應(yīng)力腐蝕環(huán)境下壓力容器大開孔的計(jì)算方法分析

艾 波,謝育輝,任相軍

(中國石油華東設(shè)計(jì)院有限公司,山東青島 266071)

為了滿足工藝與操作要求，壓力容器上通常會(huì)有各種規(guī)格的開孔。在壓力容器上開孔會(huì)削弱其承載能力，并產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中，這就要求對開孔處加以補(bǔ)強(qiáng)。

對壓力容器而言，應(yīng)力腐蝕開裂是破壞性和危險(xiǎn)性非常大的一種腐蝕開裂形式，是引起壓力容器失效的主要原因之一[1]。本文分析了不同大開孔計(jì)算方法，從計(jì)算原理出發(fā)結(jié)合對比計(jì)算結(jié)果，對應(yīng)力腐蝕環(huán)境下大開孔計(jì)算方法的選擇以及安全系數(shù)的確定提出了建議。

1 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指金屬在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起破壞，常發(fā)生于應(yīng)力較高的部位。在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，當(dāng)受壓元件所受的拉伸應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時(shí)就會(huì)發(fā)生腐蝕斷裂。壓力容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位處往往會(huì)存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部處在較高的應(yīng)力水平，從而加大了應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)[2]。由于應(yīng)力腐蝕開裂往往沿著壁厚方向發(fā)展難以監(jiān)測，因此一旦開裂其危害性較大。

在合理選材、制造的前提下，要想控制應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，一個(gè)重要的方法就是降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，減小應(yīng)力集中。因此，在設(shè)計(jì)用于應(yīng)力腐蝕條件下的壓力容器時(shí)，需要注意采取相應(yīng)的措施降低結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平，并盡量使應(yīng)力分布均勻，避免局部應(yīng)力過大[3]。而壓力容器開孔處往往是比較典型的應(yīng)力集中部位,尤其是大開孔，由于開孔尺寸較大，應(yīng)力集中更明顯。研究應(yīng)力腐蝕條件下力容器筒體上大開孔的適當(dāng)計(jì)算方法，對于降低受壓元件應(yīng)力水平，減小應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)有著重要意義。

2 大開孔計(jì)算方法

2.1 壓力面積法

壓力面積法最早源自于西德的壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范[4]，被收入HG/T20582-2011鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定。壓力面積法的理論依據(jù)是：在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，壓力在受壓面所產(chǎn)生的載荷與殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)元件的面積的抗拉承載能力相平衡。對于接管和補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)：

(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+Afb([σ]b-0.5p)≥p(Aps+Apb)

(1)

式中，Afs——?dú)んw上開孔區(qū)有效承壓金屬面積，mm2；

Afw——補(bǔ)強(qiáng)連接處凸出殼體表面的焊接接頭金屬面積，mm2；

Afp——補(bǔ)強(qiáng)圈截面金屬面積，mm2；

Afb——接管開孔區(qū)有效承壓面積，mm2；

Aps——有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)殼體內(nèi)的壓力面積，mm2；

Apb——有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)接管內(nèi)的壓力面積，mm2；

[σ]s——?dú)んw材料許用應(yīng)力，MPa；

[σ]p——補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力，MPa；

[σ]b——接管許用應(yīng)力，MPa；

p——設(shè)計(jì)壓力，MPa。

若殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)圈的材質(zhì)均相同時(shí)，則有：

[σ]s=[σ]p=[σ]b=[σ]

(2)

將式(2)代入式(1)可得

(3)

從式(3)可以看出，壓力面積法的本質(zhì)是計(jì)算承壓件的一次應(yīng)力強(qiáng)度，見圖1，通過限制一次應(yīng)力強(qiáng)度小于許用值來達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全的目的。其本質(zhì)與GB/T150中的等面積補(bǔ)強(qiáng)方法一致，只是有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有所差別。因?yàn)檫@種方法沒有考慮到開孔處的應(yīng)力集中，隨著開孔率的加大，應(yīng)力集中水平也越來越高。使用該方法設(shè)計(jì)將不夠安全，尤其在應(yīng)力腐蝕條件下，這種方法的可靠性更是大為降低。這也就是HG/T20582-2011在介紹壓力面積法時(shí)提出“此補(bǔ)強(qiáng)不宜用于介質(zhì)對應(yīng)力敏感的場合”的根本原因。在工程實(shí)踐中，對于較大開孔該方法多用于低壓容器開孔中，該方法目前也未得到我國壓力容器規(guī)范的認(rèn)可[5]。

圖1 壓力面積法計(jì)算方法示意

2.2 ASME方法

與壓力面積法不同的是，ASME方法認(rèn)為在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)應(yīng)力分布并不均勻，靠近開孔接管處的應(yīng)力更大。因此，這一方法要求計(jì)算得到的薄膜應(yīng)力Sm不超過設(shè)計(jì)條件下材料的[σ]t值，最大組合應(yīng)力(薄膜應(yīng)力Sm+彎曲應(yīng)力Sb)不超過設(shè)計(jì)條件下的1.5[σ]t(焊接接頭系數(shù)為1)。這種方法特點(diǎn)是考慮了開孔所帶來的應(yīng)力集中，以及由于開孔接管所引起的彎曲應(yīng)力，所以計(jì)算結(jié)果相對而言更加合理。見圖2。

Sm=

(4)

(5)

a=e+t/2

(6)

(7)

式中，As——圖中陰影面積；

P——設(shè)計(jì)壓力；

Sm——容器薄膜應(yīng)力；

Sb——接管頸內(nèi)側(cè)與容器壁內(nèi)側(cè)相交處沿著容器殼體縱軸的彎曲應(yīng)力。其余參數(shù)見圖2。

圖2 ASME大開孔計(jì)算方法示意

ASME方法在壓力面積法的基礎(chǔ)上加以改善，增加了彎曲應(yīng)力的控制，但該方法仍然沒有很好地體現(xiàn)大開孔的實(shí)際受力狀態(tài)。這種方法適用于相對較薄的容器，并且接管法蘭距離管、殼交貫線很近的大開孔。工程實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明，按該方法得到的計(jì)算厚度與工程中實(shí)際結(jié)構(gòu)偏差較大[8]。

2.3 GB/T150分析法

GB/T150分析法是由清華大學(xué)薛明德等人提出的一種大開孔計(jì)算方法，在壓力容器筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中，GB/T150分析法通過控制等效薄膜應(yīng)力SⅡ和等效總應(yīng)力SⅣ來分別滿足承載極限與結(jié)構(gòu)安定性準(zhǔn)則。其適用范圍如下：

(8)

式中，ρ——開孔率；

δet——接管有效厚度；

δe——?dú)んw開孔處有效厚度；

滿足適用范圍內(nèi)的開孔計(jì)算方法如下：

(9)

(10)

式中，p——設(shè)計(jì)壓力；

Km——等效薄膜應(yīng)力集中系數(shù)；

K——等效總應(yīng)力集中系數(shù)；

Km,K可由GB/T150.3-2011曲線圖組6-13查得，其余參數(shù)見圖3。

圖3 GB/T150分析法示意

等效薄膜應(yīng)力SⅡ?yàn)橐淮慰傮w薄膜應(yīng)力與局部薄膜應(yīng)力之和。ASME中控制局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度小于1.5[σ]t。薛明德等人通過大量的計(jì)算和試驗(yàn)，總結(jié)出在大多數(shù)情況下，安全系數(shù)取2.2是足夠的，但是在某些特殊情況下，安全系數(shù)取2.2也較為激進(jìn)[9]。因此，在GB/T150.3-2011中注明，對于特殊要求的壓力容器安全系數(shù)可取1.5～2.2。

等效總應(yīng)力SⅣ的提出，是為了滿足結(jié)構(gòu)安定性準(zhǔn)則的要求。對于焊縫經(jīng)過打磨與無損檢測的開孔接管，許用值本可取3Sm，但是GB/T150-2011保守起見取安全系數(shù)為2.6。

3 適用于應(yīng)力腐蝕場合的大開孔計(jì)算方法

3.1 計(jì)算方法的選擇

根據(jù)前述內(nèi)容可知，在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，為了保證設(shè)備的安全，減小受壓元件在開口接管處發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)，就需要對開孔接管應(yīng)力集中處的應(yīng)力水平加以限制。

由2.1節(jié)內(nèi)容可知壓力面積法沒有考慮到應(yīng)力集中的影響，所以也就不宜用于應(yīng)力腐蝕的場合。而ASME方法和GB/T150分析法分別通過限制最大局部一次薄膜應(yīng)力和等效薄膜應(yīng)力SⅡ以及等效總應(yīng)力SⅣ小于許用值，來達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全的目的。這兩種方法出發(fā)點(diǎn)都是控制局部應(yīng)力，因此原理是一致的，均可以用于應(yīng)力腐蝕環(huán)境下的大開孔計(jì)算。在具體使用過程中，決定這兩種方法準(zhǔn)確性的主要因素就是其對應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性以及許用值選取的合理性。

薛明德、戴婧等[6，7]研究結(jié)果表明GB/T150-2011的計(jì)算結(jié)果精度更高。因此本文認(rèn)為在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，建議優(yōu)先選擇GB/T150分析法來計(jì)算大開孔附近的應(yīng)力。

3.2 確定安全系數(shù)

ASME方法將局部薄膜應(yīng)力限制在1.5[σ]t以內(nèi)，而GB/T150分析法中將SⅡ限制在2.2[σ]t以內(nèi)。ASME方法中安全系數(shù)值1.5并非通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)而得來的，而是沿用了應(yīng)力分析法中，控制一次局部應(yīng)力時(shí)使用的安全系數(shù)。戴婧[7]通過分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，在絕大多數(shù)情況下，安全系數(shù)取2.2已經(jīng)足夠，因此這一安全系數(shù)才被寫入GB/T150.3-2011中，在實(shí)踐應(yīng)用中效果也較為理想。但是也要注意安全系數(shù)2.2也并非理論推導(dǎo)得出的數(shù)值，而是通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來的，而相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，并沒有涉及到應(yīng)力腐蝕環(huán)境，所以在解決具體問題時(shí)也要具體分析，不能在所有情況都使用2.2這一安全系數(shù)。事實(shí)上，GB/T150.3-2011對安全系數(shù)的規(guī)定也不是絕對的，其在安全系數(shù)取2.2后加注“對于特殊要求的壓力容器，可取1.5～2.2”。

應(yīng)力腐蝕條件下，控制受壓元件的應(yīng)力水平對于提高受壓元件的安全性十分重要。因此在相同設(shè)計(jì)條件下，若受壓元件工作環(huán)境為應(yīng)力腐蝕環(huán)境，在使用GB/T150分析法時(shí)，適當(dāng)減小控制其SⅡ值的安全系數(shù)是合理的。安全系數(shù)具體減少多少應(yīng)該根據(jù)具體情況具體判斷?？傮w來講安全系數(shù)越小，控制受壓元件的應(yīng)力水平也就越低，但是同時(shí)制造成本也會(huì)相應(yīng)上升，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮，盡量實(shí)現(xiàn)二者的均衡。

3.3 GB/T150分析法計(jì)算實(shí)例

圖4為某汽油加氫裝置中反應(yīng)產(chǎn)物分離罐水包處結(jié)構(gòu)，該容器操作介質(zhì)為循環(huán)氫、H2S、油、水，常溫下操作。設(shè)計(jì)條件為159 ℃/2.09 MPa。該容器處在典型的濕硫化氫腐蝕環(huán)境中，殼體材質(zhì)選擇Q345R(RHIC)板材，水包筒體選擇16Mn(RHIC)鍛件，腐蝕裕量C2取6 mm。該容器筒體內(nèi)徑3 000 mm，水包內(nèi)徑1 250 mm，水包開孔超過等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍，因此該水包補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算屬于應(yīng)力腐蝕環(huán)境下的大開孔計(jì)算。根據(jù)上述分析，選擇GB/T150分析法對其進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

圓筒有效厚度δe=δn-C2-C1=40-6-0.3=33.7 mm

圓筒中面直徑D=Di+δn+(C2+C1)=3 000+40+(6+0.3)=3 046.30 mm

水包有效厚度δet=δn-C2-C1=70-6-0=64mm

水包中面直徑d=di+δn+2(C2+C1)=1 250+70+(6+0)=1 326 mm

開孔率ρ=d/D=1 326/3 046.3=0.435 28

δet/δe=64/33.7=1.899 11

參數(shù)λ=ρ(D/δe)1/2=0.435 28×(3 046.3/33.7)1/2=4.138 49

查GB/T150.3圖6-13得：Km=2.514 72，K=2.834 14

圓筒薄膜應(yīng)力σm=pD/(2δe)=2.09×3 046.3/(2×33.7)=94.46 MPa

等效薄膜應(yīng)力SⅡ=Kmσm=2.514 72×94.46=237.55 MPa

等效總應(yīng)力SⅣ=Kσm=2.834 14×94.46=267.72 MPa

許用應(yīng)力[σ]t=163.94 MPa(設(shè)計(jì)溫度下殼體和水包筒體許用應(yīng)力的較小者)

nⅡ=SⅡ/[σ]t=237.55/163.94=1.449低于GB/T150.3-2011中規(guī)定的“對于特殊要求的壓力容器，可取1.5～2.2”的要求，將應(yīng)力限制在了較低的水平。

nⅣ=SⅣ/[σ]t=267.72/163.94=1.633<2.6合格。

圖4 某加氫裝置反應(yīng)產(chǎn)物分離罐水包結(jié)構(gòu)

3.4 對于SⅡ控制指標(biāo)的探討

對于濕硫化氫環(huán)境下的等效薄膜應(yīng)力SⅡ，目前尚無確切的理論依據(jù)及控制指標(biāo)，筆者建議可以參考材料的抗硫化物應(yīng)力開裂(SSCC)試驗(yàn)的門檻應(yīng)力ReLth進(jìn)行控制。當(dāng)承壓容器殼體材料為Q345R(RHIC)或16Mn(RHIC)純凈鋼時(shí)，往往會(huì)要求對母材及焊接接頭進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力開裂(SSCC)試驗(yàn)。試驗(yàn)方法按GB/T4157或NACE TM0177，在H2S飽和溶液進(jìn)行拉伸試驗(yàn)來考核材料的門檻應(yīng)力ReLth，一般要求ReLth不低于材料屈服限的70%～80%。對Q345R(RHIC)或16Mn(RHIC)純凈鋼，目前工程上要求門檻應(yīng)力ReLth≥247 MPa。

考慮到SSCC試驗(yàn)是在常溫下飽和硫化氫溶液中進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)硫化氫濃度較正常操作時(shí)要苛刻；再加上由于設(shè)計(jì)溫度往往也比試驗(yàn)溫度(與正常操作溫度接近)高，所選取的設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力值也要比試驗(yàn)溫度下的值要低，設(shè)計(jì)計(jì)算后選取的容器厚度自然也會(huì)有些裕量。也就是說正常操作狀態(tài)下，鋼中的應(yīng)力水平實(shí)際是要偏低一些的。故筆者認(rèn)為只要控制SⅡ不超過純凈鋼材料的門檻應(yīng)力ReLth就可以滿足應(yīng)力腐蝕環(huán)境下大開孔部位的安全。具體對于本文上述的反應(yīng)產(chǎn)物分離罐而言，此時(shí)nⅡ=ReLth/[σ]t=247/163.94=1.507，其值滿足了GB/T150.3-2011中對nⅡ規(guī)定的“對于特殊要求的壓力容器，可取1.5～2.2”的要求，且處于下限值。

4 結(jié)論

a)壓力面積法由于其計(jì)算原理中沒有考慮到應(yīng)力集中的影響，因此本質(zhì)上來說，這種方法不適合用于應(yīng)力腐蝕條件下的大開孔計(jì)算。

b)ASME方法在計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)簡單的套用了一維梁的公式，造成彎曲應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果誤差較大，從而導(dǎo)致組合應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果誤差也較大，結(jié)果偏于保守。

c)GB/T150分析法在計(jì)算開孔接管處的應(yīng)力時(shí)的計(jì)算結(jié)果更加精確。在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，推薦使用GB/T150分析法來計(jì)算應(yīng)力。但GB/T150分析法中限制等效薄膜應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)為2.2，在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下宜適當(dāng)減小，建議不宜超過1.5。

d)在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，為了保證受壓元件的安全，對大開孔處應(yīng)力集中的限制應(yīng)比一般情況更加嚴(yán)格，參照材料在飽和濕硫化氫條件下的拉伸門檻應(yīng)力值來限制SⅡ是安全的，但這個(gè)指標(biāo)是否偏于保守，能否進(jìn)一步增大，還需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。