超期服役下含超標缺陷壓力容器的合于使用評價研究*

胡華勝，鄧 聰,2，趙仲勛，王 磊

（1.廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640）

0 引言

壓力容器作為八大類特種設備的一種，通常面臨十分苛刻的工藝環境，在其制造和長期使用過程中，極易產生各種類型的缺陷，很難完全避免[1]。隨著我國社會經濟的不斷發展，壓力容器一方面不斷向大型化、高參數方向發展，新材料、新結構大量應用，使用環境更加苛刻復雜；另一方面超期服役的壓力容器也在迅速增長[2]。

在TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中已明確表述，對超期服役或者含超標缺陷的壓力容器可以采用合于使用評價的方式對其安全狀況進行評估[3]。而在實際操作過程中，由于缺乏相關經驗，且傳統方式下應力計算過程復雜，采用手工計算的話效率低下[4]。在此背景下，面對超期服役或者含超標缺陷的壓力容器，檢驗機構和檢驗工程師們通常只能給出返修或者更換的策略[5]。但企業往往受制于工期以及經濟效益等因素，在沒有科學依據的情況下，盲目“帶病”運行超期服役或者含超標缺陷的壓力容器，存在較大安全隱患[6]。在此背景下，如何行之有效地開展此類壓力容器的檢驗及評價工作已成為了迫切需要解決的熱點問題。

本文將傳統檢驗檢測技術與有限元應力分析法結合起來，以某大型水電企業超期服役下的含超標平面缺陷的壓力容器為例，進行了應力分析及合于使用評價研究，為企業特種設備安全運行提供科學依據，同時為檢驗機構在工程實踐中廣泛開展合于使用評價工作提供借鑒和參考。

1 某服役壓力容器

1.1 基本情況

某壓力容器為單層板焊結構，主要技術參數如表1所示，結構如圖1所示。該壓力容器于1990年前后投用，其服役年限已遠超過其設計使用壽命。

表1 壓力油罐主要技術參數Tab.1 Main parameters of pressure tank

圖1 壓力油罐結構Fig.1 Schematic diagram of pressure tank

1.2 定期檢驗情況

在對此壓力油罐的全面檢驗過程中，經超聲檢測發現，上封頭與筒體連接環縫存在未熔合，且該缺陷尺寸已超過TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》所允許的使用范圍，如表2所示。

表2 超聲檢測發現缺陷情況Tab.2 Defects by ultrasonic examination

母材化學成分檢測結果符合GB/T 699-2015《優質碳素結構鋼》[7]中20R鋼的要求，如表3所示。硬度檢測發現母材與焊縫硬度值為126～135 HB，符合《鍋爐和壓力容器用鋼板》[8]中20R材料的布氏硬度范圍（108～140 HB）。結合其使用條件，可以認為該設備沒有明顯材質劣化[9]。

表3 母材化學成分分析結果Tab.3 Results of chemical composition analysis of base material%

另外，檢驗人員采用超聲波測厚以及在該焊縫外壁面磁粉檢測中未見腐蝕減薄和磁痕顯示。

1.3 材料力學性能試驗情況

由于該批次壓力油罐年代久遠，部分隨機資料已遺失，焊接材料和焊接工藝無法確定。由于后續安全評定的需要，檢驗人員對已經報廢的、同批次壓力油罐進行取樣，并根據有關要求進行拉伸試驗、彎曲試驗以及沖擊試驗[10]，獲取了其力學性能數據，如圖2所示?，F將試樣力學性能測試結果與《壓力容器用鋼板》[11]進行對比，均符合要求，如表4所示。

圖2 力學性能試驗情況Fig.2 Circumstance of mechanical testing

表4 材料力學性能試驗結果Tab.4 Results of mechanical testing

2 缺陷成因分析和失效模式判斷

經過對設備介質進行成分化驗，不包含氫氣和硫化氫等，不存在氫損傷和硫化氫破壞等潛在的損傷機理。同時，根據上述缺陷檢驗檢測、理化分析結果，可以認為該超標缺陷為制造過程中產生的未熔合，且未產生新增缺陷。

另外，該壓力油罐操作工況較穩定，工作溫度為常溫，不易發生疲勞和蠕變失效[12]。因此，壓力油罐在該缺陷位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效，可采用《在用含缺陷壓力容器安全評定》[13]中平面缺陷常規評定方法對埋藏缺陷進行安全評定。

3 合于使用評價研究

3.1 缺陷表征

根據超聲檢測結果，未熔合缺陷實測最大自身高度h=5 mm，實測最大長度l=8138 mm，板厚B=46 mm，距離內外表面距離p1和p2分別為1 mm和40 mm。由于p1＜0.4h＜p2，現將缺陷規則化為半橢圓形表面缺陷，a=h+p1=6 mm，2c=l=8138 mm。

3.2 應力分析

3.2.1 有限元模型及網格劃分

應力按性質可分為一次應力、二次應力和峰值應力，其中峰值應力僅對低周疲勞或脆性斷裂的失效模式起作用，故本次分析不需要考慮峰值應力[14-15]。其中，介質的壓力和介質和設備的自重以及外加的機械荷引起的一次應力對缺陷開裂起主要作用，缺陷部位與缺陷平面垂直的一次應力是危險應力[16]。

現采用ANSYS14.0進行有限元分析，簡化后的模型如下：根據圣維南定理，為避免端面約束對分析部位產生影響，筒體取軸向長度應大于4Rit=960 mm（式中，Ri為筒體內半徑，t為筒體名義壁厚），實際筒節軸向長度取1500 mm；考慮到壓力油罐的對稱性，采用1/4模型。分析時采用20節點六面體二次減縮積分單元（C3D20R）進行彈性分析求解。為保證計算精度，對缺陷部位網格進行細化處理，有限元分析模型和網格劃分情況如圖3和圖4所示。

圖3 壓力油罐三維有限元分析模型Fig.3 Three dimensional finite element analysis model of pressure oil tank

圖4 壓力油罐整體及局部網格劃分情況Fig 4 Overall and local grid division of pressure oil tank

3.2.2 邊界條件

圖5所示為邊界條件設置情況。其中，位移邊界條件主要是約束筒體下端面ΔY=0，以及在對稱面施加對稱位移約束。力邊界條件主要包括：（1）靜水壓力載荷（油密度0.8 kg·m-3），自由面設置為壓力油罐最頂端；（2）內壁面施加載荷4.38 MPa（設計工況）；（3）筒體下端部施加等效應力載荷pd1，計算值為58.43 MPa。等效應力載荷公式如下：

圖5 邊界條件Fig 5 The boundary condition

式中：pc為計算壓力，MPa；Ri為筒體或接管端部內半徑，mm；Ro為筒體或接管端部外半徑，mm。

3.2.3 應力分析結果

圖6所示為設計工況下含缺陷壓力油罐的應力強度SINT（第三強度理論）云圖，圖中紅色區域表示高應力區，藍色區域表示低應力區。最大應力強度為筒體和焊縫連接部位內表面，顯然，該超標未熔合缺陷破壞了壓力油罐的連續性，結構突變導致應力增加，最大值可達到168.45 MPa。

圖6 應力強度SINT云圖Fig 6 SINT picture of stress intensity

同時根據應力分析結果，建立路徑Path，并利用ANSYS的路徑線性化分析功能，分解得到缺陷位置最大一次薄膜應力pm和一次彎曲應力pb，其值分別為70.12 MPa和29.40 MPa。

3.3 安全評定

3.3.1 應力強度因子的計算

出于保守的考慮，焊接殘余應力引起的二次薄膜應力取值Qm1=0.5σS=124 MPa，二次彎曲應力Qb1=0 MPa[17]。焊縫部位未發現有錯邊、變形，計算二次應力時不考慮錯邊和變形的影響。

式中：σmP和σbP分別為缺陷部位一次薄膜應力和彎曲應力，按照3.2節計算結果，并乘以安全系數（失效后果按一般考慮，取值1.1），分別為87.65 MPa，36.75 MPa；σmS和σbS分別為缺陷部位二次薄膜應力和彎曲應力，失效后果為嚴重時，安全系數取1.0，其值為155 MPa，0 MPa；fm和fb為裂紋構形因子，取值為1.103，1.103[11]。

3.3.2 載荷比Lr和斷裂比Kr的計算

載荷比Lr計算結果為0.43，計算公式如下：

斷裂比Kr計算結果為0.85，按下式進行計算：

式中：G為裂紋間彈塑性干涉效應系數，取1.0[11]；Ψ1為塑形修正因子中間參量，取0.027[11]；Kp為評定用材料斷裂韌性，用斷裂韌度KC除以安全系數1.1求得。

KC值為148.89 MPa·m0.5，可通過下式進行計算：

式中：KV2為沖擊功（0℃），根據力學性能測試結果，取值為104 J，如表4所示。

3.3.3 失效評定

將計算得到平面缺陷點（0.42，0.85）繪制在通用失效評定圖中，如圖7所示。圖中FAC為失效評定曲線，為截止線=1.15）。顯然，平面缺陷點（0.42，0.85）位于失效評定圖的安全區，說明在設計工況下超標未熔合缺陷不影響壓力油罐的安全使用[18-19]。

圖7 失效評定Fig 7 Failure assessment chart

4 結束語

（1）針對超期服役的壓力油罐，進行超聲檢測、磁粉檢測、超聲測厚、理化分析以及力學性能試驗，在缺少相關資料的背景下，對檢測發現的超標缺陷進行定性定量分析，并明確壓力油罐在該焊縫位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效。

（2）通過有限元分析獲取壓力油罐應力強度SINT云圖，發現缺陷的存在破壞了壓力油罐結構的連續性，使得SINT當量應力顯著增加，最大值可達到168.45 MPa。

（3）采用平面缺陷常規評定方法對含超標未熔合缺陷的壓力油罐進行安全評定，計算得到的評定點位于通用失效評定圖的安全區內，為壓力油罐的安全使用提供了科學依據，為特種設備檢驗機構在工程實踐中廣泛開展合于使用評價工作提供借鑒和參考。