淺談空氣純化器的設(shè)計制造及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

張東輝 吳肖涌 汪 鈺 梅應(yīng)虎

(液化空氣（杭州）有限公司 杭州 310015)

位于空氣分離設(shè)備前端、以立式雙層床徑向流吸附器為主流產(chǎn)品代表的空氣純化器，是指利用分子篩和活性氧化鋁組成的吸附劑來凈除空氣中H2O、CO2、C2H2和部分碳?xì)浠衔锏奈皆O(shè)備；空氣純化器進(jìn)行吸附工作時，具有多孔表面的吸附劑選擇性吸附空氣中的凈除物；空氣純化器進(jìn)行解吸再生工作時，污氮將表面富含凈除物的吸附劑解吸再生；為保證工作的連續(xù)性，一套空氣分離設(shè)備均配有2只空氣純化器，當(dāng)其中1只空氣純化器進(jìn)行吸附工作時，另1只空氣純化器經(jīng)歷卸壓、加熱、冷吹和升壓的解吸再生過程；每個吸附和解吸再生的循環(huán)周期一般為4 ～ 6h[1-4]。

從以上空氣純化器工作原理可以看出：空氣純化器是典型的、承受由壓力波動引起的機(jī)械應(yīng)力循環(huán)載荷和由溫度變化引起的熱應(yīng)力循環(huán)載荷的壓力容器。這里的所謂“循環(huán)載荷”（也稱“交變載荷”），是指大小和/或方向隨時間周期性或無規(guī)則變化的載荷。

1 空氣純化器的疲勞失效

金屬斷裂力學(xué)理論認(rèn)為：金屬材料內(nèi)部存在著或多或少的“原子局部不規(guī)則排列缺陷”，即“位錯缺陷”；在循環(huán)載荷引起的交變應(yīng)力作用下，金屬材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生位錯運動，位錯在晶粒間界、駐留滑移帶或夾雜處塞積并導(dǎo)致微裂紋萌生；在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，萌生的微裂紋沿著切應(yīng)力最大的滑移面不斷擴(kuò)展；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，金屬材料因剩余面積不能承受交變應(yīng)力加載而突然發(fā)生最終斷裂[5-7]。這種現(xiàn)象被稱為“金屬疲勞斷裂”（也稱“金屬疲勞破壞”）。

在循環(huán)載荷的作用下，壓力容器受壓元件經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個階段，致使壓力容器發(fā)生疲勞失效。這里的“疲勞”，系指在循環(huán)加載條件下，發(fā)生在結(jié)構(gòu)某點處局部的、永久性的損傷遞增過程，經(jīng)足夠的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)后，損傷積累可使材料發(fā)生裂紋，或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂。

關(guān)于包括空氣純化器在內(nèi)的壓力容器疲勞失效，筆者強(qiáng)調(diào)幾點：

1)受壓元件的原始裂紋（如：原材料裂紋、冷成形裂紋、焊接裂紋等），同微裂紋一樣，會在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致壓力容器疲勞失效，而且原始裂紋因為不需要再經(jīng)歷約占總疲勞壽命90%的“裂紋萌生”階段而會顯著縮短壓力容器疲勞失效的時間過程；

2）壓力容器大型化和高參數(shù)化，使得高強(qiáng)度材料得到廣泛運用，高強(qiáng)度材料對裂紋的敏感性也增加了壓力容器疲勞失效的幾率；

3）壓力容器疲勞失效時，一般總體應(yīng)力水平較低，不會發(fā)生明顯的容器變形，屬于潛在的、突發(fā)性破壞，因而其危險性極大，多數(shù)導(dǎo)致容器泄漏，有的甚至造成承壓設(shè)備事故[8-12]。

據(jù)一些階段性和區(qū)域性的有關(guān)統(tǒng)計，由疲勞失效引起的承壓設(shè)備事故占全部承壓設(shè)備事故的30%、甚至40%以上[13-14]。為切實防止在設(shè)計使用壽命期內(nèi)由循環(huán)載荷引發(fā)的壓力容器疲勞失效，空氣純化器建造企業(yè)必須充分理解并掌握承受循環(huán)載荷的壓力容器有別于其它普通壓力容器的設(shè)計制造特點。

2. 空氣純化器的設(shè)計特點

2.1 應(yīng)采用分析設(shè)計方法

壓力容器的設(shè)計，一般可以采用規(guī)則設(shè)計方法或者分析設(shè)計方法。

規(guī)則設(shè)計（英文：Design by Rule；也稱“常規(guī)設(shè)計”），是指按規(guī)則進(jìn)行的設(shè)計；規(guī)則設(shè)計以第一強(qiáng)度理論（即最大主應(yīng)力理論）為依據(jù)、以彈性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，認(rèn)為壓力容器內(nèi)某最大應(yīng)力點一旦喪失純彈性、進(jìn)入屈服狀態(tài)、產(chǎn)生塑性流動，壓力容器結(jié)構(gòu)就失去了繼續(xù)承載能力，此時的壓力容器即為失效；規(guī)則設(shè)計的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括我國的GB150和美國的ASME Ⅷ ．1 等[15-18]。

分析設(shè)計（英文：Design by Analysis ；也稱“應(yīng)力分析設(shè)計”，英文：Stress Analysis Design，縮寫：SAD），是指按應(yīng)力分析進(jìn)行的設(shè)計；分析設(shè)計舍棄了傳統(tǒng)的、相對保守的第一強(qiáng)度理論和彈性失效準(zhǔn)則，以第三或第四強(qiáng)度理論為依據(jù)，采用了以極限載荷、安定載荷與疲勞壽命為界限的塑性失效準(zhǔn)則和彈塑性失效準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對峰值應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計；分析設(shè)計的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括我國的JB4732和美國的ASME Ⅷ．2[15-16，19-20]。

在規(guī)則設(shè)計中，壓力容器承受的載荷是以一次施加的靜載荷（即最大載荷）來考慮與處理的，即認(rèn)為容器受壓元件所受的應(yīng)力是不隨時間變化的；規(guī)則設(shè)計不涉及循環(huán)載荷引起的交變應(yīng)力對壓力容器的疲勞破壞作用。因此，理論上嚴(yán)格地說，按GB150或ASME Ⅷ．1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)則設(shè)計的方法，不適于承受循環(huán)載荷的容器設(shè)計；對于承受循環(huán)載荷的容器設(shè)計，應(yīng)采用按JB4732或ASME Ⅷ．2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析設(shè)計的方法[9、11、21]。

2.2 采用JB 4732或GB 150設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

如果空氣純化器的設(shè)計使用壽命為20年，空氣純化器每個循環(huán)周期為6h，正常操作循環(huán)次數(shù)為29200次，大于1000次，且壓力波動范圍（如：0．46MPa）超過設(shè)計壓力（如：0．65MPa）20%；根據(jù)JB 4732中3．10免除疲勞分析條文的規(guī)定，空氣純化器在采用JB 4732標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行疲勞分析。

在我國現(xiàn)階段，壓力容器設(shè)計單位必須取得相應(yīng)資質(zhì)；進(jìn)行分析設(shè)計的壓力容器設(shè)計人員、審批人員和設(shè)計單位應(yīng)取得壓力容器SAD級設(shè)計資質(zhì)[22]。然而，現(xiàn)今已取得壓力容器SAD級資質(zhì)的設(shè)計人員、審批人員和設(shè)計單位數(shù)目較少，不足于覆蓋日益增長的壓力容器分析設(shè)計工作。因為需要解決設(shè)計資質(zhì)這一現(xiàn)實問題、也因為考慮到“在JB 4732頒布以前，工程實踐中已有承受交變載荷的容器按常規(guī)設(shè)計并成功使用的案例”，融入了對比經(jīng)驗設(shè)計理念的、現(xiàn)行版本的GB 150在版本修訂時，突破了理論上的規(guī)則設(shè)計方法覆蓋范圍的局限，允許對于一些結(jié)構(gòu)相對簡單、壓力不高、危險性不大的、承受交變載荷的壓力容器按照 GB 150 設(shè)計[23、24]。

GB/T 150．1—2011[25]中 4．3．1 條文規(guī)定：“對于有成功使用經(jīng)驗的承受循環(huán)載荷的容器，經(jīng)設(shè)計單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，可按本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，并按JB 4732附錄C補(bǔ)充疲勞分析和評定，同時滿足其相關(guān)制造要求”；同樣，GB/T 150．1—2011附錄D中D．6．3條文也規(guī)定：“對于按JB 4732—1995的3．10．2和3．10．3要求進(jìn)行疲勞分析的容器，根據(jù)本附錄的要求進(jìn)行對比經(jīng)驗設(shè)計時，設(shè)計說明書中還應(yīng)補(bǔ)充容器的疲勞分析內(nèi)容。”可見，對于已有成功使用經(jīng)驗的空氣純化器，可以按照GB 150設(shè)計。

2.3 設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行疲勞分析

從 JB 4732 中 3．10 條 文 和 GB/T150．1—2011中 4．3．1條文、附錄 D．6．3條文看，無論是采用 JB 4732、還是采用GB 150進(jìn)行空氣純化器設(shè)計，均應(yīng)按照J(rèn)B 4732附錄C進(jìn)行疲勞分析。疲勞分析的目的，就是要確保空氣純化器在其設(shè)計使用壽命期內(nèi)不會發(fā)生疲勞失效。

空氣純化器的疲勞分析一般包括以下幾個步驟：

1)確定交變應(yīng)力幅；

2)確定允許循環(huán)次數(shù)；

3)疲勞強(qiáng)度校核；

4）疲勞累積損傷校核；

5）評定。

強(qiáng)調(diào)的是：在進(jìn)行疲勞累積損傷校核時，應(yīng)當(dāng)計3個不同應(yīng)力循環(huán)的累積影響：正常操作應(yīng)力循環(huán)（該循環(huán)使用150℃左右的污氮進(jìn)行正常解吸再生）、特殊操作應(yīng)力循環(huán)（該循環(huán)使用300℃左右的污氮進(jìn)行特殊解吸再生）和耐壓試驗應(yīng)力循環(huán)。

2.4 設(shè)計總圖中應(yīng)標(biāo)明循環(huán)次數(shù)

TSG 21—2016固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[26]（以下簡稱“容規(guī)”）中 3．1．4．4．1 條文規(guī)定：對于疲勞容器，總圖中應(yīng)標(biāo)明循環(huán)次數(shù)。這里的所謂“疲勞容器”，即指需要進(jìn)行疲勞分析的壓力容器；容規(guī)這樣強(qiáng)調(diào)的原因是：循環(huán)次數(shù)是承受循環(huán)載荷的壓力容器的主要設(shè)計參數(shù)，也是進(jìn)行疲勞分析的主要依據(jù)；為確保壓力容器的使用安全，用戶也不得隨意修改操作參數(shù)而使設(shè)計使用壽命期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)有較大變化。

2.5 設(shè)計中應(yīng)盡可能消除或減少結(jié)構(gòu)不連續(xù)

結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料的不連續(xù)，它包括總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，例如：封頭、法蘭、接管、支座等與殼體的連接處；不等直徑或不等壁厚的殼體連接處；小的過渡圓角處；殼體與小附件連接處；未采用全焊透結(jié)構(gòu)的焊接接頭；采用不拆除墊板結(jié)構(gòu)的環(huán)向接頭；采用管螺紋、螺柱或補(bǔ)強(qiáng)圈的非整體結(jié)構(gòu)連接件等。

分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般將壓力容器的應(yīng)力分為三類：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，可能致使受壓元件產(chǎn)生較大的二次應(yīng)力；局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，可能致使受壓元件產(chǎn)生過大的峰值應(yīng)力。

隨著應(yīng)力分析方法的進(jìn)步（如：有限元法的使用），人們對壓力容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有了較為準(zhǔn)確的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域局部應(yīng)力很高、有的甚至超過了材料屈服極限；大量工程實踐也證實：降低結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的應(yīng)力水平，有利于延長壓力容器疲勞壽命。因此，空氣純化器的設(shè)計應(yīng)盡可能消除或減少結(jié)構(gòu)不連續(xù)。

也正因為如此，容規(guī)中3．2．2條文規(guī)定：對于進(jìn)行疲勞分析的壓力容器，除A、B類焊接接頭必須采用全焊透結(jié)構(gòu)外，其接管或凸緣與殼體之間的焊接接頭設(shè)計也應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。

3 空氣純化器的制造特點

JB 4732和GB 150都是集壓力容器設(shè)計、制造、檢驗和驗收為一體的綜合性標(biāo)準(zhǔn)；對于空氣純化器，無論是按照J(rèn)B 4732還是采用GB 150設(shè)計，其制造都必須滿足JB 4732的相關(guān)要求[25]；JB 4732在其主題內(nèi)容中指出：在制造、檢驗和驗收方面，JB 4732規(guī)定了比GB 150更為嚴(yán)格的要求。強(qiáng)調(diào)的是：存在峰值應(yīng)力的局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，能夠在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力或應(yīng)變增大，即所謂“應(yīng)力集中”，是壓力容器制造過程中產(chǎn)生的、可能導(dǎo)致壓力容器疲勞失效的主要疲勞源；焊接接頭是應(yīng)力集中、焊接缺陷、殘余應(yīng)力和微裂紋的聚焦區(qū)域，也是壓力容器制造過程產(chǎn)生的主要疲勞源。

3.1 對制造單位和無損檢測人員資質(zhì)要求

對于采用JB 4732設(shè)計的空氣純化器的制造，其制造單位應(yīng)持有A2級制造許可證[27-28]。對于采用JB 4732或GB 150標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的空氣純化器，其制造單位的無損檢測人員應(yīng)持有Ⅱ級或Ⅲ級無損探傷資格。

3.2 應(yīng)避免表面損傷，禁止采用硬印標(biāo)記

材料表面損傷處（如溝痕、凹陷、裂紋、硬印標(biāo)記等）既是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應(yīng)力集中部位，也是材料表面實際開裂部位。因此空氣純化器制造時必須避免表面損傷，且不得采用硬印作為材料確認(rèn)標(biāo)記和焊工標(biāo)記。

因制造工藝需要、焊接在母材表面的臨時性附件（如：卡具、拉筋、搭塊、工藝吊耳等）通過打磨方法去除、修平后，應(yīng)在母材修磨表面作磁粉或滲透檢測，杜絕表面裂紋存在。

3.3 杜絕焊縫咬邊缺陷，且不得保留A、B類接頭焊縫余高

所有焊接接頭不得存在焊縫咬邊缺陷。咬邊是指母材或前一道熔敷金屬在焊趾處因焊接而產(chǎn)生的不規(guī)則缺口[29]；焊縫咬邊缺陷，不僅會減少母材的承載截面，還會造成微小區(qū)域的結(jié)構(gòu)不連續(xù)；對于承受循環(huán)載荷的壓力容器來說，焊縫咬邊是不能容忍的焊接缺陷。因此，焊接時必須嚴(yán)格遵循評定合格的焊接工藝精心施焊，避免咬邊缺陷的產(chǎn)生；當(dāng)出現(xiàn)些微深度的咬邊缺陷時，必須修磨清除、圓滑過渡。

A、B類焊接接頭表面應(yīng)與母材表面齊平，不得保留焊縫余高。焊縫余高是指焊縫表面兩焊趾連線上的那部分金屬高度。焊縫表面凸起，造成焊縫部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù)。因此，必須通過打磨方法去除A、B類焊接接頭的焊縫余高，使得焊縫表面與母材表面平齊。

3.4 對于焊接接頭的無損檢測有嚴(yán)格要求

對A、B類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測或超聲檢測；對筒體或封頭名義厚度大于65mm的C類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測或超聲檢測；對開孔直徑大于100mm且筒體或封頭名義厚度大于65mm的D類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測或超聲檢測；對于其他C、D類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行磁粉或滲透檢測。

3.5 對容器接管轉(zhuǎn)角半徑有特殊要求

安放式接管、與圓筒或封頭對接連接的嵌入式接管以及插入端與筒體內(nèi)壁齊平的插入式接管，其內(nèi)表面轉(zhuǎn)角半徑應(yīng)不小于圓筒或封頭名義厚度的1/4，且不大于20mm；內(nèi)伸的插入式接管內(nèi)表面轉(zhuǎn)角半徑應(yīng)不小于接管名義厚度的1/4，且不大于10mm。

容器接管是典型的結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，限制接管轉(zhuǎn)角半徑大小，是為了將峰值應(yīng)力限制在安全裕度允許的范圍內(nèi)[30]。

3.6 對產(chǎn)品焊接試板有較高要求

每臺容器應(yīng)至少制備1塊產(chǎn)品焊接試板（即按臺制備產(chǎn)品焊接試板）；當(dāng)1臺容器的A類焊接接頭（不含球形封頭與圓筒相連的A類接頭）需由幾種焊接工藝施焊時，則每種焊接工藝均應(yīng)制備1塊產(chǎn)品焊接試板。

3.7 對制造過程的質(zhì)量控制應(yīng)有嚴(yán)格要求

在空氣純化器的制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格要求各制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，尤其應(yīng)做到：嚴(yán)格要求對口錯邊量控制、軸向環(huán)向焊接接頭棱角控制；杜絕焊接接頭存在裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣和飛濺物等缺陷；嚴(yán)格要求制造元件尺寸控制、禁止強(qiáng)力組裝，避免額外增加受壓元件應(yīng)力水平。

4 結(jié)束語

綜上所述，筆者已探討基于疲勞失效預(yù)防的空氣純化器的設(shè)計與制造特點。

在對比空氣純化器與其他壓力容器建造實踐時，了解到JB 4732和GB 150在設(shè)計、制造、檢驗與驗收方面的區(qū)別；在對比GB 150幾個新舊版本，筆者發(fā)現(xiàn)其中的一些條文逐漸趨同于JB 4732。在此對JB 4732提出一些建議：

1）建議JB 4732能夠盡早完成修訂工作，JB 4732從開始實施到現(xiàn)今已有23年了，盡管中途出現(xiàn)了“第1、2號修改單”和“2005年確認(rèn)版”，但改動極少，不能很好地適應(yīng)和滿足現(xiàn)今壓力容器建造形勢；

2）建議JB 4732能夠吸納GB 150的一些升版成果，如：規(guī)定“焊件溫度低于-20℃時，禁止施焊”[31]；

3）建議JB 4732吸納ASME Ⅷ．2和EN 13445的一些升版成果，如：具有里程碑意義的新疲勞設(shè)計方法（即所謂“直接法”），并能夠統(tǒng)籌規(guī)劃、創(chuàng)新出代表世界先進(jìn)水平的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[32]；

4）建議將原本屬于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的JB 4732升格為國家推薦標(biāo)準(zhǔn)，因為：將壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并立是美國等壓力容器建造強(qiáng)國的通用做法，GB 150已由國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為國家推薦標(biāo)準(zhǔn)，同樣作為壓力容器基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的“超高壓容器標(biāo)準(zhǔn)”已被確定為GB/T 34019—2017。