多层包扎压力容器的结构、损伤和检验

李志峰，王晓博，杨利军

（中国特种设备检测研究院，北京 100013）

多层包扎压力容器一直被用作炼油和化工行业的反应或存储容器，典型设备有化肥装置的氨合成塔、尿素合成塔、甲醇合成塔、预热器、储氢罐等。多层包扎容器的出现是由于当时的材料加工能力较差，大壁厚板材的锻压、切割、卷板等机械的欠缺，为了满足高压容器的制造需求只能研发可替代整体锻制材料的制造方法，所以采用了多层薄钢板包扎焊接而成的多层包扎制造形式。国外在上世纪三十年代开始制造多层包扎压力容器，我国在1956 年试制成功第一台多层包扎高压容器[1]，最初此类型设备被用于氮肥的生产装置，为发展我国化肥工业解决了关键设备问题。经过多年的发展，多层包扎容器的设计结构和制造过程也经过了不同的优化，例如从深环焊缝结构转化为错位和台阶状角焊缝结构，从多段包扎结构转化为整体包扎结构，从钢丝绳预紧转化为液压预紧等，这些变化让多层包扎容器在制造过程中的质量更加可控，在使用过程中更加安全。

在多层包扎容器使用期间，大部分多层包扎压力容器的检修周期较长，最长的可达六年；而且在检修时部分设备受制于内部催化剂没有到期等情况无法开罐检验，这就导致设备内部检验无法实施，所以根据其结构形式和损伤机理制定有针对性的检验方案并实施是保证其运行周期内安全的一个必要的工作。由于老旧设备的持续性使用，目前在用化工装置中存在各种不同方法制造的多层包扎容器，这些不同的制造结构限制了定期检验过程中检验检测方法的选择，常规检验方法（例如超声检测和磁粉检测）的检验有效性并不一定能够达到要求，必须详细了解设备的结构情况，在检验过程中制定有针对性的检验方案；而且多层包扎容器大多都是高压容器，部分设备的使用工况比较苛刻，像处于高压、高温、临氢工况的氨合成塔，甲醇合成塔，处于高压工况和盛装强腐蚀性介质的尿素合成塔，这些苛刻工况下可能产生特殊的损伤机理，这对设备的检验和检验后的缺陷处理也有很大的影响，所以分析和研究多层包扎压力容器的结构和损伤对其定期检验的有效实施是非常重要的。 本文分析了多层包扎容器的各种不同形式和操作条件对检验方法的影响，并提出了对应的检验方 法。

1 结构形式对检验方法的影响

1.1 多层包扎容器的结构形式

多层包扎容器是由内筒和多层层板组成的，部分设备在内筒和层板之间还设有盲层，主要结构形式有分段包扎和整体包扎两种。

分段包扎形式的容器一般投用时间都比较早，在上世纪三十年代至本世纪初制造的多层包扎容器大部分都采用的分段包扎形式。分段包扎形式的最大的特点是封头与筒节、以及各筒节之间的连接部位存在深环焊缝。

图1 深环焊缝焊接结构Fig.1 Welding structure of deep ring weld

针对深环焊缝因厚度较大导致焊接过程质量难于控制、部分焊接结构因几何突变产生的应力较大的问题，在本世纪初国内外设计人员提出了焊接结构的优化方法，其中应用最多的就是整体包扎结构。整体包扎结构可以在包扎的过程中错开每层层板的纵、环焊缝，并采用液压钳逐层包扎[2]。这种方法的简单工艺为：先将内筒制造完成，然后可以先将其与两边封头焊接后再整体逐层包扎层板，也可以先整体逐层包扎层板后与两边封头焊接。整个设备没有深环焊缝结构，其中一种筒体和封头的焊接接头见图2 所示，而且多个学者也对封头和筒节处的焊接结构进行了模拟计算，优化了不等厚焊接结构[3-4]，还将此结构用于设计压力为99.75 MPa 的氮气储罐[5]。

图2 整体包扎结构中筒体和封头的焊接结构之一Fig.2 One of the welding structures of shell and head in the whole wrapping structure

1.2 检验方法的选择

目前国内工程技术人员对采用分段包扎形式的多层包扎压力容器的检验提出了一些有针对性的检测方法。熊明明[6]提出在多层包扎容器定期检验过程中需要进行声发射检测、磁粉和渗透检测；黄辉等[7]提出了针对于深环焊缝的相控阵检测方法；许波[8]等提出了采用模拟焊接试块对深环焊缝内的横纵缺陷进行检测；程晓阳[9]对深环焊缝进行了超声波探伤试验，并提出了多层包扎容器环焊缝超声波检测工艺；最早由沈功田等[10]提出了在多层包扎设备上应用声发射检测，并给出了通过二次升压和多次保压对比确定有意义的声发射源的方法，论证了声发射检测方法适用于多次包扎设备整体检验，随后多位工程师也在文章中对此方法持肯定态度[11-12]，并在氨合成塔[13]和尿素合成塔[14]上应用了此种方法，获得了较好的效果。

以上各种方法的应用大部分都是针对于分段包扎具有深环焊缝的设备，而极少有对整体包扎设备的检测方法论述。深环焊缝的特点是焊缝深度在100 mm 左右，焊接难度较大，而且为了保证包扎层板的预紧力在焊后不需要做消应力热处理，所以如果焊接质量难以得到保证，会在焊缝中存在夹渣、气孔、未焊透、未熔合等常见的焊接缺陷，在疲劳工况下这些缺陷的存在会成为裂纹的起裂源，造成焊缝开裂。而裂纹的走向并不一定是垂直于焊缝，所以在磨平的深环焊缝上实施超声波检测时应该变换多种探测角度，而由于层板之间的贴合问题平行于焊缝的裂纹的检出率较低。为了能够更有效的识别危险缺陷，可以使用声发射检测的方法，将探头布置于深环焊缝附近，检测缺陷的活动性。

对于整体包扎的容器，由于没有深环焊缝的存在，而且层板之间贴合条件并不足以让超声波通过，所以采用超声检测方法只能检测外部表层层板的纵、环焊缝和内壁纵、环焊缝。声发射检测从原理上是可以用于整体包扎的容器，可以尝试采用二次升压方法对整体包扎容器进行检测，探头在满足声发射检测要求的前提下均布于整个设备；对焊缝集中的筒体和封头连接处应多加关注，可以布置较多探头；在检测前应明确每层层板焊缝的位置，方便辨识声发射信号定位源；也可利用第一次升压得到的声发射信号定位源与焊缝布置图相印证。因每层焊缝都被上一层层板遮挡，所以得到的声发射定位源可能比较难以验证，可以在使用过程中长时间监测这些定位源的声发射信号，以此进一步判断声发射信号的性质。

2 操作条件对检验方法的影响

2.1 高压临氢设备

多层包扎容器用于高压临氢设备的比较多，常见的是氨合成塔和各种高压储氢设备，其中氨合成塔中的介质还具有腐蚀性。文献案例报道的氨合成塔的检验较多，刘升启[15]在2010 年对1988 年投用的氨合成塔检验时，磁粉检测发现内壁环焊缝多处条状和网状裂纹，从操作条件分析开裂是由氢腐蚀和焊缝成型质量差导致的；蒋家慧[16]在2009 年对1999 年投用的氨合成塔检验时，磁粉检测发现成型较差的环向接头及热影响区存在大量裂纹，分析后得到部分裂纹是焊接延迟裂纹，没有发现存在应力腐蚀和氢腐蚀现象； 1996 年投用的氨合成塔在2000 年泄放孔发生泄漏，李耀明[17]在检验过程中发现内筒壁存在多处裂纹，有一处为贯穿性裂纹，还发现一处鼓包，与贯穿裂纹在同一筒节，分析裂纹的产生原因是由于焊接质量差再加上氢腐蚀，而鼓包是由于贯穿裂纹的出现，导致内层与层板之间存在压力，使得内层发生鼓凸。张道云[18]等在2009 年对1983 年投用的氨合成塔检验时发现两处近表面裂纹，结合射线检测结果分析裂纹产生的原因是焊缝内部缺陷为起裂源的延迟裂纹。

高压临氢多层包扎设备最主要的特点是内部存在较高的氢分压，对于高温运行的设备材料可以采用API 941 纳尔逊曲线判断是否会发生高温氢腐蚀，在检验过程中要着重对内筒进行目视检查；如果目视检查发现有鼓凸的情况，应在鼓凸附近焊缝进行磁粉检测或扩大磁粉检测比例。对于内筒材质为非奥氏体不锈钢的运行温度较低的高压临氢设备或在高温临氢设备停车时，器壁中可能存在渗入后未及时逸出的氢，达到临界浓度后在参与应力和外加载荷的作用下发生开裂，如果此类设备焊接过程中存在各类缺陷，其发生氢脆的概率会大大增加，在检验过程中要着重对内筒进行目视检查和磁粉检测，必要时采用磁记忆扫查焊缝或母材应力较高的部位后再进行重点检测。

部分高压储氢设备的操作条件一般都比较稳定，但在需要时要向管网补充氢气，如果补充的频率较高，应在检验过程中考虑疲劳产生的裂纹，对出口接管及其附近的焊缝和目视检查发现的成型不良的焊缝进行磁粉检测。

2.2 高压强腐蚀性设备

多层包扎容器用于高压腐蚀性介质的设备多存在于化肥行业的尿素装置，例如尿素合成塔。国内外的尿素合成塔发生过多起爆炸事故[19]，从多层包扎容器的设计角度考虑，如果内筒失效，应该是可以从泄漏孔发现介质泄漏从而避免发生恶性的爆炸事故，但从上世纪七十年代到目前发生了不下十起的尿素合成塔爆炸事故，造成多人死亡和财产损失。对于爆炸的原因各方在物理爆炸还是化学爆炸上众说纷纭，但无论是物理爆炸还是化学爆炸都与缺陷的存在削弱了设备的本体强度有关。而在检验过程中也发现了尿素合成塔各种损伤[20-24]，具体见表1 所示。

从各案例分析发现，异常或损伤多见于内筒、外壁和泄漏孔，其中内筒损伤类型最多，需要检验的内容也相对较多。一般内筒材质为尿素级不锈钢，例如316 L mod、00Cr25Ni22Mo2 等，内部检验时应关注均匀腐蚀、点蚀、裂纹、鼓凸、垢下裂纹和泄漏孔部位对应的内筒背部开裂等损伤，采用检验方式包括目视检查、磁粉检测、超声检测、渗透检测，也可使用更精确的红外激光扫描成像系统、裂纹测深仪、内窥镜等方法和仪器对损伤进一步的观察和测量，具体的检测方法见表1。而在检验前也应关注工艺资料的收集，例如介质成分分析（腐蚀性介质，如Cl-、HS-等和镍离子的含量）。

在检验发现缺陷后的处理方式应分为腐蚀、开裂和其他损伤三个方面。对于腐蚀减薄，应该根据腐蚀损失的壁厚量来确定返修方案，如果壁厚损失量通过强度校核或建模计算后在可接受范围内，则外部腐蚀应该打磨后重新防腐处理，内部腐蚀应圆滑过度后继续使用；如果壁厚损失量已经超过可接受范围，应该补焊恢复壁厚后继续使用，补焊的过程和质量控制应参照相关的制造标准。开裂和其他损伤的处理方法见表1。其他多层包扎容器如果存在相似的缺陷，处理方法也可参照表1 内容。

表1 尿素合成塔的损伤和检验Table 1 Damage and inspection of urea synthesis tower

2.3 高压无腐蚀性或腐蚀性较轻微的设备

多层包扎设备也被用于盛装高压气水和氮气，在稳定的压力和温度下一般不会产生损伤。但如果存在频繁的压力升降或温度变化也会造成设备的损伤，

王春发[25]在2020 年对2010 年投用的用于储存高压气水的多层包扎容器进行检验时发现深环焊缝存在外部裂纹，打磨过程中发现焊缝内部存在大量条渣。该设备压力升降压较为频繁，在原始制造缺陷存在基础上发生了开裂。如果操作条件稳定的此类容器检验按照常规检验方法即可，但如果存在疲劳工况应在检验过程中重点关注深环焊缝、角焊缝等焊接部位。

3 RBI在多层包扎设备检验的应用

目前国内多家检验单位也对合成氨和尿素装置的压力容器应用了基于风险的检验技术[26-33]，分析了这些装置的风险状况，有的还提出了检验策略。在RBI 技术中，检验方式按照GB/T 26610.2 的规定，分为在线检验、停车开罐检验和停车不开罐检验三种。在炼油或化工装置中，如果在线检测方法满足检验有效性，则可采用在线检验或停车不开罐的方式对设备进行检验，按照TSG 21—2016 的规定，通过风险水平确定容器下次的检验周期。在线检验可以在不停车的情况下完成容器的定期检验，停车外部检验可以在不倒空罐内介质的情况下完成容器的定期检验。这两种检验方式的应用在合法、合规的基础上，节约了企业的检修时间，增加了企业的市场竞争力，但是应用的前提是有能够有效识别损伤，满足检验有效性的在线检测方法或从外部检内部的检测方法。

多层包扎容器的在线检测方法除声发射检测外，目前并无其他有效的方法可以应用，而声发射检测仅针对活动性缺陷，且仅有检测深环缝的试验和数据，在整体包扎结构上的应用较少，有效性有待进一步的验证。鉴于多层包扎容器的特殊结构，在炼油和化工装置中采用的电磁超声、脉冲涡流、平衡场涡流、高温渗透等在线检测方法都无法真实检测内层和内部各层板的腐蚀和开裂状况。

在停车不开罐检验的过程中，可以采用超声检测对分段包扎结构的深环缝进行检测，但仅能发现垂直或近似垂直于环焊缝的缺陷，对整体包扎结构的容器超声检测也仅能检测外层焊缝。而且没有有效的方法可以在停车不开罐时对多层包扎容器内衬或内壁的减薄、鼓包、开裂等损伤进行检测。而在表1中可以看出设备内筒发生的损伤最多，其他部件，例如液氨物料管也是在内壁焊缝出现开裂。

综上所述，不建议对主要损伤发生在内壁的合成氨和尿素装置中盛装腐蚀性介质、使用蒸汽检漏的多层包扎设备采用在线检验或停车不开罐检验的方式实施检验。对这些装置中高压临氢工况的、具有深环焊缝的多层包扎设备采用在线检验或停车不开罐的方式检验时应结合设备具体的操作条件制定单独的检验方案，充分考虑检测方法的有效性，必要时应该考虑做对比试验，且不开罐检验的时间尽量不超过8 年。使用单位应该结合触媒的寿命合理安排停车开罐检验时间。

4 结论

多层包扎容器与单层厚壁容器相比，生产设备和加工难度较低，原材料的采购方面较容易，所以在制造成本上优于单层厚壁容器，但检验的难度要大于单层厚壁容器。通过上述内容分析可以得到以下结 论：

（1）从设备结构分析，具有深环焊缝的分段式多层包扎容器的检验关注点在封头和筒体相连的深环焊缝，此处因几何不连续产生的局部应力最大，开裂可能性最大，检测方法可选用超声检测、相控阵检测和在线声发射检测；而整体包扎容器并无从外部检内部的有效的检测方法，所以该结构容器应开罐内检，尤其盛装腐蚀性介质的容器更应内检。

（2）在检验前应重点查阅设备的基础资料，分析其可能存在的损伤，按照损伤类型选择对应的检测方法，发现缺陷后应科学扩检、查找并消除设备隐患。

（3）采用RBI 技术实施检验时，应该考虑在线检验或停车不开罐检验方式可利用的检测方法及其有效性，对于合成氨和尿素装置中盛装腐蚀性介质、使用蒸汽检漏的多层包扎设备建议实施内检而不能通过在线检验或停车外部检验的方式确定其下次检验时间。