超期设计使用年限的压力容器检验案例分析

田金龙，刘奉东，杨文博，孙婷婷

（北方化锦化学工业股份有限公司检验中心，辽宁盘锦 124000）

0 引言

随着我国工业化水平的不断提高，压力容器的数量也逐年剧增，据国家市场监督管理局的统计数据显示，截至到2019 年，我国的压力容器在用数量已接近400 余万台[1]。与此同时，超过设计使用年限的压力容器也在逐年增加。一般情况下，超过设计使用年限的压力容器应当给予报废、注销，但是部分设计人员为了规避风险，对所设计的压力容器的设计使用寿命规定得较短，这类压力容器尚有继续使用的可能性。根据国家特种设备安全法和压力容器相关技术规范，此类压力容器应当委托检验机构对其检验。在检验实践过程中，对一台超设计使用年限的压力容器进行检验时，采取专用检验方案，对其进行检验后，成功发现其存在的潜在缺陷，避免了该压力容器事故的发生。

1 设备基本情况

该设备为某公司液化石油气储罐，是附属的残液罐，制造于1998 年，该储罐的设计使用年限为20 年，已超过设计使用年限，具体的使用参数:设计压力1.77 MPa；使用压力≤1.6 MPa；设计温度50 ℃；使用温度≤50 ℃；主体材料16MnR；封头厚度16 mm；筒体厚度14 mm；容器直径2000 mm；容积32 m3；工作介质为液化石油气。

2 检验情况

使用单位于2019 年12 月1 日向检验单位申请委托检验，因该储罐已超过设计使用年限，根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》编制了其专用的检验方案，所编制的检验方案与其他压力容器的通用检验方案相比，突出了以下重点:

（1）资料审查。该设备是移装后，在我机构首次进行检验，因此对于其设计、制造、安装竣工资料（包含前一使用单位的安装竣工资料）、修理改造资料、日常使用维护资料和定期检验资料年度检查资料等，进行详细彻底的审查。

（2）检验项目和方法。该设备属于超设计使用年限的设备，其使用介质为液化石油气，制造材料为16MnR，综合考虑其失效模式，根据承压设备损伤模式识别来分析，较有可能发生的损伤是腐蚀减薄和环境开裂。因此，在方案中，增加了测厚的点数，对于环境开裂，采用了对内壁所有纵、环焊缝采用100%埋藏缺陷检测和表面无损检测的方式，对所有的角接焊缝采用渗透检测100%检测。

3 检验中发现的问题

根据专用检验方案，对该液化石油气储罐进行检验。经审查其资料齐全，设计、制造和历年的定期检验报告均有，且发现在其整个使用过程中并未发生过修理和改造，但是使用单位未按要求进行年度检查。

在储罐内进行宏观检查时，发现其东面的封头下半部分有15 个呈白色、直径30～60 mm、高度5～15 mm 的异形缺陷，初步确定是鼓泡缺陷（图1）。发现其存在鼓泡缺陷后，对其周围增加测厚点数，发现其附近内壁往外测壁厚仅有6±2 mm；而在同样的位置，外壁向内壁测量其壁厚为10±2 mm。对其鼓泡的位置进行打磨，用渗透检测进行无损检测，有些鼓泡内部发现存在30～50 mm 长不等的潜在裂纹（图2）。

4 缺陷成因分析

首先分析其制造材料，查阅使用单位留存的档案资料，对该压力容器筒体及封头的材料，查阅其元素含量和力学性能表。从资料中可以发现，封头材料其Mn 元素的含量比筒体材料的稍高，而且其抗拉强度、屈服强度均比筒体材料高。16MnR 是我国自主研发的一种压力容器专用钢材，它主要含有锰合金元素。锰能够增加珠光体的含量，从而使其具有良好的综合机械性能。我国绝大多数的液化石油气储罐都使用16MnR 制造，其使用在这类压力容器中的最大缺陷是具有较高的湿H2S 腐蚀敏感性。

液化石油气是从石油的开采、裂解、炼制等生产过程中得到的副产品，它是碳氢化合物的混合物，其主要成分包括:丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）、丁烯（C4H8）和丁二稀（C4H6），同时还含有少量的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、戊烷（C5H12）及硫化氢（H2S）等成分。从不同生产过程中得到液化石油气，其组成有所差异。它在常温下加上0.5～1.8 MPa 的压力即成为液体。目前，液化石油气依然是我国居民生活主要使用的能源之一。

图1 氢鼓泡

图2 氢鼓泡上的裂纹

本次检验的液化石油气贮罐使用时间21 年，查阅历年的检验报告，未发现有任何关于氢鼓泡的记录和其他任何危害储罐使用安全的缺陷。从前述液化石油气的成分上分析，其中含有的少量硫化氢容易与水分相结合，形成湿硫化氢氛围，产生湿硫化氢破坏。根据GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》的描述，对湿硫化破坏的描述为:在含水和硫化氢环境中碳钢和低合金钢所发生的损伤，包括氢鼓泡、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂4 种形式[2]。①氢鼓泡，金属表面硫化物腐蚀产生的氢原子扩散进人钢中，在钢中的不连续处（如夹杂物、裂隙等）聚集并结合生成氢分子，当氢分压超过临界值时会引发材料的局部变形，形成鼓泡；②氢致开裂，氢鼓泡在材料内部不同深度形成时，鼓泡长大导致相临的鼓泡不断连接，形成台阶状裂纹；③应力导向氢致开裂，在焊接残余应力或其他应力作用下，氢致开裂裂纹沿厚度方向不断相连并形成穿透至表面的开裂；④硫化物应力腐蚀开裂，由于金属表面硫化物腐蚀过程中产生的原子氢吸附，在高应力区（焊缝和热影响区）聚集造成的一种开裂[3]。

在这台压力容器中，长年累月的湿硫化氢环境，使得16MnR材料和H2S 的反应生成的氢原子向钢中扩散，在钢材的非金属夹杂物、分层和其他不连续处，易聚集形成分子氢。由于在钢组织内部的氢分子很难逸出，从而形成强大内压导致其周围组织屈服，形成表面层下平面孔穴结构，即宏观观察到的氢鼓泡。与此同时，氢鼓泡在材料内部不同深度形成时，鼓泡长大导致相临的鼓泡不断连接，形成了台阶状裂纹，如图2 打磨后渗透检测所发现的裂纹。对其他筒体和封头进行了仔细检测，在没有分层的板材部位均未发现有氢鼓泡。说明该贮罐是因为封头存在分层，加之液化石油气中的硫化氢含量超标而导致氢鼓泡开裂。

5 缺陷处理及措施

根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第8 章关于定期检验的规定，本次检验对该压力容器的安全技术等级定为了5 级。考虑到鼓泡的点数较多，打磨深度较大，钢板分层的面积较大，综合考虑到该压力容器已使用了21 年，维修价值不大，因此建议使用单位立即停止使用该压力容器，同时向监察部门办理报废手续。对于本次检验案例，为防止再次发生氢鼓泡现象，建议用户和厂方采取以下改进措施:①严格控制液化石油气硫化氢和水的含量；②采用涂层的方法在罐体内表面形成保护膜，使钢板与硫化氢环境隔绝，从而防止钢材受损；③选用低硫磷的抗硫化氢腐蚀的专用钢材制造；④严格控制分层钢板的使用。