接管與殼體連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力特點(diǎn)、無損檢測(cè)方法

劉曉龍

(煙臺(tái)萬華化工設(shè)計(jì)院有限公司,山東 煙臺(tái) 264006)

壓力容器為滿足工藝操作及容器制造、安裝、檢驗(yàn)和維修等要求,需在壓力容器殼體上進(jìn)行開孔并安裝接管。殼體開孔削弱了容器的整體強(qiáng)度,而且因開孔引起應(yīng)力集中在局部有較高應(yīng)力值。接管有時(shí)還承受各種外加載荷或溫差應(yīng)力,使得局部應(yīng)力值進(jìn)一步提高。接管與殼體連接處是壓力容器薄弱點(diǎn),壓力容器失效破裂往往從接管處開始。因此,設(shè)計(jì)時(shí)采用合適的接管結(jié)構(gòu),降低開孔處應(yīng)力集中系數(shù),方便制造加工,并進(jìn)行無損檢測(cè)確保焊接質(zhì)量,就可以提高壓力容器運(yùn)行的安全性。

1 接管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

接管與殼體連接一般有以下幾種結(jié)構(gòu),插入式;安放式;嵌入式。在工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的需要及工藝、制造、焊接、探傷、經(jīng)濟(jì)性等方面要求綜合考慮,選擇合適的結(jié)構(gòu)。

圖1 接管與殼體的連接結(jié)構(gòu)

1.1 插入式接管

插入式接管是壓力容器中應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu),可分為與設(shè)備內(nèi)壁平齊結(jié)構(gòu)和接管內(nèi)伸結(jié)構(gòu)。接管是否內(nèi)伸,往往需要根據(jù)工藝需求來確定,如防靜電要求、液面穩(wěn)定要求等等。當(dāng)工藝無特殊要求時(shí),可按標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3074—2018中7.3.3條采用接管有一定內(nèi)伸的結(jié)構(gòu),見圖2。采用此結(jié)構(gòu),制造廠不用再在設(shè)備內(nèi)部打磨多余金屬,減少了受限空間內(nèi)的工作量,且該結(jié)構(gòu)在一定程度上可以降低應(yīng)力集中系數(shù),改善開孔處應(yīng)力。當(dāng)接管為排凈口時(shí),可在最低、最高點(diǎn)處開半圓孔,以滿足排凈要求。但當(dāng)接管內(nèi)伸部分影響內(nèi)部構(gòu)件布置或物料裝卸時(shí),應(yīng)采用平齊式結(jié)構(gòu)。

圖2 插入式接管連接結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)工藝流程及操作過程有一定了解,采用合適的結(jié)構(gòu),避免因結(jié)構(gòu)選取不當(dāng)造成局部腐蝕、壁厚減薄等,最終引發(fā)設(shè)備破裂失效。例如介質(zhì)自管線進(jìn)入空間相對(duì)寬闊的設(shè)備時(shí),在壓力有所降低的同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生閃蒸、氣蝕、沖刷等現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致設(shè)備局部減薄引發(fā)事故。曾有某單位設(shè)計(jì)的立式容器,進(jìn)口在容器側(cè)壁,并采用平齊式結(jié)構(gòu),進(jìn)口介質(zhì)為液相還可能夾帶氣體,在使用時(shí)進(jìn)口上方筒體壁厚減薄至不到1 mm,最終引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故,而對(duì)比同工況下進(jìn)口管采用了內(nèi)伸式結(jié)構(gòu)的設(shè)備,經(jīng)測(cè)厚檢查沒有筒體璧厚局部減薄的現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 安放式接管

安放式接管是將接管焊于殼體的外表面,通常接管厚度較大而殼體壁厚較小、殼體厚度遠(yuǎn)大于接管壁厚或者容器內(nèi)部無法施焊、清根時(shí)采用此結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)相對(duì)于插入式接管更容易進(jìn)行無損檢測(cè),常常應(yīng)用在高壓容器中,例如高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器中與接管相焊的殼體厚度很大,并且焊接接頭需要進(jìn)行100%射線和超聲檢測(cè),采用此結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮兩種無損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),可發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的根部未熔合和夾渣等焊接缺陷,保證焊接接頭的質(zhì)量。

安放式接管可采用焊后鏜孔結(jié)構(gòu),即在焊后將焊縫處未焊透的根部通過機(jī)加工鏜去,保證焊縫質(zhì)量,見圖3。但對(duì)于一些大型設(shè)備,無法在廠房?jī)?nèi)加工制造,亦不能進(jìn)行鏜孔加工時(shí),不應(yīng)采用這種結(jié)構(gòu)。

圖3 安放式接管鏜孔結(jié)構(gòu)

采用安放式接管結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)注意在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.3—2011中規(guī)定殼體開孔處鋼板截面應(yīng)無分層現(xiàn)象。為了滿足這一要求,通常要求對(duì)鋼板逐張進(jìn)行超聲檢測(cè),必要時(shí)再輔以磁粉或滲透檢測(cè),檢查開孔處材料的表面質(zhì)量。

1.3 嵌入式接管

嵌入式接管是開孔補(bǔ)強(qiáng)整體補(bǔ)強(qiáng)中的整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是將接管和其與殼體連接處部分連同加強(qiáng)部分作成一個(gè)整體鍛件,然后再與接管和殼體對(duì)焊在一起。一般適用于球形封頭或橢圓形封頭中心部位的接管與封頭的連接。

其優(yōu)點(diǎn)是:補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大的部位,應(yīng)力集中系數(shù)小;采用對(duì)接焊縫,使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)的位置;抗疲勞性能好,開孔后疲勞壽命只降低10%～15%左右。但因其機(jī)加工量大、制造較困難、成本高,所以一般在承受疲勞載荷、大溫度梯度、低溫等較苛刻的操作條件的重要設(shè)備上采用。

2 接管結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力集中、疲勞壽命的影響

2.1 接管有無內(nèi)伸對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響

以球殼開孔為例,根據(jù)薄殼理論和試驗(yàn)結(jié)果繪制的圖表見圖4。圖中曲線的適用范圍如下:開孔大小的范圍為0.01≤r/R≤0.4;容器壁厚的限制為30≤R/S≤150;只限于整體件補(bǔ)強(qiáng)情況。

p—球殼內(nèi)壓,MPa;r—接管半徑,mm;R—球殼半徑,mm;S—球殼有效厚度,mm;t—表示接管厚度,mm;ρ—開孔系數(shù),無因次量;α—應(yīng)力集中系數(shù);σmax—最大應(yīng)力,MPa。圖4 球殼開孔平齊、內(nèi)伸式接管的應(yīng)力集中系數(shù)

應(yīng)力集中系數(shù)是開孔系數(shù)的函數(shù),開孔系數(shù)越大,應(yīng)力集中系數(shù)越大;應(yīng)力集中系數(shù)還隨t/S而變,殼體厚度不變,接管越厚,應(yīng)力集中系數(shù)小;t/S越接近于1.0,應(yīng)力集中系數(shù)越小,因此標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.3—2011中規(guī)定在采用厚壁管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí),宜控制t/S在0.5～2;對(duì)同一球殼,開孔大小、接管壁厚相同,采用內(nèi)伸式接管比平齊接管的應(yīng)力集中系數(shù)更小,例如當(dāng)開孔系數(shù)為1.0時(shí),平齊式接管應(yīng)力集中系數(shù)約為2.5,而內(nèi)伸式接管應(yīng)力集中系數(shù)約為1.8。

2.2 局部高應(yīng)力區(qū)避免出現(xiàn)溫差應(yīng)力

設(shè)備在實(shí)際操作過程中,進(jìn)料口介質(zhì)的溫度可能不斷波動(dòng)或間歇性投入,若進(jìn)料溫度與設(shè)備金屬壁溫度差值過大,角焊縫高應(yīng)力區(qū)會(huì)因溫差應(yīng)力的影響導(dǎo)致疲勞破裂。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),可考慮將溫差應(yīng)力影響區(qū)和高應(yīng)力區(qū)影響區(qū)分開布置,避免二者疊加造成熱疲勞。例如在汽包設(shè)計(jì)中,加藥管、給水管與設(shè)備連接時(shí)常采用套管結(jié)構(gòu),套管分為焊接、套和兩種形式,見圖5。

圖5 焊接式(左)、套和式(右)套管

2.3 接管型式、方位及幾何參數(shù)對(duì)疲勞壽命的影響

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究,接管形式、方位及幾何參數(shù)對(duì)疲勞壽命的影響如下:

2.3.1 接管型式影響

完全焊透內(nèi)伸式接管疲勞壽命降低最少;未全焊透的內(nèi)伸管疲勞壽命較全焊透者低,但比平齊式接管要高;經(jīng)磨削的平齊式接管疲勞裂紋的起點(diǎn)在接管內(nèi)壁下角,內(nèi)伸式接管則在角焊縫與母材的邊界上。

2.3.2 接管方位影響

沿殼體法線方向布置的垂直接管疲勞壽命降低最少,疲勞壽命隨接管的傾斜角度增加而顯著下降;筒壁較厚(如直徑壁厚比為30)容器的切向接管,安放式接管疲勞壽命較高,且接管與筒體軸線的偏心距對(duì)壽命影響不大;薄壁筒體(如直徑壁厚比為100)內(nèi)伸式接管疲勞壽命較高,且偏心距影響顯著,距離增加,壽命降低。

2.3.3 幾何參數(shù)影響

殼體直徑不變,開孔直徑越大疲勞壽命越低;殼體壁厚不變,接管厚度增加,疲勞強(qiáng)度提高;對(duì)安放式接管,開孔較小時(shí)(接管直徑與設(shè)備直徑比值小于0.4),接管壁厚越大,疲勞壽命越高,開孔較大時(shí)(直徑比值大于0.4),接管壁厚增加并不能提高疲勞壽命。

3 接管D類焊接接頭的無損檢測(cè)

如前文所述,接管與殼體連接處因結(jié)構(gòu)不連續(xù),局部應(yīng)力值較高,常常是設(shè)備超壓或疲勞開裂的起始位置。因此對(duì)重點(diǎn)設(shè)備,應(yīng)采用合適的無損檢測(cè)方法保證該處焊接接頭的質(zhì)量。

嵌入式接管與殼體連接的焊接接頭屬于A類,其無損檢測(cè)相對(duì)容易。而插入式接管或安放式接管與殼體連接的焊接接頭屬于D類,無損檢測(cè)相對(duì)困難,對(duì)其表面缺陷,一般采用磁粉檢測(cè)(鐵磁性材料優(yōu)先采用磁粉檢測(cè))或滲透檢測(cè);對(duì)內(nèi)部缺陷,則采用射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)或相控陣超聲檢測(cè),此三種檢測(cè)方法特點(diǎn)如下。

3.1 射線檢測(cè)

對(duì)平齊式接管或插入式接管角焊縫進(jìn)行射線檢測(cè),可檢測(cè)出角焊縫中是否存在坡口未熔合、裂紋等缺陷,但較難確定缺陷的深度位置和自身高度。射線檢測(cè)時(shí)底片的布置方法有兩種,示例見圖6～7,圖6中1表示射線源焦點(diǎn),2表示膠片,b表示工件至膠片距離。實(shí)際檢測(cè)過程中,射線源的位置、底片能否貼近焊接接頭表面,都影響成像效果,而且角焊縫因結(jié)構(gòu)限制,在底片上的成像變形大,缺陷處不易觀察,部分制造廠無法采用射線檢測(cè)來保證焊接質(zhì)量。

圖6 接管角焊縫的單壁外透照(以插入式接管為例)

3.2 超聲檢測(cè)

接管與殼體連接的D類接頭一般采用直探頭和斜探頭進(jìn)行組合超聲檢測(cè)。對(duì)縱向缺陷檢測(cè)采用斜探頭或斜探頭+直探頭;對(duì)橫向缺陷檢測(cè)采用斜探頭橫向掃查。檢測(cè)時(shí)對(duì)探頭移動(dòng)一定的寬度,以便檢測(cè)出相關(guān)缺陷,確保檢測(cè)效果。具體檢測(cè)要求見圖7。部分工程公司規(guī)定設(shè)計(jì)壓力、接管公稱口徑達(dá)到一定數(shù)值時(shí),要求接管與殼體的角焊縫應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。《壓力容器—分析設(shè)計(jì) 第6部分:制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》征求意見稿中第10.3.2條規(guī)定,NB/T 47013.4適用范圍內(nèi)的接管與殼體相焊的D類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。對(duì)插入式接管,角焊縫超聲檢測(cè)適用范圍如下:

圖7 接管角焊縫超聲檢測(cè)(以安放式接管為例)

(1)筒體(或封頭)檢測(cè)面曲率半徑≥250 mm且內(nèi)外徑比≥70%;

(2)接管公稱直徑≥80 mm;

對(duì)安放式接管,角焊縫超聲檢測(cè)適用范圍如下:

(1)筒體(或封頭)檢測(cè)面曲率半徑≥150 mm;

(2)接管公稱直徑≥100 mm。

3.3 相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)是一種可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)技術(shù),其檢測(cè)過程無輻射,對(duì)于危害性面狀缺陷檢出率高,缺陷定性可靠、定位定量準(zhǔn)確,其檢測(cè)效果與射線檢測(cè)基本一致甚或部分更優(yōu)。國家能源局2021年發(fā)布的第3號(hào)公告,批準(zhǔn)NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15部分:相控陣超聲檢測(cè)》施行,標(biāo)志著該檢測(cè)方法正式納入承壓設(shè)備的無損檢測(cè)。該檢測(cè)方法的探頭布置見圖8。

圖8 角焊縫探頭位置示意圖(以內(nèi)伸式插入管為例)

相控陣超聲檢測(cè)還可用于更復(fù)雜焊接接頭的無損檢測(cè)。例如,在SH/T 3501—2021《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中第8.3.12條規(guī)定,補(bǔ)強(qiáng)圈覆蓋的焊接接頭應(yīng)經(jīng)過100%無損檢測(cè)合格后,方可進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接。因此接管角焊縫和補(bǔ)強(qiáng)圈角焊縫需要分兩次焊接,見圖9。此類焊接接頭在定期檢驗(yàn)時(shí),接管角焊縫因被補(bǔ)強(qiáng)板角焊縫覆蓋,無法進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè);射線檢測(cè)又因結(jié)構(gòu)的限制,也無法進(jìn)行檢測(cè)或評(píng)定;常規(guī)超聲檢測(cè)無法覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域,檢測(cè)難度大,且檢測(cè)結(jié)果不直觀。在制定特定相控陣超聲檢測(cè)工藝進(jìn)行模擬驗(yàn)證后,證明采用相控陣超聲檢測(cè)可以有效檢測(cè)出模擬的氣孔、坡口未熔合和未焊透缺陷。

圖9 帶補(bǔ)強(qiáng)圈安放式接管角焊縫

4 結(jié)語

(1)不同接管結(jié)構(gòu)適用范圍不同,接管結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)工藝操作特點(diǎn)、是否便于加工制造以及設(shè)備重要程度、無損檢測(cè)難易程度等等因素綜合考慮確定。

(2)接管壁厚與殼體壁厚比值應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)以降低應(yīng)力集中系數(shù);內(nèi)伸式接管可降低應(yīng)力集中系數(shù);有溫差波動(dòng)接管應(yīng)合理設(shè)計(jì)接管結(jié)構(gòu),避免應(yīng)力集中區(qū)域與溫差應(yīng)力影響區(qū)域重合;不同接管型式、方位及幾何參數(shù)對(duì)疲勞壽命影響不同,在接管的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)疲勞壽命要求確定合理參數(shù)。

(3)D類接頭是設(shè)備的薄弱點(diǎn),僅進(jìn)行表面探傷已無法滿足日趨嚴(yán)格的質(zhì)量要求;射線檢測(cè)因成像問題,不易觀察缺陷及確定缺陷位置;超聲檢測(cè)可移動(dòng)探頭位置,檢測(cè)出焊接缺陷,但對(duì)插入式接管和安放式接管有一定的適用范圍;新實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)中的相控陣超聲檢測(cè)可記錄、檢測(cè)效果好,還可用于復(fù)雜焊接接頭的檢測(cè),在設(shè)備制造、定期檢驗(yàn)中將會(huì)有更多的應(yīng)用。