浅谈压力容器的利旧改造设计

俞天健　陈琪君

摘 要：国内石化行业近几年都在快速发展，新旧更替。以经济运行、节约能源和保护环境为前提，某些服役期满的石化装置、因故关闭装置等的闲置设备，在设备完好的情况下想继续在新的工程中使用，或旧装置搬迁改扩建涉及的在用设备，都是利旧改造的对象。由于利旧设计没有特定的标准或相应规范可以遵循，只能根据设计者的认知和经验进行设计。本文根据实际完成的改造项目，从设计角度论述了压力容器改造设计的流程，提出改造中应注意的技术要点。

关键词：压力容器;利旧改造;设计;技术要点

国内石化行业近几年都在快速发展，旧装置在改扩建、升级或搬迁改造过程中，常常会利用闲置设备，既能节约资源、保护环境，又可以经济运行提高利用率。压力容器改造设计没有统一的设计标准或相应规范可以遵循，改造结果因人而异，旧设备如能合理利用必定会节省投资，但如果改造不妥非但不能充分利用好旧设备，反而有增加运行风险和安全隐患的可能。笔者近期完成了某化工装置的设备改造工作，针对此项目进行一下梳理，并对改造的设计过程提出个人的看法，以供参考。

1 利旧的前提和原则

根据TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第5.2.1（2）“压力容器的改造或者重大修理方案应当经过原设计单位或者具备相应能力的设计单位书面同意”，所以改造应优先找原设计单位进行利旧改造，因为涉及到的原始设计资料保存完整。但实际上由“具备相应能力的设计单位”来完成利旧工作的情况也很多。笔者完成的改造项目设备就是由多个制造厂分包完成的设计和制造。

1.1 前提

利旧设计前必须全面掌握设备的档案资料，不清楚之处必须进行实际测绘，对设备的服役过程及检修、维修、改造等情况必须了解，对设备目前的状况必须非常清楚，这是进行利旧改造设计的前提。

1.2 确定利旧设备的安全等级

容器使用单位应委托当地的特种设备监管部门或有资质的检验检测机构，按照TSG R7001《压力容器定期检验规则》进行检验，确定容器的安全等级。安全状况等级在1～3级者可利旧使用;安全状况等级为4级的可以根据实际情况有条件的利旧，或降低工况使用;安全状况等级为5级的不得利旧用于压力容器，可根据设备实际情况改用于常压容器，盛装中度毒性以下非易爆类介质。

1.3 保证利旧设备的经济合理

利旧的主要目的就是为了节约成本，提高旧有资源的利用率，所以除了对旧设备进行安全评定外，还应进行经济性对比，如果旧设备的检测、试验、评定等费用较高，使用寿命又较短，再加上使用中的管理费用和检修维护费用等与新设备相差不大，这种情况下不建议利旧。比如接近或超过设计年限的普通碳钢容器，规格只有几个立方，新设备的制造成本和旧设备检测、试验、评定等费用相当，完全没有必要。

1.4 保证利旧设备的安全使用

除非旧设备服役年限较短，运行良好，且原设计余量满足新工况，否则不要盲目提高利旧设备的设计工况，尽量在同等工况使用，或降低后使用。

2 利旧设备的设计流程

2.1 确认资料的完整性

容器使用单位应提供旧设备清单及相应设备的全部资料，包括：①原始设计资料：设计条件、设计图纸、计算书、竣工图等;②制造日期、服役年限;③使用记录：是否在正常操作条件下操作，有无超温、超压、超量情況，持续时间，对压力容器有无危害安全使用的损伤等;④设备档案：制造检验记录、检维修记录、中间改造记录、改造图和定期检查记录等。

2.2 设计方案的确定

工艺专业根据以上资料及新的操作条件，首先确认拟利旧设备的直径、长度（或高度）、开口大小、方位等外形尺寸是否满足操作要求，再根据设备在装置中的重要性及利旧价值进行分类，将1.3中提到的不经济合理的普通材质小设备直接剔除，不予利旧。将符合要求的设备对应资料和新数据表提供给设备专业，由设备专业根据原设备数据，在新的工艺操作条件和自然条件下按现行标准进行初步的判断，主要受压元件（包括筒体、封头等）的强度和稳定性校核满足要求的，应逐台将核算结果及各自实际所需的测绘、检验项目以书面型式提供给容器使用单位，由他们委托当地的特种设备监管部门或有资质的第三方检验检测机构进行检验并提供相应的安全评估报告。

普通压力容器主要包括以下内容：①设备的详细结构图（包括内件）。如果设备资料齐全则可免掉此项，否则应通过测绘补齐;②容器壳体和所有受载荷元件的最小壁厚，包括接管、法兰、人手孔、裙座、支座、加强圈等。并应提供厚度测定点分布图，包括但不限于：a.肉眼可见腐蚀严重部位;b.容器内物料气液相分界面;c.封头过渡区;d.管口接管与法兰焊接部位;③设备内、外部检验，包括腐蚀程度、腐蚀坑深、错边量、椭圆度等，另外还要如实提供设备在拆卸及运输中是否引起变形、凹瘪、接管弯曲等。

对于原使用环境为高温高压或存在应力腐蚀的设备，理论分析存在疲劳损伤、裂纹敏感（如氢腐蚀、硫化氢应力腐蚀）、高温蠕变、有脱碳倾向等的设备，应进行化学成分分析和机械性能试验，必要时还可以采用光学显微镜、电化学试验等手段，对设备进行微观裂纹检测、金相分析及微观组织检验等。拿到检验机构出具的报告后就可以进行下一步改造工作，改造方案通常按两种方式出具。符合TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第5.2.1（1）的，改变受压元件的结构或者改变压力容器运行参数、盛装介质、用途等改造或主要受压元件的更换、矫形、挖补、以及对接接头的补焊等重大修理的情况一般以施工图的方式出具改造方案，除上述情况外的其他情况以联络单形式出具。笔者完成的改造项目中涉及到一类设备，其设计压力、设计温度都与原数据相同或降低，所有管口都利旧不变，只变更了同类型盛装介质、设备名称、设备位号，此时改造图不必重新画图，只需包含技术条件及数据表，将更新后的内容表述清楚即可，另须按实际的厚度进行必要的强度和稳定性校核计算，便于容器使用单位向当地的特种设备监管部门申请备案变更。在与工艺专业确定设计方案时，应根据实际需求尽量不在设备本体上动火，能利用的接管、法兰、人手孔、内件等元件尽量利旧，确认不再使用的开孔接管应用盲板焊死或采用法兰盖、紧固件及垫片封堵。

2.3 校核计算及结构设计

以上步骤完成后，就可以根据新条件及检测报告进行正式的强度和稳定性校核。校核应按现行的标准规范进行，但材料的许用应力等性能参数应按容器设计时采用的标准规范执行。对于新增开口、筒节等受压元件应按现行标

准、规范进行设计、制造及检验，且应采用现行标准中允许的材料。壳体计算直径应根据检测报告中的实测最大值选取。焊接接头系数应根据原对接接头的实际结构型式和检测结果进行选取，参照原设计图宜就低不就高。校核计算时，应以设备实测最小壁厚及预期的腐蚀裕量为基准，其

中腐蚀裕量的确定是非常关键的因素，一般考虑均匀腐蚀工况：腐蚀裕量C2=腐蚀速率×预期设计使用年限（见2.4条）。当实测最小壁厚去除腐蚀裕量后不满足强度要求时，可以对设备所需的最小厚度作出明确规定（在改造图中标明），或按照实测最小值减去至下次检验日期的腐蚀裕量，作为强度校核的壁厚。对于壁厚能满足内压的强度校核，但又不满足其他载荷（比如风载荷、地震载荷、局部集中载荷等）要求时，可以采用设置加强圈或局部加强等办法来达到利旧的目的。对于高径比较大的塔器，如不在原址使用，而风载荷和地震载荷又不小于原工况时，建议更换整个裙座，因为裙座受力比较苛刻，有防火层时壁厚又不好测量，使用时间较长时间后裙座筒体和基础环板腐蚀较严重，对塔顶挠度的影响很大，且塔器发生裂纹多数存在于裙座与下封头焊接处，所以高塔裙座采用新制较好。

2.4 设计使用年限

对于利旧设备，如何确定设计使用年限是一个非常复杂的问题，但总体原则是应根据已使用的设备年限、腐蚀情况、新操作工况及设备安全评级等因素进行确定。一般情况下定为不少于3年或一个检修周期，当不能满足要求时，应考虑降低要求后改造它用。

3 设计中的图面要求及技术要点

利旧设备技术要求可参照现行标准规范执行，但与新制设备有些区别，下文列举几条不同之处的要求：

①改造图样中应注明本施工图为改造施工图，改造须遵循TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》、TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》的有关规定;检测及改造实施单位须具有相应资质等级;②改造图样应注明拟利旧设备的原设备名称、位号、材质及新的使用年限（按2.4条确定）。图纸中技术条件数据表按新的工艺条件以及自然条件进行填写;③改造图对原有设备结构以双点划线示意，改造及新增部分以粗实线表示。因改造时容器使用单位也会向改造单位提供完整的竣工图，为了保证图面整洁，旧有尺寸只须标注外形等关键部分，其余省略;④对于管口表，可以只列改造、新增管口，但为了方便相关专业配管配阀等需求，最好列出完整的管口信息，备注各管口是利旧、新增、改造等何种情况，方便后續查阅;⑤改造前应将焊缝坡口（或缺陷待修补处）附近的油污、腐蚀产物、氧化皮等附着物彻底清除干净，并充分干燥;⑥Cr-Mo钢改造部位火焰切割前（或用砂轮打磨前）应进行充分的消氢处理。火焰切割时的环境温度不得低于0℃，否则应进行预热;经火焰切割的坡口表面，应打磨去除淬硬层;⑦不锈钢的坡口应采用机加工或等离子切割的方法，不得使用碳弧气刨切割坡口和清根;⑧改造后对新增 A、B类焊缝应进行射线或超声检测，新增C、D 类焊缝应进行表面无损检测，检验长度、合格级别根据设备新工况确定。同时为保证设备的安全运行，也可要求对原设备A、B类焊缝进行局部或全部射线检测复验;⑨设备改造完成后按规定需要进行耐压试验的，必须去除所有焊缝处原有涂漆，露出金属光泽后方可进行，耐压试验的要求按GB/T150.4-2011相关规定;⑩原设备要求热处理的，原则上改造后要求重新进行热处理，但新工艺条件低于原设备的，也可根据设备材质、盛装介质等参数确定是否进行热处理;?对于采用特殊材料，或盛装极度、高度危害等特定介质的设备，其改造中涉及的设计、检验要求同新设备设计，本文不再展开讨论。

4 结束语

上述内容是在完成某改造项目的过程中得到的一些设计经验，供同行讨论参考共同完善。利旧设计与新设备设计有着明显的区别，对此必须要有明确的认识。设计前对旧设备资料了解的越全面，制定的改造方案就越合理，设计质量也会越高，认真细致做好改造的各项工作，严格遵守相关的规程法规，才能保障装置和人员的安全，不留任何隐患，使容器使用单位安全经济的合理使用旧设备，达到节省投资降低成本的目的。

参考文献：

[1] TSG 21-2016.固定式压力容器安全技术监察规程[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2016.

[2] TSG R7001-2013.压力容器定期检验规则[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2013.

[3] GB/T150.1～150.4-2011，压力容器[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2011.

作者简介：

俞天健（1982- ），男，汉族，本科学历，工程师，研究方向：主要从事化工设备设计工作。