清洗罐开裂失效与设计条件的讨论

张 光陈 罡张雅新

（1.中国石油辽阳石油化纤公司机械厂 辽阳 111003）

（2.辽阳石化公司机动设备处 辽阳 111003）

清洗罐开裂失效与设计条件的讨论

张 光1陈 罡1张雅新2

（1.中国石油辽阳石油化纤公司机械厂 辽阳 111003）

（2.辽阳石化公司机动设备处 辽阳 111003）

设计输入是保证设计质量的前提，设计条件的准确性与完整性决定设计文件的正确性与完整性，影响建造的可靠性与使用的安全性，关系压力容器的本质安全。以清洗罐开裂失效为例，从对清洗罐工作原理和清洗过程分析看出，由于设计条件与使用工况的不符合，使得失效模式与设计准则的确定不全面，造成设计与使用的偏离，导致产品性能满足不了使用的安全要求。由此说明设计条件的重要性，建议用户、设计及标准等相关各方关注设计条件的完整性。

清洗罐 开裂失效 设计条件 完整性

《固容规》［1］及GB 150［2］对设计委托方（用户）增加了职责，要求用户以正式书面形式向设计单位提供充分而准确的设计条件。现以清洗罐开裂失效为例，对设计条件的重要性、完整性及用户与设计的职责等问题进行讨论，以引起用户、设计及标准等相关各方的关注，保证压力容器的本质安全。

一台高压超临界甲醇清洗罐（简称清洗罐），结构形式如图1所示，技术特性见表1，施工图要求设计、制造与检验标准按TSG R0004—2009、GB 150—2011及HG/T 20584—2011，而风险评估报告中的失效模式则是强度失效、均匀腐蚀及泄漏失效，但清洗罐却在使用中发生圆筒纵向开裂，参考文献［3］对此分析认为是应力腐蚀失效。这是一起典型的因设计条件不完整所导致的设计与使用的偏离或用户使用工况超出所提出的设计条件而造成的事故。

图1 清洗罐示意

表1 技术特性

1 设计条件的重要性

设计条件的准确性与完整性决定着设计文件的正确性与完整性，影响着压力容器的类别划分、失效模式、设计准则、设计寿命以及制造检验、使用管理、定期检验等安全技术，由此影响压力容器建造的可靠性，

关系压力容器的本质安全。

1.1 设计条件决定失效模式

根据清洗罐的工作原理和清洗过程［3］，清洗罐的失效模式不只是强度失效和均匀腐蚀及泄漏失效，尚存在以下失效。

1）鉴于在清洗罐内用超临界甲醇溶解重油而清洗过滤芯的过程为间歇式操作，所以在封闭罐开工过程中的介质腐蚀不仅仅是超临界甲醇，尚有重油污垢中的硫化氢等残留物的腐蚀；而在敞开罐停工时则存在应力腐蚀环境。对此，设计既要考虑控制介质的全面腐蚀，又要规避局部腐蚀-应力腐蚀开裂风险。

2）鉴于清洗罐操作为间歇式-每24小时进行一次，每次操作过程为：在常温常压下将待洗的污垢过滤芯装罐→封闭罐盖→注入甲醇→外壁电加热升温至300℃（超临界状态）→保持一定时间以去除滤芯上污垢→停止加热并放出甲醇→常温常压下开罐并取出过滤芯，由此完成一次清洗操作。可见，若设计寿命为10年，仅“启动与停车的压力循环次数”已超过1000次［4］，则应按JB4732-附录C进行疲劳失效的分析设计。

3）鉴于清洗罐操作时用户采用外壁局部（装有甲醇的部位）电加热使甲醇达到超临界状态，这在设计文件中没有显示。虽然电加热器加热不像直接火焰加热那样因火焰大小或波动而使温度不均衡或不稳定，但局部电加热对罐体同样产生氧化腐蚀和内外壁温差应力以及因温度梯度引起的轴向热应力等不确定因素。所以，至少GB150不适用，至于JB4732是否适用和《固容规》是否监管有待商榷。若通过局部电加热使罐内甲醇达到300℃，则管壁的金属温度就要高于300℃，所以清洗罐的设计温度有待考证。因为，电加热罐内流体的传热过程是：热辐射外壁→热传导内壁→对流传热至流体，这要比管壳式换热器中流体间传热（对流传热外壁→热传导内壁→对流传热至流体）的传热强度对罐壁金属温度的影响要大得多。

从设计文件上看，显示不出上述操作过程与工况，不论是失效模式与设计准则，还是材料选择以及技术要求，就是设计温度都与清洗罐操作过程存在偏离，设计文件不能应对用户使用的失效模式，这是由于设计条件不准确与不完整所致。

1.2 设计条件决定设计寿命

清洗罐设计文件注明设计使用年限（设计寿命）为10年，可实际上清洗罐却只使用了20次（间歇操作：每24h为1次操作循环）发生罐体圆筒破裂失效，造成设计寿命与实际使用较大偏离的原因是设计条件的不准确与不完整，正如上面所述。从中体现设计寿命是容器设计的重点与难点，《固容规》强调设计寿命是必要的。

1）《固容规》为避免压力容器因超期使用而发生安全事故，同时为推行失效模式的设计理念提高设计水平，利于压力容器的使用管理、定期检验及安全监督，将“预期使用年限”作为设计条件内容和“设计使用年限（疲劳容器标明循环次数）”作为设计总图内容加以明确，要求设计者与委托方协商，根据容器的使用工况、失效模式、重要性与经济性以及工程经验等合理确定设计寿命。

2）设计寿命不等同于实际使用寿命，应根据失效模式与工程经验来合理确定。工程经验如可对比的成功使用容器以及相关标准［5］对炼油装置或化工装置容器的使用寿命规定等，而基于失效模式则需要设计者全面考虑设计条件有效控制失效风险。并且用户尚应在使用中根据定期检验修订设计寿命以安全使用。

3）对于清洗罐应全面分析设计条件，应合理选择材料以控制应力腐蚀，再以疲劳失效分析设计确定合适的设计寿命，并根据介质的均匀腐蚀确定合理的腐蚀裕量。

1.3 设计条件决定资格职责

《固容规》为保证压力容器设计的正确与完整性和制造的可靠性，要求设计与制造应分别持有相应的许可证。

1）根据设计条件，清洗罐按《固容规》划为Ⅲ类压力容器，属于高压（p=15MPa）反应（超临界甲醇溶解重油）容器，设计至少应具备A2级设计资质并持有应力分析设计许可证；

2）对于疲劳分析设计的Ⅲ类高压容器制造，其资质至少为A2级制造许可证并具有相应的质量保证体系；

3）对于清洗罐用户采用局部电加热方式来实现甲醇的超临界状态，此工况的压力容器《固容规》是否监管以及JB 4732是否适用？请业内讨论。

2 设计条件的完整性

从上面讨论的设计条件重要性中可以看出，容器设计的正确与完整性需要设计条件的准确与完整性的支持。

2.1 规程标准规定

《固容规》3.3对设计条件明确规定：压力容器的设计委托方应当以正式书面形式向设计单位提出压力容器设计条件。设计条件至少包含以下内容：

1）操作参数（包括工作压力、工作温度范围、液位高度、接管载荷等）；

2）压力容器使用地及其自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）；

3）介质组分与特性；

4）预期使用年限；

5）几何参数和管口方位；

6）设计需要的其他必要条件。

GB 150.1—4.2.2.1 则在此基础之上增加了一条：容器设计所依据的主要标准和规范。

2.2 设计条件解读

1）载荷条件：分为内载荷与外载荷。内载荷是容器内在条件（如工作压力与工作温度范围等）；而外载荷是容器外部条件（如环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）。其中工作压力与工作温度（在工艺过程中容器的工作范围内相互对应）决定着设计压力与设计温度，两者一起（最苛刻的压力-温度组合）作为设计载荷条件，前者决定容器的计算应力水平，后者决定容器材料的设计应力强度（许用应力）和冲击韧性（冲击功值），共同决定着容器的安全性能（强度、刚度、稳定性和抗腐蚀性）。并且，设计压力（高低或循环）是设计的重要数据，不仅是容器划类的条件（介质-p-V）之一，更是选择设计准则的依据。

2）介质条件：介质的组分决定着介质的特性（危险性即易爆或毒性、腐蚀性即均匀腐蚀或局部腐蚀）。介质是容器作用的“主角”，不仅是容器划类的条件（介质-p-V）之一，更是材料选择的重要依据。介质离不开工艺过程，如对于物理或化学反应，介质既包括反应物又包括生成物。

3）结构尺寸：立式或卧式、几何参数和管口方位简图。结构尺寸决定V值，是容器划类的条件（介质-p-V）之一，也是失效模式的主体。

4）预期寿命：用户提出的希望值，但需要设计合理确定。

5）必要条件：选材要求、防腐要求、表面处理、特殊试验、安装运输要求等。

可见，要完成一定结构尺寸容器的设计并保证设计寿命期内的安全性能，载荷与介质至关重要，而且都离不开工艺过程。

2.3 上述案例讨论

作为过程使用的容器，一切都离不开工艺过程。而工艺过程呈现出介质的组分及压力的变化，决定着设计所要考虑的因素，关系着设计的正确与完整性，影响着容器的本质安全。

1）从上述案例的设计文件中，看不出清洗罐的工作原理和清洗过程，只能从施工图数据表中看到：介质为超临界甲醇/易爆、中毒危害，p=15MPa，V=0.09m3，Ⅲ类压力容器；设计、制造与检验标准按TSG R0004—2009、GB 150—2011及HG/T 20584—2011。而风险评估报告中的失效模式则是强度失效、均匀腐蚀及泄漏失效。这是忽略了清洗罐的工作原理和清洗过程及溶质的缘故。

2）从清洗罐的工作原理和清洗过程看出，容器内的介质不仅仅是溶剂-超临界甲醇，尚有过滤芯上的溶质-重油，这样才能完成物理反应-溶解（清洗），并且清洗罐是间歇操作（每24h完成1次操作）。所以，在确定设计寿命时，不仅要进行疲劳分析设计，而且尚要考虑开工时溶质与溶剂的均匀腐蚀、停工时的局部腐蚀-应力腐蚀。

3）至于清洗罐用户采用局部电加热方式来实现甲醇的超临界状态，在此工况下的容器设计如何考虑，请业内讨论。

综上讨论，设计条件的完整性关系着设计质量能否符合容器的安全性能要求，而《固容规》从容器划分类别考虑，去掉了工作原理和工艺过程，但设计条件中不能缺少容器使用过程的说明，设计者对此应引起注意。

3 用户与设计的职责

《固容规》为增强容器安全主体的责任，增加了用户的职责，并规范了设计条件。为此，GB 150也增加修订了用户与设计等职责，以保证容器的本质安全。

3.1 标准规定

1）用户职责：容器的用户或设计委托方应当以正式书面形式向设计单位提出容器设计条件。并规定了设计条件的内容要求（略）。

2）设计职责：设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。并规定了设计文件的内容及保管要求（略）。

3.2 职责解读

1）向设计单位提供完整而准确的设计条件是用户的责任，以利于设计全面考虑各种工况因素实施基于失效模式的设计理念，所以，用户应对设计条件的准确性与完整性负责。同时用户也可以提出设计所用标准（规则设计或分析设计）及预期寿命等要求。

2）设计应对设计条件的准确性与完整性予以确认，以圆满完成容器的设计，并为设计文件的正确性和完整性负责。

3.3 案例讨论

1）用户应完善设计条件，尤其是应注重对清洗罐工作原理和清洗过程的说明，并给出过滤芯污垢重油的组分，以及停工时清洗罐如何清洗罐内残留污垢等。

2）设计应确认设计条件，合理确定失效模式与设计准则及选材，并与用户协商设计寿命的合理确定，使设计文件达到正确性和完整性要求。

4 结语

综上讨论，得出结论：

1）设计输入是保证设计质量的前提，设计条件的准确性与完整性决定设计文件的正确性与完整性，影响建造的可靠性与使用的安全性，关系压力容器的本质安全。

2）设计条件中的载荷与介质是设计重要数据，不但影响容器的结构尺寸、设计寿命的确定，而且更关系容器的类别划分、失效模式、设计准则、技术要求以及制造检验、使用管理、定期检验等安全技术。

3）作为工艺过程使用的压力容器，其设计条件离不开工艺过程。所以，设计条件内容应增加“工作原理和工艺过程”。

［1］ TSG R0004—2009 固定式压力容器安全技术监察规程及释义［S］.

［2］ GB 150—2011压力容器器及释义［S］.

［3］ 喻杰，等.超临界甲醇清洗罐开裂失效分析［J］.压力容器，2014，31（7）：55-58.

［4］ JB 4732—1995 钢制压力容器——分析设计标准（2005年确认）［S］.

［5］ SH/T 3074—2007 石油化工钢制压力容器［S］.

Cracking Failure Analysis of the Cleaning Tank and the Necessity Analysis of Giving Explicit Design Condition

Zhang Guang1Chen Gang1Zhang Yaxin2
（1.CNPC Liaoyang Petrochemical Fibre Company Machinery Factory Liaoyang 111003）
（2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003）

Determining the design conditions is the premise to ensure the design quality. The accuracy and completeness of design condition determines the correctness and completeness of design documents， also determines the fi nal reliability and the safety of the pressure vessel. Taking a cleaning tank cracking failure case as an example， this paper analysis the work principle and the cleaning process， the following conclusions have been taking: due to the design conditions and using conditions are not met， the failure modes and the design guidelines have not been determinate completely. It causes the design condition and the vessel work diverges from each other. It also causes the performance of vessel cannot meet the safety requirements. This illustrates the importance of determining the design condition. It suggests the users， the design units and the standard preparation department to concern the integrity of the given design conditions.

Cleaning tank Cracking failure Design conditions Completeness

X933.4

B

1673-257X（2015）04-26-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.007

张光（1960～），男，本科，高级工程师，从事压力容器建造工作。

2014-12-09）