某干氣車間凈化器殼體錯邊完整性評價

郭肆偉荊 琳姜海一趙文靜

（1.中國石油伊拉克公司艾哈代布項目 北京 100011）（2.河北華北油田特種設(shè)備檢驗所 任丘 062552）（3.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

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某干氣車間凈化器殼體錯邊完整性評價

郭肆偉1荊 琳2姜海一3趙文靜3

（1.中國石油伊拉克公司艾哈代布項目 北京 100011）
（2.河北華北油田特種設(shè)備檢驗所 任丘 062552）
（3.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

摘 要：本文針對某干氣車間凈化器在定期檢驗中發(fā)現(xiàn)的封頭與筒體連接環(huán)焊縫的超標(biāo)錯邊缺陷，采用合于使用評價方法對其安全性進(jìn)行分析，利用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的塑性極限載荷分析方法進(jìn)行有限元分析，得出該臺容器的最大允許操作壓力不超過塑性極限內(nèi)壓的2/3，可以滿足使用要求，建議使用單位運(yùn)行期間對該容器加強(qiáng)監(jiān)控管理，避免內(nèi)壓力、溫度劇烈波動，避免應(yīng)力腐蝕、疲勞失效的發(fā)生，適當(dāng)縮短下一檢驗周期。

關(guān)鍵詞：有限元分析 塑性極限載荷分析 合于使用評價

1 概述

2014年3月對某干氣車間凈化器進(jìn)行定期檢驗［1］，檢驗過程中發(fā)現(xiàn)筒體與封頭連接的環(huán)焊縫存在5mm的整體超標(biāo)錯邊制造缺陷（焊縫軸向長度6mm），如圖1、圖2所示。

圖1 容器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 容器整體錯邊區(qū)域示意圖

為了科學(xué)評價局部錯邊區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，采用有限元分析法進(jìn)行極限分析［2-5］。分析評價的依據(jù)為JB 4732—1995。該容器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)匯總

2 含超標(biāo)錯邊結(jié)構(gòu)的塑性極限內(nèi)壓載荷分析

2.1 模型的簡化

基于該容器的圖紙和現(xiàn)場檢測的結(jié)果，建立3-D實(shí)體模型。計算中取在封頭與筒體內(nèi)徑相同情況下，封頭與筒體沿某一徑向整體錯開5mm。材質(zhì)的力學(xué)性能參數(shù)見表2，計算中保守地將該材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線簡化為理想彈塑性曲線，如圖3所示。

表2 材質(zhì)的力學(xué)性能［6］

圖3 該材料簡化后的理想彈塑性材料曲線（縱坐標(biāo)為應(yīng)力/ MPa，橫坐標(biāo)為應(yīng)變）

2.2 建模、網(wǎng)格劃分和加載

采用ANSYS有限元分析程序中的實(shí)體單元Solid95來建模。這兩種單元具有塑性、蠕變、鼓脹、應(yīng)變硬化、大位移和大應(yīng)變能力。

為了避免端面約束對分析部位產(chǎn)生影響，計算時取筒體軸向長度為為筒體內(nèi)半徑；t為筒體壁厚）。采用沿兩側(cè)最大錯邊處剖開的對稱模型，映射網(wǎng)格，如圖4和圖5所示。筒體端面沿軸向和周向約束位移，內(nèi)表面承受均勻的內(nèi)壓載荷，如圖6所示。

圖4 整體錯邊的對稱模型網(wǎng)格劃分

圖5 整體錯邊的對稱模型局部網(wǎng)格劃分

圖6 施加位移和內(nèi)壓載荷后的整體錯邊模型

2.3 計算結(jié)果

隨著內(nèi)壓載荷的增加，局部錯邊區(qū)域內(nèi)的VON MISES等效應(yīng)力不斷發(fā)生變化，當(dāng)施加的內(nèi)壓值等于2.45MPa時結(jié)構(gòu)分析結(jié)果最后一步收斂（見圖7和圖8）。施加的內(nèi)壓超過此值時，計算得不到收斂解，表明結(jié)構(gòu)失去了進(jìn)一步承載的能力。取整體錯邊模型極限分析過程中計算發(fā)散前的最后一步穩(wěn)定收斂的解作為錯邊區(qū)域的塑性極限內(nèi)壓。根據(jù)JB 4732—1995的規(guī)定，這臺容器的最大允許操作壓力不超過塑性極限內(nèi)壓的2/3，即1.64MPa。

圖7 內(nèi)壓值等于2.71MPa時節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度分布圖

圖8 極限分析的載荷位移曲線

3 結(jié)論

因該設(shè)備操作工況穩(wěn)定，可以排除發(fā)生疲勞破壞失效的可能。極限分析結(jié)果表明，該臺容器的操作壓力和水壓試驗壓力均不超過結(jié)構(gòu)的最大允許操作壓力，故整體錯邊區(qū)域滿足JB 4732—1995中基于塑性極限分析的評價要求。故該臺含錯邊超標(biāo)缺陷設(shè)備可以在當(dāng)前使用介質(zhì)、正常操作壓力和操作溫度范圍內(nèi)繼續(xù)使用。建議使用單位在凈化器未來的運(yùn)行期間加強(qiáng)監(jiān)控［7］，避免內(nèi)壓、溫度的劇烈波動。鑒于可能的潛在的不利影響，建議適當(dāng)縮短下一檢驗周期。

參考文獻(xiàn)

［1］ TSG R7001—2004 壓力容器定期檢驗規(guī)則［S］.

［2］ 賴永泉.基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術(shù)［J］.中國特種設(shè)備安全，2014，30（11）：21-25.

［3］ 趙忠祥，陳芝瑞，劉凱，等.焊縫錯邊問題的分析研究［J］.科技視界，2013，（35）：332-333.

［4］ 王妍，錢才富，司俊，等. 環(huán)焊縫含錯邊缺陷壓力管道的極限載荷分析［J］.化工設(shè)備與管道，2011，48（03）：42-45.

［5］ 張顯程，鞏建鳴，馮娟，等.環(huán)縫錯邊容器的有限元分析與容限探討［J］.石油化工設(shè)備，2003，32（06）：27-29.

［6］ 趙奕斌.壓力容器材料實(shí)用手冊——碳鋼及合金鋼［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［7］ 馬磊，賈國棟，王輝.成套裝置承壓設(shè)備完整性管理［J］.中國特種設(shè)備安全，2014，30（10）：1-3+37.

Integrity Evaluation for Misalignment of a Pressure Vessel Shell in one Dry Gas Workshop

Guo Siwei1Jing Lin2Jiang Haiyi3Zhao Wenjing3
（1. CNPC Iraq company， Ahdeb oil field Beijing 100011）
（2. Huabei Oilfield Special Equipment Inspection of Hebei Province Renqiu 062552）
（3. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

AbstractAs an out-of-standard misalignment defect between the head and cylinder was found during periodic inspection for a dry gas purifier， fitness-for-service evaluation was applied to analysis its safety. Based on plastic limited load analysis in the standard JB 4732-1995: Steel Pressure Vessels—Designed by Analysis， the result of finite element analysis showed that its MAWP was not bigger than 2/3 of plastic limit internal pressure which could meet working requirements. It was advised that user should strengthen monitoring management during the operation to avoid violently vibrating of pressure & temperature， and stress corrosion， fatigue failure， and should shorten inspection period.

KeywordsFinite element analysis Plastic limited load analysis Fitness-for-service evaluation

作者簡介：郭肆偉（1978～），男，碩士，技術(shù)主管，工程師，從事石油工程地面工程建設(shè)工作。

收稿日期：（2015-04-17）

中圖分類號：X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）06-0034-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.008