論免除壓力容器疲勞分析設計的條件

溫艷梅

（河北生特瑞工程設計有限公司上海分公司，上海 200335）

引言

斯比凱可（山東）生物制品有限公司（即使用單位）在新建年產壹萬噸生物基發酵纖維素液新材料生產線項目（以下簡稱新建項目）中要求工程公司負責采購6臺維持罐以替換下述問題舊有設備。使用單位反饋2003—2017年間使用的6臺維持罐是按常規規則設計方法（GB 150—1998鋼制壓力容器）進行設計，工況1：設計壓力1.0 MPa，設計溫度150℃；工況2：設計壓力0.5 MPa，設計溫度300℃；工況3：設計壓力-0.1 MPa，設計溫度300℃。2017年，特檢院監檢評審為不合規使用（該設備已連續使用14年），要求報廢設備，重新設計制造設備。同年設計院按GB 150.1～150.4—2011標準[1]要求重新設計替換報廢的設備。在2020年（替換設備使用第3年時）特檢院年檢時，發現其中一臺維持罐出現裂紋，裂紋主要集中在封頭與筒體之間環焊縫和筒體縱向焊縫兩側。在調研可能引起裂紋的原因時，使用單位提出了循環載荷工況，以下是工程管理公司對于此新建項目設備能否免除疲勞分析設計的論證。

1 工況條件

TK3105～TK3108維持罐是新建項目中的關鍵設備，6臺維持罐在整個設計使用周期（15年）內，需要定期間歇充裝、蒸發物料（物料成分主要為淀粉漿及過熱蒸汽，設備主體選擇材質為不銹鋼S31603）。該維持罐的基本結構如圖1所示，工況條件如表1所示。

表1 TK3105～TK3108維持罐工況條件

2 免除疲勞分析的條件

考慮到疲勞設備設計要進行應力分析，相對常規設計會增加較大的設計成本，也延長了設計周期，而且制造和檢驗也會提高要求，增加了制造成本。使用單位也認為在2003—2017年間，6臺維持罐按常規規則設計方法是正常使用的，至今操作工況并沒有改變，故使用單位不推薦使用疲勞分析設計方法。工程管理方對此進行了詳細分析論證，整個分析論證過程看似繁復冗長，但是，為了確保壓力容器的安全運行，尤其是對于進行頻繁加載卸載工作條件下的壓力容器，如本案例中的設備，每8 h需進行一次加壓升溫，雖然相同設備有14年的成功使用經驗，但更新替換設備后，使用第3年隨即出現了裂紋，是非常有必要進行疲勞設備分析論證的。以下是工程管理方依據JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器—分析設計標準》[2-3]進行設備是否可滿足免除條件的詳細過程。

《鋼制壓力容器—分析設計標準》3.10條款指出，滿足3.10.1、3.10.2.1、3.10.2.2或3.10.3中任一條所有要求時，可免做疲勞分析。為了驗證此維持罐是否滿足免除疲勞分析條件的準確性及完整性，按上述標準逐條進行論證。

2.1 3.10.1：使用經驗

3.1 0.1使用經驗指當所設計的容器與已有成功使用的容器有可類比的形狀與載荷條件，且根據其經驗能證明不需做疲勞分析者。

如上文所述情況，雖是同一操作工況下的相同設備，但使用單位并沒有明確是原材料質量問題，還是焊接質量問題引起的裂紋，因此，有必要進行疲勞分析。

2.2 3.10.2.1：循環次數的總和不超過1 000次

3.1 0.2.1：循環次數的總和不超過1 000次，是指對于常溫抗拉屈服強度不超過550 MPa的鋼材，下列各項循環次數的總和不超過1 000次，即:

1）包括啟動與停車在內的全范圍壓力循環的預計（設計）循環次數（即na）。

2）壓力波動范圍超過設計壓力20%的工作壓力循環的預計（設計）次數（即nb）。

3）包括接管在內的任意相鄰兩點之間金屬溫差波動的有效次數（即nc）。

4）由熱膨脹系數不同的材料組成的部件（包括焊縫），當（α1-α2）T>0.000 34時的溫度波動循環次數（即nd）。

本維持罐操作壓力從常壓狀態到0.55 MPa,每隔8 h為一個工作循環，即：3次/天×30天/月×12月/年=1 080次/年，按照15年的使用壽命評估，壓力波動循環次數na=15×1 080=16 200次。且壓力波動0.55-0＝0.55MPa＞20%×1（設計壓力）=0.2MPa，即初始是常壓，再次回到常壓是每8 h一次。nb=16 200次。從壓力波動來看，已遠遠超過1 000次。

本設備屬于單腔薄壁容器，且有保溫，暫認為殼體徑向和厚度方向的溫度變化趨于均勻,且是同步的，即nc≈0次。主體選材一致，暫認為材料熱膨脹系數相等，溫度波動nd=0。

na+nb+nc+nd=32 400次，遠遠超過1 000次，故此條不滿足免除條件。

2.3 3.10.2.2：全部滿足a～f條的條件

1）a條包括啟動與停車在內的全范圍壓力循環的預計（設計）循環次數（na），不超過附錄C的疲勞曲線中，以設計溫度下材料的設計應力強度Sm的3倍作為Sa所查得的循環次數。Sa為疲勞曲線中對應的應力幅值。按照續表6-2查得S31603材料在300℃的設計溫度下的設計應力強度Sm=95 MPa，則應力幅值Sa=3Sm=3×95=285 MPa。查圖C-2：溫度不超過425℃和Sa>194 MPa的奧氏體不銹鋼的設計疲勞曲線，查得循環次數N≈9×104。而維持罐的循環次數na

這里要理清壓力循環即工作循環的一種形式，是一個閉環，所以并不代表所有的波動都為循環。JB4732中對工作循環的解釋為由初始狀態進入新狀態，隨后又回到初始狀態開始點的過程。所以本設備初始狀態操作壓力為常壓，再次回到常壓為一個工作循環。

由此判定3.10.2.2不滿足免除條件。

3）如果溫差波動、機械載荷波動占主導循環因素，c～f條也是有必要一一進行分析的。

上述3.10.2.1及3.10.2.2條即是3.10.2條的組成，分析基礎是建立在分析對象是容器整體部件，即是設備組成的每一獨立連續部件。但各部件的組合焊接處，即焊接接頭附近，結構不連續部位，以及開孔接管等區域，這些局部峰值應力更是最集中區域，也應是疲勞斷裂最易發生區域。如果整體部件都不能滿足疲勞分析免除條件，則帶補強圈的接管及非整體結構更不能滿足免除條件的，甚至沒有進一步分析的必要。

2.4 3.10.3 帶補強圈的接管及非整體結構，滿足3.10.3.1或3.10.3.2的全部條件

1）3.10.3.1：循環次數的總和不超過400次。因na+nb+nc+nd=32 400次，詳細分析過程同3.10.2.1，遠遠超過400次，故此條不滿足免除條件。

2）3.10.3.2分析過程參考3.10.2.2，筆者認為接管及非整體結構肯定比整體部件要求更高更嚴苛，才能滿足免除疲勞分析條件，故沒有反復分析，認為也不滿足免除條件。

3 設計分析

設備是否需要做疲勞分析，要結合實際操作工況及材料特性[4]，不能為保險起見，大于1 000次的工作循環就判定為疲勞設備，要按照3.10.2.2進行分析，即使本條例比較繁復，但也更為客觀，如本案例中壓力波動的范圍可允許達到0.68 MPa,也可以理解為在0.68 MPa的壓力波動范圍內材料不會發生屈服現象，仍然是彈性的安定狀態。本案例的操作壓力波動范圍0.55 MPa,并未超過安定狀態，只是超過了極端壓力波動范圍1 MPa。畢竟若能免除疲勞分析設備按照疲勞分析來設計制造，顯然是不經濟合理的。

疲勞破壞的裂紋源一般應出現在結構不連續處、焊接缺陷處或材料質量缺陷處。如本案例中設備的裂紋是出現在筒體與封頭的組焊處，也有極大的可能是由于焊接存在缺陷。現設計時較常規設計增加了如下特殊要求：

1）材料與結構：鋼板選用GB/T24511固溶狀態的S31603鋼板，接管及法蘭采用的均是NB/T47010固溶狀態Ⅲ級鍛管及法蘭，未加設補強圈等非整體補強結構。不得焊接任何墊板，不可有管道外載荷作用等。

2）制造與檢驗：容器逐臺制作產品焊接試件，受壓件之間的焊接接頭采用雙面焊的全焊透結構，且為連續焊。受壓件與非受壓件之間的焊接接頭采用周邊連續焊全焊透結構，焊接接頭形成連續封閉整體，不得存在間隙。A、B類焊接接頭表面焊后打磨至與母材表面齊平并經100%射線探傷檢測加100%超聲檢測。C、D、E類焊接接頭打磨至圓滑過渡并進行100%滲透檢測。所有與受壓部件相焊的附件的角焊縫打磨至圓滑過渡并100%滲透檢測，不得采用硬印作為材料的確認標記和焊工印記等。部分焊接節點要求如圖2所示。

4 結語

本案例中最終對維持罐進行了疲勞分析設計，主要考慮到下述幾個因素：一是歷史使用經驗成功與失敗參半，并不成熟；二是維持罐是制藥系統中的關鍵設備，檢修或者停產都會造成很大的損失；三是考慮到6臺維持罐相同，設計也是相同的，總體設計成本不會增加不多。

安全無小事，設計過條例。筆者很想通過此篇繁復冗長但不失論據的項目案例詳細分析論證過程，分享給同行，希望在項目中對于判定疲勞設備能否滿足免除分析條件時能有所借鑒與啟發。從而能在分析設計及常規設計中，力求理論客觀，經濟合理選擇設計標準。