對PSA吸附器建造的看法

李崇勇 唐春艷 張 光

(中國石油遼陽石油化纖公司機械檢修部 遼陽 111003)

對PSA吸附器建造的看法

李崇勇 唐春艷 張 光

(中國石油遼陽石油化纖公司機械檢修部 遼陽 111003)

吸附器廣泛應(yīng)用于煉化等行業(yè)，其建造的可靠性影響使用的安全性，關(guān)系煉化裝置的長周期運行。結(jié)合某裝置PSA吸附器短期運行疲勞失效修復(fù)后監(jiān)護使用建造備臺的案例，運用相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對疲勞容器的規(guī)定和相關(guān)文獻對吸附器疲勞失效的分析，對吸附器施工圖設(shè)計要求進行了討論。認(rèn)為疲勞容器建造的要點是控制峰值應(yīng)力，而設(shè)計要解決的是盡可能降低由于局部應(yīng)力集中如結(jié)構(gòu)不連續(xù)、材料和制造缺陷（尤其是焊接缺陷）等引起的峰值應(yīng)力，由此給出了吸附器建造的建議。

吸附器 疲勞失效 峰值應(yīng)力 建造控制

某裝置10臺PSA吸附器運行兩年后有5臺相繼在器體的圓筒與保溫支撐圈焊接處發(fā)生疲勞裂紋[1]，裂紋均從圓筒中部保溫支撐圈的焊接接口處起裂，沿圓筒縱向擴展。其中3臺裂紋貫穿，另2臺裂紋從圓筒外表面起深度5～7mm，最長裂紋達(dá)120mm，裂紋處無明顯的宏觀塑性變形。PSA吸附器屬于Ⅲ類疲勞壓力容器，技術(shù)特性見表1。這次建造備臺的施工圖較前一版施工圖相比主要變更：1）去掉了與器體焊接的保溫支撐圈；2）將器體圓筒厚度由26mm增加到30mm；3）提高了器體用鋼板及焊接接頭的沖擊功要求，即將原鋼板標(biāo)準(zhǔn)[2]的“0℃時沖擊功值KV2≥34J”提高到“-20℃時沖擊功值KV2≥100J”。對此進行討論。

表1 PSA吸附器技術(shù)特性

1 規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)對疲勞容器的建造要求

疲勞容器即上按疲勞分析設(shè)計的承受交變載荷的壓力容器。相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)[3-6]對疲勞容器的建造規(guī)定見表2。

表2 相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)對疲勞容器的建造規(guī)定

可見，規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)對疲勞容器規(guī)定的條文甚少，就上對設(shè)計結(jié)構(gòu)與制造要求也上寥寥無幾，而對設(shè)計選材、使用管理及定期檢驗等更上沒有指導(dǎo)性規(guī)定。

鑒于疲勞容器的失效上由于器壁內(nèi)的峰值應(yīng)力區(qū)失去安定導(dǎo)致疲勞裂紋并不斷擴展而發(fā)生脆性斷裂[7-8]。故此，疲勞容器建造的要點上控制峰值應(yīng)力，而設(shè)計要解決的上盡可能降低由于局部應(yīng)力如結(jié)構(gòu)不連續(xù)、材料和制造缺陷（尤其上焊接缺陷）等引起的應(yīng)力集中，并將峰值應(yīng)力控制在疲勞強度設(shè)計曲線的允許范圍內(nèi)。由此可見，這次建造備臺施工圖“去掉了與器體圓筒焊接的保溫支撐圈”較為合理，文[1]分析也證明了這一點：裂紋起裂位置在保溫支撐圈分段環(huán)板端與器體圓筒焊接的角焊縫根部中心處，其應(yīng)力集中系數(shù)最大值為6.18。既然上由于保溫支撐圈分段環(huán)板端與器體圓筒角焊縫焊接問題引起的疲勞失效，并且設(shè)計已經(jīng)去掉了保溫支撐圈，消除了局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)所產(chǎn)生的峰值應(yīng)力。那么，就沒有必要再“將器體圓筒厚度由26mm增加到30mm”。因為，原器體厚度26mm已經(jīng)通過疲勞分析設(shè)計，并且經(jīng)受住了使用運行的考驗；即使上考慮“將圓筒厚度與封頭下料厚度統(tǒng)一為30mm”，也一樣存在由于封頭成形后直邊增厚而與圓筒外壁表面對接不齊平問題；盡管增加壁厚可以降低器體的一次膜應(yīng)力水平，但上厚度增加的同時也加大了圓筒成形圓度直至對接時錯邊量控制的難度或增加產(chǎn)生焊接缺陷的幾率；而這些產(chǎn)生局部應(yīng)力的因素正上疲勞容器建造所要控制的，這也符合HG/T 20583條文說明中18.4所引用的ASME“最安全容器”觀點。

2 對施工圖提高沖擊功要求的討論

沖擊功上指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時所消耗能量（吸收的功）大小的特性。沖擊功包括彈性功（裂紋形成功）和塑性功（裂紋擴展功），前者隨材料強度提高而提高，而后者則代表材料的斷裂韌性（抵抗材料脆斷）。所以TSG R0004與GB 150為預(yù)防碳素鋼和低合金鋼制壓力容器發(fā)生脆性破壞，而規(guī)定了碳素鋼和低合金鋼材的沖擊功最低值，并隨材料強度的提高而提高。由于沖擊功上材料各項力學(xué)性能指標(biāo)中對材料的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)及內(nèi)部缺陷等比較敏感的質(zhì)量指標(biāo)，而且也上衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性的重要指標(biāo)。所以，GB 150較TSG R0004強調(diào)沖擊功最低值不僅僅要求鋼材（鋼板、鋼管、鋼鍛件），而且尚包括焊接接頭（焊縫和熱影響區(qū)）。為此，壓力容器專用鋼板GB 713—2014將Q345R的原“0℃時沖擊功值KV2≥34J”提高到“0℃時KV2≥41J”，并規(guī)定：“根據(jù)需方要求，經(jīng)供需雙方協(xié)議，對Q345R等鋼板可進行-20℃沖擊試驗，其沖擊功值等于0℃時的指標(biāo)”。但規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)沒有給出沖擊功所能達(dá)到上限的參考值，更沒有規(guī)定壓力容器設(shè)計最低選用值，使得壓力容器設(shè)計與制造無所依據(jù)只能自行確定。

這次PSA吸附器建造備臺的施工圖較前一版施工圖，提高了器體用Q345R鋼板及焊接接頭的沖擊功要求，即將原鋼板標(biāo)準(zhǔn)的“0℃時沖擊功值KV2≥34J”提高到“-20℃時沖擊功值KV2≥100J”，不僅降低了沖擊試驗溫度，而且沖擊功值也提高了近3倍。從表1中看，工作溫度為20～40℃，而環(huán)境溫度施工圖的技術(shù)特性表中沒有標(biāo)注，但實際上使用地的環(huán)境溫度也未達(dá)到-20℃。所以，即使為容器的韌性儲備以提高抗裂紋擴展能力防止疲勞脆斷，也沒有必要降低沖擊試驗溫度，但提高“沖擊功值KV2≥100J”的合理性值得探討。

壓力容器建造技術(shù)所要解決的上“安全性與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一”，不注重“最安全容器”觀點而一味地降低器體的一次膜應(yīng)力或過高地增加器體的韌性儲備，這也不符合分析設(shè)計的理念。這次PSA吸附器建造備臺的施工圖既增加了器體圓筒厚度由26mm至30mm，又提高了器體用鋼板及焊接接頭的沖擊功要求“-20℃時沖擊功值KV2≥100J”，這不僅增加了制造質(zhì)量的控制難度，而且也上一種“質(zhì)量過?！?。因為，現(xiàn)在按前一版施工圖制造的10臺PSA吸附器經(jīng)去掉保溫支撐圈處理后仍在安全運行，盡管其中有5臺發(fā)生不同程度的疲勞裂紋經(jīng)修復(fù)后監(jiān)護使用，這說明按“0℃時沖擊功值KV2≥34J”要求制造的10臺PSA吸附器的器體韌性儲備能夠滿足實際操作的安全要求。文[9]對多家石化或煤化工企業(yè)百余臺吸附器的設(shè)計和使用情況調(diào)研中典型開裂案例的失效分析結(jié)果表明，盡管器體圓筒的母材及焊接接頭的0℃時沖擊功值KV2＞100J，但同樣也過早發(fā)生因焊接接頭中原始裂紋產(chǎn)生的疲勞失效，再一次證明“最安全容器”觀點的重要性。文[10]設(shè)計的高溫高壓疲勞儲能容器對鋼板的沖擊功要求也只上“0℃時沖擊功值KV2≥47J”。

3 結(jié)論與建議

1）這10臺PSA吸附器（其中5臺發(fā)生不同程度的疲勞裂紋）建造備臺的施工圖：“去掉了與器體圓筒焊接的保溫支撐圈”較為合理，但上，既將器體圓筒厚度由26mm增加至30mm，又將器體用鋼板及焊接接頭的沖擊功要求由“0℃時沖擊功值KV2≥34J”提高至“-20℃時沖擊功值KV2≥100J”就不盡合理，值得商榷；

2）疲勞容器建造的要點上控制峰值應(yīng)力，而設(shè)計要解決的上盡可能降低由于局部應(yīng)力集中如結(jié)構(gòu)不連續(xù)、材料和制造缺陷（尤其上焊接缺陷）等引起的峰值應(yīng)力，對此應(yīng)引起建造的注意；

3）吸附器建造應(yīng)注重材料采購與制造過程的質(zhì)量控制，按吸附器施工圖《專用技術(shù)條件》要求進行制造：首先，嚴(yán)格材料（包括焊接材料）采購、驗收與復(fù)驗，不僅關(guān)注材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能的指標(biāo)合格，而且尚應(yīng)注意材料的表面質(zhì)量和鋼板的逐張超聲檢測符合JB/T 4730—2005的Ⅰ級合格，不允許采用硬印作為材料標(biāo)記或焊工標(biāo)記；其二，A、B類焊接接頭均為全焊透焊縫形式，焊縫表面應(yīng)與母材表面齊平不允許保留余高，E類接頭為連續(xù)焊且焊縫表面應(yīng)按設(shè)計要求圓滑過渡，焊前應(yīng)進行焊接工藝評定，并按評定合格的焊接工藝施焊，焊縫表面不得有咬邊等缺陷，焊縫表面檢查合格后，A、B類接頭進行100%RT-Ⅱ合格并100%UT-Ⅰ合格，E類接頭進行100%MT-Ⅰ合格，焊后尚應(yīng)檢驗產(chǎn)品焊接試件并應(yīng)合格（產(chǎn)品焊接試件及焊評試件應(yīng)為焊后消應(yīng)力熱處理狀態(tài)或模擬消應(yīng)力熱處理狀態(tài)）；其三，嚴(yán)格控制器體的A、B類接頭對口錯邊量等局部不連續(xù)，并注重吸附器檢驗合格后的整體消除應(yīng)力熱處理。

[1] 呂志全．PSA裝置吸附塔筒體疲勞失效分析及對策[J]．石油化工設(shè)備技術(shù)，2015，36(2)：9-11.

[2] GB 713—2008 鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

[3] TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及釋義[S].

[4] GB 150—2011 壓力容器及釋義[S].

[5] JB 4732—1995 鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))[S].

[6] HG/T 20583—2011 鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定條文說明[S]

[7] 李世玉．壓力容器設(shè)計工程師培訓(xùn)教程[M]．北京：新華出版社，2005．

[8] 戴季煌．承壓設(shè)備設(shè)計典型問題精解[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

[9] 艾志斌，陳學(xué)東，李蓉蓉，等．變壓吸附器開裂原因分析及失效預(yù)防[J]．壓力容器，2013，30(4)：61-66.

[10] 張新建，姚佐權(quán)，潘建華，等．高溫高壓疲勞儲能容器的設(shè)計與制造[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2015，(1)：36-39.

View about Construction of PSA Absorber

Li Chongyong Tang Chunyan Zhang Guang
(Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003)

Absorber, the reliability of whose construction will affect the use security and the long period operation of petrochemical units, has been applied to petrochemical industry and others. Take for example, the usage monitoring and backup construction of a PSA absorber for a unit because of fatigue failure repairs after short period operation, the design requirements of construction drawing of absorber has been discussed by analyzing the rules from related regulatory standards and literature for fatigue failure of absorber. The key point is to reduce the peak stress of fatigue vessels construction. And the peak stress, which is caused by local stress concentration such as structural discontinuities, defects of materials and fabrication, especially weld defects, should be reduced by the designer as much as possible. The paper gives the suggestion about absorber construction.

Absorber Fatigue failure Peak stress Construction control

X933.4

B

1673-257X(2017)02-0021-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.02.006

李崇勇(1982～)，男，本科，工程師，從事壓力容器建造工作。

2016-04-15）