超期服役下含超標(biāo)缺陷壓力容器的合于使用評(píng)價(jià)研究*

胡華勝，鄧 聰,2，趙仲勛，王 磊

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 佛山 528251；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

壓力容器作為八大類(lèi)特種設(shè)備的一種，通常面臨十分苛刻的工藝環(huán)境，在其制造和長(zhǎng)期使用過(guò)程中，極易產(chǎn)生各種類(lèi)型的缺陷，很難完全避免[1]。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，壓力容器一方面不斷向大型化、高參數(shù)方向發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用，使用環(huán)境更加苛刻復(fù)雜；另一方面超期服役的壓力容器也在迅速增長(zhǎng)[2]。

在TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中已明確表述，對(duì)超期服役或者含超標(biāo)缺陷的壓力容器可以采用合于使用評(píng)價(jià)的方式對(duì)其安全狀況進(jìn)行評(píng)估[3]。而在實(shí)際操作過(guò)程中，由于缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，且傳統(tǒng)方式下應(yīng)力計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，采用手工計(jì)算的話效率低下[4]。在此背景下，面對(duì)超期服役或者含超標(biāo)缺陷的壓力容器，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和檢驗(yàn)工程師們通常只能給出返修或者更換的策略[5]。但企業(yè)往往受制于工期以及經(jīng)濟(jì)效益等因素，在沒(méi)有科學(xué)依據(jù)的情況下，盲目“帶病”運(yùn)行超期服役或者含超標(biāo)缺陷的壓力容器，存在較大安全隱患[6]。在此背景下，如何行之有效地開(kāi)展此類(lèi)壓力容器的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)工作已成為了迫切需要解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文將傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)與有限元應(yīng)力分析法結(jié)合起來(lái)，以某大型水電企業(yè)超期服役下的含超標(biāo)平面缺陷的壓力容器為例，進(jìn)行了應(yīng)力分析及合于使用評(píng)價(jià)研究，為企業(yè)特種設(shè)備安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中廣泛開(kāi)展合于使用評(píng)價(jià)工作提供借鑒和參考。

1 某服役壓力容器

1.1 基本情況

某壓力容器為單層板焊結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該壓力容器于1990年前后投用，其服役年限已遠(yuǎn)超過(guò)其設(shè)計(jì)使用壽命。

表1 壓力油罐主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of pressure tank

圖1 壓力油罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of pressure tank

1.2 定期檢驗(yàn)情況

在對(duì)此壓力油罐的全面檢驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，上封頭與筒體連接環(huán)縫存在未熔合，且該缺陷尺寸已超過(guò)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》所允許的使用范圍，如表2所示。

表2 超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷情況Tab.2 Defects by ultrasonic examination

母材化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]中20R鋼的要求，如表3所示。硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)母材與焊縫硬度值為126～135 HB，符合《鍋爐和壓力容器用鋼板》[8]中20R材料的布氏硬度范圍（108～140 HB）。結(jié)合其使用條件，可以認(rèn)為該設(shè)備沒(méi)有明顯材質(zhì)劣化[9]。

表3 母材化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.3 Results of chemical composition analysis of base material%

另外，檢驗(yàn)人員采用超聲波測(cè)厚以及在該焊縫外壁面磁粉檢測(cè)中未見(jiàn)腐蝕減薄和磁痕顯示。

1.3 材料力學(xué)性能試驗(yàn)情況

由于該批次壓力油罐年代久遠(yuǎn)，部分隨機(jī)資料已遺失，焊接材料和焊接工藝無(wú)法確定。由于后續(xù)安全評(píng)定的需要，檢驗(yàn)人員對(duì)已經(jīng)報(bào)廢的、同批次壓力油罐進(jìn)行取樣，并根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)[10]，獲取了其力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如圖2所示?，F(xiàn)將試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果與《壓力容器用鋼板》[11]進(jìn)行對(duì)比，均符合要求，如表4所示。

圖2 力學(xué)性能試驗(yàn)情況Fig.2 Circumstance of mechanical testing

表4 材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of mechanical testing

2 缺陷成因分析和失效模式判斷

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備介質(zhì)進(jìn)行成分化驗(yàn)，不包含氫氣和硫化氫等，不存在氫損傷和硫化氫破壞等潛在的損傷機(jī)理。同時(shí)，根據(jù)上述缺陷檢驗(yàn)檢測(cè)、理化分析結(jié)果，可以認(rèn)為該超標(biāo)缺陷為制造過(guò)程中產(chǎn)生的未熔合，且未產(chǎn)生新增缺陷。

另外，該壓力油罐操作工況較穩(wěn)定，工作溫度為常溫，不易發(fā)生疲勞和蠕變失效[12]。因此，壓力油罐在該缺陷位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效，可采用《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》[13]中平面缺陷常規(guī)評(píng)定方法對(duì)埋藏缺陷進(jìn)行安全評(píng)定。

3 合于使用評(píng)價(jià)研究

3.1 缺陷表征

根據(jù)超聲檢測(cè)結(jié)果，未熔合缺陷實(shí)測(cè)最大自身高度h=5 mm，實(shí)測(cè)最大長(zhǎng)度l=8138 mm，板厚B=46 mm，距離內(nèi)外表面距離p1和p2分別為1 mm和40 mm。由于p1＜0.4h＜p2，現(xiàn)將缺陷規(guī)則化為半橢圓形表面缺陷，a=h+p1=6 mm，2c=l=8138 mm。

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

應(yīng)力按性質(zhì)可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，其中峰值應(yīng)力僅對(duì)低周疲勞或脆性斷裂的失效模式起作用，故本次分析不需要考慮峰值應(yīng)力[14-15]。其中，介質(zhì)的壓力和介質(zhì)和設(shè)備的自重以及外加的機(jī)械荷引起的一次應(yīng)力對(duì)缺陷開(kāi)裂起主要作用，缺陷部位與缺陷平面垂直的一次應(yīng)力是危險(xiǎn)應(yīng)力[16]。

現(xiàn)采用ANSYS14.0進(jìn)行有限元分析，簡(jiǎn)化后的模型如下：根據(jù)圣維南定理，為避免端面約束對(duì)分析部位產(chǎn)生影響，筒體取軸向長(zhǎng)度應(yīng)大于4Rit=960 mm（式中，Ri為筒體內(nèi)半徑，t為筒體名義壁厚），實(shí)際筒節(jié)軸向長(zhǎng)度取1500 mm；考慮到壓力油罐的對(duì)稱(chēng)性，采用1/4模型。分析時(shí)采用20節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元（C3D20R）進(jìn)行彈性分析求解。為保證計(jì)算精度，對(duì)缺陷部位網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，有限元分析模型和網(wǎng)格劃分情況如圖3和圖4所示。

圖3 壓力油罐三維有限元分析模型Fig.3 Three dimensional finite element analysis model of pressure oil tank

圖4 壓力油罐整體及局部網(wǎng)格劃分情況Fig 4 Overall and local grid division of pressure oil tank

3.2.2 邊界條件

圖5所示為邊界條件設(shè)置情況。其中，位移邊界條件主要是約束筒體下端面ΔY=0，以及在對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)位移約束。力邊界條件主要包括：（1）靜水壓力載荷（油密度0.8 kg·m-3），自由面設(shè)置為壓力油罐最頂端；（2）內(nèi)壁面施加載荷4.38 MPa（設(shè)計(jì)工況）；（3）筒體下端部施加等效應(yīng)力載荷pd1，計(jì)算值為58.43 MPa。等效應(yīng)力載荷公式如下：

圖5 邊界條件Fig 5 The boundary condition

式中：pc為計(jì)算壓力，MPa；Ri為筒體或接管端部?jī)?nèi)半徑，mm；Ro為筒體或接管端部外半徑，mm。

3.2.3 應(yīng)力分析結(jié)果

圖6所示為設(shè)計(jì)工況下含缺陷壓力油罐的應(yīng)力強(qiáng)度SINT（第三強(qiáng)度理論）云圖，圖中紅色區(qū)域表示高應(yīng)力區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示低應(yīng)力區(qū)。最大應(yīng)力強(qiáng)度為筒體和焊縫連接部位內(nèi)表面，顯然，該超標(biāo)未熔合缺陷破壞了壓力油罐的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致應(yīng)力增加，最大值可達(dá)到168.45 MPa。

圖6 應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖Fig 6 SINT picture of stress intensity

同時(shí)根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，建立路徑Path，并利用ANSYS的路徑線性化分析功能，分解得到缺陷位置最大一次薄膜應(yīng)力pm和一次彎曲應(yīng)力pb，其值分別為70.12 MPa和29.40 MPa。

3.3 安全評(píng)定

3.3.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算

出于保守的考慮，焊接殘余應(yīng)力引起的二次薄膜應(yīng)力取值Qm1=0.5σS=124 MPa，二次彎曲應(yīng)力Qb1=0 MPa[17]。焊縫部位未發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)邊、變形，計(jì)算二次應(yīng)力時(shí)不考慮錯(cuò)邊和變形的影響。

式中：σmP和σbP分別為缺陷部位一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，按照3.2節(jié)計(jì)算結(jié)果，并乘以安全系數(shù)（失效后果按一般考慮，取值1.1），分別為87.65 MPa，36.75 MPa；σmS和σbS分別為缺陷部位二次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，失效后果為嚴(yán)重時(shí)，安全系數(shù)取1.0，其值為155 MPa，0 MPa；fm和fb為裂紋構(gòu)形因子，取值為1.103，1.103[11]。

3.3.2 載荷比Lr和斷裂比Kr的計(jì)算

載荷比Lr計(jì)算結(jié)果為0.43，計(jì)算公式如下：

斷裂比Kr計(jì)算結(jié)果為0.85，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：G為裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，取1.0[11]；Ψ1為塑形修正因子中間參量，取0.027[11]；Kp為評(píng)定用材料斷裂韌性，用斷裂韌度KC除以安全系數(shù)1.1求得。

KC值為148.89 MPa·m0.5，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：KV2為沖擊功（0℃），根據(jù)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，取值為104 J，如表4所示。

3.3.3 失效評(píng)定

將計(jì)算得到平面缺陷點(diǎn)（0.42，0.85）繪制在通用失效評(píng)定圖中，如圖7所示。圖中FAC為失效評(píng)定曲線，為截止線=1.15）。顯然，平面缺陷點(diǎn)（0.42，0.85）位于失效評(píng)定圖的安全區(qū)，說(shuō)明在設(shè)計(jì)工況下超標(biāo)未熔合缺陷不影響壓力油罐的安全使用[18-19]。

圖7 失效評(píng)定Fig 7 Failure assessment chart

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)超期服役的壓力油罐，進(jìn)行超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲測(cè)厚、理化分析以及力學(xué)性能試驗(yàn)，在缺少相關(guān)資料的背景下，對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷進(jìn)行定性定量分析，并明確壓力油罐在該焊縫位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效。

（2）通過(guò)有限元分析獲取壓力油罐應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖，發(fā)現(xiàn)缺陷的存在破壞了壓力油罐結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使得SINT當(dāng)量應(yīng)力顯著增加，最大值可達(dá)到168.45 MPa。

（3）采用平面缺陷常規(guī)評(píng)定方法對(duì)含超標(biāo)未熔合缺陷的壓力油罐進(jìn)行安全評(píng)定，計(jì)算得到的評(píng)定點(diǎn)位于通用失效評(píng)定圖的安全區(qū)內(nèi)，為壓力油罐的安全使用提供了科學(xué)依據(jù)，為特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中廣泛開(kāi)展合于使用評(píng)價(jià)工作提供借鑒和參考。