浅析超设计使用年限压力容器的检验与安全评估

苏明，赵乾成，张磊，张伟伦

（辽宁省安全科学研究院，辽宁 沈阳 110004）

1 前言

当今，超设计使用年限压力容器的数量逐年递增，其检验及安全评估越来越受到人们的重视。设备达到设计使用年限后，并不意味着无法继续使用或者必须进行报废处理。根据相关规定，达到设计使用年限的压力容器，如果检验后确保能够继续使用，需委托具备相应检验资质的检验机构对其进行检验，而且，必要时进行相应的安全评估。该单位的主要负责人进行批准后（应有书面文件），还需到登记管理机关变更使用登记证书，方可继续使用。从设备风险隐患、使用安全责任的角度考虑，对于简单压力容器、空气储罐、蒸汽分汽缸等成本较低、停车更换较容易的设备，在达到超设计使用年限后，可以到期直接更换；而对于化工厂、制药厂、热电厂等设备成本较高的超设计使用年限容器，停车更换会给使用单位带来较大代价损失，故通过检验、安全评估等手段判断能否继续安全使用是目前普遍采用的、经济性较高的一种方法。尤其是近年来石化行业在我国的飞速发展，压力容器等承压设备的使用数量倍增。其中，由于化工工艺需要、节能环保等因素，一些超设计使用年限的压力容器无法轻易更换，从而导致其安全隐患不断增加。因此，对超设计使用年限的压力容器进行检验及安全评估是保障安全生产的重要环节。

对超设计使用年限的压力容器进行检验不属于常规定检范畴，而是属于委托检验。此情况下，使用单位应和检验机构签署委托检验协议，通过检验和评估来确定压力容器的安全状态。其中，当检验过程中，发现严重缺陷甚至可能导致停止使用时，才需进行安全评估。安全评估可参照相关标准执行。目前我国还没有出台统一的检验或者评估的规范或标准，但近期出台的T/CASEI 013-2022《超设计使用年限压力容器检验规范》、T/CMES 16005-2022 T/CPASE PT 020-2022《超设计使用年限压力容器评估与检验导则》2 个团标已经在实际操作层面给出了很好的指导。

2 检验与安全评估原则及步骤

超设计使用年限压力容器的检验与安全评估的步骤和程序可简要概括为以下内容，如图1 所示，资料审查、损伤模式识别与检验方案制定、压力容器检验、压力容器安全评估（必要时）、压力容器安全状况等级的评定、压力容器检验及安全评估结论、报告的出具。

图1 检验与安全评估程序图

3 资料审查

超设计使用年限压力容器的设备信息收集主要依靠资料审查环节。检验工作中，资料审查是检验项目中的重要环节，目的在于审查、收集有关设计、制造、安装、改造或者重大修理、使用管理、检验检查和维护等重要信息。

资料审查主要涉及的内容如表1 所示。

表1 资料审查主要涉及的内容

一般情况下，超设计使用年限的压力容器不是首检，且已超过设计的使用年限，因此，针对其档案资料现状的审查，应着重查看临近或首次超过设计使用年限时的定期检验报告、年度检查报告及检验过程中发现的问题等，为开展的检验与评估提供有效的支持。

4 损伤模式识别

超设计使用年限的压力容器检验与评估需要参照GB/T30579《承压设备损伤模式识别》进行检验与评估，应在充分了解设备所处的工艺及工况的基础上，识别出损伤模式。GB/T30579 是目前检验中进行压力容器损伤识别分析的重要理论基础和技术支持。检验人员在充分了解超设计使用年限压力容器设备信息的情况下，分析其可能发生的损伤情况，识别出预期损伤模式。

4.1 腐蚀减薄

压力容器最常见的损伤模式类型，是材料在具有腐蚀性的介质或环境等的作用下出现的壁厚减薄情况。压力容器检验中常见的腐蚀减薄有三种形式：点腐蚀、局部腐蚀和全面腐蚀。在压力容器的定期检验过程中，针对承载介质的不同，常遇到的腐蚀减薄有盐酸腐蚀、硫酸腐蚀、二氧化碳腐蚀、碱腐蚀、高温硫化物腐蚀等。

4.2 环境开裂

环境开裂是压力容器失效模式中会产生后果最严重的，在检验工作中发现频率较高。环境开裂是在腐蚀性介质的作用下，材料发生的开裂现象。敏感的金属材料、腐蚀介质以及足够大的拉伸应力是它的主要影响因素。根据环境条件的差异，环境开裂通常可分为：碳酸盐应力腐蚀开裂、碱应力腐蚀开裂、硝酸盐应力腐蚀开裂、氨应力腐蚀开裂、氢脆、氯化物应力腐蚀开裂、湿硫化氢破坏、连多硫酸应力腐蚀开裂等。

4.3 材质劣化

在材料的微观组织或者力学的性能在环境作用下，发生了明显退化即发生材质劣化。通常是比较苛刻的工作环境下才会使压力容器发生此种损伤。材料在运行介质或温度等其他因素的影响作用下，可能出现金相组成结构或组织结构发生改变，并导致其材料的性能指标最终发生变化。材质裂化是由多方面因素引起的，例如，运行在高温高压条件下、运行介质的影响、热处理失效等，针对材质劣化一般常用的检验检测方法有硬度检测、金相检测等。较常见的有球化、石墨化、回火脆化、敏化和晶间腐蚀等。

4.4 机械损伤

机械损伤是指材料由于热载荷或机械载荷的作用导致的承载能力下降的现象。机械损伤常见的表现形式有：热疲劳、机械疲劳、接触疲劳、振动疲劳、机械磨损、过载、蠕变、冲刷等。

5 超设计使用年限压力容器检验

结合常规定期检验方法，以及上文提到的两个团体标准，根据设备工况条件及预期的损伤模式，制定检验方案，进一步开展具体的检验工作。一般情况下，在检验过程中，检验人员应当对超设计使用年限压力容器进行埋藏缺陷检测进一步确定设备安全状态。此外，应根据识损伤模式对设备进行针对性的检验是重中之重。

（1）对于腐蚀减薄，根据上一周期的最小的实测壁厚值、使用年限、腐蚀裕量等确定出腐蚀速率，参照GB/T30579，确定腐蚀减薄类型，针对不同类型确定正确的检测方法，必要情况下进行强度校核。超设计使用年限压力容器存在腐蚀减薄损伤模式时，分为三种情况：①均匀腐蚀，通常应用目视检测和腐蚀部位的定点壁厚测定；②点蚀或孔蚀，其通常采用目视检测；③焊缝腐蚀，通常综合运用目视检测和焊缝尺检测。

（2）对于环境开裂，需要熟悉设备的工况环境及介质的特性，针对其材料的敏感性，明确环境开裂预期类型。应采用MT、PT、ET 等方法进行检测。

（3）对于材质劣化，设备的运行工作温度应当首先重点关注，并根据材料敏感性，对材质劣化可能发生的类型都需要逐一列出，有针对性地开展硬度、金相、无损等检验检测。

（4）对于机械损伤，主要针对的是在运行中可能存在振动、磨损、热载荷等情况的设备，同时结合实际的运行工况，明确预期的机械损伤类型。可采用ET、MT、PT 等方法进行检测。

6 压力容器安全评估

安全评估是针对检验超设计使用年限的压力容器过程中，如果发现较严重的缺陷可能导致设备停止使用时而进行的，一般指合于使用评价。目前，可以参照GB/T19624《在用含缺陷压力容器安全评定》等标准过程进行评估。GB/T19624 的主要内容包括对评定对象的状况调查（工况、历史、环境等）、缺陷检测及缺陷成因分析、材料检验（损伤、退化与性能等）、失效模式判断、和应力分析、必要的试验与计算，以及对压力容器的安全性进行综合评价和分析，其安全评定适用的对象是在用钢制含超标缺陷压力容器。含平面缺陷中裂纹、未熔合、未焊透等，体积缺陷中凹坑、气孔、夹杂等的受压元件都可以适用此标准进行评定。

GB/T 35013 用来评价金属制承压设备的损伤和缺陷模式，该标准可用于多种损伤模式和缺陷。损伤模式和缺陷的类型主要包括：腐蚀减薄(局部减薄、均匀减薄和点蚀)，氢鼓包、氢致开裂和应力导向氢致开裂、凹陷和沟槽、错边、棱角和不圆、低温脆性断裂、火灾损伤和蠕变损伤。该标准还规定，对疲劳以及平面缺陷的断裂按照GB/T19624 进行评价。

7 检验及安全评估结论和报告的出具

通常，如果压力容器经检验后发现了较严重的缺陷，可能导致停止使用的，可以按照常规检验以及结合两个团标的规定确定安全状况等级，出具检验报告。

超设计使用年限的压力容器如果存在可能导致停止使用的严重缺陷，应当进行安全评价。一般情况下，评价机构会根据缺陷的性质和原因以及缺陷的发展预测，给出较明确的评价结论，并阐明缺陷对设备安全使用可能带来的影响。此种情况下，检验机构应当根据评价报告结论以及其他的检验项目结果，出具最终的整体报告，明确设备的安全状况等级、此后允许的运行参数，并具体给出下次的检验日期。

8 结语

超设计使用年限的压力容器，由于其使用环境的特殊性，超期使用易出现腐蚀减薄、环境开裂、材质劣化、机械损伤等，导致综合承载能力下降，易发生事故。存在一定的运行安全风险，对于其能否继续使用，使用单位选择报废还是合理继续使用，难以抉择。建议对其进行一次全面的检验，并进行安全评估是应采取的措施，通过科学合理有针对性的检验检测方法确定其安全状态。超设计使用年限的压力容器进行检验与评估，是保证其安全、稳定地运行，减少事故发生的必要手段。

同时，通过检验与评估，在保证安全运行前提下最大程度降低设备更换周期，合理延长使用年限，有效消除其事故隐患，保障其安全稳定经济运行，可以为使用单位的生产经济效益提升及节能环保低碳政策实施提供基础性的保证。