含缺陷管式褐煤干燥機(jī)用鋼焊接接頭低溫下的安全評(píng)定

王 晶

(承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

含缺陷管式褐煤干燥機(jī)用鋼焊接接頭低溫下的安全評(píng)定

王 晶

(承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

在設(shè)備內(nèi)部載荷、裂紋尺寸及材料低溫性能已知的情況下，采用我國(guó)《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》(GB/T19624-2004)標(biāo)準(zhǔn)中簡(jiǎn)化評(píng)定針對(duì)某褐煤干燥機(jī)管板用鋼Q370R焊接接頭焊縫處外表面裂紋進(jìn)行了安全評(píng)定，并給出了失效評(píng)定圖，同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出該焊接接頭最大容許等效裂紋尺寸。結(jié)果表明，評(píng)定點(diǎn)位于曲線定義的安全范圍內(nèi)，但等效裂紋尺寸大于最大容許等效裂紋尺寸，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)該結(jié)構(gòu)不安全必須進(jìn)行返修。將GB/T19624-2004安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于管式褐煤干燥機(jī)結(jié)構(gòu)，為國(guó)內(nèi)含缺陷Q370R鋼結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定奠定基礎(chǔ)。

管式褐煤干燥機(jī)；GB/T19624-2004；低溫；安全評(píng)定；最大容許等效裂紋尺寸

管式褐煤干燥機(jī)屬于一種承壓設(shè)備，是一種多管式的傾斜的封閉式回轉(zhuǎn)圓筒，主要服務(wù)于坑口電廠的發(fā)電以及煤化工等行業(yè)[1]，其中管板位于回轉(zhuǎn)筒體兩端，是一種大厚板拼焊鋼結(jié)構(gòu)件，筒體內(nèi)部分布大量干燥管，管的兩端插入管板對(duì)應(yīng)圓孔并通過(guò)脹接加固。

本文管式褐煤干燥機(jī)主體結(jié)構(gòu)依靠焊接完成，其中管板直徑可達(dá)3 040 mm，厚度40 mm，材質(zhì)為Q370R鋼，制造時(shí)需采用3塊等厚同材質(zhì)鋼板拼焊完成，焊接任務(wù)量大且焊接過(guò)程常常使焊接接頭的組織性能劣化和各種缺陷的存在[2]，其中最常見(jiàn)也是最危險(xiǎn)的缺陷是焊接裂紋，特別是在冬季低溫環(huán)境下，干燥管強(qiáng)烈振動(dòng)產(chǎn)生各種不均衡、非周期作用力及各種力產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致管板焊接接頭受力不穩(wěn)定，裂紋處易引起應(yīng)力集中，特別是接頭外部裂紋完全暴露在低溫環(huán)境下，此時(shí)焊接接頭容易脆化，極易發(fā)生斷裂造成突發(fā)性及災(zāi)難性事故。因此，針對(duì)管板有必要測(cè)試焊接接頭的低溫力學(xué)性能，同時(shí)在“合于使用”原則指導(dǎo)下，利用我國(guó)《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定(GB/T19624-2004)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)含缺陷焊接接頭在低溫環(huán)境下進(jìn)行安全評(píng)定，判定該裂紋是否允許存在還是需要立即返修，這樣可使設(shè)備增加服務(wù)時(shí)間，避免不必要的維護(hù)以降低經(jīng)濟(jì)成本。

1 《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》GB/T19624-2004簡(jiǎn)介

《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》(GB/T19624-2004)是適合我國(guó)國(guó)情且用來(lái)評(píng)定主要構(gòu)件和焊接結(jié)構(gòu)的合于使用性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)集成了國(guó)內(nèi)承壓設(shè)備安全評(píng)定最新研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),使國(guó)內(nèi)在用含缺陷承壓設(shè)備安全評(píng)定技術(shù)提高到當(dāng)代國(guó)際水平,為降低國(guó)內(nèi)承壓設(shè)備災(zāi)難性事故率提供了有效的技術(shù)手段[3]。

GB/T19624-2004是以英國(guó)CEGB R6-91、BSI PD6493-91標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)也是采用了三級(jí)評(píng)定技術(shù)路線，但該標(biāo)準(zhǔn)具有國(guó)內(nèi)的特色和創(chuàng)新之處。本標(biāo)準(zhǔn)將評(píng)定等級(jí)細(xì)分為簡(jiǎn)化評(píng)定、常規(guī)評(píng)定、分析評(píng)定三個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高，保守性相應(yīng)降低，本文采用簡(jiǎn)化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全評(píng)定。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)

2.1焊接參數(shù)

本文管式褐煤干燥機(jī)主體結(jié)構(gòu)由中間筒體和兩端管板組焊而成，其中筒體壁厚16 mm，筒體外徑3 000 mm，針對(duì)40 mm厚管板采用焊條電弧焊打底，埋弧自動(dòng)焊填充及蓋面的方法焊接。坡口制作時(shí)要求坡口表面及兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨清理，不得有氧化皮、熔渣、油污及水銹。坡口表面用5倍(含5倍)以上放大鏡進(jìn)行宏觀檢查，不許有裂紋、分層等缺陷[4]，坡口形式及尺寸、焊接參數(shù)如圖1、表1所示。

表1 焊接參數(shù)

2.2低溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Q370R鋼焊接接頭進(jìn)行全焊縫-20 ℃低溫力學(xué)性能試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，Q370R的焊接性良好，母材及焊縫金屬低溫拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合GB713-2008技術(shù)要求，焊縫具有良好的低溫力學(xué)性能，且面彎、背彎部位外表面(受拉面)未發(fā)現(xiàn)裂紋和裂縫，焊接接頭具有良好的塑性和韌性，能滿足工作要求，驗(yàn)證了焊接參數(shù)的合理性。

表2 母材和焊縫低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

3 安全評(píng)定計(jì)算[5]

3.1焊縫低溫?cái)嗔秧g度測(cè)定

焊縫斷裂韌性通?？刹捎孟谋葲_擊吸收功Akv、裂紋尖端張開(kāi)位移(CTOD)試驗(yàn)值δc、斷裂韌度Kc及J積分臨界值Jc來(lái)表示，但Akv缺乏明確物理意義，不能充分反映真實(shí)韌性，特別是對(duì)于大厚度材料，試驗(yàn)局限較大；KC通常只適用于線彈性場(chǎng)合；而JC在大范圍屈服條件下的適用性尚未確定；因此δC成為材料設(shè)計(jì)評(píng)估時(shí)最常用的臨界參考值[6]。

斷裂韌度按照GB/T21143-2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制直三點(diǎn)彎曲試樣，并在焊縫中心預(yù)制單邊疲勞裂紋，在-20 ℃低溫環(huán)境下將試樣加載直至失穩(wěn)破壞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)取焊縫處斷裂韌度值中的最小值來(lái)評(píng)定，這樣會(huì)使評(píng)定結(jié)果更安全[7]，文中取值為δc=0.22。

表3 焊縫-20℃時(shí)斷裂韌度

3.2評(píng)定裂紋尺寸及應(yīng)力情況

管板校平之后必須對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，按照探傷等級(jí)要求對(duì)管板拼接焊縫應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測(cè)和100%超聲波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)管板外側(cè)拼接焊縫處出現(xiàn)裂紋，該裂紋與焊縫垂直，根據(jù)GB/T19624-2004標(biāo)準(zhǔn)將裂紋規(guī)則化處理后尺寸取a=24 mm(a為裂紋深度)，2c=85 mm(2c為裂紋長(zhǎng)度)，如圖2所示。

根據(jù)含缺陷結(jié)構(gòu)安全工作壓力的評(píng)定，需要考慮無(wú)缺陷容器的極限壓力和安全壓力[8]，因此文中取無(wú)缺陷管式褐煤干燥機(jī)內(nèi)部最大允許工作壓力用于評(píng)定計(jì)算，這樣對(duì)于評(píng)定結(jié)果偏安全，計(jì)算公式如下：

式中：[σ]t為Q370R鋼在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，通過(guò)GB150.2-2011查得；φ為焊接接頭系數(shù)，可由焊縫金屬抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度之比求得；δe為筒體有效厚度；Di為筒體內(nèi)直徑。通過(guò)計(jì)算其最大允許工作壓力為5.079 MPa。

3.3簡(jiǎn)化評(píng)定計(jì)算

3.3.2Sr的計(jì)算

3.3.4 安全性評(píng)價(jià)

3.4最大容許等效裂紋尺寸計(jì)算

4 結(jié)論

1)針對(duì)管式褐煤干燥機(jī)管板Q370R鋼焊接接頭進(jìn)行了-20 ℃下的低溫力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在給定裂紋尺寸及最大工作壓力的條件下采用GB/T19624-2004簡(jiǎn)化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)焊縫區(qū)表面裂紋進(jìn)行低溫工況下的安全評(píng)定，結(jié)果表明評(píng)定點(diǎn)在曲線定義的安全范圍內(nèi)，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)是安全的。

2)考慮到焊接殘余應(yīng)力的影響，給出了在已知條件下的表面裂紋最大容許尺寸，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，最大容許裂紋尺寸要小于等效裂紋尺寸，表明該裂紋缺陷不能被接受，與簡(jiǎn)化評(píng)定結(jié)果相反，出于安全性考慮，建議對(duì)該裂紋缺陷進(jìn)行返修，這也說(shuō)明了簡(jiǎn)化評(píng)定的保守性較高。

[1] 尤清華，孫煥鋒，任賀. 大型蒸汽管式干燥機(jī)的組裝與分析[J].電站輔機(jī)，2014，35(4)：17-21.

[2] 劉明亮，張玉鳳，霍立興，等. 海底管道高匹配焊接接頭的安全評(píng)定[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2006，27(5)：31-34.

[3] 鐘群鵬，李培寧，李學(xué)仁，等.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》的特色和創(chuàng)新點(diǎn)綜述[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2006，(1)：1-5.

[4] 韓曙光，董戰(zhàn)虎. 13MnNiMoNbR鋼焊接[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2001，3(2)：12-15.

[5] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T19624-2004在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[6] 孫吉，桂赤斌，倪世豐. 10CrNi3MoV鋼焊接接頭夏比吸收功與CTOD值的關(guān)系及其在安全評(píng)定中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2012，42(2)：62-65.

[7] 劉明亮，張玉鳳，霍立興，等. 海底管道安全性評(píng)定方法的分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2006，27(8)：75-78.

[8] 彭韜明，周昌玉. 含體積型缺陷圓柱殼承壓結(jié)構(gòu)安全評(píng)定方法比較[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(5):64-69.

[9] 李其，李曉秋，劉殿魁. 重油催化再生器典型缺陷安全評(píng)定[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36(4)：77-80.

SafeAssessmentforWeldedJointofEndPlatesofTubularLigniteDryingMachineContainingDefectsBasedonGB/T19624-2004atLowTemperature

WANG Jing

(Industrial Technology Center， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei, China)

Given load, crack size and cryogenic mechanical properties，outer surface flaw in weld bead zone of Q370R steel of the tubular lignite drying machine was assessed by simplified assessment of GB/T19624-2004(Safety assessment for in-service pressure vessels containing defect) and failure assessment diagram was showed. Maximum tolerable equivalent flaw size was calculated according to GB/T19624-2004.The results showed that the assessment point was located within the failure lines but the size of tolerable equivalent flaw size was larger than the maximum tolerable equivalent flaw size，the structure was unsafe and must be repaired. This study laid the foundation of application of GB/T19624-2004 to Q370R steel structure assessment.

tubular lignite drying machine; GB/T19624-2004; low temperature; safe assessment; maximum tolerable equivalent flaw size

TQ051

A

1008-9446(2017)05-0025-04

2017-01-09

王晶(1978-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，講師、工程師，碩士,主要從事焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與焊接安全評(píng)定方面的研究，E-mail：wangjing1953@qq.com。