淺談壓力容器的利舊改造設計

俞天健　陳琪君

摘 要：國內(nèi)石化行業(yè)近幾年都在快速發(fā)展，新舊更替。以經(jīng)濟運行、節(jié)約能源和保護環(huán)境為前提，某些服役期滿的石化裝置、因故關閉裝置等的閑置設備，在設備完好的情況下想繼續(xù)在新的工程中使用，或舊裝置搬遷改擴建涉及的在用設備，都是利舊改造的對象。由于利舊設計沒有特定的標準或相應規(guī)范可以遵循，只能根據(jù)設計者的認知和經(jīng)驗進行設計。本文根據(jù)實際完成的改造項目，從設計角度論述了壓力容器改造設計的流程，提出改造中應注意的技術要點。

關鍵詞：壓力容器;利舊改造;設計;技術要點

國內(nèi)石化行業(yè)近幾年都在快速發(fā)展，舊裝置在改擴建、升級或搬遷改造過程中，常常會利用閑置設備，既能節(jié)約資源、保護環(huán)境，又可以經(jīng)濟運行提高利用率。壓力容器改造設計沒有統(tǒng)一的設計標準或相應規(guī)范可以遵循，改造結果因人而異，舊設備如能合理利用必定會節(jié)省投資，但如果改造不妥非但不能充分利用好舊設備，反而有增加運行風險和安全隱患的可能。筆者近期完成了某化工裝置的設備改造工作，針對此項目進行一下梳理，并對改造的設計過程提出個人的看法，以供參考。

1 利舊的前提和原則

根據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》第5.2.1（2）“壓力容器的改造或者重大修理方案應當經(jīng)過原設計單位或者具備相應能力的設計單位書面同意”，所以改造應優(yōu)先找原設計單位進行利舊改造，因為涉及到的原始設計資料保存完整。但實際上由“具備相應能力的設計單位”來完成利舊工作的情況也很多。筆者完成的改造項目設備就是由多個制造廠分包完成的設計和制造。

1.1 前提

利舊設計前必須全面掌握設備的檔案資料，不清楚之處必須進行實際測繪，對設備的服役過程及檢修、維修、改造等情況必須了解，對設備目前的狀況必須非常清楚，這是進行利舊改造設計的前提。

1.2 確定利舊設備的安全等級

容器使用單位應委托當?shù)氐奶胤N設備監(jiān)管部門或有資質(zhì)的檢驗檢測機構，按照TSG R7001《壓力容器定期檢驗規(guī)則》進行檢驗，確定容器的安全等級。安全狀況等級在1～3級者可利舊使用;安全狀況等級為4級的可以根據(jù)實際情況有條件的利舊，或降低工況使用;安全狀況等級為5級的不得利舊用于壓力容器，可根據(jù)設備實際情況改用于常壓容器，盛裝中度毒性以下非易爆類介質(zhì)。

1.3 保證利舊設備的經(jīng)濟合理

利舊的主要目的就是為了節(jié)約成本，提高舊有資源的利用率，所以除了對舊設備進行安全評定外，還應進行經(jīng)濟性對比，如果舊設備的檢測、試驗、評定等費用較高，使用壽命又較短，再加上使用中的管理費用和檢修維護費用等與新設備相差不大，這種情況下不建議利舊。比如接近或超過設計年限的普通碳鋼容器，規(guī)格只有幾個立方，新設備的制造成本和舊設備檢測、試驗、評定等費用相當，完全沒有必要。

1.4 保證利舊設備的安全使用

除非舊設備服役年限較短，運行良好，且原設計余量滿足新工況，否則不要盲目提高利舊設備的設計工況，盡量在同等工況使用，或降低后使用。

2 利舊設備的設計流程

2.1 確認資料的完整性

容器使用單位應提供舊設備清單及相應設備的全部資料，包括：①原始設計資料：設計條件、設計圖紙、計算書、竣工圖等;②制造日期、服役年限;③使用記錄：是否在正常操作條件下操作，有無超溫、超壓、超量情況，持續(xù)時間，對壓力容器有無危害安全使用的損傷等;④設備檔案：制造檢驗記錄、檢維修記錄、中間改造記錄、改造圖和定期檢查記錄等。

2.2 設計方案的確定

工藝專業(yè)根據(jù)以上資料及新的操作條件，首先確認擬利舊設備的直徑、長度（或高度）、開口大小、方位等外形尺寸是否滿足操作要求，再根據(jù)設備在裝置中的重要性及利舊價值進行分類，將1.3中提到的不經(jīng)濟合理的普通材質(zhì)小設備直接剔除，不予利舊。將符合要求的設備對應資料和新數(shù)據(jù)表提供給設備專業(yè)，由設備專業(yè)根據(jù)原設備數(shù)據(jù)，在新的工藝操作條件和自然條件下按現(xiàn)行標準進行初步的判斷，主要受壓元件（包括筒體、封頭等）的強度和穩(wěn)定性校核滿足要求的，應逐臺將核算結果及各自實際所需的測繪、檢驗項目以書面型式提供給容器使用單位，由他們委托當?shù)氐奶胤N設備監(jiān)管部門或有資質(zhì)的第三方檢驗檢測機構進行檢驗并提供相應的安全評估報告。

普通壓力容器主要包括以下內(nèi)容：①設備的詳細結構圖（包括內(nèi)件）。如果設備資料齊全則可免掉此項，否則應通過測繪補齊;②容器殼體和所有受載荷元件的最小壁厚，包括接管、法蘭、人手孔、裙座、支座、加強圈等。并應提供厚度測定點分布圖，包括但不限于：a.肉眼可見腐蝕嚴重部位;b.容器內(nèi)物料氣液相分界面;c.封頭過渡區(qū);d.管口接管與法蘭焊接部位;③設備內(nèi)、外部檢驗，包括腐蝕程度、腐蝕坑深、錯邊量、橢圓度等，另外還要如實提供設備在拆卸及運輸中是否引起變形、凹癟、接管彎曲等。

對于原使用環(huán)境為高溫高壓或存在應力腐蝕的設備，理論分析存在疲勞損傷、裂紋敏感（如氫腐蝕、硫化氫應力腐蝕）、高溫蠕變、有脫碳傾向等的設備，應進行化學成分分析和機械性能試驗，必要時還可以采用光學顯微鏡、電化學試驗等手段，對設備進行微觀裂紋檢測、金相分析及微觀組織檢驗等。拿到檢驗機構出具的報告后就可以進行下一步改造工作，改造方案通常按兩種方式出具。符合TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》第5.2.1（1）的，改變受壓元件的結構或者改變壓力容器運行參數(shù)、盛裝介質(zhì)、用途等改造或主要受壓元件的更換、矯形、挖補、以及對接接頭的補焊等重大修理的情況一般以施工圖的方式出具改造方案，除上述情況外的其他情況以聯(lián)絡單形式出具。筆者完成的改造項目中涉及到一類設備，其設計壓力、設計溫度都與原數(shù)據(jù)相同或降低，所有管口都利舊不變，只變更了同類型盛裝介質(zhì)、設備名稱、設備位號，此時改造圖不必重新畫圖，只需包含技術條件及數(shù)據(jù)表，將更新后的內(nèi)容表述清楚即可，另須按實際的厚度進行必要的強度和穩(wěn)定性校核計算，便于容器使用單位向當?shù)氐奶胤N設備監(jiān)管部門申請備案變更。在與工藝專業(yè)確定設計方案時，應根據(jù)實際需求盡量不在設備本體上動火，能利用的接管、法蘭、人手孔、內(nèi)件等元件盡量利舊，確認不再使用的開孔接管應用盲板焊死或采用法蘭蓋、緊固件及墊片封堵。

2.3 校核計算及結構設計

以上步驟完成后，就可以根據(jù)新條件及檢測報告進行正式的強度和穩(wěn)定性校核。校核應按現(xiàn)行的標準規(guī)范進行，但材料的許用應力等性能參數(shù)應按容器設計時采用的標準規(guī)范執(zhí)行。對于新增開口、筒節(jié)等受壓元件應按現(xiàn)行標

準、規(guī)范進行設計、制造及檢驗，且應采用現(xiàn)行標準中允許的材料。殼體計算直徑應根據(jù)檢測報告中的實測最大值選取。焊接接頭系數(shù)應根據(jù)原對接接頭的實際結構型式和檢測結果進行選取，參照原設計圖宜就低不就高。校核計算時，應以設備實測最小壁厚及預期的腐蝕裕量為基準，其

中腐蝕裕量的確定是非常關鍵的因素，一般考慮均勻腐蝕工況：腐蝕裕量C2=腐蝕速率×預期設計使用年限（見2.4條）。當實測最小壁厚去除腐蝕裕量后不滿足強度要求時，可以對設備所需的最小厚度作出明確規(guī)定（在改造圖中標明），或按照實測最小值減去至下次檢驗日期的腐蝕裕量，作為強度校核的壁厚。對于壁厚能滿足內(nèi)壓的強度校核，但又不滿足其他載荷（比如風載荷、地震載荷、局部集中載荷等）要求時，可以采用設置加強圈或局部加強等辦法來達到利舊的目的。對于高徑比較大的塔器，如不在原址使用，而風載荷和地震載荷又不小于原工況時，建議更換整個裙座，因為裙座受力比較苛刻，有防火層時壁厚又不好測量，使用時間較長時間后裙座筒體和基礎環(huán)板腐蝕較嚴重，對塔頂撓度的影響很大，且塔器發(fā)生裂紋多數(shù)存在于裙座與下封頭焊接處，所以高塔裙座采用新制較好。

2.4 設計使用年限

對于利舊設備，如何確定設計使用年限是一個非常復雜的問題，但總體原則是應根據(jù)已使用的設備年限、腐蝕情況、新操作工況及設備安全評級等因素進行確定。一般情況下定為不少于3年或一個檢修周期，當不能滿足要求時，應考慮降低要求后改造它用。

3 設計中的圖面要求及技術要點

利舊設備技術要求可參照現(xiàn)行標準規(guī)范執(zhí)行，但與新制設備有些區(qū)別，下文列舉幾條不同之處的要求：

①改造圖樣中應注明本施工圖為改造施工圖，改造須遵循TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》、TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》的有關規(guī)定;檢測及改造實施單位須具有相應資質(zhì)等級;②改造圖樣應注明擬利舊設備的原設備名稱、位號、材質(zhì)及新的使用年限（按2.4條確定）。圖紙中技術條件數(shù)據(jù)表按新的工藝條件以及自然條件進行填寫;③改造圖對原有設備結構以雙點劃線示意，改造及新增部分以粗實線表示。因改造時容器使用單位也會向改造單位提供完整的竣工圖，為了保證圖面整潔，舊有尺寸只須標注外形等關鍵部分，其余省略;④對于管口表，可以只列改造、新增管口，但為了方便相關專業(yè)配管配閥等需求，最好列出完整的管口信息，備注各管口是利舊、新增、改造等何種情況，方便后續(xù)查閱;⑤改造前應將焊縫坡口（或缺陷待修補處）附近的油污、腐蝕產(chǎn)物、氧化皮等附著物徹底清除干凈，并充分干燥;⑥Cr-Mo鋼改造部位火焰切割前（或用砂輪打磨前）應進行充分的消氫處理。火焰切割時的環(huán)境溫度不得低于0℃，否則應進行預熱;經(jīng)火焰切割的坡口表面，應打磨去除淬硬層;⑦不銹鋼的坡口應采用機加工或等離子切割的方法，不得使用碳弧氣刨切割坡口和清根;⑧改造后對新增 A、B類焊縫應進行射線或超聲檢測，新增C、D 類焊縫應進行表面無損檢測，檢驗長度、合格級別根據(jù)設備新工況確定。同時為保證設備的安全運行，也可要求對原設備A、B類焊縫進行局部或全部射線檢測復驗;⑨設備改造完成后按規(guī)定需要進行耐壓試驗的，必須去除所有焊縫處原有涂漆，露出金屬光澤后方可進行，耐壓試驗的要求按GB/T150.4-2011相關規(guī)定;⑩原設備要求熱處理的，原則上改造后要求重新進行熱處理，但新工藝條件低于原設備的，也可根據(jù)設備材質(zhì)、盛裝介質(zhì)等參數(shù)確定是否進行熱處理;?對于采用特殊材料，或盛裝極度、高度危害等特定介質(zhì)的設備，其改造中涉及的設計、檢驗要求同新設備設計，本文不再展開討論。

4 結束語

上述內(nèi)容是在完成某改造項目的過程中得到的一些設計經(jīng)驗，供同行討論參考共同完善。利舊設計與新設備設計有著明顯的區(qū)別，對此必須要有明確的認識。設計前對舊設備資料了解的越全面，制定的改造方案就越合理，設計質(zhì)量也會越高，認真細致做好改造的各項工作，嚴格遵守相關的規(guī)程法規(guī)，才能保障裝置和人員的安全，不留任何隱患，使容器使用單位安全經(jīng)濟的合理使用舊設備，達到節(jié)省投資降低成本的目的。

參考文獻：

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作者簡介：

俞天健（1982- ），男，漢族，本科學歷，工程師，研究方向：主要從事化工設備設計工作。