含埋藏裂紋缺陷球罐的安全評(píng)定與修復(fù)

傾 明，楊 建

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化公司 化肥廠，甘肅 蘭州 730060)

1 球罐存在的問題

容器裝置液氨球罐主要用來存儲(chǔ)液氨，介質(zhì)為中度危害，易燃易爆且存在應(yīng)力腐蝕，球罐操作壓力范圍0.8～1.3Mpa，壓力變化幅度0.5Mpa。球罐在宏觀檢查及壁厚測(cè)定中均未發(fā)現(xiàn)異常，MT檢測(cè)對(duì)接焊縫處發(fā)現(xiàn)多處表面裂紋，經(jīng)打磨消除。UT+TOFD[1]檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在AG焊縫處存在一埋藏型缺陷，如圖1所示，表面可見焊縫金屬高度較低，TOFD缺陷圖譜見圖2，缺陷信息見表1，UT檢測(cè)缺陷信息見表2所示。

表2 UT檢測(cè)情況表(/mm)

圖1 缺陷焊縫圖 圖2 TOFD缺陷圖譜

從TOFD+UT檢測(cè)結(jié)果表1可以看出，該處焊縫存在埋藏缺陷，缺陷自身高度4mm，長度60mm，距外壁深度17mm。對(duì)照NB/T47013.10-2015中典型缺陷圖譜分析，缺陷類型為埋藏裂紋缺陷[2]。

表1 TOFD檢測(cè)情況表(/mm)

2 對(duì)埋藏型裂紋缺陷的安全評(píng)定

安全評(píng)定是以《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》國家標(biāo)準(zhǔn)(簡稱SAPV標(biāo)準(zhǔn))為評(píng)估依據(jù)，對(duì)球罐由裂紋應(yīng)力集中導(dǎo)致的彈塑性斷裂失效，或因凈強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效，進(jìn)行安全性評(píng)定[3]。

2.1 缺陷表征

根據(jù)SAPV表5-1選取正常工況的分安全系數(shù)，按"失效后果嚴(yán)重"確定各分安全系數(shù)，見表3所示。

表3 根據(jù)SAPV標(biāo)準(zhǔn)確定兩個(gè)工況下的安全系數(shù)

SAPV標(biāo)準(zhǔn)5.3.1規(guī)定，對(duì)經(jīng)查明的缺陷，根據(jù)實(shí)際位置、形狀和尺寸需進(jìn)行缺陷的規(guī)則化表征處理，表征裂紋尺寸應(yīng)根據(jù)具體情況由缺陷外接矩形之高和長確定。對(duì)埋藏裂紋，高為2a、長為2c，表征圖如圖3所示。

圖3 埋藏裂紋表征圖 圖4 有限元模型

表征裂紋尺寸乘以裂紋分項(xiàng)安全系數(shù)后作為計(jì)算用的裂紋尺寸a、c值，見表4所示。

表4 缺陷表征信息

2.2 應(yīng)力確定

常規(guī)評(píng)定需確定一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分量Pm、Pb、Qm、Qb。 SAPV標(biāo)準(zhǔn)給出了二次應(yīng)力的計(jì)算公式，但沒有給出一次應(yīng)力的計(jì)算公式，因此，ALOF使用有限元分析法計(jì)算一次應(yīng)力，此裂紋位于球罐封頭焊縫上，利用對(duì)稱性原理取1/4個(gè)封頭作為研究對(duì)象，建立有限元模型，見圖4所示，在對(duì)稱面上施加法向位移約束，封頭內(nèi)側(cè)施加內(nèi)壓P。根據(jù) SAPV標(biāo)準(zhǔn)5.4及5.7.3.2規(guī)定，結(jié)合有限元分析法，計(jì)算結(jié)果見表5所示。

表5 根據(jù)SAPV規(guī)范及有限元分析計(jì)算應(yīng)力信息

2.3 材料性能數(shù)據(jù)

球罐及焊縫區(qū)材質(zhì)為15MnNbR，材料的彈性模量、泊松比、屈服極限等參數(shù)參考GB713-2008的推薦值[4，5]，則母材材料及焊縫區(qū)材料性能參數(shù)的取值見表6所示。

表6 材料性能數(shù)據(jù)值

2.4 計(jì)算載荷比

載荷比是引起一次應(yīng)力的施加載荷與塑性屈服極限載荷的比值，表示載荷接近材料塑性屈服極限載荷的程度，按SAPV附錄C.2公式計(jì)算，見公式(1)。

將表4、表5相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，正常工況下，Lr=0.490，設(shè)計(jì)工況下Lr=0.518。

2.5 斷裂比Kr的計(jì)算

斷裂比是指施加載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子與以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示的材料斷裂韌度的比值。根據(jù)SAPV標(biāo)準(zhǔn)5.7“平面缺陷的常規(guī)評(píng)定”的相關(guān)規(guī)定，利用有限元分析計(jì)算一次應(yīng)力強(qiáng)度因子，利用SAPV標(biāo)準(zhǔn)附錄D計(jì)算二次應(yīng)力強(qiáng)度因子。由于ALOF采用了XFEM和VNM技術(shù)，不需要重新建立模型，所以有限元網(wǎng)格和荷載施加采用同樣的模型，在控制信息中增加裂紋信息。斷裂比計(jì)算見表7。

表7 缺陷失效評(píng)定計(jì)算數(shù)據(jù)分析

2.6 安全性評(píng)定

常規(guī)評(píng)定采用通用失效評(píng)定圖的方法進(jìn)行，該失效評(píng)定見圖5所示。

圖5 通用失效評(píng)定圖 圖6 缺陷失效評(píng)定圖

圖6失效評(píng)定圖中有一條失效評(píng)定曲線(FAC)，其方程見公式(2)。

3 疲勞失效評(píng)定

3.1 評(píng)定方法

在SAPV標(biāo)準(zhǔn)中，裂紋疲勞評(píng)定[6]需要根據(jù)裂紋擴(kuò)展速率與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化幅度之間的關(guān)系來確定在規(guī)定的循環(huán)周期內(nèi)疲勞裂紋的擴(kuò)展量和最終尺寸，然后根據(jù)所給出的判別條件和方法來判斷該缺陷是否發(fā)生泄漏及疲勞斷裂。疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算采用Paris提出的裂紋速率擴(kuò)展公式，即Paris公式，見公式(3)。

裂紋擴(kuò)展壽命N由公式(3)積分，得公式(4)：

其中，N為應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)；A、m是與材料相關(guān)的參數(shù)，見表5取值；ΔK為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍，計(jì)算見公式(5)(6)所示。

式中fm、fb、是與裂紋長度、深度及壁厚相關(guān)的參數(shù)。ao和af分別為裂紋初始尺寸和臨界尺寸，采用SAPV標(biāo)準(zhǔn)6.1.6.2分段簡化計(jì)算方法，將N分成u段，每段循環(huán)次數(shù)為N/u，j=1 to u，用公式(7)及公式(8)可偏安全地逐段計(jì)算出在各應(yīng)力變化范圍作用下裂紋尺寸的近似平均值aj和cj，直至計(jì)算出疲勞擴(kuò)展的最終尺寸af和cf。

{aj=aj-1+AN[ΔKa]mj-1/uj=1，2……u

af=au+0.5AN[ΔKa]mu/u

(7)

{cj=cj-1+AN[0.9ΔKc]mj-1/uj=1，2……u

綜合公式(4)至(8)，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，修正因子fm、fb將增加，ΔK同步發(fā)生變化，斷裂比Kr增加。在FAC圖上，評(píng)定結(jié)果將逐漸接近FAC失效曲線，靠近非安全區(qū)。

3.2 疲勞失效計(jì)算

結(jié)合SAPV標(biāo)準(zhǔn)6.1部分計(jì)算規(guī)則，利用有限元分析軟件及編程計(jì)算Δσm、Δσb、ΔK、af、cf等參數(shù)。兩種工況下各計(jì)算擴(kuò)展6步，裂紋長度將增長1.5倍，失效評(píng)定見圖7所示。圖7上各點(diǎn)分別為應(yīng)力每循環(huán)180000次(正常工況)、160000次(設(shè)計(jì)工況)所得到的裂紋安全評(píng)定結(jié)果，每個(gè)循環(huán)載荷比變化不大，但斷裂比隨著裂紋的擴(kuò)展逐漸上升并接近失效曲線，靠近非安全區(qū)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)兩種工況在評(píng)定圖上評(píng)定結(jié)果剛好落到FAC失效曲線上時(shí)，液氨球罐裂紋缺陷疲勞評(píng)定次數(shù)見表8所示。

圖7 通用失效評(píng)定圖

表8 焊縫缺陷疲勞次數(shù)

3.3 評(píng)定結(jié)論

全部缺陷均通過基于SAPV標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)評(píng)定方法的安全性評(píng)價(jià)計(jì)算，球罐在正常工作條件下可以安全運(yùn)行，但由于溫度、壓力等因素的變化，裂紋會(huì)逐漸發(fā)生擴(kuò)展。通過疲勞失效評(píng)定，計(jì)算得到球罐在缺陷下運(yùn)行的疲勞次數(shù)，設(shè)計(jì)工況下整個(gè)設(shè)備剩余壽命為832923.5次，統(tǒng)計(jì)球罐正常工作時(shí)壓力波動(dòng)次數(shù)為平均每天72次，按設(shè)計(jì)工況下，球罐剩余壽命832923.5 /(365x24x3)=31.7年(設(shè)計(jì)壽命50年，已運(yùn)行15年，剩余設(shè)計(jì)壽命35年)，小于剩余的設(shè)計(jì)年限，需要對(duì)缺陷制定處理方案。

4 缺陷處理

按照設(shè)計(jì)要求及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)缺陷進(jìn)行打磨、表面無損檢測(cè)確認(rèn)缺陷完全清除、修補(bǔ)焊、焊后無損檢測(cè)(100%RT-Ⅱ-AB)、補(bǔ)焊周邊至少100m范圍內(nèi)局部消應(yīng)力熱處理、耐壓試驗(yàn)。缺陷打磨情況見圖8，經(jīng)滲透著色無損檢測(cè)確認(rèn)裂紋缺陷完全消除。

圖8 焊縫打磨情況 圖9 焊縫返修情況

焊前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，焊前預(yù)熱150～200 ℃，焊接采用多層多道焊，修復(fù)情況見圖9所示，焊接完成后RT無損檢測(cè)合格Ⅰ級(jí)。

按照球罐制造要求進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度600±25℃，保溫時(shí)間120min；升溫速度400℃以下不限，400℃以上控制在50～80℃/h；降溫速度400℃以上控制在30～50℃/h，400℃以下空冷。UT復(fù)檢未發(fā)現(xiàn)原埋藏缺陷，返修合格，按要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)，均符合要求。