超设计寿命的变压吸附器评估和检验方法分析_张蒲根.pdf

应用研究0 引言 压力容器是石油化工行业领域的重要特种设备，其失效会导致泄漏或爆炸事故，可能给工业生产和人民生活带来严重影响。随着我国化工装置不断的大型化，其操作要求不断提高，生产工艺也更为复杂。摘 要 变压吸附器是制氢装置中重要的分离设备，且长期处于疲劳和临氢环境中。针对变压吸附器的一些典型失效案例，分析总结变压吸附器在使用过程中常见的失效原因和类型，结合法律法规以及最新发布的团体标准T/CMES-PVP 0012022超设计使用年限压力容器评估与检验导则对变压吸附器超设计寿命使用可行性和检验方法进行讨论。建议在资料审查阶段重点审查选材和焊接部分，查看运行记录，确定使用过程中是否存在超压、超量运行情况；对于局部不连续的部位，应采用精度较高的无损检测手段；对有返修焊缝的部位重点检查，查看其返修原因，制定有针对性的检验方案。关键词 超设计寿命使用容器 变压吸附器 疲劳 全面检验中图分类号 TQ 116.2 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.006Analysis of Evaluation and Inspection Methods for Variable Pressure Adsorbers beyond Design LifeZHANG PugenAbstract:Pressure swing adsorber was an important separation equipment in hydrogen production unit,which had been exposed to fatigue and hydrogen for a long time.In view of some typical failure cases of pressure swing adsorbers,the common failure causes and types of pressure swing adsorbers in the process of use were analyzed and summarized.In combination with laws and regulations and the latest published group standard Guidelines for the Evaluation and Inspection of Pressure Vessels with Exceeding the Design Service Life T/CMES-PVP 0012022,the feasibility and inspection methods for the use of pressure swing adsorbers with exceeding the design service life were discussed.It was recommended to focus on the material selection and welding parts in the data review stage,check the operation records,and determine whether there is overpressure and excessive operation in the use process.For locally discontinuous parts,nondestructive testing with high accuracy shall be adopted.Focus on the inspection of the parts with repair welds,the repair reasons should be checked and a targeted inspection plan should be developed.Key words:Over-design service life vessel;Variable pressure adsorber;Fatigue;Comprehensive inspection张蒲根*（上海市特种设备监督检验技术研究院）超设计寿命的变压吸附器评估和检验方法分析*张蒲根，男，1988年生，硕士研究生，工程师。上海市，200062化工装备技术22第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月2023 年 4 月23变压吸附器是制氢装置中重要的分离设备，长期处于处于临氢环境中，疲劳开裂等缺陷多发于母材和焊缝处，易造成设备泄漏失效。随着我国石油化工和煤化工装置数量逐步增长，变压吸附器的数量也逐年增加，许多较早投用的变压吸附器也逐渐达到了设计使用寿命。由于变压吸附器的使用条件较为特殊，近些年来部分设备发生了失效事故，不仅影响其正常使用，还对企业安全生产带来了负面影响，有些装置甚至在 3 年内就出现了超标缺陷。导致其失效的原因很多，因此本文针对变压吸附器的一些典型失效案例，分析总结了变压吸附器在使用过程中容易出现的问题，结合最新发布的的团体标准 T/CMES-PVP 0012022超设计使用年限压力容器评估与检验导则对超设计使用寿命的变压吸附器进行了评估并提出了全面检验的方法。1 可行性和典型案例分析1.1 可行性分析对于超设计使用寿命压力容器，我国法律法规对此有比较明确的说明，例如中华人民共和国特种设备安全法，TSG 082017特种设备使用管理规则，TSG 212016固定式压力容器安全技术监察规程等，这些标准为超设计寿命使用压力容器提供了继续使用的依据。根据TSG 212016标准7.1.7条规定，对于已经达到设计使用年限的压力容器，如果要继续使用，使用单位应当委托有检验资质的特种设备检验机构参照定期检验的有关规定对其进行检验，必要时按照本规程 8.9 条的要求进行安全评估（合于使用评价）。目前我国超设计寿命而仍在使用的压力容器不在少数，主要原因包括以下几方面：（1）压力容器价值都比较高，应该根据实际使用情况决定容器是否继续使用；（2）很多容器在设计制造时就已经考虑了腐蚀裕量以及安全系数等问题，达到设计使用寿命时，绝大多数容器还可以继续使用；（3）先进的无损检测技术为设备的全面检验提供了更为高效、准确的检验手段。通过含于使用评价，可以让状况良好的变压吸附器继续使用，但鉴于变压吸附器使用环境较为特殊，即长期处于疲劳和临氢环境，因此作者认为需要针对变压吸附器进行专门的超设计寿命使用评估与检验。1.2 典型失效案例分析吸附器是重要的分离设备，近十几年来时有发生泄漏事故，国内许多专家针对变压吸附器的失效原因进行分析，并提出了宝贵的建议。艾志斌等1在案例分析中发现原始焊接裂纹是泄漏的裂纹断面的启裂部位，并证明了疲劳裂纹源是原始焊接缺陷造成的。杜春雨等2对变压吸附器筒体开裂原因进行分析，认为在变压吸附器筒体上焊接保温层托圈是造成疲劳开裂的主要原因。杨文攀等3从制造的角度分析，发现选材不合理、不正确的焊接工艺、制造中产生的缺陷等都会引起开裂现象的发生。刘旭平等4分析指出吸附器筒体上加设保温支撑圈和垫板后，容易在结构上不连续并产生较高的峰值应力，峰值应力是筒体上产生疲劳失效的主因。何运超5对某运行 4 年左右的变压吸附器筒体出现的裂纹进行了分析，判断保温层托圈是造成疲劳开裂的主要原因。朱正伟等6对开裂吸附器进行分析，发现保温层托圈容易形成应力集中并造成开裂失效，返修补焊位置可能存在缺陷并成为疲劳源，吸附器表面的微裂纹未完全消除，导致疲劳失效。李胜亭7对神华直接液化项目中的吸附器裂纹产生原因进行了分析，判断开裂部位内壁钢板母材进行了不恰当的补焊导致裂纹疲劳开裂。对以上典型案例分析结论进行总结，导致开裂的原因有以下几方面：（1）原始焊接裂纹检测不到位，返修补焊不合理，容易造成裂纹源的产生；（2）保温层托架和焊接垫板是应力集中的主要部位；（3）制造过程中，选材不合理、焊接工艺不正确等也是造成焊接裂纹的原因。2 寿命评估和检验方法超设计使用年限压力容器评估与检验导则对超设计使用年限压力容器制定了评估和检验流程，如图 1 所示，并在 8.3 章节中对疲劳容器进行了归类，如图 2 所示，并对评估过程进行了详细说明。在检验程序 9.3 章节中也进行了规定：（1）对于存在疲劳损伤，且损伤与预期使用寿命高相关的压力容器，应在应力分析的基础上对其结构的应力集中部位和局部温度梯度较高的区域进行 100%表面缺陷检测。必要时，还可采用应变传感器、压力传感器、温度传感器等对周期性载荷进行监测；（2）对于存在疲劳损伤，张蒲根：超设计寿命的变压吸附器评估和检验方法分析第 44 卷第 2 期化工装备技术24且损伤与预期使用寿命低相关的压力容器，应对结构的应力集中部位和温度梯度较高区域进行不少于20%表面缺陷检测；（3）上次定期检验中发现超标埋藏性缺陷的部位，应进行复查；（4）必要时还应对超标的焊缝余高、凹陷、沟槽、鼓包及修补区域等进行检验；（5）对于存在热棘轮损伤模式的压力容器，必要时还应进行变形量检测；（6）对于存在振动等随机疲劳损伤的压力容器，必要时应进行振动监测。图 1 超设计使用年限压力容器评估和检验流程图 图 2 存在疲劳损伤模式的压力容器推荐归类方法导则中规定的检验程序涉及表面无损检测、超标缺陷、变形测量以及振动监测，包含了检验方法和在线检测手段，结合变压吸附器的常见失效情况，本文认为在评估和检验中可以增加考虑以下几个方面：（1）审查资料和运行记录，重点查看使用过程中是否存在超压、超量运行，尤其对制造能力较弱的制造厂生产的变压吸附器检查其设计制造资料是否符合标准规范（重点检查选材是否正确、焊接工艺是否合理），若存在这方面问题，应及时纠正，并对有问题的部位进行重点检验；（2）对照设计图纸，重点检查设备本体是否存在局部不连续的结构，比如保温层托架和焊接垫板等，有针对性的采用精度较高的无损检测手段，对应力集中部位进行检测；考虑到存在埋藏疲劳缺陷的可能，对应力集中以外的部位，至少应进行局部超声检测；（3）若发现埋藏缺陷，又不具备处理条件时，可以进行合于使用评价；（4）对有返修记录的设备，应进行重点检查，查看其返修原因，制定有针对性的检验方案。3 结语本文针对变压吸附器，分析了其超设计寿命使用的法律法规依据，结合近十几年来变压吸附器在使用过程中的失效案例，并根据超设计使用年限压力容器评估与检验导则提出了其超设计寿命使用的可行性、评估和检验方法，为今后对变压吸附器的超设计寿命使用的评估和检验提供参考。参考文献1 艾志斌,陈学东,李蓉蓉,等.变压吸附器开裂原因分析及失效预防J.压力容器,2013,30(4):61-66,60.2 杜春雨,陈伟,喻迪垚.变压吸附器疲劳开裂与修复J.特种设备安全技术,2014(6):16-18.3 杨文攀,李昂,于文静.试析变压吸附器开裂的原因及失效预防策略J.中国化工贸易,2013(12):157-157.4 刘旭平,宋利滨,李志峰,等.变压吸附器开裂失效原因分析及对策C.第十届石化装置工程风险分析技术应用研讨及经验交流会,丹东,2016.5 叶运超.变压吸附器开裂原因分析及处理方案J.特种设备安全技术,2019(5):22-23.6 朱正伟,王军.变压吸附器开裂原因和防护措施分析J.石油化工设备,2016,45(5):83-88.7 李胜亭.神华煤直接液化项目煤制氢装置氢气提纯变压吸附器筒体开裂原因分析及建议J.石油和化工设备,2016,19(10):35-41.（收稿日期：2022-07-18）