深度好文，在役压力容器的维修与改造
压力容器是生产和生活中广泛使用的承压设备(如化工炼油厂生产中使用的承压设备、生活中常见的液化石油气钢瓶等),这种承压设备具有爆炸危险性,在长期运行中,受温度、介质、环境及操作的影响,一方面设备制造过程中本身存在的缺陷进一步扩展。
另一方面在使用过程中会出现磨损、腐蚀、裂纹、变形等新的缺陷,这些缺陷不及时处理,会给压力容器的安全运行造成威胁,严重时会导致设备发生爆炸,造成人身伤亡事故,给人民的生命、国家和人民的财产带来极大损失和危害。
如果对上述缺陷处理不当又会给压力容器带来新的事故隐患。由于压力容器种类繁多,工作条件差别较大,因此在维修、改造压力容器时,对维修、改造质量的影响因素应严格控制,以能保证在役压力容器的维修、改造质量,确保维修、改造后的压力容器的安全运行。
为此,国家对在役压力容器的维修、改造制定了相关法规,从各方面对在役压力容器的维修、改造工作做了严格规定。本章重点介绍对在役压力容器进行维修、改造所依据的法规,对承担维修、改造单位的要求,维修改造过程中应重点注意的事项,以及一些典型的在役压力容器维修、改造案例(包括笔者亲身参与维修、改造在役压力容器的一些经验)。
在役压力容器维修分一般性维修和重大维修。对于主要受压元件的更换、矫形、挖补,以及对焊制压力容器的筒体纵向接头、筒节与筒节(封头)连接的环向接头、封头拼接接头、球壳板间的焊接接头以及应当采用全截面焊透的对接接头形式的焊缝的焊补均为重大维修,除此之外的维修均为一般性维修。
在役压力容器一般性维修可由在役压力容器使用单位或委托具有一定技术力量的单位承担,在役压力容器的重大维修无论使用单位自行维修或受委托承担维修的单位必须具备相应的资质。在役压力容器维修后,必须保证其结构和强度满足安全使用要求。
在役压力容器的维修应遵循2009年由国家质量监督检验检疫总局颁布的《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称《固容规》)。根据《固容规》要求,在役压力容器重大维修还应参照相关技术规范的要求。
在役压力容器的维修单位、维修人员(担任维修的焊工、无损检验人员)应具备相应的资格。
从事在役压力容器维修的单位必须是已取得相应的制造许可证的单位,维修单位应当按照相关安全技术规范的要求建立压力容器质量保证体系并且有效运行,单位法定代表人必须对在役压力容器维修的质量负责;维修单位应当严格执行法规、安全技术规范及相应标准;维修单位应当向使用单位提供维修图样和施工质量证明文件等技术资料。
担任在役压力容器维修的焊工,应具备经省级以上质量技术监督部门按《特种设备焊接操作人员考核细则》考试合格的资格。
担任在役压力容器维修的无损检测人员应具备经省级以上质量监督部门按《特种设备无损检测人员考核规则》考试合格的资格。
在役压力容器的一般维修应参照相应制造技术规范制定并经维修单位技术负责人批准,而对于在役压力容器的重大维修方案还应经原设计单位或具备相应资格的设计单位同意。维修方案应包括:维修方案的标准依据;缺陷产生的原因分析;缺陷的尺寸和位置;施工工艺流程;施工工艺质量检验方法;维修后容器达到的性能指标及验收标准等内容。
维修质量的好坏主要取决于施工质量,而施工质量涉及因素较多,无论哪一环节出现问题都会影响施工质量,严重时会导致维修失败,故对在役压力容器维修的施工一定要考虑仔细、全面,确保维修质量。
在役压力容器的维修大部分在露天作业,周围环境复杂危险(例如炼油厂的油罐区、球形储罐区、成套系列装置等),并经常还需交叉作业,因此现场维修时维修人员一定要穿戴好劳保用品,牢记安全要求,随时注意周围情况的变化。
对于进入压力容器内部的维修,事先检查其内部介质是否置换达到标准、进入容器的安全措施是否健全、是否有安全监护员。
这些安全要求对于小型企业、私营企业的在役压力容器设备维修时更应引起高度重视,以防新的人身、设备事故的发生。例如最近发生一起某私营小型加油站在维修一台油罐时,由于油罐内气体、油未置换彻底,焊接时导致油罐内发生爆炸,当场炸死正在罐内焊接的焊工,并严重烧伤2名罐外辅助人员。
至于从各种资料、相关报道中,在维修在役压力容器时,由于未遵守维护检修规程,无视安全要求而导致新的人身、设备事故案例时有发生。因此,维修在役压力容器设备时,维修方案必须要包括安全方面的内容。
例如,维修前对维修人员的安全教育,对被维修单位应具备安全施工条件的要求、维修单位或被维修单位在维修现场应至少配备一名安全人员等,以杜绝在维修作业中发生人身、设备事故。
对于仅需要更换不需要焊接的受压元件材料,原则上与原设备更换部件的材料相同。如确因特殊情况,需材料替代时,应经原设计单位或具备相应资格的设计单位同意。
更换的材料应由平炉、电炉或氧气转炉冶炼,材料的技术要求应符合相应的国家标准、行业标准或技术条件的规定,并附有钢材生产单位的钢材质量证明书,维修单位应按质量证明书对钢材进行验收,必要时应进行复验。
对于仅需要矫形的受压元件,施工前应进行模拟试验,并进行必要的力学性能评定(如受压元件有耐蚀要求,还应进行耐腐蚀性评定),评定结果符合设备技术要求后,方可施工。
维修在役压力容器时,由于情况复杂,施焊条件恶劣,故对焊接材料的正确、合理选择和现场良好的管理是保证维修质量的重要因素之一。在役压力容器采用焊接维修时,对焊接材料应遵循以下几个原则。
① 焊接材料选用
a. 保证焊缝金属的使用性能。焊缝金属的使用性能包括力学性能(强度、韧性)、化学成分(主要是不锈钢和耐热钢)、耐蚀性(设备如有耐蚀性要求时),焊缝金属的强度与韧性应与维修部件的强度、韧性结合来考虑。
从多年实际经验来看,在役压力容器的破坏往往不是因强度不够,而是韧性不足,导致产生裂纹或脆断,因此选用焊材时宜选用熔敷金属等级略低于母材金属,而韧性相等、相近或略高于母材的焊材,这一条在修理高强度钢时尤为重要。
在维修不锈钢、耐热钢压力容器设备时,因对设备的耐蚀性、回火脆性等因素必须考虑,故选用的焊材其熔敷金属化学成分宜接近母材金属。
b. 保证焊缝的抗裂性能。维修与制造有很大的区别,一般维修的在役压力容器经过一段时间的运行,设备壳体本身的材质发生了一定的变化,维修时一定要考虑易产生裂纹的特点,在保证焊缝金属使用性能的前提下优先选用抗裂纹性好的焊接材料。
c. 良好的焊接工艺性能。焊接材料的焊接工艺性能包括:电弧稳定性、脱渣性(采用氩弧焊除外),气孔敏感性、熔渣流动性、焊缝成形、飞溅等。
d. 维修部件的复杂程度及刚性大小。维修形状复杂、厚度大的部件在焊接过性中冷却速度快,焊接应力大,易产生冷裂纹,故应选用抗裂性能好、韧性好、塑性高、含氢量低的焊条(如低氢型、超低氢型、高韧性焊条等),当维修部位需全位置维修时部件又不能翻转,宜选用适用于全位置焊接的焊条。
e. 焊接条件。对于某些焊接部位确实难以清理干净时,应尽量选用氧化性强,对水、锈、油等物不敏感的酸性焊条,以免产生气孔等缺陷。在密闭容器内进行焊接时,应尽可能选用酸性焊条(如铁型、钛钙型)或低尘、低毒的碱性焊条。在酸性焊条和碱性焊条都可满足要求时,应尽量选用酸性焊条。
f. 经济性。在考虑上述a~e前提下,应选择成本低、效率高的焊接材料(例如铁粉焊
条、重力焊条、底层焊条、立向下焊条和高效不锈钢焊条等)。当然按上述原则选用的焊条能否采用,还应按NB/T47014—2011 《承压设备焊接工艺评定》标准和被维修设备技术要求进行评定,合格后方可采用。
② 焊接材料管理
a. 焊接材料的验收。承担维修在役压力容器的单位,应按国家相关焊接材料标准要求、焊材生产厂家提供的产品说明书、出厂合格证及质量保证书对所采购的焊接材料进行验收,必要时进行复验。
b. 焊接材料的烘干。焊接材料的烘干是保证维修质量和维修能否获得成功的重要因素之一。
因为焊接材料烘干的目的是去除焊接材料中的吸附水,降低焊缝金属的扩散氢含量,减少焊缝金属中产生气孔的可能性。现场维修在役压力容器采用焊条电弧焊方法较多,故这里特别对焊条的烘干使用做一详细说明。
焊条烘干的目的是除去受潮涂层的水分和药皮中的结晶水,可减少焊缝金属中的氢含量,在一定程度上可防止产生冷裂纹和气孔。焊条烘干应严格遵守规定的烘干工艺参数。
烘干温度过低或保温时间不够时,药皮中水去除不彻底,焊缝中可能会产生气孔和冷裂纹;烘干温度过高,药皮中某些成分会发生分解,药皮产生开裂,焊接时药皮易脱落,降低对熔池的保护。
c. 焊材领用。焊条按烘干工艺烘干后,放在100℃±20℃的恒温箱内(这一点特别是南方地区现场为维修时一定要严格遵守),焊工携带保温筒随用随领取,一次领取量不超过5kg。当天没用完的焊条,必须单独存放,再次使用前必须按烘干工艺重新烘干。重新烘干次数不宜超过两次。
进入现场维修压力容器的所有人员必须按已制定的相关安全操作规程进行安全教育。担任在役压力容器的维修焊工和维修后无损检测人员应具备8.2.2.2、8.2.2.3所规定的资格。
维修在役压力容器各类设备必须经校验合格,且在设备醒目位置贴有合格标签。
在役压力容器的维修,大部分与焊接密不可分,由于维修的设备多数已投入生产运行了一段时间,其设备本体材料都不同程度地发生了损伤,设备本体和焊缝存在腐蚀、新开裂纹、焊接缺陷(在设备制造过程中已存在而漏检的裂纹、未焊透、夹渣气孔、咬边等)。
对于这些缺陷的维修,维修前对维修部位及其周边的预处理至关重要,预处理的好坏直接决定着修理能否获得成功。根据在役压力容器的常见缺陷,预处理主要从以下几方面考虑:脱氢处理;去除腐蚀层;去除油脂;清理氧化皮和吸气层;钻止裂孔。
维修单位根据施工方案和现场施工条件制定出科学合理的维修施工工艺。施工工艺是维修在役压力容器工程的核心内容,是维修质量的技术保障,是在役压力容器维修后达到何种技术指标的依据。施工工艺包括:维修部位的预处理工艺、焊接工艺、热处理工艺、质量检验工艺(外观检验、无损检测、压力试验)。
当焊接环境出现下列任一情况时,必须采取有效的防护措施,否则禁止施焊:
① 焊条电弧焊时,风速大于10m/s;
② 气体保护焊时风速大于2m/s;
③ 相对湿度大于90%;
④ 雨、雪环境;
⑤ 焊接环境温度低于0℃时。
在役压力容器维修是一个复杂的工程,主要是涉及的部门较多,要经过缺陷产生原因分析、方案制定及报审批,材料采购、焊接、热处理、无损检测、试压等许多过程,要保证在役压力容器维修后的安全使用必须加强全过程的质量检查管理,确保维修的在役压力容器达到质量标准。
对于在役压力容器缺陷进行安全评定的标准有两类:一类是以质量控制为目的安全评定的标准,另一类是以符合使用要求为目的安全评定的标准。
质量控制标准是从保证制造或维修的质量角度出发,把所有的焊接缺陷看成是对焊缝强度的削弱和对结构安全的隐患,它不考虑具体使用情况的差别,而要求把缺陷尽可能地降到最低限度,这类标准是以焊接产品制造或维修质量控制为目的而制定的焊接质量验收标准。包括GB/T12467、GB/T12468、GB/T12469、NB/T47013等。
对于在役压力容器存在的一些以“质量控制标准”来判定不允许存在的“超标缺陷”,
如果将所有的“超标缺陷”一律返修或将容器判为废品,其结果是除了要进行过多地、没有必要地返修工作外,还会把本来可用的容器判为废品,这是很不经济的。
实际上,对不影响使用的缺陷的修复,往往会产生更有害的或不易检查的缺陷。当然按质量控制标准检验合格的压力容器,无疑可以投入使用。但是按质量控制标准检验不合格的压力容器仍有不少照样还在使用。
也就是说,质量不合格并不等于使用不合格。因此,从合于使用的角度出发,应对“超标缺陷”加以区别对待,只返修那些对压力容器安全运行造成威胁的危险性缺陷,而对压力容器安全运行不构成威胁的缺陷则予以保留。
以合于使用为目的而制定的标准称为“合于使用”标准,包括:DW-X-749 《按脆断破坏观点建议的缺陷评定方法》(国际焊接学会提出)、BSI-PD6493 《焊接缺陷验收标准若干方法指南》(英国标准协会提出)、WES-2805K 《按脆断评定的焊接缺陷验收标准》(日本焊接工程学会提出)、美国的《锅炉及压力容器规范》(ASME第Ⅲ篇附录G,第Ⅺ篇第I分篇附录A)、我国的CVDA-84 《压力容器评定规范》等。
当然,以上规范均是指导性文件,并不是强制性标准,一般需经容器使用和评定方双方同意后方可使用。
① 属于以下几方面的情况,可采用质量控制标准进行评定:
a. 压力容器仅存在少量“超标缺陷”;
b. 期望检修的周期长一些;
c. 不具备进行可靠断裂力学计算的数据和能力;
d. 缺乏压力容器使用经验。
② 属于以下几方面的情况,可采用合于使用标准进行评定:
a. 按质量控制标准维修在役压力容器难度大,并有报废倾向;
b. 具备在现场对焊接缺陷进行综合判断的经验和能力;
c. 有经资格认可的断裂安全分析人员;
d. 具有丰富的在役压力容器使用经验。
(4)安全评定单位资格、权利和责任
① 在役压力容器缺陷安全评定采用国家安全监察机构逐项批准方式。压力容器使用单位应与经国家安全监察机构批准的具有相应检验资格的评定单位签订在役压力容器缺陷安全评定合同。
② 承担在役压力容器缺陷安全评定的单位,必须根据缺陷的性质、缺陷产生的原因,以及缺陷的发展预测给出明确的评定结论,说明对安全使用的影响。包括:使用条件、监控使用措施和使用期限,使用期限不应超过一个检验周期。
③ 承担在役压力容器缺陷安全评定的单位必须对缺陷的检验结果、缺陷评定结论和压力容器继续使用的安全性能负责并承担相应的责任。评定的报告和结论,必须经评定单位技术负责人审查和法人代表批准,主送在役压力容器的使用单位,同时报送使用单位的主管部门和国家及省、市安全监察机构。
维修完成合同及维修方案所规定的全部内容,并达到设备使用要求,能使维修的压力容器设备投入运行,经检查验收合格后,即为维修验收结束。
① 对维修的方案、过程进行系统的检验和总结。
② 对维修的质量、成本进行分析。
③ 维修报告的移交。
④ 办理维修竣工结算。
① 2.6节(1)、(2)规定的标准。
② GB150 《钢制压力容器》。
③ 《固定式压力容器安全技术监察规程》。
④ GB713—2008 《锅炉和压力容器用钢板》。
⑤ NB/T47015 《压力容器焊接规程》。
⑥ 其他相关的国家及行业标准、规范。
此外,还应遵守维修合同和技术要求等。
维修在役压力容器完工后,交工资料(报告)是最终验收的依据,资料必须与施工同步,项目齐全、内容充实、记录完整、格式统一,并有有关部门的公章,责任人员签章。具体报告内容如下:
① 维修方案;
② 焊工资格证书;
③ 无损检测人员资格证书;
④ 焊接材料质量证明书;
⑤ 当需要更换受压元件时,还应提供其材料质量证明书;
⑥ 焊接工艺评定报告;
⑦ 焊接记录;
⑧ 热处理记录;
⑨ 外观检查记录;
⑩ 无损检测报告;
⑪ 压力试验报告。
在役压力容器的改造是指改变主要受压元件的结构或改变压力容器运行参数、盛装介质或用途等。
在役压力容器的改造应遵循2009年由国家质量监督检验检疫总局颁布的《固定式压力容器安全技术监察规程》,其中对承担在役压力容器改造单位资格及其审批程序、责任、改造的有关内容做了明确规定。根据《固容规》要求,在役压力容器改造还应参照相关技术规范的要求。
在役压力容器在改造前,从事在役压力容器改造的单位应向压力容器使用登记机关书面告知。
在役压力容器改造方案应当经过原设计单位或者具备相应资格的设计单位同意。
在役压力容器改造后,应当保证其结构和强度满足安全使用要求。
在役压力容器改造的施工过程,必须经过具有相应资格的特种设备检验检测机构进行监督检验,未经监督检验合格的压力容器不得投入使用。
在役压力容器改造人员在进入压力容器内部进行工作前,使用单位应当参照《压力容器定期检验规则》的要求,做好准备和清理工作。达不到要求时,严禁人员进入。
在役压力容器更换筒节,应当参照相应的设计制造标准制定施工方案,经技术负责人批准,方可实施。除上述外,对承担改造压力容器的单位,其施工等其他要求可参照2。
移动式压力容器是指由罐体(铁路罐车、汽车罐车、罐式集装箱中用于充装介质的压力容器)或者大容积钢质无缝气瓶(长管拖车、管束式集装箱中用于充装介质的压力容器)与走行装置式或者框架采用永久性连接组成的运输装备。移动式压力容器维修分为一般性维修和重大维修。
对于罐体主要受压元件的更换、矫形、挖补,以及对筒体纵向接头、筒节与筒节(封头)连接的环向接头、封头的拼接接头,应当采用全截面焊透的对接接头形式;接管(凸缘)与罐体(夹套)之间的接头、夹套拼接接头、夹套与筒体或者封头之间的接头,采用全焊透结构规定的对接接头焊缝的补焊,气瓶更换等为重大维修,除此以外为一般性维修。
改造指改变移动式压力容器用途、管路结构、罐体主要受压元件的局部结构等。移动式压力容器的维修与改造应遵循2011年由国家质量监督检验检疫总局颁布的《移动式压力容器安全技术监察规程》。
这部法规包括了总则、罐体材料、设计、制造、使用管理、充装与卸载、改造与维修、定期检验、安全附件和装卸附件、附则的内容,其中在第七章节中对移动式压力容器的维修与改造单位资格及其审批程序、责任、改造与维修的有关内容做了明确规定。其余内容可参照2和3。