接管與殼體連接結構及其應力特點、無損檢測方法

劉曉龍

(煙臺萬華化工設計院有限公司,山東 煙臺 264006)

壓力容器為滿足工藝操作及容器制造、安裝、檢驗和維修等要求,需在壓力容器殼體上進行開孔并安裝接管。殼體開孔削弱了容器的整體強度,而且因開孔引起應力集中在局部有較高應力值。接管有時還承受各種外加載荷或溫差應力,使得局部應力值進一步提高。接管與殼體連接處是壓力容器薄弱點,壓力容器失效破裂往往從接管處開始。因此,設計時采用合適的接管結構,降低開孔處應力集中系數(shù),方便制造加工,并進行無損檢測確保焊接質量,就可以提高壓力容器運行的安全性。

1 接管結構簡介

接管與殼體連接一般有以下幾種結構,插入式;安放式;嵌入式。在工程設計中,應根據(jù)開孔補強計算的需要及工藝、制造、焊接、探傷、經濟性等方面要求綜合考慮,選擇合適的結構。

圖1 接管與殼體的連接結構

1.1 插入式接管

插入式接管是壓力容器中應用最廣泛的一種結構,可分為與設備內壁平齊結構和接管內伸結構。接管是否內伸,往往需要根據(jù)工藝需求來確定,如防靜電要求、液面穩(wěn)定要求等等。當工藝無特殊要求時,可按標準SH/T 3074—2018中7.3.3條采用接管有一定內伸的結構,見圖2。采用此結構,制造廠不用再在設備內部打磨多余金屬,減少了受限空間內的工作量,且該結構在一定程度上可以降低應力集中系數(shù),改善開孔處應力。當接管為排凈口時,可在最低、最高點處開半圓孔,以滿足排凈要求。但當接管內伸部分影響內部構件布置或物料裝卸時,應采用平齊式結構。

圖2 插入式接管連接結構

設計人員應對工藝流程及操作過程有一定了解,采用合適的結構,避免因結構選取不當造成局部腐蝕、壁厚減薄等,最終引發(fā)設備破裂失效。例如介質自管線進入空間相對寬闊的設備時,在壓力有所降低的同時可能會產生閃蒸、氣蝕、沖刷等現(xiàn)象,會導致設備局部減薄引發(fā)事故。曾有某單位設計的立式容器,進口在容器側壁,并采用平齊式結構,進口介質為液相還可能夾帶氣體,在使用時進口上方筒體壁厚減薄至不到1 mm,最終引發(fā)嚴重的生產事故,而對比同工況下進口管采用了內伸式結構的設備,經測厚檢查沒有筒體璧厚局部減薄的現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 安放式接管

安放式接管是將接管焊于殼體的外表面,通常接管厚度較大而殼體壁厚較小、殼體厚度遠大于接管壁厚或者容器內部無法施焊、清根時采用此結構。此結構相對于插入式接管更容易進行無損檢測,常常應用在高壓容器中,例如高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器中與接管相焊的殼體厚度很大,并且焊接接頭需要進行100%射線和超聲檢測,采用此結構能充分發(fā)揮兩種無損檢測的優(yōu)點,可發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的根部未熔合和夾渣等焊接缺陷,保證焊接接頭的質量。

安放式接管可采用焊后鏜孔結構,即在焊后將焊縫處未焊透的根部通過機加工鏜去,保證焊縫質量,見圖3。但對于一些大型設備,無法在廠房內加工制造,亦不能進行鏜孔加工時,不應采用這種結構。

圖3 安放式接管鏜孔結構

采用安放式接管結構時,應注意在標準GB/T 150.3—2011中規(guī)定殼體開孔處鋼板截面應無分層現(xiàn)象。為了滿足這一要求,通常要求對鋼板逐張進行超聲檢測,必要時再輔以磁粉或滲透檢測,檢查開孔處材料的表面質量。

1.3 嵌入式接管

嵌入式接管是開孔補強整體補強中的整體鍛件補強結構,這種結構是將接管和其與殼體連接處部分連同加強部分作成一個整體鍛件,然后再與接管和殼體對焊在一起。一般適用于球形封頭或橢圓形封頭中心部位的接管與封頭的連接。

其優(yōu)點是:補強金屬集中于開孔應力最大的部位,應力集中系數(shù)小;采用對接焊縫,使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應力點的位置;抗疲勞性能好,開孔后疲勞壽命只降低10%～15%左右。但因其機加工量大、制造較困難、成本高,所以一般在承受疲勞載荷、大溫度梯度、低溫等較苛刻的操作條件的重要設備上采用。

2 接管結構對應力集中、疲勞壽命的影響

2.1 接管有無內伸對應力集中系數(shù)的影響

以球殼開孔為例,根據(jù)薄殼理論和試驗結果繪制的圖表見圖4。圖中曲線的適用范圍如下:開孔大小的范圍為0.01≤r/R≤0.4;容器壁厚的限制為30≤R/S≤150;只限于整體件補強情況。

p—球殼內壓,MPa;r—接管半徑,mm;R—球殼半徑,mm;S—球殼有效厚度,mm;t—表示接管厚度,mm;ρ—開孔系數(shù),無因次量;α—應力集中系數(shù);σmax—最大應力,MPa。圖4 球殼開孔平齊、內伸式接管的應力集中系數(shù)

應力集中系數(shù)是開孔系數(shù)的函數(shù),開孔系數(shù)越大,應力集中系數(shù)越大;應力集中系數(shù)還隨t/S而變,殼體厚度不變,接管越厚,應力集中系數(shù)小;t/S越接近于1.0,應力集中系數(shù)越小,因此標準GB/T 150.3—2011中規(guī)定在采用厚壁管進行補強設計時,宜控制t/S在0.5～2;對同一球殼,開孔大小、接管壁厚相同,采用內伸式接管比平齊接管的應力集中系數(shù)更小,例如當開孔系數(shù)為1.0時,平齊式接管應力集中系數(shù)約為2.5,而內伸式接管應力集中系數(shù)約為1.8。

2.2 局部高應力區(qū)避免出現(xiàn)溫差應力

設備在實際操作過程中,進料口介質的溫度可能不斷波動或間歇性投入,若進料溫度與設備金屬壁溫度差值過大,角焊縫高應力區(qū)會因溫差應力的影響導致疲勞破裂。在進行結構設計時,可考慮將溫差應力影響區(qū)和高應力區(qū)影響區(qū)分開布置,避免二者疊加造成熱疲勞。例如在汽包設計中,加藥管、給水管與設備連接時常采用套管結構,套管分為焊接、套和兩種形式,見圖5。

圖5 焊接式(左)、套和式(右)套管

2.3 接管型式、方位及幾何參數(shù)對疲勞壽命的影響

根據(jù)相關試驗研究,接管形式、方位及幾何參數(shù)對疲勞壽命的影響如下:

2.3.1 接管型式影響

完全焊透內伸式接管疲勞壽命降低最少;未全焊透的內伸管疲勞壽命較全焊透者低,但比平齊式接管要高;經磨削的平齊式接管疲勞裂紋的起點在接管內壁下角,內伸式接管則在角焊縫與母材的邊界上。

2.3.2 接管方位影響

沿殼體法線方向布置的垂直接管疲勞壽命降低最少,疲勞壽命隨接管的傾斜角度增加而顯著下降;筒壁較厚(如直徑壁厚比為30)容器的切向接管,安放式接管疲勞壽命較高,且接管與筒體軸線的偏心距對壽命影響不大;薄壁筒體(如直徑壁厚比為100)內伸式接管疲勞壽命較高,且偏心距影響顯著,距離增加,壽命降低。

2.3.3 幾何參數(shù)影響

殼體直徑不變,開孔直徑越大疲勞壽命越低;殼體壁厚不變,接管厚度增加,疲勞強度提高;對安放式接管,開孔較小時(接管直徑與設備直徑比值小于0.4),接管壁厚越大,疲勞壽命越高,開孔較大時(直徑比值大于0.4),接管壁厚增加并不能提高疲勞壽命。

3 接管D類焊接接頭的無損檢測

如前文所述,接管與殼體連接處因結構不連續(xù),局部應力值較高,常常是設備超壓或疲勞開裂的起始位置。因此對重點設備,應采用合適的無損檢測方法保證該處焊接接頭的質量。

嵌入式接管與殼體連接的焊接接頭屬于A類,其無損檢測相對容易。而插入式接管或安放式接管與殼體連接的焊接接頭屬于D類,無損檢測相對困難,對其表面缺陷,一般采用磁粉檢測(鐵磁性材料優(yōu)先采用磁粉檢測)或滲透檢測;對內部缺陷,則采用射線檢測、超聲檢測或相控陣超聲檢測,此三種檢測方法特點如下。

3.1 射線檢測

對平齊式接管或插入式接管角焊縫進行射線檢測,可檢測出角焊縫中是否存在坡口未熔合、裂紋等缺陷,但較難確定缺陷的深度位置和自身高度。射線檢測時底片的布置方法有兩種,示例見圖6～7,圖6中1表示射線源焦點,2表示膠片,b表示工件至膠片距離。實際檢測過程中,射線源的位置、底片能否貼近焊接接頭表面,都影響成像效果,而且角焊縫因結構限制,在底片上的成像變形大,缺陷處不易觀察,部分制造廠無法采用射線檢測來保證焊接質量。

圖6 接管角焊縫的單壁外透照(以插入式接管為例)

3.2 超聲檢測

接管與殼體連接的D類接頭一般采用直探頭和斜探頭進行組合超聲檢測。對縱向缺陷檢測采用斜探頭或斜探頭+直探頭;對橫向缺陷檢測采用斜探頭橫向掃查。檢測時對探頭移動一定的寬度,以便檢測出相關缺陷,確保檢測效果。具體檢測要求見圖7。部分工程公司規(guī)定設計壓力、接管公稱口徑達到一定數(shù)值時,要求接管與殼體的角焊縫應進行100%超聲檢測?！秹毫θ萜鳌治鲈O計 第6部分:制造、檢驗和驗收》征求意見稿中第10.3.2條規(guī)定,NB/T 47013.4適用范圍內的接管與殼體相焊的D類焊接接頭應進行100%超聲檢測。對插入式接管,角焊縫超聲檢測適用范圍如下:

圖7 接管角焊縫超聲檢測(以安放式接管為例)

(1)筒體(或封頭)檢測面曲率半徑≥250 mm且內外徑比≥70%;

(2)接管公稱直徑≥80 mm;

對安放式接管,角焊縫超聲檢測適用范圍如下:

(1)筒體(或封頭)檢測面曲率半徑≥150 mm;

(2)接管公稱直徑≥100 mm。

3.3 相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測是一種可記錄的脈沖反射法超聲檢測技術,其檢測過程無輻射,對于危害性面狀缺陷檢出率高,缺陷定性可靠、定位定量準確,其檢測效果與射線檢測基本一致甚或部分更優(yōu)。國家能源局2021年發(fā)布的第3號公告,批準NB/T 47013.15—2021《承壓設備無損檢測 第15部分:相控陣超聲檢測》施行,標志著該檢測方法正式納入承壓設備的無損檢測。該檢測方法的探頭布置見圖8。

圖8 角焊縫探頭位置示意圖(以內伸式插入管為例)

相控陣超聲檢測還可用于更復雜焊接接頭的無損檢測。例如,在SH/T 3501—2021《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》中第8.3.12條規(guī)定,補強圈覆蓋的焊接接頭應經過100%無損檢測合格后,方可進行補強圈的焊接。因此接管角焊縫和補強圈角焊縫需要分兩次焊接,見圖9。此類焊接接頭在定期檢驗時,接管角焊縫因被補強板角焊縫覆蓋,無法進行磁粉或滲透檢測;射線檢測又因結構的限制,也無法進行檢測或評定;常規(guī)超聲檢測無法覆蓋整個檢測區(qū)域,檢測難度大,且檢測結果不直觀。在制定特定相控陣超聲檢測工藝進行模擬驗證后,證明采用相控陣超聲檢測可以有效檢測出模擬的氣孔、坡口未熔合和未焊透缺陷。

圖9 帶補強圈安放式接管角焊縫

4 結語

(1)不同接管結構適用范圍不同,接管結構應根據(jù)工藝操作特點、是否便于加工制造以及設備重要程度、無損檢測難易程度等等因素綜合考慮確定。

(2)接管壁厚與殼體壁厚比值應控制在一定范圍內以降低應力集中系數(shù);內伸式接管可降低應力集中系數(shù);有溫差波動接管應合理設計接管結構,避免應力集中區(qū)域與溫差應力影響區(qū)域重合;不同接管型式、方位及幾何參數(shù)對疲勞壽命影響不同,在接管的設計過程中應根據(jù)疲勞壽命要求確定合理參數(shù)。

(3)D類接頭是設備的薄弱點,僅進行表面探傷已無法滿足日趨嚴格的質量要求;射線檢測因成像問題,不易觀察缺陷及確定缺陷位置;超聲檢測可移動探頭位置,檢測出焊接缺陷,但對插入式接管和安放式接管有一定的適用范圍;新實施標準中的相控陣超聲檢測可記錄、檢測效果好,還可用于復雜焊接接頭的檢測,在設備制造、定期檢驗中將會有更多的應用。