含缺陷壓力容器的有限元分析和安全評定

陳其錦

（廈門市特種設備檢驗檢測院，福建廈門 361004）

0 引言

燒結爐壓力容器作為粉末冶金行業的核心設備之一，由于燒結工藝要求，需要長期承受交變應力，因而易產生包括裂紋在內的各種缺陷。壓力容器內、外表面不允許有裂紋，如果有裂紋，應該打磨消除[1]。在處理裂紋打磨后形成的凹坑的實踐中，補焊存在較大困難時，鑒于并非所有超標缺陷都會導致壓力容器立即失效[2]，可以考慮通過對含缺陷壓力容器進行有限元分析和安全評定的方式評價壓力容器的安全狀況。

1 設備概況

廈門某公司一臺進口燒結爐，主體結構型式為夾套式，殼體設計壓力：-0.1～11 MPa，殼體設計溫度：5～150 ℃，殼體介質：Ar、N2、H2、CH4、C3H8、CO2、CO，夾套設計工作壓力：0.7 MPa，夾套設計溫度：5～80 ℃，夾套介質：水，內筒材料：P460NH，厚度：40 mm，夾套材料：P265GH，內徑：1240 mm。該設備自2015年1 月投用至今。

在對該燒結爐進行檢驗時，發現內筒體第一條環焊縫內表面存在一處表面裂紋。經打磨消除裂紋后，燒結爐內筒體內表面縱焊縫上存在一處長軸長度為105 mm、短軸長度為70 mm、深度為3.4 mm 的半橢球形凹坑，位置如圖1 所示。

圖1 燒結爐內筒體內表面縱焊縫凹坑位置

由于該燒結爐采用境外材料，由境外制造，且結構復雜，焊接及焊后熱處理均存在極大困難，補焊維修難度非常大。因此，根據實際情況，決定對該含缺陷燒結爐進行有限元分析和安全評定。

2 燒結爐爐體有限元分析

2.1 燒結爐整體建模

本次有限元分析對燒結爐筒體進行整體建模，整體模型包括支座、端蓋、卡箍、法蘭、夾套、內筒體、抽真空口接管、出蠟口接管、電極口接管、支撐柱接管、熱電偶口接管、進氣口接管以及熱電偶口接管T1、T2，其中各部件之間的焊接處都按連續處理。正常使用工況下，施加載荷除了考慮內壓外還考慮了物料重量，取最大值為500 kg 計算。本次有限元分析采用Solid185 單元進行網格結構的劃分。建立的整體模型如圖2 所示。

圖2 燒結爐整體模型

2.2 計算工況及材料性能參數選取

根據燒結爐的結構特點和設計使用工藝條件，對表1 所示4 種工況進行應力分析，確定平面缺陷評定中所需應力，進行缺陷的安全評定。本文僅以設計工況1 為例，介紹有限元分析及安全評定過程。設備材料性能參數見表2。

表1 計算工況

表2 材料性能參數

2.3 邊界條件設置及分析計算

經過計算整理，對整體模型施加的邊界條件，在4 個支座底部施加全約束；對整體模型施加的載荷邊界為：筒體和接管中所有與操作介質接觸面施加內壓P1（11 MPa），溫度為150 ℃，夾套中所有與操作介質接觸面施加壓力P2（0.7 MPa），溫度為80℃，抽真空口接管端部施加軸向載荷F1（7.58 MPa），出蠟口接管端部施加軸向載荷F2（2.84 MPa），電極口接管端部施加軸向載荷F3（2.32 MPa），熱電偶口接管端部施加軸向載荷F4（2.22 MPa），進氣口接管端部施加軸向載荷F5（0.72 MPa），熱電偶口接管T1、T2 端部施加軸向載荷F6（0.46 MPa），支撐柱接管端部施加的軸向載荷F7（2.64 MPa），外表面施加溫度20 ℃，如圖3 所示。采用映射網格劃分，對模型進行相應的細化，得到網格劃分后的模型如圖4 所示。運用ANSYS 有限元分析軟件計算，得到燒結爐筒體各單元的SINT 當量應力，如圖5所示。

圖3 燒結爐筒體邊界和載荷加載

圖4 燒結爐整體網格模型

圖5 燒結爐內筒體各單元及焊縫的SINT 當量應力

由圖5 可知，燒結爐內筒體各單元的SINT 當量應力的最大值位于抽真空口開孔邊緣，為263.915 MPa。燒結爐內筒體焊縫各單元的SINT 當量應力最大值位于環焊縫位置（靠近端蓋），為250.339 MPa。

定義分析路徑PATH1，位于燒結爐內筒體環焊縫的缺陷位置，路徑PATH1 的方向都從內筒體焊縫內表面指向焊縫外表面，如圖6 所示。

圖6 燒結爐內筒體縱焊縫缺陷位置及路徑分布

將SINT 當量應力分別映射到路徑PATH1 上并進行線性化，得到薄膜主應力、彎曲應力等應力的分布，如圖7 所示。路徑線性化得到的薄膜應力和彎曲應力見表3。

表3 設計工況1 下路徑上的薄膜應力和彎曲應力

圖7 燒結爐筒體路徑PATH1 應力線性化分布

3 安全評定

3.1 潛在失效模式分析及評價方法確定

考慮凹坑是由于將焊縫表面裂紋打磨消除后形成的，本次評定將凹坑按平面缺陷進行評定處理，其評定結果偏于保守。由于設備工作溫度小于材料蠕變溫度，故可排除蠕變等失效模式；對凹坑缺陷以外部位厚度測量抽查顯示未發現明顯腐蝕減薄。因此本評定考慮潛在失效模式為靜態裂紋尖端因應力集中導致的彈塑性斷裂失效或因靜強度削弱導致的塑性失效，按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》中基于雙判據通用失效評定圖技術的常規評定方法進行評價。對于設計工況1，按標準中的失效后果嚴重確定各分安全系數，見表4。

表4 常規評定安全系數取值

3.2 斷裂力學計算

3.2.1 載荷比Lr的計算

式中，Pm為一次薄膜應力，即np×180.8 MPa，得到Pm=226 MPa；Pb為一次彎曲應力，即ns×121.2 MPa，得到Pb=121.2 MPa；a 為缺陷表征橢圓裂紋深度，即nc×H，得到a=3.74 mm；B 為計算壁厚，取實測厚度38.9 mm；ζ=；c=πRi。

3.2.2 斷裂比Kr的計算

式中，Qm為二次薄膜應力，即，得到Qm=-133.5 MPa；Qb為二次彎曲應力，即+1.6ΔT，得到Qb=379 MPa。

3.3 繪制失效評定圖

將評定點（Lr，Kr）繪制在通用失效評定圖（圖8），顯示該缺陷評定點位于失效評定圖的安全區。

圖8 燒結爐內表面凹坑缺陷失效評定圖

4 結束語

通過有限元分析及安全評定，燒結爐凹坑缺陷在設計工況1 下的評定點位于失效評定圖的安全區，不影響設備在其正常設計使用工況下使用。本次有限元分析和安全評定，在確保設備安全使用的前提下，最大程度保障了企業利益。