电厂超年限液氨储罐检验

李 辉，高 健，钱亚勇，杨佩旭

(1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070;2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

某电厂330 MW机组脱硝工艺采用选择性催化还原法,脱硝剂为液氨。脱硝装置主要由液氨储存、氨气制备、供应系统、氨气混合系统、废水吸收系统、氨喷射系统、催化剂、烟气系统、反应器等组成,其中2台液氨储罐于2001年投入使用,无设计使用年限,设计压力2.16 MPa,最高工作压力1.6 MPa,设计使用温度-9～50 ℃,容积60 m3,内径2800 mm,材料Q345R,筒体厚度20 mm,封头厚度22 mm。

2022年接使用单位报检,对2号液氨储罐进行委托检验。因该液氨储罐无法查到设计使用年限,但使用已经超过20年,根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》7.17条规定,达到设计使用年限的压力容器(未规定设计使用年限,但是使用超过20年的压力容器视为达到设计使用年限),如继续使用,使用单位应当委托有检验资质的特种设备检验机构参照定期检验的有关规定对其进行检验,必要时进行安全评估(合于使用评价)。为确保该液氨储罐的检验方法科学有效,及时发现影响设备安全运行的潜在隐患,在保障安全的前提下增加设备使用年限,减少使用单位成本投入[1],参考相关技术规范、检验检测标准,针对性地制定专项检验方案并组织实施。

1 专项检验方案制定

通过审查设计资料、制造资料,包括质量证明书、竣工图、监检资料、安装竣工资料、历年定期检验报告、年度检查报告和月度检查记录等,发现该厂自2020年以来,连续两年未开展全厂压力容器年度检查,且月度检查内容不全,相关检查记录缺失,设计资料不全,未查到设计使用年限,实际使用超20年后,也未办理使用登记证书变更。

通过详细查阅该液氨储罐的所有运行、检修资料,了解日常使用状况并分析失效模式,依据标准GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式》识别、分析其可能存在的主要损伤为腐蚀减薄、应力腐蚀开裂及其他损伤。对于超设计使用年限的2号液氨储罐,为充分了解其压力容器可能存在的缺陷,准确评价其安全状况,检验方案中除开展宏观检查、壁厚测定、表面缺陷检测和安全附件检验外,还增加了埋藏缺陷检测项目；针对该液氨储罐介质特点,特别要求在内表面进行表面检测,同时增加了壁厚测定、焊缝表面检测、接管座焊缝的检测比例,要求在发现表面缺陷、埋藏缺陷、厚度异常时将检测比例扩大到100 %,并与使用单位协商在条件允许时,增加耐压试验。

2 检验过程

2.1 宏观检查

宏观检查是压力容器检验项目中最直接、最有效的方法之一。在该液氨储罐的宏观检查中,重点检查了其在运行过程中结构有无变形、几何尺寸有无变化、是否存在介质泄漏、受压元件有无改造、修理、内外表面有无明显的机械损伤以及支座有无开裂、基础有无下沉等情况[2]。检查发现液氨储罐东侧封头局部表面有油漆脱落,从东侧数第二节筒体上存在一处凹坑,有机械打磨痕迹,其余承压部位无变形、开裂等异常情况；宏观检查发现筒体表面有轻微腐蚀,液位计下端口管座角焊缝存在咬边,长度20.0 mm,最大深度0.5 mm,其余部位未见异常。

2.2 壁厚测定

在审查上年度定期检验报告时,发现该液氨储罐筒体南侧第2条环焊缝附近实测壁厚与公称厚度差值较大,为重点抽查区域；同时,对液位波动区域、进出口接管附近和宏观检查发现的外表面油漆层脱落部位进行壁厚测量,壁厚测量点位及测量数据见表1。

表1 壁厚测量数据 单位：mm

在对南侧第3条环焊缝和纵缝附近筒体测厚时,发现局部厚度异常,为进一步确认壁厚测量数值,将该区域表面油漆去除露出金属光泽,重新在试块上校准仪器后进行复测,数据与前次测量相差无几。

根据测量值及表面形貌进行研究分析,确认其为分层,且与表面存在一定夹角,分层区域壁厚测量值如表2所示。

表2 分层区域壁厚测量值 单位：mm

在该分层区域,根据实测壁厚值计算分层缺陷与自由面的夹角a,根据夹角值的大小判定分层的严重程度,分层区域壁厚测量见图1,计算公式如式(1)所示。

图1 分层区域壁厚测量

式中,h1、h2分别为分层区域测得的最小、最大壁厚,其值分别为9.02 mm、11.21 mm；L为最大壁厚与最小壁厚之间的距离(12.80 mm),则tga=0.17,得出a=ctg0.17=9.7°。

2.3 无损检测

本次检测主要采用表面检测和超声波检测两种方式。内部筒体焊缝及管座角焊缝采用磁粉探伤,检测比例超过50 %,范围覆盖所有管座角焊缝及筒体环焊缝、纵焊缝及丁字接头。采用超声波探伤对筒体环焊缝和纵焊缝进行埋藏缺陷检测,检测区域包括所有筒体环焊缝、纵焊缝、丁字接头和分层区域,整体检测比例超过50 %。通过表面检测和超声波检测均未发现缺陷。

2.4 强度校核

由上次定检报告壁厚测量结果和本次检验壁厚测量值,计算出液氨储罐筒体的平均腐蚀速率为0.322 mm/年。该液氨储罐最高工作压力1.6 MPa,实际工作压力0.98 MPa,内径2800 mm,材料Q345R,筒体厚度20 mm,设计使用温度-9～50 ℃。该材料在50 ℃时的许用应力为185 MPa,容器环焊缝、纵焊缝为双面焊双面焊成型,焊接系数为0.85,采用壁厚校核公式进行校核。

式中,δ为最小需要壁厚,mm；p为工作压力,MPa；σ为使用温度下的许用应力,MPa；ψ为焊接系数；d为罐体内径,mm；c为腐蚀裕量,mm,此处c=2 mm。

按最高工作压力1.60 MPa进行校核,代入上述数据,得δ=16.32 mm。

根据实测液氨储罐筒体最小壁厚16.19 mm,经过壁厚校准,该液氨储罐的筒体厚度在该条件下不满足强度要求。

按实际工作压力0.98 MPa进行校核,代入上述数据,得δ=10.75 mm。

经壁厚强度校核,在实际工作压力为0.98 MPa下,该液氨储罐的筒体厚度满足强度要求,可继续运行。

2.5 表面凹坑缺陷安全评定

2.5.1 凹坑缺陷的规则化和表征

按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》的规定,对该液氨储罐外表面的不规则凹坑缺陷按其外接矩形将其规则化,长轴长度150 mm、短轴长度45 mm、最大深度4.60 mm。

2.5.2 计算凹坑缺陷的无量纲参数G0

经检测确认,凹坑及其周围无其他表面缺陷和埋藏缺陷,符合进行无量纲参数的计算条件。若G0＜0.1,则该凹坑缺陷可免于评定,认为是安全的或可接受的。考虑到该液氨储罐属于超设计使用年限的压力容器,以3年为一个检验周期计算G0。

式中,B为评定用壳体计算厚度,mm；B0为凹坑附近实测容器壳体壁厚,mm；C2为一个检验周期内腐蚀减薄量(3年),mm；年平均腐蚀速率为0.322 mm/年；Z为凹坑深度,mm；X为凹坑长轴长度的一半,mm；R为容器平均半径,mm。

经计算可得B=15.964 mm,G0=0.144。因G0＞0.1,还需继续按塑性极限载荷和最高容许工作压力进行评定。

2.5.3 确定极限载荷和最高容许工作压力

1) 计算材料流变应力。

由此可得σ—'=0.5(σs+σb)=412.5 MPa。

2) 计算无凹坑缺陷壳体塑性极限载荷。

代入相关数据,计算得出pL0=5.413 MPa。

3) 计算带凹坑缺陷容器极限载荷。

代入相关数据,计算得出pL=4.797 MPa。

4) 计算带凹坑缺陷容器最高容许工作压力。

代入相关数据,计算得出pmax=2.665 MPa。

工作压力p=0.98 MPa＜pmax,可见该液氨储罐的凹坑缺陷是安全、可接受的。

2.6 安全附件检查

对安全阀、液位计、压力表进行现场检查,审查安全附件本年度校验报告,结果显示检验合格,符合运行要求。

2.7 耐压试验

耐压试验是一种采用静态超载方法验证压力容器整体强度,对压力容器进行综合性考核的试验,可以防止带有严重质量问题或缺陷的容器投入使用。因该液氨储罐属于超设计使用年限的压力容器,检验人员建议使用单位进行一次耐压试验或者在本次壁厚测量发现异常且强度校核不合格后必须进行耐压试验。由于液氨属于有毒、易爆的危险化学品,本次方案中采用氮气作为试验介质进行气压试验。气压试验的最低试验压力计算如下。

式中,PT为耐压试验压力,MPa；η为耐压试验压力系数(1.10),[σ]为试验温度下Q345R的许用应力(185 MPa),[σ]t为设计温度下Q345R的许用应力(185 MPa),P为液氨储罐的设计压力(2.16 MPa)。由此可得PT=2.38 MPa。

具体试验程序如下：试验前将液氨储罐的其他无关阀门关闭,打开筒体压力表阀门和充氮管道阀门开始打压,应先缓慢升压至规定试验压力0.238 MPa并保压5 min,对液氨储罐整体及连接部位进行检查,如无泄漏可继续升压至规定压力1.19 MPa并保压5 min,如无异常,按照0.238 MPa/min的速率进行升压至2.38 MPa并保持10 min,再降压至2.16 MPa,然后进行检查,检查期间压力保持不变,则试验合格。

3 安全状况等级评定

对于超设计使用年限的压力容器,安全状况等级评定可参考T/CASEI 013—2022《超设计使用年限压力容器检验规范》进行,对检测结果综合评定,以其中项目等级最低者为评定等级,进行单项评定时,同等情况宜从严掌握。根据该液氨储罐宏观检查结果,液位计下端口内部焊缝咬边,以及凹坑缺陷无量纲参数与极限载荷和最高容许工作压力的计算,评定为3级；壁厚测定结果经强度校核,满足使用要求,筒体分层夹角小于10°,评定为3级,其余检验检测未发现异常。综上评定认为,该液氨储罐综合评定为3级。

4 检验周期确认

检验周期的确定参考TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和T/CASEI 013—2022《超设计使用年限压力容器检验规范》的相关规定进行。因该液氨储罐已超过设计使用年限,存在未按规定进行年度检查和月度检查不规范的问题,根据本次检验综合评定的安全状况等级,并结合使用单位的综合管理能力、应急水平及其意见[3],最终确定检验周期为3年。

5 检验结论及建议

该厂2号液氨储罐属于超设计使用年限的压力容器,后期运行存在一定的安全风险。此次根据该液氨储罐压力容器的工艺、工况及识别的损伤模式制定了专项检验方案,除耐压试验因检修工期的原因未执行外,其余检验、检测项目均已按方案严格实施,通过安全状况等级评定,给出符合要求的结论,认定该液氨储罐可按原参数继续运行。根据给出的检验周期,要求使用单位在有效期满的前1个月内向有资质的检验机构提出委托检验申请。

对于此类超设计使用年限或将要超设计使用年限的压力容器,使用单位在今后的工作中应加强管理,做好年度检查和月度检查工作以及运行过程中压力容器缺陷和问题的记录；同时,使用单位尽快对超过设计使用年限的压力容器进行使用登记证书变更办理,做好压力容器安全台账、技术资料更新。此外,因液氨属于易爆、易燃、有毒性物质,建议对超设计使用年限的液氨储罐在下次有效期满前,委托有资质的检验机构进行合于使用评价,评估剩余使用寿命。

6 结束语

通过编制及实施合理的压力容器检验方案,可避免发生检验过度或检验不足等情况,为超设计使用年限压力容器的安全使用提供科学依据；同时还可在事故发生之前发现存在的缺陷,提出具有针对性的检验检测方案和返修措施,大大降低超设计使用年限压力容器的潜在风险,为其他在役超设计使用年限压力容器的长期安全运行提供参考,达到节约成本、提高使用单位经济效益的目的。