基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術(shù)

賴永泉

( 廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院 廈門 361004 )

基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術(shù)

賴永泉

( 廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院 廈門 361004 )

鑒于壓力容器應(yīng)用的廣泛性，對其進(jìn)行安全評估猶為重要。文章闡述了壓力容器合于使用評價的方法，并通過對一臺中壓空氣儲罐檢驗發(fā)現(xiàn)的一處埋藏缺陷，基于“合于使用”原則進(jìn)行常規(guī)評定，詳細(xì)分析了評定過程及其參數(shù)的確定方法，結(jié)果表明對在用含缺陷壓力容器進(jìn)行合于使用評價具有非常重要的工程意義。

合于使用 壓力容器 安全評定 埋藏缺陷

壓力容器被廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥和食品等行業(yè)。在壓力容器制造環(huán)節(jié)中，通常會遺留下一些“非超標(biāo)缺陷”，使用過程因載荷、介質(zhì)等因素影響，缺陷會擴展甚至萌生新的缺陷。實踐證明，并非所有“超標(biāo)缺陷”都會導(dǎo)致壓力容器立即失效，如果采用立即停機返修或報廢等措施，就會造成經(jīng)濟損失[4]，而且返修過程中電弧氣刨、焊接等過程也會對材料性能產(chǎn)生影響，甚至加速材料的劣化，從而使壓力容器失效。

依據(jù)我國的安全技術(shù)規(guī)范，在用壓力容器實行定期檢驗，如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷可能導(dǎo)致壓力容器停止使用，或者壓力容器安全狀況等級定為4級且監(jiān)控使用，如果生產(chǎn)工藝條件不允許停機采用修理的方法來消除缺陷時，可以對缺陷進(jìn)行合于使用評價[1]?；诤嫌谑褂迷瓌t對在用含缺陷壓力容器進(jìn)行安全評定，只返修那些對壓力容器安全運行造成威脅的危險性缺陷，而對壓力容器安全運行不構(gòu)成威脅的缺陷，則給予保留，對壓力容器檢驗來說具有非常重要的意義。

本文針對一臺含埋藏缺陷空氣儲罐，基于合于使用原則進(jìn)行常規(guī)評定，詳細(xì)分析了評價過程。

1 壓力容器合于使用評價方法

“合于使用”評價方法是以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，承認(rèn)結(jié)構(gòu)存在構(gòu)件形狀、材料性能偏差和缺陷的可能性，在考慮經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，科學(xué)分析缺陷對結(jié)構(gòu)的影響，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生已知機制失效的一種分析方法。

在我國，在用含缺陷壓力容器的合于使用評價按照GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》的要求進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)以CVDA規(guī)范中的裂紋張開位移和應(yīng)力強度因子為主要參量，以彈塑性雙判據(jù)法為基礎(chǔ)，評定的缺陷分為平面缺陷和體積缺陷，考慮的失效模式包括斷裂失效、塑性失效、疲勞失效。其中，平面缺陷包括裂紋、未熔合、未焊透以及深度大于等于1mm的咬邊；體積缺陷包括凹坑、氣孔、夾渣以及深度小于1mm的咬邊。

標(biāo)準(zhǔn)中對斷裂及塑性失效評定采用二級評定的路線，分別為缺陷的簡化和常規(guī)評定。簡化評定采用CVDA中的CVDA設(shè)計曲線，以失效評定圖表示；常規(guī)評定采用較成熟的R6通用失效評定曲線，并根據(jù)國情選擇了適當(dāng)?shù)姆职踩禂?shù)，以防止斷裂及塑性失效。簡化評定是初選評定，常規(guī)評定是更為精確的評定[7]，兩級評定間通過相應(yīng)的分安全系數(shù)合理銜接，從而建立了既相對獨立又相互聯(lián)系的關(guān)系。

壓力容器安全評定的內(nèi)容應(yīng)包括對評定對象的狀況調(diào)查（歷史、工況、環(huán)境等）、缺陷檢測、缺陷成因分析、失效模式判斷、材料檢驗（性能、損傷與退化等）、應(yīng)力分析、必要的實驗與計算，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對評定的對象的安全性進(jìn)行綜合分析和評價。

2 基于合于使用原則對在用含缺陷壓力容器的常規(guī)評定案例

2.1 壓力容器概況

某公司一臺立式空氣儲罐在檢驗時，經(jīng)無損檢測發(fā)現(xiàn)上封頭與筒體連接焊縫有一處埋藏裂紋。由于生產(chǎn)原因無法停機對缺陷進(jìn)行處理，將按照GB/T19624就該缺陷在正常操作壓力和溫度下是否發(fā)生破裂進(jìn)行評定。該空氣儲罐的埋藏缺陷位于偏離焊縫中心靠近筒體側(cè)，其相關(guān)信息見表1。表2為空氣儲罐的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 壓力容器缺陷

表2 壓力容器主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)空氣儲罐的操作特點和歷次檢驗報告，由于工況穩(wěn)定且工作溫度小于材料的蠕變溫度，升降壓操作頻次低，使用介質(zhì)與材料不存在應(yīng)力腐蝕傾向，所以不考慮蠕變、疲勞、應(yīng)力腐蝕等失效模式。此外，該缺陷不與介質(zhì)接觸，不會因介質(zhì)等因素導(dǎo)致裂紋擴展。因此，評定考慮的潛在失效模式為靜態(tài)裂紋尖端因應(yīng)力集中導(dǎo)致的彈塑性斷裂失效。設(shè)備盛裝介質(zhì)為空氣，類別為第Ⅱ類中壓容器，處于生產(chǎn)工藝重要位置，考慮失效后果按“嚴(yán)重”進(jìn)行評定，常規(guī)評定安全系數(shù)取值見表3。

表3 常規(guī)評定安全系數(shù)取值

2.2 安全評定參數(shù)計算

●2.2.1 缺陷的表征

安全評定時，應(yīng)對實測平面缺陷進(jìn)行規(guī)則化表征處理，即表征為規(guī)則的裂紋缺陷、埋藏缺陷或穿透缺陷，表征后裂紋形狀為橢圓形、圓形、半橢圓形或矩形。該空氣儲罐的埋藏缺陷表征為高為2a、長為2c的橢圓形，如圖1所示。

圖1 埋藏缺陷規(guī)則化示意圖

由于空氣儲罐的外壁防腐層良好，因此外壁腐蝕量取0mm。而筒體與封頭焊接采用削薄處理，因此評定用計算厚度B=17.2-(18-17.2)×3÷10=16.96mm。缺陷高度h=2a=11.1－8.7=3.4mm，缺陷指示長度l=2c=28mm，缺陷至外表面距離p2=8.7mm，缺陷至內(nèi)表面的距離p1=B-11.1=16.96-11.1=5.86mm。

●2.2.2 應(yīng)力的確定

該空氣儲罐安全評定應(yīng)考慮的應(yīng)力有介質(zhì)壓力及其產(chǎn)生的應(yīng)力，按一次應(yīng)力考慮；焊接引起的焊接殘余應(yīng)力以及幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的局部應(yīng)力，按二次應(yīng)力考慮。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在評定中所取用的應(yīng)力是缺陷部位的主應(yīng)力，計算時采用線彈性計算方法經(jīng)線性化處理后獲得，并假設(shè)結(jié)構(gòu)中不存在缺陷。在實際檢驗中，缺陷的分布方向是不規(guī)則的，且缺陷的精確分布情況的獲得也存在困難。文獻(xiàn)[7]對表面缺陷進(jìn)行安全評定時假定應(yīng)力是均勻分布的來計算一次應(yīng)力產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力pm，忽略其產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力pb。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，基于ANSYS軟件的應(yīng)力分析技術(shù)可以獲得壓力容器受力后的應(yīng)力分布情況，且線性化處理后可以獲得薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，因此，本文將采用有限元法來求取pm和pb。

1）pm和pb的確定

基于設(shè)備的圖紙和現(xiàn)場檢測的結(jié)果，采用8節(jié)點2D實體單元PLANE82來分析平面應(yīng)力和軸對稱問題。為了獲取焊縫區(qū)的應(yīng)力分布情況，忽略容器封頭上遠(yuǎn)離焊縫的接管，同時考慮邊緣應(yīng)力的影響，取筒節(jié)軸向長度500mm，建立有限元模型并加載求解獲得應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。

圖2 有限元模型與應(yīng)力分布云圖

從圖可以看出焊縫區(qū)的應(yīng)力是非線性分布的，應(yīng)力強度SINT的最大值位于焊縫與封頭連接處?？紤]到實際缺陷位置及分布情況的不規(guī)則性，定義分析路徑PATH1和PATH2，分別位于焊縫中線和筒體與焊縫區(qū)的連接線，如圖2所示。將SINT當(dāng)量應(yīng)力映射到分析路徑上，并分別進(jìn)行線性化處理，得到薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的分布圖，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力線性化分布圖

取兩路徑的應(yīng)力平均值進(jìn)行安全評定，見表4。

表4 操作工況下各路徑上薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

2）Qm和Qb的確定

Qm和Qb分別為二次應(yīng)力分解得到薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。本案例中，Qm由焊接殘余應(yīng)力引起，Qb由焊接殘余應(yīng)力和錯邊引起。對于焊接殘余應(yīng)力引起的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，根據(jù)GB/T19624，可取Qm=0.3=97.50MPa，Qb1=0。錯邊引起的二次彎曲應(yīng)力Qb2按下式計算。

式中：B1為錯邊兩側(cè)容器壁厚的較大值，取筒體壁厚；B2為錯邊兩側(cè)容器壁厚的較小值，取封頭壁厚。

計算求得Qb2=11.94MPa。最終由二次應(yīng)力引起的彎曲應(yīng)力為Qb=Qb1+Qb2=11.94MPa

●2.2.3 材料性能數(shù)據(jù)Kc、Kp的確定

對于在用壓力容器，通常材料的斷裂韌度Kc不能實測，可用CTOD斷裂韌度δc值，按下式估算。

常規(guī)評定時，考慮分安全系數(shù)后，取Kp=Kc/1.2=2029.36 N·mm-3/2。

●2.2.4 應(yīng)力強度因子的計算

和一次應(yīng)力pm、pb和二次應(yīng)力Qm、Qb作用下的應(yīng)力強度因子，計算時，應(yīng)將前述表征裂紋尺寸和應(yīng)力乘以表3的分安全系數(shù)，見表5。

表5 常規(guī)評定所需基本數(shù)據(jù)

埋藏缺陷在薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用下沿缺陷尺寸方向a、c的裂紋構(gòu)形因子，其計算如下：

式中：e為埋藏裂紋中心與板厚中心的偏移量，即e=B/2-p1-a=0.75。

由于沿缺陷尺寸方向c的裂紋構(gòu)形因子小于沿缺陷尺寸方向a的裂紋構(gòu)形因子，因此，評定時只考慮沿缺陷尺寸方向a的應(yīng)力強度因子，即一次應(yīng)力引起的沿裂紋尺寸方向a的應(yīng)力強度因子；二次應(yīng)力引起的沿裂紋尺寸方向a的應(yīng)力強度因子

●2.2.5 載荷比Lr的計算

載荷比Lr是引起一次應(yīng)力的施加載荷與塑性屈服極限載荷的比值，表示載荷接近于材料塑性屈服極限載荷的程度，按下式計算：

●2.2.6 斷裂比Kr的計算

斷裂比Kr是指施加載荷作用下的應(yīng)力強度因子與以應(yīng)力強度因子表示的材料斷裂韌度的比值，按下式計算：

=0 31. ，查圖4得ψ1=0.025，取ρ=ψ1=0.025。

圖4 取值

2.3 安全性評價結(jié)果

將評定點(Lr，Kr)繪制在通用失效評定圖中，如圖5所示。

圖中，由FAC曲線、Lr= Lrmax直線和兩直角坐標(biāo)軸所圍成的區(qū)域之內(nèi)為安全區(qū)，該區(qū)域之外為非安全區(qū)。對于16MnR等具有長屈服平臺的材料[6]，且工作溫度低于200℃時，取，則該缺陷在正常操作工況下的評定點位于失效評定圖的安全區(qū)，因此，評定結(jié)論為合于使用。

圖5 壓力容器安全評定通用失效評定圖

3 結(jié)論

通過前面的評定案例，可以發(fā)現(xiàn)，空氣儲罐的埋藏裂紋并不影響它的安全使用，如果返修或?qū)⑷萜髋袕U，就會造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，檢驗發(fā)現(xiàn) “超標(biāo)缺陷”的壓力容器不等于不能使用，從合于使用的角度出發(fā)，對“超標(biāo)缺陷”加以區(qū)別對待，具有非常重要的意義。

1 TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

2 GB/T 19624—2004 在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

3 余偉煒,等. ANSYS 在機械與化工裝備中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

4 韓毅,等. 含缺陷壓力容器安全評定的發(fā)展歷程與趨勢[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 2012, 33(4): 47～50.

5 楊德生,等. 應(yīng)力線性化原理在壓力容器分析設(shè)計中的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù), 2010, 31(1): 21～22.

6 李亞寧,等. 含裂紋型缺陷壓力容器用鋼失效評定曲線研究[J].有色金屬, 2007, 59(1): 10～13.

7 紀(jì)熙,等. 含缺陷球形壓力容器的簡化、常規(guī)評定[J]. 化工機械, 2011, 38(47): 396～399.

The Safety Assessment Technology of Pressure Vessel Base on Fitness for Service Principle

Lai Yongquan (Xiamen Institute of Standardization Xiamen 361004)

Since the pressure vessels are widely used, the safety evaluation of them is very important. In this paper, the ftness for service evaluation of pressure vessel is described. And the illustration of general assessment basing on ftness for service principle is given for a buried defect of one medium-pressure air tank. The result shows that theftness for service evaluation of pressure vessel with defect has signifcant for engineering application.

Fitness for service Pressure vessel Safety assessment Buried faw

X933.4

B

1673－257X(2014)11－21－05

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.007

賴永泉(1978～)，男，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗檢測工作。

2014-07-23）