反應(yīng)器上彎管法蘭堆焊層表面裂紋的應(yīng)力分析及安全評定

胡華勝，鄧 聰，王 磊，傅如聞，李緒豐，羅偉堅

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，壓力容器逐步向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，使得壓力容器在制造和使用過程中，極易產(chǎn)生各種類型的缺陷，很難完全避免[1-2]。而在實際生產(chǎn)過程中，由于工期等因素的影響，讓壓力容器在沒有科學(xué)依據(jù)的情況下，盲目“帶病”運(yùn)行，這種情況往往存在較大的安全隱患，一旦發(fā)生事故，不僅會使得設(shè)備本身發(fā)生損壞，并且還會影響到周圍設(shè)備的正常使用，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故[3-4]。因此，如何用科學(xué)的方法對含缺陷壓力容器的安全狀況進(jìn)行評定已經(jīng)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題。

加氫反應(yīng)器作為是煉油行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，長期處于高溫(350～480℃)、高壓(0～25 MPa)、臨氫環(huán)境中運(yùn)行，材料面臨氫脆、回火脆化和連多硫酸腐蝕等一系列材質(zhì)損傷[5-6]等損傷模式。工程實際證明，隨著使用年限的增加,加氫反應(yīng)器的材質(zhì)劣化是不可避免的。另外,由于制造質(zhì)量差、缺陷嚴(yán)重等問題，加上很多設(shè)備超期服役，“帶病”運(yùn)行和安全評估技術(shù)落后，各種事故經(jīng)常發(fā)生[7]。

本文以華南地區(qū)某石化企業(yè)含裂紋缺陷的反應(yīng)器為例，旨在通過ANSYS有限元分析軟件對反應(yīng)器建立模型、劃分網(wǎng)格并進(jìn)行模擬應(yīng)力計算分析，并按照GB/T 19624-2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》[8]，對含裂紋缺陷的反應(yīng)器進(jìn)行安全評定，并根據(jù)評定結(jié)果提出反應(yīng)器能繼續(xù)使用的安全防護(hù)措施，為設(shè)備安全運(yùn)行提供了一定的依據(jù)，切實保障了特種設(shè)備安全，為企業(yè)的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)

反應(yīng)器投用時間為2008年，基本信息如表1所示。反應(yīng)器在投用若干年后，停機(jī)進(jìn)行定期檢驗。經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器上彎管接管法蘭密封面2點(diǎn)鐘方向，堆焊層表面發(fā)現(xiàn)長12 mm，深3 mm的表面裂紋，反應(yīng)器上部結(jié)構(gòu)及裂紋位置詳見圖1。對缺陷位置處附近進(jìn)行金相檢測，未見有明顯晶粒度長大、珠光體球化及顯微組織變化等傾向，材料劣化傾向評價結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

反應(yīng)器上彎管部分測厚數(shù)據(jù)未見異常，并經(jīng)超聲測厚、TOFD檢測、滲透檢測，其余位置未發(fā)現(xiàn)可記錄表面缺陷和埋藏性缺陷。

表1 反應(yīng)器基本參數(shù)

圖1 反應(yīng)器上部結(jié)構(gòu)

2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

考慮到實際存在由內(nèi)壓加載所產(chǎn)生的局部彎曲作用，并更加準(zhǔn)確地確定反應(yīng)器上彎管的應(yīng)力狀態(tài)，現(xiàn)進(jìn)行實體建模，簡化后的模型采用對稱分析，具體見圖2。根據(jù)實測最小壁厚，基于保守原則，彎管、底部法蘭、上法蘭以及堆焊層厚度分別取35、382、148和3 mm。分析過程中主要的輸入?yún)?shù)如表2所示。

圖2 反應(yīng)器上彎管模型

表2 材料性能參數(shù)

對建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，堆焊層部分采用sweep生成六面體網(wǎng)格，并進(jìn)行加密處理，其余采用Automatic自動生成，如圖3所示。

圖3 反應(yīng)器網(wǎng)格劃分

3 應(yīng)力分析

3.1 載荷施加情況

反應(yīng)器各內(nèi)壁面承受均勻內(nèi)壓，設(shè)計工況壓力值為17.97 MPa，承受標(biāo)準(zhǔn)重力，同時為了使結(jié)果盡可能趨于保守，將風(fēng)壓714 N和地震加速度0.15 m/s2施加在同一方向，載荷及約束施加后的模型如圖4所示。

圖4 載荷及約束模型

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

利用ANSYS14.0軟件采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)力分析，得到反應(yīng)器的當(dāng)量應(yīng)力分布情況。圖5為設(shè)計工況反應(yīng)器當(dāng)量應(yīng)力云圖。從圖可知，設(shè)計工況下當(dāng)量應(yīng)力的最大值為99.87 MPa。

圖5 設(shè)計工況下反應(yīng)器上彎管當(dāng)量應(yīng)力

3.3 線性化處理結(jié)果

圖6 裂紋所在區(qū)域沿壁厚方向應(yīng)力線性化結(jié)果

由于在法蘭密封面開孔部位內(nèi)表面2點(diǎn)方向發(fā)現(xiàn)12 mm長裂紋，現(xiàn)在裂紋中間位置處沿壁厚方向建立分析路徑，將當(dāng)量應(yīng)力映射到路徑上，并進(jìn)行線性化，得到薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的分布情況，如圖6、7所示。裂紋深度為3 mm，因此在路徑方向0到3mm范圍內(nèi)，得到薄膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σB的最大值分別為40.9 MPa和78.1 MPa。

圖7 沿厚度方向薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分布情況

4 安全評定

4.1 失效模式的判斷

根據(jù)反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)、運(yùn)行時介質(zhì)化學(xué)成份，按照GB/T 30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》[9]定性分析得出結(jié)果為：內(nèi)壁損傷模式為腐蝕減薄、環(huán)境開裂及其他損傷，腐蝕減薄損傷機(jī)理為高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕、高溫硫化氫/氫腐蝕，環(huán)境開裂損傷機(jī)理為氫脆，敏感性為低；基材損傷模式為腐蝕減薄和材質(zhì)劣化，損傷機(jī)理為高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕、高溫硫化氫/氫腐蝕、回火脆化。

按照GB/T 26610.3-2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第3部分 風(fēng)險的定性分析方法》[9]得出的結(jié)果為：風(fēng)險等級為中高風(fēng)險(3D)。風(fēng)險矩陣圖見圖8。

圖8 反應(yīng)器的定性風(fēng)險矩陣圖

結(jié)合缺陷的理化檢驗和物理診斷結(jié)果，充分考慮存在的腐蝕情況，采用GB/T 19624-2019 5.6平面缺陷的簡化評定方法對該裂紋缺陷進(jìn)行安全評定。

4.2 所需應(yīng)力的確定

按照J(rèn)B 4732-1995 《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[10]對應(yīng)力的分類，其中，Pm為一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度， Pb為一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，Qm和Qb分別為二次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度和二次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度。前文中分解得到的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力為僅考慮一次應(yīng)力分解得到，因此Pm和Pb分別為40.9 MPa和78.1 MPa。

本結(jié)構(gòu)下要考慮的二次應(yīng)力主要是焊接引起的焊接殘余應(yīng)力。依據(jù)GB/T 19624 5.4.2.3.4，該處殘余應(yīng)力Qm和Qb取值分別為99 MPa和0 MPa。

4.3 裂紋的表征和等效裂紋尺寸的確定

4.4 材料性能數(shù)據(jù)的選取

材料性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 材料性能數(shù)據(jù)

4.5 評定結(jié)果

4.5.1 總當(dāng)量應(yīng)力的確定

此外，Kt為由焊縫形狀引起的應(yīng)力集中系數(shù)，Xb為完全應(yīng)力折合系數(shù)，Xr為焊接殘余應(yīng)力折合系數(shù)，Q為被評定缺陷部位熱應(yīng)力最大值與焊縫殘余應(yīng)力最大值代數(shù)和。

Kt、Xb和Xr取值分別為1.0、0.75和0.6。將Pm、Pb和Q分別為40.9 MPa、78.1 MPa和99 MPa，代入上式(4)，計算得到總當(dāng)量應(yīng)力σΣ=158.88MPa。

根據(jù)計算結(jié)果，可知σΣ<σs=180，因此，

斷裂韌度δc為材料的斷裂韌度除以1.2，經(jīng)計算，取值110 MPa·m0.5。

4.5.3 Sr的計算

Lr的計算按照GB/T 19624附錄C進(jìn)行，考慮到裂紋在法蘭密封面上，計算公式參考C2.1.2：

計算得到： ζ=0.0001，Lr=0.41。

4.5.4 安全性評價

圖9 失效評定圖

5 結(jié)論與建議

本文以含裂紋缺陷的反應(yīng)器上彎管為例，利用ANSYS有限元軟件對反應(yīng)器建立模型、劃分網(wǎng)格，并在設(shè)計工況下進(jìn)行模擬應(yīng)力計算分析，并按照GB/T 19624-2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》，對其進(jìn)行安全評定，得到以下結(jié)論和建議：

(1)基于上述安全評定結(jié)果，該臺含裂紋缺陷的反應(yīng)器能在一定條件下安全運(yùn)行。

(2)鑒于可能的潛在不利影響，應(yīng)盡量避免壓力、溫度劇烈波動，避免疲勞失效的發(fā)生，并適當(dāng)縮短定期檢驗周期[11]。

(3)在下次定期檢驗時，應(yīng)加強(qiáng)對缺陷位置的無損檢測，若發(fā)現(xiàn)裂紋穿透堆焊層，應(yīng)進(jìn)行返修處理[12]。