電廠壓力容器用鋼焊縫裂紋極低溫下的安全評定

王愛華，王 晶，孫莉莉，穆丹丹，趙海新，宋小東，白 濤

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000;3.承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000)

某電廠壓力容器用鋼采用Q345C鋼制作，最低低溫沖擊溫度值為0℃。對于我國北方冬季嚴(yán)寒地區(qū)，溫度變化較頻繁，某些地區(qū)溫度最低能超過－40℃，且此設(shè)備很多情況下裸露在外部環(huán)境下，如此低溫可使焊接接頭加快脆化，尤其含缺陷焊接接頭對于設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，本文采用我國最新編制的“在用含缺陷壓力容器安全評定”標(biāo)準(zhǔn)，針對筒體縱向焊縫表面裂紋在操作壓力和極低溫下是否發(fā)生破裂進(jìn)行評定，為同類設(shè)備產(chǎn)品的制造及安全使用提供參考與借鑒。

1 評定標(biāo)準(zhǔn)介紹

2004年12月29日，我國發(fā)布了GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》的國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)“合于使用”和“最弱環(huán)”原則，用于判別壓力容器在規(guī)定的使用工況下能否繼續(xù)使用，是一種適用于工程實(shí)際的評定方法［1］。該標(biāo)準(zhǔn)采用三級評定技術(shù)路線，分別為簡化評定、常規(guī)評定、分析評定。本文采用常規(guī)評定標(biāo)準(zhǔn)等級進(jìn)行評定，該評定等級所需數(shù)據(jù)較簡單，保守程度高。

常規(guī)評定［2］中失效評定曲線(FAC)方程為:

若計(jì)算所得值(Kr、Lr)在曲線FAC及Lr=Lmaxr所圍區(qū)域內(nèi)，表明評定結(jié)果安全，該缺陷允許存在，反之不允許。

2 參數(shù)確定

2.1 焊接工藝參數(shù)

材質(zhì):Q345C鋼;厚度:12 mm。鋼板采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，接頭形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)

2.2 低溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷裂韌度

環(huán)境溫度設(shè)定為－45℃，此溫度對于評定結(jié)果偏安全。低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 焊接接頭低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

斷裂韌度采用三點(diǎn)彎曲試樣，焊縫常溫預(yù)制裂紋，低溫－45℃對試樣進(jìn)行加載并破壞，同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果結(jié)果見表3。

表3 焊縫CTOD試驗(yàn)結(jié)果(單位:mm)

2.3 缺陷數(shù)據(jù)及載荷情況

本文壓力容器采用筒體縱向焊縫表面裂紋進(jìn)行計(jì)算。裂紋規(guī)則化后的尺寸為2c=30 mm(2c為裂紋長度)，a=6 mm(a為裂紋高度)，如圖2所示。本壓力容器為中壓壓力容器，按其最大承受內(nèi)壓為10 MPa進(jìn)行計(jì)算，這樣對評價(jià)結(jié)果是偏安全的。

3 安全評定［3］

3.1 常規(guī)評定計(jì)算

1)Lr的計(jì)算，如下式:

2)Kr的計(jì)算。斷裂比Kr值按公式(3)計(jì)算:

對于GB/T 19624—2004，KI根據(jù)下式求得:

式中:a—裂紋深度;fm，fB為查表取值;σm—薄膜應(yīng)力;σB—彎曲應(yīng)力，可由應(yīng)力分布線性化規(guī)則得到。

4)安全性評價(jià)。根據(jù)以上的分析與計(jì)算，鋼板表面裂紋Lr、Kr、Lmaxr的計(jì)算結(jié)果如下:

將計(jì)算所得值描入失效評定圖中，如圖3所示。評定點(diǎn)位于曲線規(guī)定范圍內(nèi)，表明此裂紋尺寸2c=30 mm，a=6 mm，在－45℃環(huán)境下即使承受最大拉應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)在一定期限內(nèi)也可以安全使用。

4 結(jié)論

1)Q345C鋼焊接接頭在極低溫－45℃下具有良好的低溫韌性。

2)采用“在用含缺陷壓力容器安全評定”標(biāo)準(zhǔn)對該壓力容器用鋼縱向焊縫表面裂紋進(jìn)行極低溫下的安全評定，在裂紋尺寸及內(nèi)壓已知的條件下，采用常規(guī)評定，評定點(diǎn)在評定曲線范圍內(nèi)，說明該缺陷是暫時(shí)可以允許存在的。

3)該壓力容器在正常操作條件下運(yùn)行，裂紋還處在安全區(qū)內(nèi)，但考慮到低溫及壓力波動(dòng)可能使裂紋擴(kuò)展，必須嚴(yán)密監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，立即停止使用并返修。

［1］姜運(yùn)建，王慶，王志永.電站含缺陷壓力容器的安全評定技術(shù)［J］.河北電力技術(shù)，2006，25(1):1－3.

［2］GB/T 19624—2004.在用含缺陷壓力容器安全評定［S］.2005.

［3］呂濤，王晶，蘆宗杰，等.焊接工藝對16MnR鋼焊接接頭低溫安全性的影響［J］.熱加工工藝，2009，38(23):169－172.