管式褐煤干燥機(jī)低溫環(huán)境下端板焊縫缺陷的安全評(píng)定

（承德石油高等專科學(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北承德067000）

0 前言

管式褐煤干燥機(jī)屬于承壓設(shè)備，是一種多管式封閉式回轉(zhuǎn)圓筒，主要服務(wù)于坑口電廠的發(fā)電以及煤化工等行業(yè)[1]，其中端板位于干燥機(jī)兩端，是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。由于焊接過程中常常使焊縫組織性能劣化，產(chǎn)生高數(shù)值的焊接殘余應(yīng)力甚至缺陷[2]，尤其是在低溫環(huán)境下，端板外部溫度由環(huán)境溫度決定，若缺陷此時(shí)出現(xiàn)在端板外部焊縫處，焊接接頭會(huì)由延性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，且應(yīng)力易集中于焊接缺陷處，導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生斷裂造成突發(fā)性及災(zāi)難性事故。因此，對(duì)端板外部含缺陷焊縫部位低溫環(huán)境下進(jìn)行安全評(píng)定以保證整機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外對(duì)含體積型缺陷承壓設(shè)備“合乎使用”安全評(píng)定代表性的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T19624-2004、API579-2007、BS7910-2005、FITNET FFS 等[3-7]。但《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T19624-2004）是適合我國國情且用來評(píng)定主要構(gòu)件和焊接結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行“合于使用”評(píng)定的一種方法，集成了國內(nèi)承壓設(shè)備安全評(píng)定的最新研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將國內(nèi)在用含缺陷承壓設(shè)備安全評(píng)定技術(shù)提高到當(dāng)代國際水平，為降低國內(nèi)承壓設(shè)備災(zāi)難性事故率提供了有效的技術(shù)手段[8]。

通過對(duì)某管式褐煤干燥機(jī)端板Q370R鋼焊接接頭焊縫部位進(jìn)行低溫力學(xué)性能試驗(yàn)和分析，根據(jù)GB/T19624-2004標(biāo)準(zhǔn)對(duì)端板焊縫處外表面裂紋進(jìn)行安全性評(píng)定，這也為GB/T19624-2004進(jìn)行Q370R鋼結(jié)構(gòu)的低溫安全評(píng)定奠定基礎(chǔ)。

1《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》GB/T19624-2004介紹

1.1 標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分

GB/T19624-2004采用三級(jí)評(píng)定技術(shù)路線，即簡(jiǎn)化評(píng)定、常規(guī)評(píng)定、分析評(píng)定，分別采用不同的分安全系數(shù)使三級(jí)評(píng)定方法合理銜接。這種合理的銜接安排為三級(jí)評(píng)定方法建立了各級(jí)既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系和銜接的合理關(guān)系，也為用戶根據(jù)實(shí)際情況采用任何一級(jí)安全評(píng)定方法進(jìn)行平面缺陷的安全評(píng)定提供了可能[9]。本研究采用前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)進(jìn)行安全評(píng)定。

1.1.1 簡(jiǎn)化評(píng)定

簡(jiǎn)化評(píng)定屬于第一等級(jí)，所需數(shù)據(jù)及評(píng)定結(jié)果相對(duì)其他等級(jí)要簡(jiǎn)單和保守，只能用于缺陷安全性的粗略評(píng)定。該等級(jí)參照BSI PD6493-91將COD設(shè)計(jì)曲線轉(zhuǎn)化為以為縱坐標(biāo)，Sr為橫坐標(biāo)，以為截止線的矩形失效評(píng)定圖的形式，并依據(jù)材料屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb及斷裂韌度δc計(jì)算評(píng)定點(diǎn)，只要評(píng)定點(diǎn)落在矩形范圍內(nèi)則該缺陷可以接受，結(jié)構(gòu)安全；反之，則不可接受和不能保證安全。

1.1.2 常規(guī)評(píng)定

常規(guī)評(píng)定改進(jìn)了失效評(píng)定曲線，同時(shí)加入了符合我國國情的分安全系數(shù)，得到更為精確的評(píng)價(jià)，降低了評(píng)價(jià)的保守性。要求的輸入?yún)?shù)少且易獲得、原理較簡(jiǎn)單、使用方法簡(jiǎn)便、評(píng)定精確度和可靠性適中[10]。

常規(guī)評(píng)定首先確定材料的屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb。分別計(jì)算出一次應(yīng)力和二次應(yīng)力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)而計(jì)算出斷裂比Kr和載荷比Lr[11]，將評(píng)定點(diǎn)（Lr，Kr）繪制于失效評(píng)定曲線FAC及垂線Lr=Lrmax中，若評(píng)定點(diǎn)落在兩坐標(biāo)軸、Lr=Lrmax直線及FAC曲線所圍區(qū)域內(nèi)則表明結(jié)構(gòu)安全，該缺陷允許存在；反之，則不安全和不允許存在。

失效評(píng)定曲線（FAC）方程為

垂直線的方程為

2 參數(shù)確定

2.1 焊接參數(shù)

褐煤干燥機(jī)主體結(jié)構(gòu)筒體壁厚16mm，筒體外徑3 000 mm，兩端端板材質(zhì)為Q370R鋼，板厚40 mm。端板采用焊條電弧焊打底、埋弧自動(dòng)焊填充的方法焊接，接頭形式和焊接參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 坡口形式及尺寸Fig.1 Groove form and size

2.1 低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果及斷裂韌度

對(duì)Q370R鋼焊接接頭進(jìn)行全焊縫-20℃低溫拉伸試驗(yàn)，焊縫具有屈服平臺(tái)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

斷裂韌度按照GB2358-94標(biāo)準(zhǔn)制備直三點(diǎn)彎曲試樣，在焊縫處采用單邊預(yù)制疲勞裂紋，斷裂韌度如表3所示，取焊縫處斷裂韌度值中的最小值δc=0.22評(píng)定，這樣會(huì)使評(píng)定結(jié)果偏安全[12]。

2.2 評(píng)定裂紋尺寸及應(yīng)力情況

褐煤干燥機(jī)主體結(jié)構(gòu)按照裂紋位置分為內(nèi)表面裂紋、外表面裂紋、穿透裂紋、埋藏裂紋，本研究

主要針對(duì)管式褐煤干燥機(jī)端板焊接接頭焊縫部位外表面裂紋進(jìn)行評(píng)定。對(duì)端板進(jìn)行無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)拼接焊縫處外表面裂紋經(jīng)規(guī)則化后尺寸a=24 mm（a為裂紋高度），2c=85 mm（2c為裂紋長(zhǎng)度），且該裂紋與拼接焊縫平行，如圖2所示。對(duì)管式褐煤干燥機(jī)內(nèi)部采用最大允許工作壓力進(jìn)行評(píng)定計(jì)算，這樣對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果偏安全，通過如下公式計(jì)算出最大允許工作壓力為5.079 MPa。

式中 [σ]t為筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)；δe為筒體有效厚度；Di為筒體內(nèi)直徑。

表1 焊接參數(shù)Table 1 Welding experimental conditions

表2 Q345E的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of Q345E

表3 焊縫-20℃時(shí)斷裂韌度Table 3 Fracture toughness of weld at-20℃

圖2 裂紋形狀示意Fig.2 Assumed flaw shape in girth weld

3 安全評(píng)定計(jì)算[13]

3.1 簡(jiǎn)化評(píng)定計(jì)算

3.1.1 等效裂紋尺寸的確定

裂紋尺寸a=24mm，2c=85mm，端板厚B=40mm，依據(jù)GB19624-2004標(biāo)準(zhǔn)并查表得

3.1.2 Sr的計(jì)算

載荷比Lr

得Sr=0.264。

3.1.3 δ及的計(jì)算

式中 σ∑為總當(dāng)量應(yīng)力，σ∑=σ∑1+σ∑2+σ∑3，其中 σ∑1=K1Pm，σ∑2=XbPb，σ∑3=XtQ。K1為由焊縫形狀引起的應(yīng)力集中系數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)時(shí)，K1=1.0；Xt為焊接殘余應(yīng)力折合系數(shù)，表面裂紋取0.6；Q取屈服強(qiáng)度；Mg為鼓脹效應(yīng)系數(shù)筒形容器平均半徑R=1 492 mm；E為彈性模量。

根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，材料斷裂韌性實(shí)測(cè)值除以1.2用于δc計(jì)算，經(jīng)計(jì)算

3.1.4 安全性評(píng)價(jià)

將計(jì)算得到的失效評(píng)定點(diǎn)（0.264，0.633）繪制在失效評(píng)定圖中，如圖3所示，評(píng)定點(diǎn)靠近失效評(píng)定曲線邊緣，但仍在安全區(qū)內(nèi)。因此，當(dāng)在-20℃低溫環(huán)境裂紋尺寸a=24 mm，2c=85 mm時(shí)，在最大允許工作壓力作用下褐煤干燥機(jī)端板不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，說明該結(jié)構(gòu)是安全的。

圖3 簡(jiǎn)化評(píng)定結(jié)果Fig.3 Results of simplified assessment

3.1.5 最大容許等效裂紋尺寸計(jì)算

根據(jù)GB/T19624-2004要求，用下式計(jì)算最大容許等效裂紋尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)且Sr＜0.8時(shí)，該缺陷是容許的。

3.2 常規(guī)評(píng)定計(jì)算

3.2.1 Lr的計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，缺陷表征尺寸a、B、c計(jì)算時(shí)需乘以分安全系數(shù)1.1，一次應(yīng)力Pm乘以分安全系數(shù)1.5，此時(shí)Pb為0，計(jì)算得到Lr=0.432。

3.2.2 Kr的計(jì)算

Kr計(jì)算式為

式中 G為相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，不考慮裂紋群影響，干裂紋涉效應(yīng)因子為一次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子（單位：N/mm3/2）為二次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子，（單位：N/mm3/2），式中 σm分別為一次薄膜應(yīng)力和殘余應(yīng)力引起的二次應(yīng)力，分別用σm=Pm×1.5、σm=σs×1 求得，fm可查 GB19624-2004 表D.3取值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)材料斷裂韌度KP=Kc/n，n為安全系數(shù)，取；δc取缺陷材料斷裂韌度所有實(shí)測(cè)值中的最小值，計(jì)算結(jié)果是偏于安全；υ為泊松比；ρ為塑性修正因子，當(dāng) Lr<0.8時(shí)，ρ=ψ1，ψ1按照標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)查得。根據(jù)以上分析和計(jì)算，可以得到Kr=1.13。

將失效評(píng)定點(diǎn)（Lr，Kr）繪制于圖 4 中，評(píng)定點(diǎn)落在安全區(qū)外，表明該缺陷不允許存在，結(jié)構(gòu)不安全，必須進(jìn)行返修處理。

圖4 常規(guī)評(píng)定結(jié)果Fig.4 Results of traditional assessment

4 結(jié)論

針對(duì)管式褐煤干燥機(jī)端板Q370R鋼焊接接頭，采用GB/T19624-2004標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)焊縫區(qū)外表面裂紋進(jìn)行-20℃低溫工況下的安全評(píng)定，采用簡(jiǎn)化評(píng)定計(jì)算所得評(píng)定點(diǎn)已接近失效平頂曲線邊緣，雖仍在安全區(qū)內(nèi)，但安全裕度已降低，同時(shí)進(jìn)一步計(jì)算所得表面裂紋最大容許等效裂紋尺寸小于等效裂紋尺寸，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)該裂紋缺陷不能接受。

采用常規(guī)評(píng)定計(jì)算所得評(píng)定點(diǎn)直接落在失效平頂曲線外，表明該裂紋缺陷不能被驗(yàn)收。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，該裂紋缺陷最終不能被接受，結(jié)構(gòu)不安全，出于安全性考慮，建議對(duì)該裂紋缺陷進(jìn)行返修。

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