Вварка люка в сосуд

Автор: А.Л. Прончаков, С.В. Панченко, В.А. Платонов, Ю.Н. Тюрин, М.С. Трещева, С.В. Дьяконов (ОАО «НОРЭ»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №12/2014

В настоящее время в промышленной эксплуатации находится значительное количество технологических сосудов и аппаратов, изготовленных в 60-х–70-х годах прошлого века. При изучении и анализе конструкторской документации в ряде случаев выявляется такое отступление от требований ныне действующих норм, как конструктивный зазор в швах вварки штуцеров большого диаметра и горловин люков в обечайку.

В пункте 4.9.1. Правил ПБ 03-584–03 [1] указано, что «не допускается применение угловых и тавровых швов для приварки штуцеров, люков, бобышек и других деталей к корпусу с неполным проплавлением (конструктивным зазором): в сосудах 1-й, 2-й, 3-й групп при диаметре отверстия более 120 мм, в сосудах 4-й и 5а групп при диаметре отверстия более 275 мм». Несмотря на такие требования, в настоящее время имеется достаточный опыт эксплуатации сварных швов с конструктивным зазором, не соответствующих требованиям ПБ 03-584–03, и обладающих при этом достаточной надежностью в течение длительного (около 40 лет) времени.

Как характерный пример можно рассматривать исполнение узлов вварки в обечайку горловин люков абсорбционной колонны агрегатов УКЛ-7 (производство азотной кислоты мощностью до 120 000 т в год). В колонне происходит абсорбция нитрозных газов водой для получения азотной кислоты заданной концентрации (58–60%).

Фрагмент чертежа 1230-21 01-00-Сб
(узел вварки люка в обечайку) абсорбционной колонны агрегата унифицированной кислотной линии УКЛ-7 (изготовитель – СМНПО им. М.В. Фрунзе, 1971 г.).
Узел выполнен с конструктивным непроваром места присоединения горловины люка к обечайке
и укрепляющему кольцу

Оксиды азота под давлением до 0,716 МПа и температурой ~50…60°С подаются в нижнюю часть абсорбционной колонны. Орошение колонны осуществляется охлажденным до 35°С конденсатом и обессоленной водой. Теплота образования азотной кислоты отводится оборотной водой, которая циркулирует в змеевиках, расположенных на тарелках колонны. Продукционная азотная кислота отводится из нижней (кубовой) части колонны. В соответствии с параметрами среды абсорбционная колонна относится к сосудам 1-й группы по ПБ 03-574–03 [2].

Корпус и штуцеры абсорбционной колонны изготовлены из коррозионно-стойкой аустенитной стали (главным образом, 12Х18Н10Т). Высота корпуса колонны – 46,4 м, диаметр – 3,2 м. Внутри корпуса размещены 47 ситчатых тарелок. На корпусе колонны имеются многочисленные люки для обслуживания колонны.

Фактическое исполнение сварных узлов вварки люков DN 500 не соответствует требованиям ПБ 03-584–03: они выполнены с конструктивным непроваром (см. рисунок) согласно рабочим чертежам СКБ завода-изготовителя.

Проектирование аппаратов агрегатов УКЛ осуществлялось в соответствии с действующими на тот момент на территории СССР техническими стандартами и Правилами Госгортехнадзора. Размер рабочего сечения сварных швов обеспечивает выполнение условия прочности при расчетной статической нагрузке.

Требование, содержащееся в п.4.9.1 ПБ 03-584–03, было введено позднее в связи с накоплением статистики выхода из строя узлов вварки штуцеров, выполненных с конструктивным зазором.

При продлении сроков эксплуатации технологических сосудов и аппаратов, имеющих подобное отступление от действующих правил, ставится вопрос о возможной необходимости переврезки существующих штуцеров для приведения их конструкции в соответствие с современными действующими правилами или о разработке комплекса мер, являющихся достаточными для обеспечения безопасности эксплуатации.

Само по себе наличие конструктивного зазора служит причиной образования повышенной концентрации напряжений в сварном узле. Кроме того, возможности выполнения неразрушающего контроля сварных швов, выполненных с конструктивным зазором, сильно ограничены, поскольку нормативными методиками не предусмотрено проведение ультразвукового или радиографического контроля. Такие виды контроля, как цветная и магнито-порошковая дефектоскопия, а также контроль плотности и герметичности не дают возможности обнаружить внутренние дефекты наплавленного металла и околошовной зоны, которые также могут быть концентраторами напряжений.

В результате циклических воздействий (от вибрации подводящих трубопроводов, пульсации давления и т.п.) происходит накопление повреждений на участках концентрации напряжений и развитие трещин. Таким образом, сварной узел со сплошным проплавлением (при одинаковом рабочем сечении сварного шва) имеет значительное преимущество перед сварным швом с конструктивным зазором в плане надежности работы при изменяющихся нагрузках.

С другой стороны, исполнение сварного шва в соответствии с приведенным чертежом гораздо лучше в плане коррозионной стойкости. Азотная кислота, циркулирующая в колонне, имеет высокую коррозионную активность.

Для сталей аустенитного класса наиболее опасным видами коррозии в среде азотной кислоты являются межкристаллитная и ножевая коррозия в околошовной зоне сварных соединений. Склонность к межкристаллитной и ножевой коррозии аустенитная коррозионно-стойкая сталь типа 12Х18Н10Т приобретает при выдержке в температурном интервале сенсибилизации (500…620°С), при этом происходят активное выделение и сегрегация карбидов хрома по границам зерен. Обедненные хромом границы зерен теряют коррозионную стойкость, что приводит к ослаблению межзеренных границ и локальному растворению металла. Чем короче время выдержки при температуре сенсибилизации, тем большую коррозионную стойкость сохраняет материал.

При выполнении узла вварки патрубка с конструктивным зазором тепловое вложение относительно невелико.

Время пребывания металла в зоне нежелательных температур сведено к минимуму, в результате этого в большей степени сохраняется коррозионная стойкость стали.

Очевидно, что способ исполнения сварного узла вварки штуцера должен определяться, исходя не только из группы сосуда и размеров штуцера, но и из условий его работы и трудоемкости изготовления. Технологические штуцеры, связанные с линиями циркуляции рабочих сред и могущие подвергаться вибрации, пульсации давления, нагрузкам от веса и теплового перемещения трубопроводов и т.п., не должны иметь исполнения с конструктивным непроваром. Коррозионная стойкость сварных швов в таком соединеии должна быть обеспечена оптимальными технологиями сварки и последующей термообработки, а также выбором материалов.

Для вспомогательных штуцеров и люков-лазов, не испытывающих внешней и изменяющейся нагрузки, требования к сплошному проплавлению могут быть менее жесткими. В этом случае уменьшается трудоемкость изготовления сварного соединения, обеспечивается удовлетворительная коррозионная стойкость с меньшими затратами.

На наш взгляд, указанные соображения могут быть учтены при пересмотре и разработке нормативных документов и Правил.

Вопрос несоответствия современным требованиям сосудов, изготовленных до введения ныне действующих правил, может быть решен в соответствии с п.1.6ПБ 03-584–03, который гласит: «В организациях с действующими стальными сосудами и аппаратами, не отвечающими требованиям настоящих Правил, при необходимости, могут разрабатываться мероприятия, направленные на обеспечение безопасной эксплуатации».

Среди мероприятий, направленных на подтверждение возможности безопасной эксплуатации сосудов, на наш взгляд, необходимы следующие: 1. Расчетное подтверждение прочности узлов, выполненных с отступлением от действующих Правил; 2. Введение дополнительных конструктивных элементов или методик контроля, позволяющих оценивать состояние элементов оборудования в ходе эксплуатации и периодического освидетельствования.

Применение программных продуктов для расчета методом конечных элементов позволяет с достаточной точностью оценить надежность эксплуатации штуцеров с конструктивным непроваром с учетом всех влияющих факторов.

Для узлов вварки люков в обечайку абсорбционной колонны, выполненных с конструктивным зазором, важным условием проведения поверочных расчетов должно быть требование к удовлетворительной трещиностойкости.

Критерием трещиностойкости должно быть выполнение условия течи перед разрушением, при котором до развития лавинообразной трещины возникает течь через сквозной дефект.

Как дополнительное средство повышения безопасности эксплуатации в качестве средства контроля герметичности сварных швов с конструктивным зазором уже предусмотрено отверстие в накладном кольце, которое позволяет отслеживать наличие возможных пропусков в сварных швах.

Широко применяемый в настоящее время метод акустико-эмиссионного контроля (АЭК) позволяет оценивать наличие дефектов в корпусе сосуда по степени их критичности. При совместном проведении акустикоэмиссионного контроля и испытаний на прочность в рамках технического освидетельствования возможно своевременное выявление опасных дефектов в сварных швах любого исполнения.

Таким образом, безопасность эксплуатации узлов вварки люков, выполненных с конструктивным зазором, может быть обеспечена при удовлетворительных результатах расчетов на прочность, наличии контрольных отверстий в усиливающих кольцах и включении проведенияАЭК в программу проведения технического освидетельствования. В качестве организационного требования следует порекомендовать регулярный осмотр узлов вварки люков технологическим персоналом.

К сожалению, действующими на сегодняшний день нормативными документами не оговорены способы, позволяющие реализовать положение п.1.6 ПБ 03-584–03 об эксплуатации действующих стальных сосудов, не в полной мере соответствующих требованиям указанных Правил. Остается не ясным, какой именно документ должен содержать «мероприятия, направленные на обеспечение безопасной эксплуатации» сосудов, работающих с отступлением от требований ПБ.

Решение о пригодности объекта к дальнейшей эксплуатации, принимаемое по результатам экспертизы промышленной безопасности, основывается на заключении о соответствии объекта действующим требованиям нор мативных документов. Отступления или несоответствия требованиям являются основанием для выдачи отрицательного заключения, либо рекомендаций о приведении объекта в соответствие таковым требованиям. В рассматриваемом случае, «приведение в соответствие» означает проведение масштабной реконструкции аппарата, связанной с существенными материальными и временными затратами. При этом по описанным выше причинам, результат реконструкции не приведет к сколько-нибудь значимому увеличению безопасности, надежности и долговечности аппарата.

Ст. 3 ФЗ-116 [3] гласит, что «В случае, если при эксплуатации… опасного производственного объекта требуется отступление от требований промышленной безопасности, установленных федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности,… лицом, осуществляющим подготовку проектной документации на строительство, реконструкцию опасного производственного объекта, могут быть установлены требования промышленной безопасности к его эксплуатации… в обосновании безопасности опасного производственного объекта». В соответствии с разъяснениями, приведенными в работе [4], обоснование безопасности выполняется на стадии разработки проектной документации и не может быть выполнено для уже действующего производственного объекта или технического устройства.

Таким образом, вопрос о реализации возможности эксплуатации оборудования с отступлением от нормативных требований, по-прежнему остается открытым.

Трактовка п.1.6 ПБ 03-584–03 при взаимодействии между надзорными органами, экспертными и эксплуатирующими организациями может быть неоднозначной и приводить к конфликтным ситуациям.

Список литературы

1. ПБ 03-584–03. Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных.
2. ПБ 03-574–03 (Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением)
3. Федеральный закон №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
4. ФЗ-116 «О промышленной безопасности» 5. Ферапонтов А.В. Принципиальные вопросы разработки и применения обоснования безопасности опасного производственного объекта//Безопасность труда в промышленности. 2013. №11.