振動環(huán)境下在役壓力容器裂紋原因分析及預(yù)防措施

李亞軍，李循跡，王立輝，燕自峰，龔道永，張玉福，魏 星

1.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070

3.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518

1 概述

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備，隨著工業(yè)的發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用在化工、煉鋼、石油等多個行業(yè)中。在實際的使用過程中，一些特殊工況下運(yùn)行的壓力容器會因為上下游的設(shè)備產(chǎn)生振動，強(qiáng)烈的振動會使得設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞。

中石油塔里木油田公司所用的7臺Cooper Superior 16SGT/MH-66天然氣發(fā)動機(jī)-壓縮機(jī)組，目前在高壓、機(jī)組振動等運(yùn)行條件下已運(yùn)行達(dá)18年以上。在歷年的檢驗過程中發(fā)現(xiàn)了49處表面裂紋[1-3]。針對這一情況，2017年由塔里木油田設(shè)備物資處、油氣工程研究院、天然氣事業(yè)部牽頭對這些壓力容器進(jìn)行了詳盡的檢驗及分析，對出現(xiàn)裂紋最頻繁的三級出口球罐進(jìn)行了化學(xué)分析、有限元分析、應(yīng)力測試等，確定了裂紋產(chǎn)生的原因，為振動環(huán)境下壓力容器的運(yùn)行和檢驗工作提供技術(shù)參考。

2 表面無損檢測

對注氣壓縮機(jī)附屬容器進(jìn)行打磨，使其露出金屬光澤后進(jìn)行表面無損檢測，發(fā)現(xiàn)3處表面缺陷：三級出口球罐A2103B接管補(bǔ)強(qiáng)圈焊縫一處裂紋，長度為70 mm，位置如圖1所示；三級出口球罐A2103A接管補(bǔ)強(qiáng)圈附近母材熱影響區(qū)一處表面裂紋，裂紋長度7 mm，位置如圖2所示；三級出口穩(wěn)定罐C2101封頭與筒體連接焊縫一處表面缺陷，缺陷長度為28 mm，缺陷位置如圖3所示。

圖1 三級出口球罐A2103B表面缺陷

圖2 三級出口球罐A2103A表面缺陷

圖3 三級出口穩(wěn)定罐C2101表面缺陷

3 裂紋原因分析

3.1 沖蝕分析和腐蝕分析

機(jī)組實際工藝運(yùn)行時為“干氣”環(huán)境，硫化氫、氟化氫和氰化氫處于無濕環(huán)境。對三級出口球罐A2103A/B進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，內(nèi)表面光滑，未見明顯腐蝕痕跡，如圖4所示。用超聲波測厚儀對三級出口球罐進(jìn)行了密集測厚，并與歷年壁厚測定結(jié)果進(jìn)行對比，未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，如圖5所示，測點位置以中間焊縫為零點，向兩側(cè)每隔3 mm測一點。由此可見腐蝕減薄不是設(shè)備損傷的主要因素。

圖4 三級出口球罐內(nèi)部情況

圖5 三級出口球罐A2103B網(wǎng)格測厚

3.2 環(huán)境助長開裂分析

對7臺機(jī)組161臺壓力容器進(jìn)行了超聲檢測、TOFD檢測、相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)9處埋藏缺陷。利用聲發(fā)射技術(shù)對這9處埋藏缺陷進(jìn)行確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)9處埋藏缺陷均為不可擴(kuò)展的制造缺陷。

3.3 材質(zhì)分析

對三級出口球罐A2103A/B開展金相分析、硬度測定、化學(xué)成分分析，硬度測試結(jié)果如表1所示。

表1 硬度測定部位及測定值

金相分析結(jié)果表明：母材組織為鐵素體+珠光體，焊接熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體，焊縫組織為先共析鐵素體+鐵素體+珠光體，組織基本正常。硬度數(shù)據(jù)表明：接管區(qū)域和焊縫熱影響區(qū)硬度略高于其他部位。

3.4 循環(huán)失效分析

壓力容器上游或者下游都連接著天然氣注氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)運(yùn)行工作時往復(fù)式的吸、排氣使氣流的速度和壓力呈間歇性變化，形成的氣柱會將振動傳遞到后端的壓力容器和管道，使得壓力容器接管角焊縫承受比較大的交變載荷[4-6]。

3.4.1 共振分析

壓力容器、管道與其內(nèi)部流體構(gòu)成的系統(tǒng)，其固有頻率與機(jī)組的激發(fā)頻率接近時，就會發(fā)生共振，使接管產(chǎn)生較大的位移和應(yīng)力，內(nèi)部流體的脈動達(dá)到最大值[7-8]。經(jīng)計算求得激發(fā)頻率為20～40 Hz，氣柱的一階固有頻率為495.62 Hz，對應(yīng)的共振區(qū)為396.50～594.74 Hz，故激發(fā)頻率不在共振區(qū)內(nèi)，不會發(fā)生氣柱共振。

3.4.2 激應(yīng)力計算

脈動的流體沿管道輸送時，遇到彎頭、異徑管、控制閥等元件后將產(chǎn)生隨時間變化的激振力。接管內(nèi)壓力脈動的大小可以用壓力不均勻度δ值來表述[9-10]。

式中：Pmax為不均勻壓力的最大值，MPa；Pmin為不均勻壓力的最小值，MPa；P0為平均壓力，MPa。

式中：ΔF為接管脈動激應(yīng)力，N；ΔP為脈動壓力，MPa；d為管道直徑，mm；θ為相位角，（°）。

可以求得三級出口/入口緩沖罐與缸體連接接管的脈動激應(yīng)力為11 553 N；與管道連接接管的脈動激應(yīng)力為5 842 N。

3.4.3 振動監(jiān)測

對牙哈作業(yè)區(qū)正在運(yùn)行中的1#、7#壓縮機(jī)組附屬壓力容器和缸體進(jìn)行了振動檢測，檢測數(shù)據(jù)見表2；再根據(jù)振動烈度級選取依據(jù)（GB/T 6075.6—2002）選取振動烈度級。

檢測結(jié)果顯示注氣機(jī)三級入口球罐、注氣機(jī)一級排氣緩沖罐、注氣機(jī)一級出口緩沖罐、注氣機(jī)一級入口緩沖罐振動較大，振動烈度級18。

3.5 強(qiáng)度分析

3.5.1 應(yīng)變測試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/LJ 203—2014《承載設(shè)備應(yīng)變測試方法》對三級出口球罐A2103A/B進(jìn)行了應(yīng)變測試，測試位置如圖6所示，壓力-時間變化曲線如圖7所示。測試結(jié)果顯示，1#、2#、6#、9#、10#測點位置應(yīng)變較大。

表2 部分附屬壓力容器振動檢測結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖6 應(yīng)變片布置位置示意圖

圖7 試驗過程中壓力-時間曲線

3.5.2 有限元分析

對三級出口球罐A2103A/B進(jìn)行有限元分析，對其中規(guī)則幾何體按照六面體網(wǎng)格劃分，對不規(guī)則幾何體如球殼按照四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)16 349 408，網(wǎng)格單元總數(shù)6 318 899，其網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 三級出口球罐A2103A/B網(wǎng)格劃分

對裝置的計算模型作如下簡化：

（1）裝置處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，裝置內(nèi)壁壓力與溫度以設(shè)計壓力56.9 MPa與設(shè)計溫度176.7℃作為極端計算情況。

（2）裝置外表面裸露于空氣，按照鋼與空氣對流換熱條件，換熱系數(shù)范圍為5～15W/（m2·K），故此處取值約15 W/（m2·K）。

（3）對左右球殼氣體入口端面固定，三通氣體出口端面施加管端力，其他接管端面也施加管端力，對裝置整體施加重力場。

（4）設(shè)備的應(yīng)力邊界條件如圖9所示，其中管端力計算按照下式求得：

式中：P為管端力，MPa；Pi為端面內(nèi)壓，MPa；Ri為端面內(nèi)半徑，mm；RO為端面外半徑，mm。

圖9 應(yīng)力邊界條件設(shè)置

壓縮機(jī)第三級出口氣體緩沖罐裝置的有限元應(yīng)力計算結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 變形結(jié)果

圖11 應(yīng)變結(jié)果

圖12 應(yīng)力結(jié)果

如圖10所示，裝置最大變形位于球殼底端儀表接管部位，變形量為0.809 81 mm。如圖11所示，裝置的2#儀表接管與球殼焊接部位有最大應(yīng)變，應(yīng)變值為1323.8με，其他出現(xiàn)較大應(yīng)變的位置均為接管與球殼連接的焊接部位。如圖12所示，裝置的2#儀表接管與球殼焊接部位有最大應(yīng)力，為284.06 MPa，其他出現(xiàn)較大應(yīng)力的位置均為接管與球殼連接的焊接部位，包括氣體入口直管段與球殼焊接部位，應(yīng)力值為234.65 MPa，氣體出口直管段與球殼焊接部位，應(yīng)力值為228.94 MPa。

4 結(jié)論

三級出口緩沖罐激發(fā)頻率為20～40 Hz，未落在氣柱固有頻率共振區(qū)內(nèi)，因此緩沖罐接管振動與氣柱共振無關(guān)，其與缸體連接接管的脈動激應(yīng)力為11 553 N；與管道連接接管的脈動激應(yīng)力為5 842 N。裝置的溫度分布基本上是左右對稱的，溫度由內(nèi)壁面向外壁面呈梯度降低，且在接管與球殼連接部位溫度變化最為劇烈，裝置的2#儀表接管與球殼焊接部位應(yīng)力最大，其他出現(xiàn)較大應(yīng)力的位置均為接管與球殼連接的焊接部位。

硬度測定結(jié)果顯示容器焊縫及附近熱影響區(qū)硬度值高于其他部位，該區(qū)域強(qiáng)度較高，彈塑性較低，在較高應(yīng)力和外力作用下，易形成裂紋等缺陷。有限元計算和應(yīng)變測試結(jié)果也表明了三級出口球罐儀表接管與筒體焊接部位、出入口接管與筒體焊接部位的應(yīng)力值明顯高于其他部位。在此基礎(chǔ)上長期承受振動所產(chǎn)生的交變載荷作用，產(chǎn)生疲勞破壞。

5 預(yù)防措施

（1）運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)接管以及接管補(bǔ)強(qiáng)圈的巡檢，防止開裂等問題的發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)有異常氣體泄漏，應(yīng)在做好防爆措施的情況下確認(rèn)位號并緊急停車處理。

（2）對在振動環(huán)境下運(yùn)行的壓力容器及其連接管線進(jìn)行振動監(jiān)測，防止激應(yīng)力頻率和固有頻率相近時產(chǎn)生破壞。

（3）以后的定期檢驗中應(yīng)以接管角焊縫表面無損檢測為主，尤其應(yīng)該對振動較大的壓力容器及其附屬管道進(jìn)行振動監(jiān)測，必要時可使用其他無損檢測方法。