基于偏保守原則的大型LNG子母罐的合于使用評價(jià)

李 勇，趙彥杰

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院周口分院，河南 周口 466000)

近年來，隨著環(huán)保力度的不斷加大，天然氣因其排放少、污染小，被大力推廣使用。我國天然氣消費(fèi)總量不斷增長，2017年天然氣消費(fèi)量較上年增長了14.8%[1]。大型LNG低溫液化天然氣子母罐是一種常見的天然氣儲存設(shè)備，具有容量大、壓力低、調(diào)峰效率高的特點(diǎn)，主要用于大中城市用氣高峰期調(diào)峰，一般為立式圓筒形內(nèi)外罐結(jié)構(gòu)，外罐即母罐，為立式圓柱形弧頂常壓設(shè)計(jì)，內(nèi)罐即子罐，為立式圓柱形支腿式壓力容器，子罐與母罐之間填充珠光砂并充氮?dú)庖员亟^熱。

1 研究背景

某大型LNG低溫液化天然氣子母罐容積為1 750 m3，內(nèi)有7個子罐，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。在對其首次定期檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)其中一個放空匯管異徑三通(φ159 mm×φ89 mm×5 mm，材質(zhì)為06Cr19Ni10)表面有一處長約35 mm的裂紋，裂紋的位置在該三通變形量最大的圓弧部位。經(jīng)表面滲透檢測，裂紋部位外表面未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，該異徑三通裂紋規(guī)則化表征為平面缺陷。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察》[2]的規(guī)定，對其采用GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》[3]簡化評定方法進(jìn)行合于使用評價(jià)，并把評定結(jié)果與理化檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

表1 低溫液化天然氣子母罐設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of cryogenic LNG sub mother tanks

2 合于使用評價(jià)參數(shù)

2.1 安全系數(shù)

針對該大型LNG天然氣子母罐的使用情況，本次合于使用評價(jià)安全系數(shù)按嚴(yán)重失效后果假設(shè)，取值如表2所示。

表2 安全系數(shù)取值Tab.2 Value of safety factor

2.2 缺陷的表征

對該放空匯管異徑三通裂紋進(jìn)行合于使用評價(jià)時(shí)，基于保守原則按穿透性裂紋進(jìn)行評定，表征為平面缺陷。對三通裂紋周圍外表面進(jìn)行滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，其平面缺陷表征圖見圖1。

經(jīng)現(xiàn)場測量，裂紋缺陷沿殼體表面方向的實(shí)測長度l為35 mm，最大深度h為4 mm，沿板厚方向的深度保守假設(shè)為穿透裂紋，異徑三通材質(zhì)為06Cr19Ni10，腐蝕裕量為0，評定用殼體計(jì)算厚度B為5 mm。

因?yàn)閔(4 mm)>0.7B(3.5 mm)，所以可以規(guī)則化為長35 mm的穿透裂紋，如圖2所示。

圖1 異徑三通裂紋表征圖Fig.1 Crack characterization of reducing tee

圖2 裂紋規(guī)則化示意圖Fig.2 Regularization diagram of cracks

2.3 缺陷表征和等效裂紋

3 缺陷評定中所需應(yīng)力的確定

3.1 應(yīng)力的分解

該LNG低溫液化天然氣子母罐放空管異徑三通主要受到內(nèi)部低溫液化天然氣熱膨脹引起的應(yīng)力和內(nèi)外壁溫差引起的應(yīng)力，熱膨脹引起的應(yīng)力為一次應(yīng)力，溫差引起的應(yīng)力為二次應(yīng)力[4]。

3.1.1一次應(yīng)力(內(nèi)側(cè))

裂紋沿厚度直線分布并經(jīng)線性化處理，基于偏保守原則，其應(yīng)力分解的薄膜應(yīng)力分量σm和彎曲應(yīng)力分量σB可分別由式(1)和式(2)確定：

(1)

(2)

該異徑三通處一次薄膜應(yīng)力pm和一次彎曲應(yīng)力pb分別對應(yīng)應(yīng)力分解的薄膜應(yīng)力分量σm和彎曲應(yīng)力分量σB。

使用ANSYS有限元分析軟件對該異徑三通的受力情況進(jìn)行分析，因其受內(nèi)壓作用沿厚度方向進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在裂紋處施加沿壁厚方向的路徑，其路徑及應(yīng)力分析結(jié)果見圖3。

圖3 ANSYS分析示意圖Fig.3 ANSYS analysis diagram

經(jīng)線性化處理后，得到裂紋分布在內(nèi)外壁上的應(yīng)力值σ1=82.46 MPa、σ2=66.78 MPa,由式(1)和式(2)可以得出經(jīng)線性化處理后應(yīng)力分解的薄膜應(yīng)力分量σm和彎曲應(yīng)力分量σB分別為σm=74.62 MPa、σB=7.84 MPa。因一次應(yīng)力安全系數(shù)為1.25，所以該異徑三通處一次薄膜應(yīng)力pm=93.28 MPa、一次彎曲應(yīng)力pb=9.8 MPa。

3.1.2二次應(yīng)力(溫差應(yīng)力Qb)

該子母罐中子罐溫度為-196 ℃、母罐溫度為-19 ℃、內(nèi)外壁溫差Δt=177 ℃，奧氏體不銹鋼的溫差應(yīng)力可由公式(3)確定：

Qb=1.8Δt。

(3)

由此，可得溫差引起的二次應(yīng)力Qb=318.6 MPa。

3.2 材料性能數(shù)據(jù)的確定

由于現(xiàn)場條件無法進(jìn)行實(shí)際測量，基于偏保守原則，選用取代數(shù)據(jù)代替實(shí)測數(shù)據(jù)，使用條件下該異徑三通的物理性能和力學(xué)性能如表3所示。

表3 異徑三通的物理性能和力學(xué)性能Tab.3 Physical and mechanical properties of reducing tee

3.3 裂紋的簡化評定

3.3.1總當(dāng)量應(yīng)力σ∑

基于偏保守原則，假設(shè)當(dāng)量應(yīng)力均勻分布在主應(yīng)力平面上，總當(dāng)量應(yīng)力σ∑在簡化評定下可由式(4)確定:

σ∑=σ∑1+σ∑2+σ∑3，

(4)

式中：σ∑1=Ktpm；σ∑2=Xbpb；σ∑3=XrQb。

該放空匯管異徑三通為06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼無縫管件，裂紋位置在異徑三通變形量最大的圓弧部位。 因此，在用合于使用評價(jià)簡化評定方法計(jì)算母材表面裂紋總當(dāng)量應(yīng)力σ∑時(shí)，Kt、Xr分別選取I型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和Xr。 根據(jù)線彈性理論，通過有限元應(yīng)用分析，得到垂直于裂紋面且沿著裂紋擴(kuò)展方向(壁厚方向)的應(yīng)力分布情況。 將應(yīng)力分布用一個3次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合，然后根據(jù)擬合函數(shù)計(jì)算出I型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子用于裂紋疲勞擴(kuò)展分析，僅通過塑性修正因子考慮材料的塑性效應(yīng)[5]。 在異徑三通裂紋表征為穿透性裂紋的前提下，保守選取KI=1、Xb=0.5、Xr=0.6，由此可以得出總當(dāng)量應(yīng)力σ∑=259.3 MPa。

3.3.2抗拉強(qiáng)度和許用應(yīng)力

根據(jù)放空匯管異徑三通制造參數(shù)，抗拉強(qiáng)度σb為520 MPa，許用應(yīng)力為137 MPa。

3.3.3平面應(yīng)變斷裂韌度JIc

06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼等線彈性材料裂紋頂端的力學(xué)分布狀態(tài)一般用J積分來表征，其斷裂韌度計(jì)算公式為J積分公式[6-8]：

(5)

式中：Γ是裂紋下表面任一點(diǎn)開始，按逆時(shí)針方向圍繞裂紋尖端到裂紋上表面的積分路徑；W為應(yīng)變能密度因子；Ti是作用在Γ曲線上的應(yīng)力矢量；ui是位移矢量的分量。

放空匯管異徑三通裂紋為筒殼軸向裂紋，其膨脹效應(yīng)系數(shù)Mg由式(6)確定：

(6)

由式(6)可得Mg=1.92。由于σ∑>σs>(σ∑1+σ∑2)，異徑三通裂紋尖端張開位移由式(7)確定：

(7)

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)后可求出放空匯管異徑三通裂紋尖端張開位移δ=0.25 mm。

(8)

3.3.5施加載荷與流變強(qiáng)度載荷的比值Sr

施加載荷與流變強(qiáng)度載荷的比值Sr由公式(9)得出：

(9)

載荷比Lr用公式(10)確定(含長2a軸向穿透裂紋的內(nèi)壓圓筒)：

(10)

3.3.6簡化評定結(jié)論

圖4 放空匯管異徑三通裂紋失效評定圖Fig.4 Failure assessment diagram of cracks on reducing tee of vent manifold

4 異徑三通理化分析

4.1 表面與硬度檢測

對該放空匯管異徑三通切割后進(jìn)行內(nèi)外表面滲透檢測，在其內(nèi)側(cè)表面又發(fā)現(xiàn)三處貫通性裂紋。經(jīng)硬度檢測，其布氏硬度檢測值為230 N/mm2左右，超出GB/T 12459—2017《鋼制對焊管件 類型與能數(shù)》[14]中06Cr19Ni10不銹鋼硬度的限值190 N/mm2。另外經(jīng)磁性檢測，發(fā)現(xiàn)該三通具有較強(qiáng)的磁性，這與06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼無磁性或微弱磁性相違背[15-17]。

4.2 機(jī)械性能及化學(xué)成分檢測

該放空匯管異徑三通經(jīng)某金屬制品質(zhì)量國家級檢驗(yàn)中心進(jìn)行機(jī)械性能及化學(xué)成分檢測，其抗拉強(qiáng)度為790 MPa、屈服強(qiáng)度為620 MPa，遠(yuǎn)大于經(jīng)固溶處理的06Cr19Ni10不銹鋼強(qiáng)度值。另對其含碳量進(jìn)行檢測，檢測值為0.089%，也符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》[18]中06Cr19Ni10鋼材含碳量不大于0.08%的要求。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合有限元分析，基于偏保守原則該異徑三通合于使用評價(jià)結(jié)論為“不可接受”。該結(jié)論與采用非常規(guī)檢驗(yàn)技術(shù)所得結(jié)論相符，表明了采用偏保守原則進(jìn)行合于使用評價(jià)的正確性。

(2)對該LNG子母罐其他同批次管件全部進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其表面質(zhì)量、物理性能及化學(xué)成分等均不符合經(jīng)固溶處理后06Cr19Ni10鋼材的性能指標(biāo)，為不合格產(chǎn)品。使用方對同批次三通管件全部進(jìn)行更換，消除了事故隱患。

(3)按GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》的要求，在對壓力容器進(jìn)行合于使用評價(jià)時(shí)，需要對缺陷部位進(jìn)行物理性能、機(jī)械性能和化學(xué)成分分析，以獲取如屈服強(qiáng)度、CTOD斷裂韌度、材料J積分?jǐn)嗔秧g度等數(shù)據(jù)。LNG子母罐屬于低溫絕熱類壓力容器，開罐取樣較為困難且費(fèi)用較高，在實(shí)際使用中會有較多限制因素，所以應(yīng)在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中增加適用于此類壓力容器合于使用評價(jià)的補(bǔ)充條款。