變壓吸附壓力容器超溫變形檢定及修復

郭俊財

摘 要：變壓吸附壓力容器為疲勞容器，操作壓力在0.02MPa-3.5MPa之間交變。年交變次數為40000次，殼體采用正火狀態下供貨的Q345R鋼板。因超溫造成塔壁不同程度鼓脹發生塑性變形，通過宏觀檢查、壁厚測定、超聲檢測、滲透檢測、硬度檢測、金相分析等手段對壓力容器進行鼓脹變形影響分析、金相分析以及強度校核及疲勞壽命分析，從而做出合于使用綜合評價并提出正常使用有效控制措施。

關鍵詞：疲勞容器;塑性變形;疲勞壽命分析;控制措施

對吸附壓力容器進行首次全面檢驗，進行合于使用評價。將對超出TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》要求的各類超標缺陷進行處理，提出正常使用有效控制措施。

1 檢驗準備工作

審查設計、制造、安裝、使用管理等資料，以及運行工況引起設備超溫的原因;卸除和清理塔內介質;搭設內外壁滿堂架;拆除塔壁保溫;內外壁板材、焊縫、分析部位打磨。

2 檢驗情況

2.1 宏觀檢查

通過結構檢驗、幾何尺寸檢驗、外觀檢查確定鼓脹位置為下部約2m 高一周區域。1-3#容器最大鼓脹位置（距底部筒體焊縫距離）分別為1300mm、1300mm、1260mm。

2.2 壁厚測定

測得縱、環焊縫最大對口錯邊量分別為1.0mm和0.5mm;縱、環焊縫最大棱角度分別為1.0mm和0.5mm。三臺吸附容器裙座角焊縫Q及下部壁板H1/H2之間存在鼓脹，其中1#鼓脹最嚴重。半徑鼓脹量為25-55mm、封頭壁厚測得為43.1-45.5mm、筒體壁厚為38.2-40mm（變形處及未變形處）。

2.3 超聲檢測

筒體、封頭對接焊縫采用超聲從外壁進行檢測埋藏缺陷，重點檢測焊縫超標缺陷和裂紋類缺陷。所有對接焊縫均100%外壁超聲檢測，未發現超標缺陷。

2.4 磁粉檢測

吸附容器主體所有對接焊縫內外壁、每臺塔鼓脹最嚴重部位外壁板材及H1-H2筒節內壁板材磁粉檢測，未發現缺陷磁痕顯示。僅4#塔下封頭與裙座連接焊縫表面兩處裂紋，分別為南側，裂紋長40mm，東側，裂紋長33mm。

2.5 滲透檢測

對原料進氣口和人孔接管焊縫進行外壁滲透檢測，吸附容器上封頭位置內壁支撐圈角焊縫、支撐板下角焊縫及下接管與筒體對接焊縫滲透檢測未見缺陷跡痕顯示。

2.6 硬度檢測

選取鼓脹變形明顯部位;各3條縱環焊縫;焊縫金屬及其兩側熱影響區、母材;接管焊縫，3處焊縫金屬及其一側熱影響區、母材測定硬度，每部位至少3點取平均值。

檢測結果為筒體母材（變形部位）：112-119HB;焊接熱影響區：150-192HB;封頭母材：114-183HB;筒體母材（未變形部位）：112-130HB;焊縫金屬：121-179HB。

變形部位母材與未變形母材硬度基本一致，即超溫未引起容器硬度發生明顯變化。

2.7 金相分析

吸附容器金相分析部位（含鼓脹變形部位）組織基本正常，筒體正常部位及鼓脹部位均為鐵素體+珠光體;封頭、筒體及封頭部位熱影響區、焊縫金屬均為鐵素體+珠光體+貝氏體。

3 鼓脹變形原因及影響初步分析

3.1 鼓脹原因分析

吸附介質帶液，在氣液分離器中未分離完全，液態組分進入吸附容器分子篩中，引起分子篩大量集中快速放熱，致使容器超溫，導致器壁鋼材的屈服強度下降，塔壁應力水平超過屈服強度發生了永久塑性變形。

3.2 鼓脹變形影響分析

根據金相檢測結果，鼓脹變形嚴重部位筒體部位金相組織為鐵素體+珠光體，金相組織正常，超溫未引起材質發生相變。容器膨脹變形引起設備結構不連續，會降低設備的承載強度和疲勞壽命，因此還需對吸附容器鼓脹變形部位進行強度校核及疲勞壽命分析。

4 強度校核及疲勞分析

4.1 強度校核

參照JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》，筒體鼓脹變形部位和未變形部位壁厚取37.7mm和38.3mm（實測值減去0.5mm腐蝕余量），內表面施加內壓，取操作壓力3.5MPa。則筒體端面施加平衡面載荷：

因容器鼓脹，建立有限元分析模型，按結構應力分布云圖計算得出最大應力164MPa。位于膨脹變形筒節的下邊緣。

超溫未引起容器硬度發生明顯變化，變形部位Q345R許用應力仍按照原設計標準取值，40℃（操作溫度）時許用應力未181MPa。根據計算結果，1#應力最大值小于評定用的設計應力強度，可以通過評定。由于2#和3#膨脹變形較小，因此三臺容器操作條件下都可以通過強度校核;膨脹部位滿足JB4732標準安定性判定條件，即在吸附容器疲勞載荷作用下不會出現棘輪現象（鼓脹繼續發展）。

4.2 疲勞分析

吸附容器承受交變載荷作用，吸附容器操作壓力為0-3.5MPa。設計交變次數為4*104 次/年，實際交變次數為3.5*104次/年。依據JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》以1#塔為例，對三臺吸附容器進行疲勞分析。結合3.5MPa內壓下計算得到第三強度當量應力最大值為164MPa，位于鼓掌變形筒節的下邊緣。即：

Srij=164MPa

附錄C進行疲勞壽命估算，1#塔最大交變應力強度幅：

Salt=0.5*Srij=0.5*164=82MPa

碳錳鋼在40℃時彈性模量Et=205GPa，進行彈性模量修正，即：

=Salt*Et/E=82*2.1/2.05=84MPa

查JB4732-95附錄C圖C-1，得到允許循環次數不少于100萬次，實際已循環7萬次，剩余循環次數不少于93萬次。其他兩容器相對于1#容器鼓脹變形較小，受力狀況更好，因此3臺吸附容器在無其他缺陷的情況下，按設計規定的40000次/年交變次數可以安全使用至下一檢驗周期。

5 缺陷修復

4#容器下封頭與裙座角焊縫處表面有表面裂紋，分別為東側一處33mm，南側一處40mm，此兩處經打磨至深度10mm/7mm時裂紋消失，非貫穿缺陷，對裂紋處進行修復。采用J507焊條電弧補焊，焊后100-150℃/2h緩冷，使用前經過350℃-400℃/2h烘烤，施焊前使用火焰將補焊部位加熱到80℃以上，多道（層）焊接，道（層）間溫度小于250℃。經補焊冷卻至常溫后表面100%MT檢測，NB/T47013.4 I級合格。

6 評價及控制措施

根據吸附容器設計、制造、運行等資料，結合本次檢驗檢測結果，依據TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》，經強度校核和疲勞分析，對這3臺吸附容器鼓脹變形的合于使用評價結論如下：

①吸附容器局部過熱導致的鼓脹變形降低了設備的承載強度和疲勞壽命。鼓脹變形可以通過操作條件下（3.5MPa）的強度校核和疲勞分析。鼓脹變形原因分析為超溫導致器壁應力水平超過屈服強度，發生了永久塑性變形;

②采取有效措施確保不會再次超溫的前提下，工作壓力3.4MPa、溫度40℃、循環周次40000次/年下，吸附容器鼓脹變形不會繼續發展，可以在設計規定的操作條件下繼續使用。依據TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》8.5.12條，“使用過程中產生的鼓包”，“如果能查清鼓包的起因并且確定該其不再擴展，不影響壓力容器安全使用的，可以定為3級”，下次檢驗周期定為3年;

③運行過程中加強巡檢和溫度檢測，嚴禁超溫運行。

參考文獻：

[1] TSG 21-2016.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2016.

[2] GB150.1～150.4-2011.壓力容器[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會， 2011.

[3] NB/T 47013.1～47013.13-2015.承壓設備無損檢測[S].北京：國家能源局，2015.

[4] GB/T17394-2014.金屬材料里氏硬度試驗第1部分試驗方法[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2014.

[5] GB/T13298-2015.金屬顯微組織檢驗方法[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2015.

[6] GB/T17455-2008.無損檢測表面檢測的金相復型技術[S].北京：中國標準出版社，2008.