電廠超年限液氨儲(chǔ)罐檢驗(yàn)

李 輝，高 健，錢亞勇，楊佩旭

(1.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070;2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

某電廠330 MW機(jī)組脫硝工藝采用選擇性催化還原法,脫硝劑為液氨。脫硝裝置主要由液氨儲(chǔ)存、氨氣制備、供應(yīng)系統(tǒng)、氨氣混合系統(tǒng)、廢水吸收系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、催化劑、煙氣系統(tǒng)、反應(yīng)器等組成,其中2臺(tái)液氨儲(chǔ)罐于2001年投入使用,無(wú)設(shè)計(jì)使用年限,設(shè)計(jì)壓力2.16 MPa,最高工作壓力1.6 MPa,設(shè)計(jì)使用溫度-9～50 ℃,容積60 m3,內(nèi)徑2800 mm,材料Q345R,筒體厚度20 mm,封頭厚度22 mm。

2022年接使用單位報(bào)檢,對(duì)2號(hào)液氨儲(chǔ)罐進(jìn)行委托檢驗(yàn)。因該液氨儲(chǔ)罐無(wú)法查到設(shè)計(jì)使用年限,但使用已經(jīng)超過(guò)20年,根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》7.17條規(guī)定,達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器(未規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限,但是使用超過(guò)20年的壓力容器視為達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限),如繼續(xù)使用,使用單位應(yīng)當(dāng)委托有檢驗(yàn)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)參照定期檢驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn),必要時(shí)進(jìn)行安全評(píng)估(合于使用評(píng)價(jià))。為確保該液氨儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)方法科學(xué)有效,及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備安全運(yùn)行的潛在隱患,在保障安全的前提下增加設(shè)備使用年限,減少使用單位成本投入[1],參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范、檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)性地制定專項(xiàng)檢驗(yàn)方案并組織實(shí)施。

1 專項(xiàng)檢驗(yàn)方案制定

通過(guò)審查設(shè)計(jì)資料、制造資料,包括質(zhì)量證明書、竣工圖、監(jiān)檢資料、安裝竣工資料、歷年定期檢驗(yàn)報(bào)告、年度檢查報(bào)告和月度檢查記錄等,發(fā)現(xiàn)該廠自2020年以來(lái),連續(xù)兩年未開展全廠壓力容器年度檢查,且月度檢查內(nèi)容不全,相關(guān)檢查記錄缺失,設(shè)計(jì)資料不全,未查到設(shè)計(jì)使用年限,實(shí)際使用超20年后,也未辦理使用登記證書變更。

通過(guò)詳細(xì)查閱該液氨儲(chǔ)罐的所有運(yùn)行、檢修資料,了解日常使用狀況并分析失效模式,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式》識(shí)別、分析其可能存在的主要損傷為腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開裂及其他損傷。對(duì)于超設(shè)計(jì)使用年限的2號(hào)液氨儲(chǔ)罐,為充分了解其壓力容器可能存在的缺陷,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其安全狀況,檢驗(yàn)方案中除開展宏觀檢查、壁厚測(cè)定、表面缺陷檢測(cè)和安全附件檢驗(yàn)外,還增加了埋藏缺陷檢測(cè)項(xiàng)目；針對(duì)該液氨儲(chǔ)罐介質(zhì)特點(diǎn),特別要求在內(nèi)表面進(jìn)行表面檢測(cè),同時(shí)增加了壁厚測(cè)定、焊縫表面檢測(cè)、接管座焊縫的檢測(cè)比例,要求在發(fā)現(xiàn)表面缺陷、埋藏缺陷、厚度異常時(shí)將檢測(cè)比例擴(kuò)大到100 %,并與使用單位協(xié)商在條件允許時(shí),增加耐壓試驗(yàn)。

2 檢驗(yàn)過(guò)程

2.1 宏觀檢查

宏觀檢查是壓力容器檢驗(yàn)項(xiàng)目中最直接、最有效的方法之一。在該液氨儲(chǔ)罐的宏觀檢查中,重點(diǎn)檢查了其在運(yùn)行過(guò)程中結(jié)構(gòu)有無(wú)變形、幾何尺寸有無(wú)變化、是否存在介質(zhì)泄漏、受壓元件有無(wú)改造、修理、內(nèi)外表面有無(wú)明顯的機(jī)械損傷以及支座有無(wú)開裂、基礎(chǔ)有無(wú)下沉等情況[2]。檢查發(fā)現(xiàn)液氨儲(chǔ)罐東側(cè)封頭局部表面有油漆脫落,從東側(cè)數(shù)第二節(jié)筒體上存在一處凹坑,有機(jī)械打磨痕跡,其余承壓部位無(wú)變形、開裂等異常情況；宏觀檢查發(fā)現(xiàn)筒體表面有輕微腐蝕,液位計(jì)下端口管座角焊縫存在咬邊,長(zhǎng)度20.0 mm,最大深度0.5 mm,其余部位未見異常。

2.2 壁厚測(cè)定

在審查上年度定期檢驗(yàn)報(bào)告時(shí),發(fā)現(xiàn)該液氨儲(chǔ)罐筒體南側(cè)第2條環(huán)焊縫附近實(shí)測(cè)壁厚與公稱厚度差值較大,為重點(diǎn)抽查區(qū)域；同時(shí),對(duì)液位波動(dòng)區(qū)域、進(jìn)出口接管附近和宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的外表面油漆層脫落部位進(jìn)行壁厚測(cè)量,壁厚測(cè)量點(diǎn)位及測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 壁厚測(cè)量數(shù)據(jù) 單位：mm

在對(duì)南側(cè)第3條環(huán)焊縫和縱縫附近筒體測(cè)厚時(shí),發(fā)現(xiàn)局部厚度異常,為進(jìn)一步確認(rèn)壁厚測(cè)量數(shù)值,將該區(qū)域表面油漆去除露出金屬光澤,重新在試塊上校準(zhǔn)儀器后進(jìn)行復(fù)測(cè),數(shù)據(jù)與前次測(cè)量相差無(wú)幾。

根據(jù)測(cè)量值及表面形貌進(jìn)行研究分析,確認(rèn)其為分層,且與表面存在一定夾角,分層區(qū)域壁厚測(cè)量值如表2所示。

表2 分層區(qū)域壁厚測(cè)量值 單位：mm

在該分層區(qū)域,根據(jù)實(shí)測(cè)壁厚值計(jì)算分層缺陷與自由面的夾角a,根據(jù)夾角值的大小判定分層的嚴(yán)重程度,分層區(qū)域壁厚測(cè)量見圖1,計(jì)算公式如式(1)所示。

圖1 分層區(qū)域壁厚測(cè)量

式中,h1、h2分別為分層區(qū)域測(cè)得的最小、最大壁厚,其值分別為9.02 mm、11.21 mm；L為最大壁厚與最小壁厚之間的距離(12.80 mm),則tga=0.17,得出a=ctg0.17=9.7°。

2.3 無(wú)損檢測(cè)

本次檢測(cè)主要采用表面檢測(cè)和超聲波檢測(cè)兩種方式。內(nèi)部筒體焊縫及管座角焊縫采用磁粉探傷,檢測(cè)比例超過(guò)50 %,范圍覆蓋所有管座角焊縫及筒體環(huán)焊縫、縱焊縫及丁字接頭。采用超聲波探傷對(duì)筒體環(huán)焊縫和縱焊縫進(jìn)行埋藏缺陷檢測(cè),檢測(cè)區(qū)域包括所有筒體環(huán)焊縫、縱焊縫、丁字接頭和分層區(qū)域,整體檢測(cè)比例超過(guò)50 %。通過(guò)表面檢測(cè)和超聲波檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.4 強(qiáng)度校核

由上次定檢報(bào)告壁厚測(cè)量結(jié)果和本次檢驗(yàn)壁厚測(cè)量值,計(jì)算出液氨儲(chǔ)罐筒體的平均腐蝕速率為0.322 mm/年。該液氨儲(chǔ)罐最高工作壓力1.6 MPa,實(shí)際工作壓力0.98 MPa,內(nèi)徑2800 mm,材料Q345R,筒體厚度20 mm,設(shè)計(jì)使用溫度-9～50 ℃。該材料在50 ℃時(shí)的許用應(yīng)力為185 MPa,容器環(huán)焊縫、縱焊縫為雙面焊雙面焊成型,焊接系數(shù)為0.85,采用壁厚校核公式進(jìn)行校核。

式中,δ為最小需要壁厚,mm；p為工作壓力,MPa；σ為使用溫度下的許用應(yīng)力,MPa；ψ為焊接系數(shù)；d為罐體內(nèi)徑,mm；c為腐蝕裕量,mm,此處c=2 mm。

按最高工作壓力1.60 MPa進(jìn)行校核,代入上述數(shù)據(jù),得δ=16.32 mm。

根據(jù)實(shí)測(cè)液氨儲(chǔ)罐筒體最小壁厚16.19 mm,經(jīng)過(guò)壁厚校準(zhǔn),該液氨儲(chǔ)罐的筒體厚度在該條件下不滿足強(qiáng)度要求。

按實(shí)際工作壓力0.98 MPa進(jìn)行校核,代入上述數(shù)據(jù),得δ=10.75 mm。

經(jīng)壁厚強(qiáng)度校核,在實(shí)際工作壓力為0.98 MPa下,該液氨儲(chǔ)罐的筒體厚度滿足強(qiáng)度要求,可繼續(xù)運(yùn)行。

2.5 表面凹坑缺陷安全評(píng)定

2.5.1 凹坑缺陷的規(guī)則化和表征

按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》的規(guī)定,對(duì)該液氨儲(chǔ)罐外表面的不規(guī)則凹坑缺陷按其外接矩形將其規(guī)則化,長(zhǎng)軸長(zhǎng)度150 mm、短軸長(zhǎng)度45 mm、最大深度4.60 mm。

2.5.2 計(jì)算凹坑缺陷的無(wú)量綱參數(shù)G0

經(jīng)檢測(cè)確認(rèn),凹坑及其周圍無(wú)其他表面缺陷和埋藏缺陷,符合進(jìn)行無(wú)量綱參數(shù)的計(jì)算條件。若G0＜0.1,則該凹坑缺陷可免于評(píng)定,認(rèn)為是安全的或可接受的。考慮到該液氨儲(chǔ)罐屬于超設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器,以3年為一個(gè)檢驗(yàn)周期計(jì)算G0。

式中,B為評(píng)定用殼體計(jì)算厚度,mm；B0為凹坑附近實(shí)測(cè)容器殼體壁厚,mm；C2為一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)腐蝕減薄量(3年),mm；年平均腐蝕速率為0.322 mm/年；Z為凹坑深度,mm；X為凹坑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的一半,mm；R為容器平均半徑,mm。

經(jīng)計(jì)算可得B=15.964 mm,G0=0.144。因G0＞0.1,還需繼續(xù)按塑性極限載荷和最高容許工作壓力進(jìn)行評(píng)定。

2.5.3 確定極限載荷和最高容許工作壓力

1) 計(jì)算材料流變應(yīng)力。

由此可得σ—'=0.5(σs+σb)=412.5 MPa。

2) 計(jì)算無(wú)凹坑缺陷殼體塑性極限載荷。

代入相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算得出pL0=5.413 MPa。

3) 計(jì)算帶凹坑缺陷容器極限載荷。

代入相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算得出pL=4.797 MPa。

4) 計(jì)算帶凹坑缺陷容器最高容許工作壓力。

代入相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算得出pmax=2.665 MPa。

工作壓力p=0.98 MPa＜pmax,可見該液氨儲(chǔ)罐的凹坑缺陷是安全、可接受的。

2.6 安全附件檢查

對(duì)安全閥、液位計(jì)、壓力表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查,審查安全附件本年度校驗(yàn)報(bào)告,結(jié)果顯示檢驗(yàn)合格,符合運(yùn)行要求。

2.7 耐壓試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)是一種采用靜態(tài)超載方法驗(yàn)證壓力容器整體強(qiáng)度,對(duì)壓力容器進(jìn)行綜合性考核的試驗(yàn),可以防止帶有嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題或缺陷的容器投入使用。因該液氨儲(chǔ)罐屬于超設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器,檢驗(yàn)人員建議使用單位進(jìn)行一次耐壓試驗(yàn)或者在本次壁厚測(cè)量發(fā)現(xiàn)異常且強(qiáng)度校核不合格后必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。由于液氨屬于有毒、易爆的危險(xiǎn)化學(xué)品,本次方案中采用氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)介質(zhì)進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。氣壓試驗(yàn)的最低試驗(yàn)壓力計(jì)算如下。

式中,PT為耐壓試驗(yàn)壓力,MPa；η為耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)(1.10),[σ]為試驗(yàn)溫度下Q345R的許用應(yīng)力(185 MPa),[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下Q345R的許用應(yīng)力(185 MPa),P為液氨儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力(2.16 MPa)。由此可得PT=2.38 MPa。

具體試驗(yàn)程序如下：試驗(yàn)前將液氨儲(chǔ)罐的其他無(wú)關(guān)閥門關(guān)閉,打開筒體壓力表閥門和充氮管道閥門開始打壓,應(yīng)先緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力0.238 MPa并保壓5 min,對(duì)液氨儲(chǔ)罐整體及連接部位進(jìn)行檢查,如無(wú)泄漏可繼續(xù)升壓至規(guī)定壓力1.19 MPa并保壓5 min,如無(wú)異常,按照0.238 MPa/min的速率進(jìn)行升壓至2.38 MPa并保持10 min,再降壓至2.16 MPa,然后進(jìn)行檢查,檢查期間壓力保持不變,則試驗(yàn)合格。

3 安全狀況等級(jí)評(píng)定

對(duì)于超設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器,安全狀況等級(jí)評(píng)定可參考T/CASEI 013—2022《超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器檢驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行,對(duì)檢測(cè)結(jié)果綜合評(píng)定,以其中項(xiàng)目等級(jí)最低者為評(píng)定等級(jí),進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)定時(shí),同等情況宜從嚴(yán)掌握。根據(jù)該液氨儲(chǔ)罐宏觀檢查結(jié)果,液位計(jì)下端口內(nèi)部焊縫咬邊,以及凹坑缺陷無(wú)量綱參數(shù)與極限載荷和最高容許工作壓力的計(jì)算,評(píng)定為3級(jí)；壁厚測(cè)定結(jié)果經(jīng)強(qiáng)度校核,滿足使用要求,筒體分層夾角小于10°,評(píng)定為3級(jí),其余檢驗(yàn)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常。綜上評(píng)定認(rèn)為,該液氨儲(chǔ)罐綜合評(píng)定為3級(jí)。

4 檢驗(yàn)周期確認(rèn)

檢驗(yàn)周期的確定參考TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和T/CASEI 013—2022《超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器檢驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。因該液氨儲(chǔ)罐已超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限,存在未按規(guī)定進(jìn)行年度檢查和月度檢查不規(guī)范的問(wèn)題,根據(jù)本次檢驗(yàn)綜合評(píng)定的安全狀況等級(jí),并結(jié)合使用單位的綜合管理能力、應(yīng)急水平及其意見[3],最終確定檢驗(yàn)周期為3年。

5 檢驗(yàn)結(jié)論及建議

該廠2號(hào)液氨儲(chǔ)罐屬于超設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器,后期運(yùn)行存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。此次根據(jù)該液氨儲(chǔ)罐壓力容器的工藝、工況及識(shí)別的損傷模式制定了專項(xiàng)檢驗(yàn)方案,除耐壓試驗(yàn)因檢修工期的原因未執(zhí)行外,其余檢驗(yàn)、檢測(cè)項(xiàng)目均已按方案嚴(yán)格實(shí)施,通過(guò)安全狀況等級(jí)評(píng)定,給出符合要求的結(jié)論,認(rèn)定該液氨儲(chǔ)罐可按原參數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。根據(jù)給出的檢驗(yàn)周期,要求使用單位在有效期滿的前1個(gè)月內(nèi)向有資質(zhì)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提出委托檢驗(yàn)申請(qǐng)。

對(duì)于此類超設(shè)計(jì)使用年限或?qū)⒁O(shè)計(jì)使用年限的壓力容器,使用單位在今后的工作中應(yīng)加強(qiáng)管理,做好年度檢查和月度檢查工作以及運(yùn)行過(guò)程中壓力容器缺陷和問(wèn)題的記錄；同時(shí),使用單位盡快對(duì)超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器進(jìn)行使用登記證書變更辦理,做好壓力容器安全臺(tái)賬、技術(shù)資料更新。此外,因液氨屬于易爆、易燃、有毒性物質(zhì),建議對(duì)超設(shè)計(jì)使用年限的液氨儲(chǔ)罐在下次有效期滿前,委托有資質(zhì)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià),評(píng)估剩余使用壽命。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)編制及實(shí)施合理的壓力容器檢驗(yàn)方案,可避免發(fā)生檢驗(yàn)過(guò)度或檢驗(yàn)不足等情況,為超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器的安全使用提供科學(xué)依據(jù)；同時(shí)還可在事故發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)存在的缺陷,提出具有針對(duì)性的檢驗(yàn)檢測(cè)方案和返修措施,大大降低超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器的潛在風(fēng)險(xiǎn),為其他在役超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供參考,達(dá)到節(jié)約成本、提高使用單位經(jīng)濟(jì)效益的目的。