基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術

賴永泉

( 廈門市特種設備檢驗檢測院 廈門 361004 )

基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術

賴永泉

( 廈門市特種設備檢驗檢測院 廈門 361004 )

鑒于壓力容器應用的廣泛性，對其進行安全評估猶為重要。文章闡述了壓力容器合于使用評價的方法，并通過對一臺中壓空氣儲罐檢驗發現的一處埋藏缺陷，基于“合于使用”原則進行常規評定，詳細分析了評定過程及其參數的確定方法，結果表明對在用含缺陷壓力容器進行合于使用評價具有非常重要的工程意義。

合于使用 壓力容器 安全評定 埋藏缺陷

壓力容器被廣泛應用在石油、化工、冶金、電力、醫藥和食品等行業。在壓力容器制造環節中，通常會遺留下一些“非超標缺陷”，使用過程因載荷、介質等因素影響，缺陷會擴展甚至萌生新的缺陷。實踐證明，并非所有“超標缺陷”都會導致壓力容器立即失效，如果采用立即停機返修或報廢等措施，就會造成經濟損失[4]，而且返修過程中電弧氣刨、焊接等過程也會對材料性能產生影響，甚至加速材料的劣化，從而使壓力容器失效。

依據我國的安全技術規范，在用壓力容器實行定期檢驗，如果發現嚴重缺陷可能導致壓力容器停止使用，或者壓力容器安全狀況等級定為4級且監控使用，如果生產工藝條件不允許停機采用修理的方法來消除缺陷時，可以對缺陷進行合于使用評價[1]。基于合于使用原則對在用含缺陷壓力容器進行安全評定，只返修那些對壓力容器安全運行造成威脅的危險性缺陷，而對壓力容器安全運行不構成威脅的缺陷，則給予保留，對壓力容器檢驗來說具有非常重要的意義。

本文針對一臺含埋藏缺陷空氣儲罐，基于合于使用原則進行常規評定，詳細分析了評價過程。

1 壓力容器合于使用評價方法

“合于使用”評價方法是以斷裂力學為理論基礎，承認結構存在構件形狀、材料性能偏差和缺陷的可能性，在考慮經濟性的基礎上，科學分析缺陷對結構的影響，保證結構不發生已知機制失效的一種分析方法。

在我國，在用含缺陷壓力容器的合于使用評價按照GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》的要求進行，該標準以CVDA規范中的裂紋張開位移和應力強度因子為主要參量，以彈塑性雙判據法為基礎，評定的缺陷分為平面缺陷和體積缺陷，考慮的失效模式包括斷裂失效、塑性失效、疲勞失效。其中，平面缺陷包括裂紋、未熔合、未焊透以及深度大于等于1mm的咬邊；體積缺陷包括凹坑、氣孔、夾渣以及深度小于1mm的咬邊。

標準中對斷裂及塑性失效評定采用二級評定的路線，分別為缺陷的簡化和常規評定。簡化評定采用CVDA中的CVDA設計曲線，以失效評定圖表示；常規評定采用較成熟的R6通用失效評定曲線，并根據國情選擇了適當的分安全系數，以防止斷裂及塑性失效。簡化評定是初選評定，常規評定是更為精確的評定[7]，兩級評定間通過相應的分安全系數合理銜接，從而建立了既相對獨立又相互聯系的關系。

壓力容器安全評定的內容應包括對評定對象的狀況調查（歷史、工況、環境等）、缺陷檢測、缺陷成因分析、失效模式判斷、材料檢驗（性能、損傷與退化等）、應力分析、必要的實驗與計算，并根據標準的規定對評定的對象的安全性進行綜合分析和評價。

2 基于合于使用原則對在用含缺陷壓力容器的常規評定案例

2.1 壓力容器概況

某公司一臺立式空氣儲罐在檢驗時，經無損檢測發現上封頭與筒體連接焊縫有一處埋藏裂紋。由于生產原因無法停機對缺陷進行處理，將按照GB/T19624就該缺陷在正常操作壓力和溫度下是否發生破裂進行評定。該空氣儲罐的埋藏缺陷位于偏離焊縫中心靠近筒體側，其相關信息見表1。表2為空氣儲罐的主要技術參數。

表1 壓力容器缺陷

表2 壓力容器主要技術參數

根據空氣儲罐的操作特點和歷次檢驗報告，由于工況穩定且工作溫度小于材料的蠕變溫度，升降壓操作頻次低，使用介質與材料不存在應力腐蝕傾向，所以不考慮蠕變、疲勞、應力腐蝕等失效模式。此外，該缺陷不與介質接觸，不會因介質等因素導致裂紋擴展。因此，評定考慮的潛在失效模式為靜態裂紋尖端因應力集中導致的彈塑性斷裂失效。設備盛裝介質為空氣，類別為第Ⅱ類中壓容器，處于生產工藝重要位置，考慮失效后果按“嚴重”進行評定，常規評定安全系數取值見表3。

表3 常規評定安全系數取值

2.2 安全評定參數計算

●2.2.1 缺陷的表征

安全評定時，應對實測平面缺陷進行規則化表征處理，即表征為規則的裂紋缺陷、埋藏缺陷或穿透缺陷，表征后裂紋形狀為橢圓形、圓形、半橢圓形或矩形。該空氣儲罐的埋藏缺陷表征為高為2a、長為2c的橢圓形，如圖1所示。

圖1 埋藏缺陷規則化示意圖

由于空氣儲罐的外壁防腐層良好，因此外壁腐蝕量取0mm。而筒體與封頭焊接采用削薄處理，因此評定用計算厚度B=17.2-(18-17.2)×3÷10=16.96mm。缺陷高度h=2a=11.1－8.7=3.4mm，缺陷指示長度l=2c=28mm，缺陷至外表面距離p2=8.7mm，缺陷至內表面的距離p1=B-11.1=16.96-11.1=5.86mm。

●2.2.2 應力的確定

該空氣儲罐安全評定應考慮的應力有介質壓力及其產生的應力，按一次應力考慮；焊接引起的焊接殘余應力以及幾何結構不連續產生的局部應力，按二次應力考慮。標準規定在評定中所取用的應力是缺陷部位的主應力，計算時采用線彈性計算方法經線性化處理后獲得，并假設結構中不存在缺陷。在實際檢驗中，缺陷的分布方向是不規則的，且缺陷的精確分布情況的獲得也存在困難。文獻[7]對表面缺陷進行安全評定時假定應力是均勻分布的來計算一次應力產生的薄膜應力pm，忽略其產生的彎曲應力pb。隨著有限元技術的發展，基于ANSYS軟件的應力分析技術可以獲得壓力容器受力后的應力分布情況，且線性化處理后可以獲得薄膜應力和彎曲應力，因此，本文將采用有限元法來求取pm和pb。

1）pm和pb的確定

基于設備的圖紙和現場檢測的結果，采用8節點2D實體單元PLANE82來分析平面應力和軸對稱問題。為了獲取焊縫區的應力分布情況，忽略容器封頭上遠離焊縫的接管，同時考慮邊緣應力的影響，取筒節軸向長度500mm，建立有限元模型并加載求解獲得應力分布云圖，如圖2所示。

圖2 有限元模型與應力分布云圖

從圖可以看出焊縫區的應力是非線性分布的，應力強度SINT的最大值位于焊縫與封頭連接處。考慮到實際缺陷位置及分布情況的不規則性，定義分析路徑PATH1和PATH2，分別位于焊縫中線和筒體與焊縫區的連接線，如圖2所示。將SINT當量應力映射到分析路徑上，并分別進行線性化處理，得到薄膜應力和彎曲應力的分布圖，如圖3所示。

圖3 應力線性化分布圖

取兩路徑的應力平均值進行安全評定，見表4。

表4 操作工況下各路徑上薄膜應力和彎曲應力

2）Qm和Qb的確定

Qm和Qb分別為二次應力分解得到薄膜應力和彎曲應力。本案例中，Qm由焊接殘余應力引起，Qb由焊接殘余應力和錯邊引起。對于焊接殘余應力引起的薄膜應力和彎曲應力，根據GB/T19624，可取Qm=0.3=97.50MPa，Qb1=0。錯邊引起的二次彎曲應力Qb2按下式計算。

式中：B1為錯邊兩側容器壁厚的較大值，取筒體壁厚；B2為錯邊兩側容器壁厚的較小值，取封頭壁厚。

計算求得Qb2=11.94MPa。最終由二次應力引起的彎曲應力為Qb=Qb1+Qb2=11.94MPa

●2.2.3 材料性能數據Kc、Kp的確定

對于在用壓力容器，通常材料的斷裂韌度Kc不能實測，可用CTOD斷裂韌度δc值，按下式估算。

常規評定時，考慮分安全系數后，取Kp=Kc/1.2=2029.36 N·mm-3/2。

●2.2.4 應力強度因子的計算

和一次應力pm、pb和二次應力Qm、Qb作用下的應力強度因子，計算時，應將前述表征裂紋尺寸和應力乘以表3的分安全系數，見表5。

表5 常規評定所需基本數據

埋藏缺陷在薄膜應力和彎曲應力作用下沿缺陷尺寸方向a、c的裂紋構形因子，其計算如下：

式中：e為埋藏裂紋中心與板厚中心的偏移量，即e=B/2-p1-a=0.75。

由于沿缺陷尺寸方向c的裂紋構形因子小于沿缺陷尺寸方向a的裂紋構形因子，因此，評定時只考慮沿缺陷尺寸方向a的應力強度因子，即一次應力引起的沿裂紋尺寸方向a的應力強度因子；二次應力引起的沿裂紋尺寸方向a的應力強度因子

●2.2.5 載荷比Lr的計算

載荷比Lr是引起一次應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，按下式計算：

●2.2.6 斷裂比Kr的計算

斷裂比Kr是指施加載荷作用下的應力強度因子與以應力強度因子表示的材料斷裂韌度的比值，按下式計算：

=0 31. ，查圖4得ψ1=0.025，取ρ=ψ1=0.025。

圖4 取值

2.3 安全性評價結果

將評定點(Lr，Kr)繪制在通用失效評定圖中，如圖5所示。

圖中，由FAC曲線、Lr= Lrmax直線和兩直角坐標軸所圍成的區域之內為安全區，該區域之外為非安全區。對于16MnR等具有長屈服平臺的材料[6]，且工作溫度低于200℃時，取，則該缺陷在正常操作工況下的評定點位于失效評定圖的安全區，因此，評定結論為合于使用。

圖5 壓力容器安全評定通用失效評定圖

3 結論

通過前面的評定案例，可以發現，空氣儲罐的埋藏裂紋并不影響它的安全使用，如果返修或將容器判廢，就會造成巨大的經濟損失。因此，檢驗發現 “超標缺陷”的壓力容器不等于不能使用，從合于使用的角度出發，對“超標缺陷”加以區別對待，具有非常重要的意義。

1 TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

2 GB/T 19624—2004 在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

3 余偉煒,等. ANSYS 在機械與化工裝備中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

4 韓毅,等. 含缺陷壓力容器安全評定的發展歷程與趨勢[J]. 石油化工設備技術, 2012, 33(4): 47～50.

5 楊德生,等. 應力線性化原理在壓力容器分析設計中的應用[J].化工裝備技術, 2010, 31(1): 21～22.

6 李亞寧,等. 含裂紋型缺陷壓力容器用鋼失效評定曲線研究[J].有色金屬, 2007, 59(1): 10～13.

7 紀熙,等. 含缺陷球形壓力容器的簡化、常規評定[J]. 化工機械, 2011, 38(47): 396～399.

The Safety Assessment Technology of Pressure Vessel Base on Fitness for Service Principle

Lai Yongquan (Xiamen Institute of Standardization Xiamen 361004)

Since the pressure vessels are widely used, the safety evaluation of them is very important. In this paper, the ftness for service evaluation of pressure vessel is described. And the illustration of general assessment basing on ftness for service principle is given for a buried defect of one medium-pressure air tank. The result shows that theftness for service evaluation of pressure vessel with defect has signifcant for engineering application.

Fitness for service Pressure vessel Safety assessment Buried faw

X933.4

B

1673－257X(2014)11－21－05

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.007

賴永泉(1978～)，男，工程師，主要從事特種設備檢驗檢測工作。

2014-07-23）