模式識別與檢驗方案制定、壓力容器檢驗、壓力容器安全評估（必要時）、壓力容器安全狀況等級的評定、壓力容器檢驗及安全評估結論、報告的出具。

圖1 檢驗與安全評估程序圖

3 資料審查

超設計使用年限壓力容器的設備信息收集主要依靠資料審查環節。檢驗工作中，資料審查是檢驗項目中的重要環節，目的在于審查、收集有關設計、制造、安裝、改造或者重大修理、使用管理、檢驗檢查和維護等重要信息。

資料審查主要涉及的內容如表1 所示。

表1 資料審查主要涉及的內容

一般情況下，超設計使用年限的壓力容器不是首檢，且已超過設計的使用年限，因此，針對其檔案資料現狀的審查，應著重查看臨近或首次超過設計使用年限時的定期檢驗報告、年度檢查報告及檢驗過程中發現的問題等，為開展的檢驗與評估提供有效的支持。

4 損傷模式識別

超設計使用年限的壓力容器檢驗與評估需要參照GB/T30579《承壓設備損傷模式識別》進行檢驗與評估，應在充分了解設備所處的工藝及工況的基礎上，識別出損傷模式。GB/T30579 是目前檢驗中進行壓力容器損傷識別分析的重要理論基礎和技術支持。檢驗人員在充分了解超設計使用年限壓力容器設備信息的情況下，分析其可能發生的損傷情況，識別出預期損傷模式。

4.1 腐蝕減薄

壓力容器最常見的損傷模式類型，是材料在具有腐蝕性的介質或環境等的作用下出現的壁厚減薄情況。壓力容器檢驗中常見的腐蝕減薄有三種形式：點腐蝕、局部腐蝕和全面腐蝕。在壓力容器的定期檢驗過程中，針對承載介質的不同，常遇到的腐蝕減薄有鹽酸腐蝕、硫酸腐蝕、二氧化碳腐蝕、堿腐蝕、高溫硫化物腐蝕等。

4.2 環境開裂

環境開裂是壓力容器失效模式中會產生后果最嚴重的，在檢驗工作中發現頻率較高。環境開裂是在腐蝕性介質的作用下，材料發生的開裂現象。敏感的金屬材料、腐蝕介質以及足夠大的拉伸應力是它的主要影響因素。根據環境條件的差異，環境開裂通常可分為：碳酸鹽應力腐蝕開裂、堿應力腐蝕開裂、硝酸鹽應力腐蝕開裂、氨應力腐蝕開裂、氫脆、氯化物應力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞、連多硫酸應力腐蝕開裂等。

4.3 材質劣化

在材料的微觀組織或者力學的性能在環境作用下，發生了明顯退化即發生材質劣化。通常是比較苛刻的工作環境下才會使壓力容器發生此種損傷。材料在運行介質或溫度等其他因素的影響作用下，可能出現金相組成結構或組織結構發生改變，并導致其材料的性能指標最終發生變化。材質裂化是由多方面因素引起的，例如，運行在高溫高壓條件下、運行介質的影響、熱處理失效等，針對材質劣化一般常用的檢驗檢測方法有硬度檢測、金相檢測等。較常見的有球化、石墨化、回火脆化、敏化和晶間腐蝕等。

4.4 機械損傷

機械損傷是指材料由于熱載荷或機械載荷的作用導致的承載能力下降的現象。機械損傷常見的表現形式有：熱疲勞、機械疲勞、接觸疲勞、振動疲勞、機械磨損、過載、蠕變、沖刷等。

5 超設計使用年限壓力容器檢驗

結合常規定期檢驗方法，以及上文提到的兩個團體標準，根據設備工況條件及預期的損傷模式，制定檢驗方案，進一步開展具體的檢驗工作。一般情況下，在檢驗過程中，檢驗人員應當對超設計使用年限壓力容器進行埋藏缺陷檢測進一步確定設備安全狀態。此外，應根據識損傷模式對設備進行針對性的檢驗是重中之重。

（1）對于腐蝕減薄，根據上一周期的最小的實測壁厚值、使用年限、腐蝕裕量等確定出腐蝕速率，參照GB/T30579，確定腐蝕減薄類型，針對不同類型確定正確的檢測方法，必要情況下進行強度校核。超設計使用年限壓力容器存在腐蝕減薄損傷模式時，分為三種情況：①均勻腐蝕，通常應用目視檢測和腐蝕部位的定點壁厚測定；②點蝕或孔蝕，其通常采用目視檢測；③焊縫腐蝕，通常綜合運用目視檢測和焊縫尺檢測。

（2）對于環境開裂，需要熟悉設備的工況環境及介質的特性，針對其材料的敏感性，明確環境開裂預期類型。應采用MT、PT、ET 等方法進行檢測。

（3）對于材質劣化，設備的運行工作溫度應當首先重點關注，并根據材料敏感性，對材質劣化可能發生的類型都需要逐一列出，有針對性地開展硬度、金相、無損等檢驗檢測。

（4）對于機械損傷，主要針對的是在運行中可能存在振動、磨損、熱載荷等情況的設備，同時結合實際的運行工況，明確預期的機械損傷類型。可采用ET、MT、PT 等方法進行檢測。

6 壓力容器安全評估

安全評估是針對檢驗超設計使用年限的壓力容器過程中，如果發現較嚴重的缺陷可能導致設備停止使用時而進行的，一般指合于使用評價。目前，可以參照GB/T19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》等標準過程進行評估。GB/T19624 的主要內容包括對評定對象的狀況調查（工況、歷史、環境等）、缺陷檢測及缺陷成因分析、材料檢驗（損傷、退化與性能等）、失效模式判斷、和應力分析、必要的試驗與計算，以及對壓力容器的安全性進行綜合評價和分析，其安全評定適用的對象是在用鋼制含超標缺陷壓力容器。含平面缺陷中裂紋、未熔合、未焊透等，體積缺陷中凹坑、氣孔、夾雜等的受壓元件都可以適用此標準進行評定。

GB/T 35013 用來評價金屬制承壓設備的損傷和缺陷模式，該標準可用于多種損傷模式和缺陷。損傷模式和缺陷的類型主要包括：腐蝕減薄(局部減薄、均勻減薄和點蝕)，氫鼓包、氫致開裂和應力導向氫致開裂、凹陷和溝槽、錯邊、棱角和不圓、低溫脆性斷裂、火災損傷和蠕變損傷。該標準還規定，對疲勞以及平面缺陷的斷裂按照GB/T19624 進行評價。

7 檢驗及安全評估結論和報告的出具

通常，如果壓力容器經檢驗后發現了較嚴重的缺陷，可能導致停止使用的，可以按照常規檢驗以及結合兩個團標的規定確定安全狀況等級，出具檢驗報告。

超設計使用年限的壓力容器如果存在可能導致停止使用的嚴重缺陷，應當進行安全評價。一般情況下，評價機構會根據缺陷的性質和原因以及缺陷的發展預測，給出較明確的評價結論，并闡明缺陷對設備安全使用可能帶來的影響。此種情況下，檢驗機構應當根據評價報告結論以及其他的檢驗項目結果，出具最終的整體報告，明確設備的安全狀況等級、此后允許的運行參數，并具體給出下次的檢驗日期。

8 結語

超設計使用年限的壓力容器，由于其使用環境的特殊性，超期使用易出現腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化、機械損傷等，導致綜合承載能力下降，易發生事故。存在一定的運行安全風險，對于其能否繼續使用，使用單位選擇報廢還是合理繼續使用，難以抉擇。建議對其進行一次全面的檢驗，并進行安全評估是應采取的措施，通過科學合理有針對性的檢驗檢測方法確定其安全狀態。超設計使用年限的壓力容器進行檢驗與評估，是保證其安全、穩定地運行，減少事故發生的必要手段。

同時，通過檢驗與評估，在保證安全運行前提下最大程度降低設備更換周期，合理延長使用年限，有效消除其事故隱患，保障其安全穩定經濟運行，可以為使用單位的生產經濟效益提升及節能環保低碳政策實施提供基礎性的保證。