壓力容器的維修與改造原則
2020-06-10 100
1. 概述
另一方面在使用過程中會出現磨損、腐蝕、裂紋、變形等新的缺陷,這些缺陷不及時處理,會給壓力容器的安全運行造成威脅,嚴重時會導致設備發生爆炸,造成人身傷亡事故,給人民的生命、國家和人民的財產帶來極大損失和危害。
如果對上述缺陷處理不當又會給壓力容器帶來新的事故隱患。由于壓力容器種類繁多,工作條件差別較大,因此在維修、改造壓力容器時,對維修、改造質量的影響因素應嚴格控制,以能保證在役壓力容器的維修、改造質量,確保維修、改造后的壓力容器的安全運行。
為此,國家對在役壓力容器的維修、改造制定了相關法規,從各方面對在役壓力容器的維修、改造工作做了嚴格規定。本章重點介紹對在役壓力容器進行維修、改造所依據的法規,對承擔維修、改造單位的要求,維修改造過程中應重點注意的事項,以及一些典型的在役壓力容器維修、改造案例(包括筆者親身參與維修、改造在役壓力容器的一些經驗)。
2 .維修
在役壓力容器維修分一般性維修和重大維修。對于主要受壓元件的更換、矯形、挖補,以及對焊制壓力容器的筒體縱向接頭、筒節與筒節(封頭)連接的環向接頭、封頭拼接接頭、球殼板間的焊接接頭以及應當采用全截面焊透的對接接頭形式的焊縫的焊補均為重大維修,除此之外的維修均為一般性維修。
在役壓力容器一般性維修可由在役壓力容器使用單位或委托具有一定技術力量的單位承擔,在役壓力容器的重大維修無論使用單位自行維修或受委托承擔維修的單位必須具備相應的資質。在役壓力容器維修后,必須保證其結構和強度滿足安全使用要求。
2.1 遵循的法規
在役壓力容器的維修應遵循2009年由國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的《固定式壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱《固容規》)。根據《固容規》要求,在役壓力容器重大維修還應參照相關技術規范的要求。
2.2 資質
在役壓力容器的維修單位、維修人員(擔任維修的焊工、無損檢驗人員)應具備相應的資格。
(1)維修單位資質
從事在役壓力容器維修的單位必須是已取得相應的制造許可證的單位,維修單位應當按照相關安全技術規范的要求建立壓力容器質量保證體系并且有效運行,單位法定代表人必須對在役壓力容器維修的質量負責;維修單位應當嚴格執行法規、安全技術規范及相應標準;維修單位應當向使用單位提供維修圖樣和施工質量證明文件等技術資料。
(2)焊工資格
擔任在役壓力容器維修的焊工,應具備經省級以上質量技術監督部門按《特種設備焊接操作人員考核細則》考試合格的資格。
(3)無損檢測人員資格
擔任在役壓力容器維修的無損檢測人員應具備經省級以上質量監督部門按《特種設備無損檢測人員考核規則》考試合格的資格。
2.3 方案的制定及備案
在役壓力容器的一般維修應參照相應制造技術規范制定并經維修單位技術負責人批準,而對于在役壓力容器的重大維修方案還應經原設計單位或具備相應資格的設計單位同意。維修方案應包括:維修方案的標準依據;缺陷產生的原因分析;缺陷的尺寸和位置;施工工藝流程;施工工藝質量檢驗方法;維修后容器達到的性能指標及驗收標準等內容。
2.4 施工要求
維修質量的好壞主要取決于施工質量,而施工質量涉及因素較多,無論哪一環節出現問題都會影響施工質量,嚴重時會導致維修失敗,故對在役壓力容器維修的施工一定要考慮仔細、全面,確保維修質量。
2.4.1 維修人員、設備的安全要求
在役壓力容器的維修大部分在露天作業,周圍環境復雜危險(例如煉油廠的油罐區、球形儲罐區、成套系列裝置等),并經常還需交叉作業,因此現場維修時維修人員一定要穿戴好勞保用品,牢記安全要求,隨時注意周圍情況的變化。
對于進入壓力容器內部的維修,事先檢查其內部介質是否置換達到標準、進入容器的安全措施是否健全、是否有安全監護員。
這些安全要求對于小型企業、私營企業的在役壓力容器設備維修時更應引起高度重視,以防新的人身、設備事故的發生。例如最近發生一起某私營小型加油站在維修一臺油罐時,由于油罐內氣體、油未置換徹底,焊接時導致油罐內發生爆炸,當場炸死正在罐內焊接的焊工,并嚴重燒傷2名罐外輔助人員。
至于從各種資料、相關報道中,在維修在役壓力容器時,由于未遵守維護檢修規程,無視安全要求而導致新的人身、設備事故案例時有發生。因此,維修在役壓力容器設備時,維修方案必須要包括安全方面的內容。
例如,維修前對維修人員的安全教育,對被維修單位應具備安全施工條件的要求、維修單位或被維修單位在維修現場應至少配備一名安全人員等,以杜絕在維修作業中發生人身、設備事故。
2.4.2 維修用的材料(1)受壓元件的更換
對于僅需要更換不需要焊接的受壓元件材料,原則上與原設備更換部件的材料相同。如確因特殊情況,需材料替代時,應經原設計單位或具備相應資格的設計單位同意。
更換的材料應由平爐、電爐或氧氣轉爐冶煉,材料的技術要求應符合相應的國家標準、行業標準或技術條件的規定,并附有鋼材生產單位的鋼材質量證明書,維修單位應按質量證明書對鋼材進行驗收,必要時應進行復驗。
(2)受壓元件的矯形
對于僅需要矯形的受壓元件,施工前應進行模擬試驗,并進行必要的力學性能評定(如受壓元件有耐蝕要求,還應進行耐腐蝕性評定),評定結果符合設備技術要求后,方可施工。
(3)受壓元件焊接用焊材
維修在役壓力容器時,由于情況復雜,施焊條件惡劣,故對焊接材料的正確、合理選擇和現場良好的管理是保證維修質量的重要因素之一。在役壓力容器采用焊接維修時,對焊接材料應遵循以下幾個原則。
① 焊接材料選用
a. 保證焊縫金屬的使用性能。焊縫金屬的使用性能包括力學性能(強度、韌性)、化學成分(主要是不銹鋼和耐熱鋼)、耐蝕性(設備如有耐蝕性要求時),焊縫金屬的強度與韌性應與維修部件的強度、韌性結合來考慮。
從多年實際經驗來看,在役壓力容器的破壞往往不是因強度不夠,而是韌性不足,導致產生裂紋或脆斷,因此選用焊材時宜選用熔敷金屬等級略低于母材金屬,而韌性相等、相近或略高于母材的焊材,這一條在修理高強度鋼時尤為重要。
在維修不銹鋼、耐熱鋼壓力容器設備時,因對設備的耐蝕性、回火脆性等因素必須考慮,故選用的焊材其熔敷金屬化學成分宜接近母材金屬。
b. 保證焊縫的抗裂性能。維修與制造有很大的區別,一般維修的在役壓力容器經過一段時間的運行,設備殼體本身的材質發生了一定的變化,維修時一定要考慮易產生裂紋的特點,在保證焊縫金屬使用性能的前提下優先選用抗裂紋性好的焊接材料。
c. 良好的焊接工藝性能。焊接材料的焊接工藝性能包括:電弧穩定性、脫渣性(采用氬弧焊除外),氣孔敏感性、熔渣流動性、焊縫成形、飛濺等。
d. 維修部件的復雜程度及剛性大小。維修形狀復雜、厚度大的部件在焊接過性中冷卻速度快,焊接應力大,易產生冷裂紋,故應選用抗裂性能好、韌性好、塑性高、含氫量低的焊條(如低氫型、超低氫型、高韌性焊條等),當維修部位需全位置維修時部件又不能翻轉,宜選用適用于全位置焊接的焊條。
e. 焊接條件。對于某些焊接部位確實難以清理干凈時,應盡量選用氧化性強,對水、銹、油等物不敏感的酸性焊條,以免產生氣孔等缺陷。在密閉容器內進行焊接時,應盡可能選用酸性焊條(如鐵型、鈦鈣型)或低塵、低毒的堿性焊條。在酸性焊條和堿性焊條都可滿足要求時,應盡量選用酸性焊條。
f. 經濟性。在考慮上述a~e前提下,應選擇成本低、效率高的焊接材料(例如鐵粉焊條、重力焊條、底層焊條、立向下焊條和高效不銹鋼焊條等)。當然按上述原則選用的焊條能否采用,還應按NB/T47014—2011 《承壓設備焊接工藝評定》標準和被維修設備技術要求進行評定,合格后方可采用。
② 焊接材料管理
a. 焊接材料的驗收。承擔維修在役壓力容器的單位,應按國家相關焊接材料標準要求、焊材生產廠家提供的產品說明書、出廠合格證及質量保證書對所采購的焊接材料進行驗收,必要時進行復驗。
b. 焊接材料的烘干。焊接材料的烘干是保證維修質量和維修能否獲得成功的重要因素之一。
因為焊接材料烘干的目的是去除焊接材料中的吸附水,降低焊縫金屬的擴散氫含量,減少焊縫金屬中產生氣孔的可能性。現場維修在役壓力容器采用焊條電弧焊方法較多,故這里特別對焊條的烘干使用做一詳細說明。
焊條烘干的目的是除去受潮涂層的水分和藥皮中的結晶水,可減少焊縫金屬中的氫含量,在一定程度上可防止產生冷裂紋和氣孔。焊條烘干應嚴格遵守規定的烘干工藝參數。
烘干溫度過低或保溫時間不夠時,藥皮中水去除不徹底,焊縫中可能會產生氣孔和冷裂紋;烘干溫度過高,藥皮中某些成分會發生分解,藥皮產生開裂,焊接時藥皮易脫落,降低對熔池的保護。
c. 焊材領用。焊條按烘干工藝烘干后,放在100℃±20℃的恒溫箱內(這一點特別是南方地區現場為維修時一定要嚴格遵守),焊工攜帶保溫筒隨用隨領取,一次領取量不超過5kg。當天沒用完的焊條,必須單獨存放,再次使用前必須按烘干工藝重新烘干。重新烘干次數不宜超過兩次。
2.4.3 維修人員
進入現場維修壓力容器的所有人員必須按已制定的相關安全操作規程進行安全教育。擔任在役壓力容器的維修焊工和維修后無損檢測人員應具備8.2.2.2、8.2.2.3所規定的資格。
2.4.4 維修用設備
維修在役壓力容器各類設備必須經校驗合格,且在設備醒目位置貼有合格標簽。
2.4.5 預處理
在役壓力容器的維修,大部分與焊接密不可分,由于維修的設備多數已投入生產運行了一段時間,其設備本體材料都不同程度地發生了損傷,設備本體和焊縫存在腐蝕、新開裂紋、焊接缺陷(在設備制造過程中已存在而漏檢的裂紋、未焊透、夾渣氣孔、咬邊等)。
對于這些缺陷的維修,維修前對維修部位及其周邊的預處理至關重要,預處理的好壞直接決定著修理能否獲得成功。根據在役壓力容器的常見缺陷,預處理主要從以下幾方面考慮:脫氫處理;去除腐蝕層;去除油脂;清理氧化皮和吸氣層;鉆止裂孔。
2.4.6 施工
維修單位根據施工方案和現場施工條件制定出科學合理的維修施工工藝。施工工藝是維修在役壓力容器工程的核心內容,是維修質量的技術保障,是在役壓力容器維修后達到何種技術指標的依據。施工工藝包括:維修部位的預處理工藝、焊接工藝、熱處理工藝、質量檢驗工藝(外觀檢驗、無損檢測、壓力試驗)。
2.4.7 焊接環境
當焊接環境出現下列任一情況時,必須采取有效的防護措施,否則禁止施焊:
① 焊條電弧焊時,風速大于10m/s;
② 氣體保護焊時風速大于2m/s;
③ 相對濕度大于90%;
④ 雨、雪環境;
⑤ 焊接環境溫度低于0℃時。
2.5 檢查
在役壓力容器維修是一個復雜的工程,主要是涉及的部門較多,要經過缺陷產生原因分析、方案制定及報審批,材料采購、焊接、熱處理、無損檢測、試壓等許多過程,要保證在役壓力容器維修后的安全使用必須加強全過程的質量檢查管理,確保維修的在役壓力容器達到質量標準。
2.6 安全評定
對于在役壓力容器缺陷進行安全評定的標準有兩類:一類是以質量控制為目的安全評定的標準,另一類是以符合使用要求為目的安全評定的標準。
(1)質量控制標準
質量控制標準是從保證制造或維修的質量角度出發,把所有的焊接缺陷看成是對焊縫強度的削弱和對結構安全的隱患,它不考慮具體使用情況的差別,而要求把缺陷盡可能地降到最低限度,這類標準是以焊接產品制造或維修質量控制為目的而制定的焊接質量驗收標準。包括GB/T12467、GB/T12468、GB/T12469、NB/T47013等。
(2)合于使用標準
對于在役壓力容器存在的一些以“質量控制標準”來判定不允許存在的“超標缺陷”,
如果將所有的“超標缺陷”一律返修或將容器判為廢品,其結果是除了要進行過多地、沒有必要地返修工作外,還會把本來可用的容器判為廢品,這是很不經濟的。
實際上,對不影響使用的缺陷的修復,往往會產生更有害的或不易檢查的缺陷。當然按質量控制標準檢驗合格的壓力容器,無疑可以投入使用。但是按質量控制標準檢驗不合格的壓力容器仍有不少照樣還在使用。
也就是說,質量不合格并不等于使用不合格。因此,從合于使用的角度出發,應對“超標缺陷”加以區別對待,只返修那些對壓力容器安全運行造成威脅的危險性缺陷,而對壓力容器安全運行不構成威脅的缺陷則予以保留。
以合于使用為目的而制定的標準稱為“合于使用”標準,包括:DW-X-749 《按脆斷破壞觀點建議的缺陷評定方法》(國際焊接學會提出)、BSI-PD6493 《焊接缺陷驗收標準若干方法指南》(英國標準協會提出)、WES-2805K 《按脆斷評定的焊接缺陷驗收標準》(日本焊接工程學會提出)、美國的《鍋爐及壓力容器規范》(ASME第Ⅲ篇附錄G,第Ⅺ篇第I分篇附錄A)、我國的CVDA-84 《壓力容器評定規范》等。
當然,以上規范均是指導性文件,并不是強制性標準,一般需經容器使用和評定方雙方同意后方可使用。
(3)安全評定標準的選擇原則
① 屬于以下幾方面的情況,可采用質量控制標準進行評定:
a. 壓力容器僅存在少量“超標缺陷”;
b. 期望檢修的周期長一些;
c. 不具備進行可靠斷裂力學計算的數據和能力;
d. 缺乏壓力容器使用經驗。
② 屬于以下幾方面的情況,可采用合于使用標準進行評定:
a. 按質量控制標準維修在役壓力容器難度大,并有報廢傾向;
b. 具備在現場對焊接缺陷進行綜合判斷的經驗和能力;
c. 有經資格認可的斷裂安全分析人員;
d. 具有豐富的在役壓力容器使用經驗。
(4)安全評定單位資格、權利和責任
① 在役壓力容器缺陷安全評定采用國家安全監察機構逐項批準方式。壓力容器使用單位應與經國家安全監察機構批準的具有相應檢驗資格的評定單位簽訂在役壓力容器缺陷安全評定合同。
② 承擔在役壓力容器缺陷安全評定的單位,必須根據缺陷的性質、缺陷產生的原因,以及缺陷的發展預測給出明確的評定結論,說明對安全使用的影響。包括:使用條件、監控使用措施和使用期限,使用期限不應超過一個檢驗周期。
③ 承擔在役壓力容器缺陷安全評定的單位必須對缺陷的檢驗結果、缺陷評定結論和壓力容器繼續使用的安全性能負責并承擔相應的責任。評定的報告和結論,必須經評定單位技術負責人審查和法人代表批準,主送在役壓力容器的使用單位,同時報送使用單位的主管部門和國家及省、市安全監察機構。
2.7 驗收
維修完成合同及維修方案所規定的全部內容,并達到設備使用要求,能使維修的壓力容器設備投入運行,經檢查驗收合格后,即為維修驗收結束。
(1)維修在役壓力容器驗收的主要內容
① 對維修的方案、過程進行系統的檢驗和總結。
② 對維修的質量、成本進行分析。
③ 維修報告的移交。
④ 辦理維修竣工結算。
(2)維修在役壓力容器驗收的標準
① 2.6節(1)、(2)規定的標準。
② GB150 《鋼制壓力容器》。
③ 《固定式壓力容器安全技術監察規程》。
④ GB713—2008 《鍋爐和壓力容器用鋼板》。
⑤ NB/T47015 《壓力容器焊接規程》。
⑥ 其他相關的國家及行業標準、規范。
此外,還應遵守維修合同和技術要求等。
(3)維修在役壓力容器驗收應提交的技術資料(報告)
維修在役壓力容器完工后,交工資料(報告)是最終驗收的依據,資料必須與施工同步,項目齊全、內容充實、記錄完整、格式統一,并有有關部門的公章,責任人員簽章。具體報告內容如下:
① 維修方案;
② 焊工資格證書;
③ 無損檢測人員資格證書;
④ 焊接材料質量證明書;
⑤ 當需要更換受壓元件時,還應提供其材料質量證明書;
⑥ 焊接工藝評定報告;
⑦ 焊接記錄;
⑧ 熱處理記錄;
⑨ 外觀檢查記錄;
⑩ 無損檢測報告;
? 壓力試驗報告。
3. 改造
在役壓力容器的改造是指改變主要受壓元件的結構或改變壓力容器運行參數、盛裝介質或用途等。
(1)改造遵循的法規
在役壓力容器的改造應遵循2009年由國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的《固定式壓力容器安全技術監察規程》,其中對承擔在役壓力容器改造單位資格及其審批程序、責任、改造的有關內容做了明確規定。根據《固容規》要求,在役壓力容器改造還應參照相關技術規范的要求。
(2)改造告知
在役壓力容器在改造前,從事在役壓力容器改造的單位應向壓力容器使用登記機關書面告知。
(3)改造資質
在役壓力容器改造方案應當經過原設計單位或者具備相應資格的設計單位同意。
(4)改造質量
在役壓力容器改造后,應當保證其結構和強度滿足安全使用要求。
(5)改造監督檢驗
在役壓力容器改造的施工過程,必須經過具有相應資格的特種設備檢驗檢測機構進行監督檢驗,未經監督檢驗合格的壓力容器不得投入使用。
(6)改造前的準備工作
在役壓力容器改造人員在進入壓力容器內部進行工作前,使用單位應當參照《壓力容器定期檢驗規則》的要求,做好準備和清理工作。達不到要求時,嚴禁人員進入。
(7)改造要求
在役壓力容器更換筒節,應當參照相應的設計制造標準制定施工方案,經技術負責人批準,方可實施。除上述外,對承擔改造壓力容器的單位,其施工等其他要求可參照2。
4. 移動式壓力容器的維修改造
移動式壓力容器是指由罐體(鐵路罐車、汽車罐車、罐式集裝箱中用于充裝介質的壓力容器)或者大容積鋼質無縫氣瓶(長管拖車、管束式集裝箱中用于充裝介質的壓力容器)與走行裝置式或者框架采用永久性連接組成的運輸裝備。移動式壓力容器維修分為一般性維修和重大維修。
對于罐體主要受壓元件的更換、矯形、挖補,以及對筒體縱向接頭、筒節與筒節(封頭)連接的環向接頭、封頭的拼接接頭,應當采用全截面焊透的對接接頭形式;接管(凸緣)與罐體(夾套)之間的接頭、夾套拼接接頭、夾套與筒體或者封頭之間的接頭,采用全焊透結構規定的對接接頭焊縫的補焊,氣瓶更換等為重大維修,除此以外為一般性維修。
改造指改變移動式壓力容器用途、管路結構、罐體主要受壓元件的局部結構等。移動式壓力容器的維修與改造應遵循2011年由國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的《移動式壓力容器安全技術監察規程》。
這部法規包括了總則、罐體材料、設計、制造、使用管理、充裝與卸載、改造與維修、定期檢驗、安全附件和裝卸附件、附則的內容,其中在第七章節中對移動式壓力容器的維修與改造單位資格及其審批程序、責任、改造與維修的有關內容做了明確規定。其余內容可參照2和3。
