在役壓力容器局部凹坑的安全性評(píng)定分析

雷玉蘭

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院鎮(zhèn)江分院)

0 前言

如何保證壓力容器的安全使用是壓力容器檢驗(yàn)部門所關(guān)心的重點(diǎn)問題。壓力容器在使用過程中，由于介質(zhì)沖刷、腐蝕和碰撞等原因會(huì)在器壁上形成凹坑。此外，由于材料出現(xiàn)裂紋或材質(zhì)本身帶有其他的缺陷，經(jīng)打磨消除后材料表面也將產(chǎn)生凹坑。凹坑的存在一定程度上會(huì)降低壓力容器的可靠性，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。但并非所有的凹坑都會(huì)影響安全使用，在參照GB/T 19624標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的安全評(píng)定后，若滿足安全評(píng)定要求，就可免去不必要的返修及更換，避免在補(bǔ)焊過程中產(chǎn)生新生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可結(jié)合有限元分析印證結(jié)果的合理性，以充分保障壓力容器的安全使用。

1 國(guó)內(nèi)外常用壓力容器安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際上是從20世紀(jì)80年代才開始進(jìn)行承壓設(shè)備安全性評(píng)價(jià)研究的，隨著斷裂力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐步形成了一系列兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)方法，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)裂紋性缺陷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及圖表，主要有美國(guó)的ASME-SectionⅪ “核電站構(gòu)件在役檢測(cè)規(guī)范以及形變塑性失效評(píng)價(jià)圖” （1995年）。針對(duì)平面性缺陷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要有英國(guó)的 “含缺陷結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)價(jià)” （1988年），以及國(guó)際焊接學(xué)會(huì) （IIW）制定的 “焊接結(jié)構(gòu)適用性評(píng)價(jià)指南” （1990年）。在石油化工行業(yè)中的安全性評(píng)價(jià)程序有ASME-B31G，該套評(píng)價(jià)程序可用來確定腐蝕管線的剩余強(qiáng)度。

1.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)對(duì)承壓設(shè)備的適用性評(píng)價(jià)研究起步較晚。最早是由中國(guó)壓力容器學(xué)會(huì)、中國(guó)化工機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)會(huì)起草并編制了 《壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范》CADA—1984，該標(biāo)準(zhǔn)延續(xù)使用至2004年，然后由最新的GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》所代替。GB/T 19624—2004適用于含有平面缺陷或體積缺陷的鋼制壓力容器、鍋爐、壓力管道的安全性評(píng)定。對(duì)于平面缺陷采用的是失效評(píng)定圖。凹坑屬于體積型缺陷，先通過計(jì)算塑性極限載荷來確定最高容許工作壓力，然后完成安全性評(píng)估。通常凹坑缺陷的安全性評(píng)定流程如圖1所示。

圖1 凹坑缺陷的安全性評(píng)定流程

2 凹坑評(píng)定案例

2.1 對(duì)象參數(shù)確定

某化工廠有一臺(tái)高壓空氣儲(chǔ)罐，在投用三年后首次開罐全面檢驗(yàn)。做磁粉探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，在筒體上距離下封頭環(huán)焊縫445 mm處有一裂紋。于是，用電砂輪打磨至缺陷完全消除，且打磨處圓滑過渡，然后再次表面探傷，確認(rèn)無其他裂紋性缺陷。此時(shí)筒體打磨處呈一橢圓形凹坑。經(jīng)測(cè)量，凹坑最深處為Z=29 mm，長(zhǎng)軸2X=343 mm，短軸2Y=176 mm，其他基本參數(shù)見表1。

2.2 缺陷規(guī)則化處理

根據(jù)GB/T 19624—2004，對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行規(guī)則化處理。凹坑外邊緣處測(cè)得容器壁厚為B0=139 mm。凹坑尺寸及容器本體情況符合GB/T 19624—2004中評(píng)定限定條件的要求，以檢驗(yàn)周期為5年計(jì)進(jìn)行安全性評(píng)定，腐蝕速率為0.3 mm/a，按此腐蝕速率4年后容器壁厚B=137.8 mm，容器平均半徑R=(1100+137.8)/2=618.9 mm。

表1 凹坑的幾何尺寸及材料特性

2.3 無量綱參數(shù)計(jì)算及判定

該凹坑滿足要求，可進(jìn)行無量綱參數(shù)G0的計(jì)算。

G0=0.123≥0.1，不滿足安全條件。

2.4 安全性評(píng)定

該容器材質(zhì)為SA-737-C，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其屈服強(qiáng)度σs=415 MPa。因凹坑處于非焊縫區(qū)域，故可取′=σs。

無凹坑時(shí)殼體塑性極限載荷

帶凹坑時(shí)殼體塑性極限載荷

帶凹坑缺陷時(shí)殼體最高允許工作壓力

容器最高壓力

3 結(jié)論

通過上述評(píng)定，在無量綱參數(shù)G0≥0.1的情況下，經(jīng)過計(jì)算確定容器殼體所承受的最高工作壓力小于安全評(píng)定壓力，可認(rèn)為壓力容器處于安全范圍，可不實(shí)施補(bǔ)焊或其他處理措施繼續(xù)使用。因此合理的安全評(píng)定可有效地保證壓力容器的使用安全，避免返修可能帶來的新的損傷，提高壓力容器的使用效率。

[1] 種玉寶，于惠君，劉明亮，等.在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法 [J] .石油化工設(shè)備，2010，39(6):20-22.

[2] GB/T 19624—2004.在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定[S] .