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1、合于使用评价,杜晨阳 中国特种设备检测研究院,背景介绍,压力容器不可避免地存在不同程度的缺陷，而且压力容器在使用过程中，还会因载荷、介质等各种因素的影响，萌生出新的缺陷。如果坚持不允许任何缺陷存在那是不经济的，如果不加分析任其存在，那也是危险的。实践证明，并非所有超标缺陷都导致压力容器失效，重要问题是对缺陷加以区别，进行必要的分析评定，消除那些带有潜在危险的缺陷，而对安全没有威胁的缺陷则予以保留。加之实践也证明，返修过程中电弧气刨、焊接等过程不可避免地对材料性能产生影响，有可能加速材料的劣化，从而使结构失效。另外，不必要的返修和报废压力容器会造成巨大的经济损失。为此，工程界提出了基于“合于使用
2、”（fitness-for-service）原则的压力容器安全评定方法。,背景介绍,“合于使用”原则是针对“完美无缺”原则而言的。“合于使用”评定技术是以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系统工程为基础，承认结构存在构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，但在考虑经济性的基础上，科学分析已存在缺陷对结构完整性的影响，保证结构不发生任何已知机制的失效，因而被广泛应用于工程结构质量评估中。,合于使用评价的发展,自上个世纪70年代起，在国际上较早提出的评定方法中，如IIW于1975年提出的IIS/IIW47174，英国PD 649380，日本的WES 2805K一83和我国压力容器缺陷评定规范CV
3、DA一84等都是采用COD（Crack Opening Displacement）准则，即以COD设计曲线方法作为评定缺陷的准则。虽然方法简洁直观，但作为一种半经验方法，在应用过程中也存在不符合实际的情况，要进行精确的缺陷评定，尚存有一定的局限性。因此，近年来国际上提出了考虑弹塑性变形的三级评定方法。目前得到工程很好验证并普遍采用的主要有API 579、R6、SINTAP以及BS7910等。,API 579,API 579的工业背景是石油化工承压设备，其特点是更多反映了石油化工在役设备的安全评估。API579与其它标准不同之处是不仅包括在役设备缺陷安全评估，还在很广范围内给出在役设备及其材料的
4、退化损伤的安全评估方法，如：均匀腐蚀的评定、局部减薄及槽状缺陷的评定、点蚀的评定、鼓泡及分层的评定、高温蠕变操作元件的评定、火灾对设备造成损伤的评定。,R6,英国中央电力局（CEGB）提出的R6评定准则是一个双判据准则，该准则经历了4次修订。1976年英国CEGB发表了题为“带缺陷结构完整性评价”R/H/R6报告，给出了一条失效评定曲线，1977年作了第一次修订，1980年又进行了第二次修订，1986年第三次修订是次极为重要的修订，对老R6曲线作了彻底地修改，以J积分取代窄条区屈服模型，给出了3条失效评定曲线。关于塑性失稳载荷的计算，将1986年以前的以材料的流变应力为基础改为以材料的屈服强度
5、为基础。而最近的一次修订是在2001年，是由英国British Energy（英国核电公司）、BNFL（英国核燃料公司）及AEA（英国原子能管理局）组成的结构完整性评定规程联合体下的R6研究组编制的。,SINTAP,SINTAP（Structural Integrity Assessment Procedures for European Industry）是 由欧洲多个国家、企业资助，于2000年发布试行的最新欧洲统一工业结构完整性 评定标准。该标准对脆性断裂、延性撕裂和塑性失稳等都有表述。它结合欧洲及 其它国家现有的部分评定标准，并在其基础上做出了适当地改进和发展。 该标准共分7个评定水平
6、，当只知屈服应力时使用缺省0水平，该水平从夏比 冲击数据估计断裂韧性；当屈服应力、最大拉伸应力及接头强度不匹配程度小于 10时，可进行水平1基本评定；水平2失配评定与水平1数据基本相同，在母材 和焊材参数已知情况下，接头不匹配程度可以稍高于10；水平3应力应变评 定要求全部应力应变曲线已知；水平4拘束评定需要额外的数据进行与裂尖拘 束状况相关的断裂韧性估计；水平5 J积分评定采用应力应变数据进行数值分 析以确定J值，与低水平相比降低了保守度；水平6裂前泄露（LBB）评定，可对 部分穿透及穿透裂纹的稳定与扩展进行考察。,BS7910,英国标准委员会（BSI）在1999年底公布、2000年发表的修
7、正版英国标准，称为BS7910：1999。在使用了近20年的PD 6493及其发展版本的基础上，PD6493:1991已与PD 6539:1994（高温评定方法）合并，根据它们近十年来研究成果，包括SINTAP的欧洲统一安全评定方法的研究成果，仍然采用三级评定方法对金属结构种的缺陷进行安全评定，2005年又进行了一些修正和补充，更新为BS7910:2005。,GB/T 19624-2004,GB/T 19624-2004: 在用含缺陷压力容器安全评定 适用范围： 平面缺陷：包括裂纹、未熔合、未焊透、深度1mm咬边 体积缺陷：包括凹坑、气孔、夹渣、深度1mm咬边等 失效模式 ： 断裂失效 塑性失
8、效 疲劳失效 评定方法 ： 简化评定 常规评定,2020/9/22,10,相关法规标准,固容规7.7 合于使用评价 安全状况等级定为4级并且监控期满的压力容器，或者定期检验发现严重缺陷可能导致停止使用的压力容器，应当对缺陷进行处理，缺陷处理的方法包括采用修理的方法消除缺陷或者进行合于使用评价。,2020/9/22,11,相关法规标准,合于使用评价工作应当符合以下要求： （1）承担压力容器合于使用评价的检验机构须经过国家质检总局批准。 （2）压力容器使用单位向批准的检验机构提出进行合于使用评价的申请，同时将需评定的压力容器基本情况书面告知使用登记机关； （3）压力容器的合于使用评价参照GB/T1
9、9624的要求进行，承担压力容器合于使用评价的检验机构，根据缺陷的性质、缺陷产生的原因，以及缺陷的发展预测在评价报告中给出明确的评定结论，说明缺陷对压力容器安全使用的影响； （4）压力容器合于使用评价报告，由具有相应经验的评价人员出具，并且经过检验机构法定代表人或者技术负责人批准，承担压力容器合于使用评价的检验机构对缺陷评定结论的正确性负责； （5）负责压力容器定期检验的检验机构根据合于使用评价报告的结论和其它检验项目的检验结果确定压力容器的安全状况等级、允许运行参数和下次检验日期，并且出具检验报告 （6）使用单位将压力容器合于使用评价的结论报使用登记机关备案，并且严格按照检验报告的要求控制压
10、力容器的运行参数，加强年度检查。,合于使用评价方法,STEP1：损伤类型及失效模式判别 损伤类型判别 腐蚀减薄 环境开裂 材质劣化 机械损伤 STEP2：选择适用规范：GB/T19624-2004附录H STEP3：判断损伤评价前提条件 在实际工况下，材料具有良好的延性，未发现劣化及劣化倾向； 管道最低工作温度不低于-20，或管道最低工作温度低于-20奥氏体不锈钢； 管道径比 气孔、夹渣、局部减薄等体积型缺陷（其周围无裂纹、未熔合等面型缺陷）； 在役工况下无脆化倾向的20#或奥氏体不锈钢管道及壁厚不大于13mm的16Mn管道的未焊透缺陷； 体积缺陷的深度小于壁厚的70%，且缺陷底部最小壁厚不小
11、于2mm。,合于使用评价方法,STEP4：缺陷表征及规则化,STEP5：材料性能数据,合于使用评价方法,STEP6：免评判定,合于使用评价方法,STEP7：评价计算 无缺陷极限载荷,含缺陷极限载荷,典型工况组合及载荷确定 STEP8：可接受准则,承压设备合于使用评价案例加氢加热炉,项目特点：在因高温无法实施在线检验的情况下，根据风险评估结果，确定加氢裂化加热炉损伤机理，结合红外测温结果，进而确认基于不同损伤机理的腐蚀速率，然后考虑不同损伤机理的共同作用，确定最终计算腐蚀速率，并据此评价炉管安全运行时间及其限制条件。,损伤机理分析：碳钢炉管，进料为脱丁烷塔釜C5+物料，操作温度245310，20
12、08年6月7月4次取样分析硫含量分别为489ppm、790ppm、840ppm、1181ppm。所以炉管损伤机理为高温H2S/H2腐蚀高温硫腐蚀。因温度低于碳钢蠕变门槛值380 和高温氧化门槛值480 ，所以不存在蠕变损伤和氧化损伤。 现场红外测温结果：,温度值保守处理：考虑因进料量少而在对流段水平管上部气相空间硫化氢局部积聚可能产生的高浓度和因气相导热差所形成的高温区域（背火侧），以及向火侧和背火侧的温差，分别+100 和+50 保守处理。 计算腐蚀速率： 综合分析结论：F-601操作压力2.0MPa、最高操作温度：精制方案不大于270，裂化方案不大于300，脱丁烷塔釜油品硫化氢含量在100
13、0ppm以下、有机硫含量在0.1wt%以下时，F-601炉管可以安全运行至2008年10月底（3个月，该时间点由企业指定）。,承压设备合于使用评价案例加氢加热炉,承压设备合于使用评价案例加氢反应器接管缺陷,停工/操作/水压工况：按JB4732进行应力分类及评价，校核危险部位强度；按照TEMA标准进行换热管的强度和稳定性评价；按照ASME Sec. Div.1进行换热管与管板连接部位拉脱力的评价。,承压设备合于使用评价案例组合氨冷器管束变形,承压设备合于使用评价案例吸收塔错边,操作/水压工况：考虑风载，按JB4732进行应力分类及评价，并结合塑性极限理论来校核错边部位强度，同时按照JB4710-92进行稳定性校核。,Thank you,谢 谢！,
