臨氫環(huán)境下承受交變載荷的壓力容器合于使用評(píng)價(jià)及缺陷成因分析

潘曙平 甘 磊

（1.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院；2.國(guó)家管網(wǎng)西部管道甘肅輸油氣分公司）

壓力容器作為最常見(jiàn)的特種設(shè)備之一，在化工生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮了無(wú)可替代的作用。在制造或長(zhǎng)期使用過(guò)程中，復(fù)雜苛刻的工藝環(huán)境會(huì)導(dǎo)致壓力容器產(chǎn)生不同類型的缺陷。由于化工生產(chǎn)的連續(xù)性特點(diǎn)，頻繁停車(chē)檢修會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此需對(duì)含超標(biāo)缺陷的在用壓力容器進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)研究，找出缺陷產(chǎn)生的原因，避免發(fā)生失效事故。

筆者采用有限元應(yīng)力分析方法對(duì)某含缺陷的加氫裂化裝置氫氣壓縮機(jī)二級(jí)出口緩沖器進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，為容器維修提供科學(xué)依據(jù)。由于該設(shè)備在臨氫環(huán)境及疲勞工況下運(yùn)行，為避免再次失效，在缺陷部位取樣，通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡觀察及能譜分析等手段，分析該容器產(chǎn)生裂紋的原因。

1 合于使用評(píng)價(jià)

1.1 基本情況

某石化公司柴油加氫裂化裝置使用時(shí)長(zhǎng)約21個(gè)月，期間曾停車(chē)兩個(gè)月進(jìn)行了停車(chē)檢驗(yàn)。在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，K-101A二級(jí)出口緩沖器入口接管角焊縫處存在一處埋藏缺陷。緩沖器主要技術(shù)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)溫度 150 ℃

操作溫度 73 ℃

設(shè)計(jì)壓力 8.63 MPa

操作壓力 6.50 MPa

介質(zhì) 新氫

材料 筒體Q345R 接管16MnⅢ

規(guī)格 筒體壁厚δ=32 mm接管 φ375 mm×50 mm

壓力容器類別 Ⅱ類

管外 無(wú)保溫

1.2 檢驗(yàn)檢測(cè)情況

緩沖器入口接管焊接接頭滲透檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，可以看出，入口接管焊接接頭外表面未見(jiàn)開(kāi)口缺陷；超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫根部存在超標(biāo)埋藏缺陷，缺陷最大深度約18 mm?？紤]到該設(shè)備投用時(shí)間較短且緊急停車(chē)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故采用合于使用評(píng)價(jià)的方法判斷該缺陷是否需要立即維修。

圖1 緩沖器入口接管焊接接頭滲透檢測(cè)形貌

由于缺陷尺寸較大，故優(yōu)先考慮彈塑性斷裂失效的失效模式，采用GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》［1］中平面缺陷評(píng)定方法對(duì)該埋藏缺陷進(jìn)行安全評(píng)定。

1.3 缺陷表征

根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，該缺陷表征前后的缺陷尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 缺陷表征尺寸mm

1.4 應(yīng)力分析

采用有限元分析方法，得到整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖2 所示，設(shè)備最大應(yīng)力為達(dá)到了216.760 1 MPa。

圖2 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

根據(jù)GB/T 19624—2019中的平面缺陷常規(guī)評(píng)定方法，評(píng)定中所選的應(yīng)力是缺陷部位的主應(yīng)力，計(jì)算該主應(yīng)力時(shí)應(yīng)采用線彈性計(jì)算方法，并假設(shè)結(jié)構(gòu)中不存在缺陷。根據(jù)有限元分析計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果，選取各缺陷所在位置的應(yīng)力結(jié)果為一次應(yīng)力；按照GB/T 19624—2019第5.4.2條，保守地取材料的屈服強(qiáng)度為二次應(yīng)力。

乘以安全系數(shù)后，缺陷處的一次薄膜應(yīng)力Pm為32.21 MPa，一次彎曲應(yīng)力Pb為2.30 MPa，二次薄膜應(yīng)力Qm為305.13 MPa，二次彎曲應(yīng)力Qb為0 MPa。

1.5 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

根據(jù)材料學(xué)性能數(shù)據(jù)，計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。GB/T 19624—2019附錄D給出了典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI計(jì)算式：

其中，fm和fb為形狀系數(shù)，不同結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)算法及其取值詳見(jiàn)GB/T 19624—2019附錄D。文中取fm=1.60，fb=0.57，計(jì)算得一次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度因子=396.61，二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度因子=3664.38。

1.6 載荷比Lr和斷裂比Kr的計(jì)算

載荷比Lr是指引起一次應(yīng)力的施加載荷與塑性屈服極限載荷的比值，表示載荷接近于材料塑性屈服極限載荷的程度，不同結(jié)構(gòu)的載荷比計(jì)算式見(jiàn)GB/T 19624—2019附錄C （文中只給出計(jì)算結(jié)果）。

斷裂比Kr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，其計(jì)算式如下：

式中 G——相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，單獨(dú)評(píng)定時(shí)取1；

KC——以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示的材料斷裂韌度，或由J 積分?jǐn)嗔秧g度除以CTOD斷裂韌度換算的以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示的材料斷裂韌度，MPa·m1/2或N/mm3/2。

ρ為塑性修正因子，其計(jì)算式如下：

其中，Ψ1的值可根據(jù)的值查得（其中σs為評(píng)定溫度下的材料屈服強(qiáng)度，也可用其條件屈服強(qiáng)度σ0.2代替）。

1.7 失效評(píng)定

將計(jì)算得到的評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)值（Lr，Kr）標(biāo)注于通用失效評(píng)定圖上，具體如圖3所示。

圖3 FAC失效評(píng)定曲線

根據(jù)圖3可以得到Kr的評(píng)定曲線方程：

由圖3可知，評(píng)定點(diǎn)落在安全區(qū)外，故該缺陷未通過(guò)GB/T 19624—2019的安全評(píng)定，該容器無(wú)法滿足繼續(xù)安全使用的條件。為避免發(fā)生失效，保證壓力容器的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)缺陷部位進(jìn)行更換，并對(duì)缺陷成因及失效模式進(jìn)行分析。

2 缺陷成因分析及失效模式判斷

為探明缺陷成因及設(shè)備的失效模式，在缺陷處取樣分析。取樣部位及宏觀斷口局部形貌如圖4所示，可以看出斷口整體平整，無(wú)明顯塑性變形，呈脆性開(kāi)裂的特點(diǎn)；表面覆蓋垢物，焊縫內(nèi)存在未焊透缺陷。

圖4 取樣部位及宏觀斷口局部形貌

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)緩沖器筒體、接管和焊縫分別進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，筒體化學(xué)成分符合GB/T 713—2014對(duì)Q345R材料的要求；接管化學(xué)成分符合NB/T 47008—2017對(duì)16Mn材料的要求；焊縫化學(xué)成分符合GB/T 5117—2012對(duì)焊接材料E5015（J507）熔敷金屬的要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果wt%

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

在筒體和接管完好部位取樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，筒體屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和沖擊功均符合GB/T 713—2014對(duì)Q345R材料的要求；接管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和沖擊功均符合NB/T 47008—2017對(duì)16Mn材料的要求。

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.3 硬度測(cè)定

對(duì)焊接接頭進(jìn)行布氏硬度測(cè)定，結(jié)果表明，筒體側(cè)母材布氏硬度范圍為105HBW～123HBW；焊縫和兩側(cè)熱影響區(qū)布氏硬度均高于兩側(cè)母材硬度；接管側(cè)母材布氏硬度符合NB/T 47008—2017對(duì)16Mn材料的要求。

2.4 金相組織分析

焊接接頭缺陷及金相組織形貌如圖5所示?？梢钥闯觯诤缚p內(nèi)存在一處未焊透缺陷，兩條裂紋萌生于未焊透部位兩尖角處，沿熔合線由未焊透部位向外和向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋尖端呈臺(tái)階狀；筒體金相組織為鐵素體+珠光體，存在鐵素體帶狀組織（圖5c），根據(jù)GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》，帶狀組織級(jí)別為3級(jí)。

圖5 焊接接頭缺陷及金相組織形貌

2.5 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)原始斷口進(jìn)行清洗，清洗后斷口形貌如圖6所示，可以看出斷口呈雞爪狀形貌，符合氫致開(kāi)裂的特征。

圖6 清洗后的斷口形貌

對(duì)緩沖器內(nèi)壁垢物、原始斷口和金相樣品近斷口部位進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯瑑?nèi)壁垢物主要以鐵的氧化物形式存在，還含有F、S、Cl、P、Ca、Zn等雜質(zhì)元素；原始斷口垢物主要以鐵的氧化物形式存在，還含有Ca、Na、K、S、Mg、Al、Ti、Ni等雜質(zhì)元素，原始斷口塊狀垢物中含有Ca、F、Na、K、Mg、S、Al、Si等雜質(zhì)元素；金相樣品近斷口部位裂紋處主要以鐵的氧化物形式存在，還含有S、Cl、Al、K等雜質(zhì)元素。

表4 能譜分析結(jié)果

2.6 總結(jié)

經(jīng)過(guò)檢測(cè)及分析試驗(yàn)，緩沖器筒體材料的化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織為鐵素體+珠光體，存在鐵素體帶狀組織，帶狀組織級(jí)別為3級(jí)；接管材料的化學(xué)成分、拉伸性能、硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織為鐵素體+珠光體；焊縫和熱影響區(qū)組織為索氏體+針狀、塊狀分布的鐵素體；斷口具有氫致開(kāi)裂的特征。

緩沖器入口接管焊接接頭處焊縫存在未焊透缺陷，該缺陷局部存在尖角，在尖角處易發(fā)生應(yīng)力集中，此處為焊接接頭的最薄弱部位。該處長(zhǎng)期受結(jié)構(gòu)應(yīng)力和工作應(yīng)力共同作用，缺陷的尖角處萌生裂紋。緩沖器介質(zhì)為新氫，氫氣吸附于緩沖器內(nèi)表面并分解成氫原子，氫原子較小，易向金屬中擴(kuò)散，裂紋部位為強(qiáng)氫陷阱，氫不斷富集，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。筒體組織存在鐵素體帶狀組織，帶狀組織易成為輸氫通道，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展；在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)加速裂紋擴(kuò)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)某柴油加氫裂化裝置壓縮機(jī)出口緩沖器的埋藏缺陷，使用有限元分析方法進(jìn)行了合于使用評(píng)價(jià)，評(píng)定點(diǎn)落在安全區(qū)外，缺陷未通過(guò)GB/T 19624—2019的安全評(píng)定，故該容器無(wú)法繼續(xù)安全使用。為避免發(fā)生失效，保證壓力容器的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)缺陷部位進(jìn)行更換，并對(duì)缺陷成因及失效模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明，斷口具有氫致開(kāi)裂的特征，緩沖器入口接管焊接接頭處焊縫存在未焊透缺陷，該缺陷局部存在尖角，在尖角處易發(fā)生應(yīng)力集中，此處為焊接接頭的最薄弱部位，需制定措施加以解決。