宋洪昌

(天津市濱海新區(qū)大港特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,天津 300270)

淺談對一起壓力容器疲勞裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

宋洪昌

(天津市濱海新區(qū)大港特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,天津 300270)

文章介紹了對一起在二氧化碳緩沖罐定期檢驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)因疲勞失效產(chǎn)生裂紋及對分析裂紋產(chǎn)生的原因、修理方法和改進(jìn)措施。

二氧化碳緩沖罐 振動 疲勞失效 裂紋 處理 方法 措施 效果

1 容器的基本情況

容器名稱：二氧化碳緩沖罐

容器材質(zhì)：316

2 主要參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力：3.1MPa

設(shè)計(jì)溫度：-28-93℃

介質(zhì)：CO2原料氣

幾何尺寸：φ1067×1575×18mm

3 概況

2010年3月本所檢驗(yàn)人員在對天津市聯(lián)博化工有限公司在用容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)該公司一臺二氧化碳緩沖罐的安全閥接管與容器本體連接處存在兩條裂紋，其尺寸分別為95mm、80mm。經(jīng)過刨挖確認(rèn)深度為14mm。

4 失效原因分析

針對二氧化碳緩沖罐產(chǎn)生裂紋這一情況，檢驗(yàn)人員向車間操作人員認(rèn)真了解該臺二氧化碳緩沖罐的運(yùn)行情況，得知該臺二氧化碳緩沖罐在運(yùn)行過程中一直處于振動狀態(tài)，振源來自與壓縮機(jī)出口相連進(jìn)料管道。對二氧化碳緩沖罐本體檢查發(fā)現(xiàn)安全閥選用通徑75mm，重量較大，安全閥和接管與容器本體構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，安全閥重量在接管與設(shè)備連接處產(chǎn)生較大的力矩。安全閥接管與設(shè)備連接處無補(bǔ)強(qiáng)圈。見示意圖1。

二氧化碳緩沖罐產(chǎn)生裂紋的主要原因是由于進(jìn)氣管道劇烈振動牽動二氧化碳緩沖罐本體以相同頻率進(jìn)行振動，而安全閥重量較重，安全閥和接管與容器本體構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)使安全閥的重量對二氧化碳緩沖罐本體構(gòu)成較大的力矩，隨著二氧化碳緩沖罐本體振動，在安全閥進(jìn)口接管與二氧化碳緩沖罐連接處的焊接接頭部位產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力的作用下造成這一區(qū)域受力最大的金屬晶粒產(chǎn)生滑移，隨著晶粒滑移的發(fā)展，滑移線之間產(chǎn)生交叉滑移，形成變寬、加深的滑移帶，當(dāng)滑移帶內(nèi)兩個(gè)滑移面之間的距離較小時(shí)便會產(chǎn)生細(xì)微的間隙并逐漸發(fā)展成為微小的裂紋，微小裂紋處由于應(yīng)力集中使裂紋兩端不斷的擴(kuò)展和相互貫通，最終發(fā)展成為宏觀裂紋，導(dǎo)致此處在振動和應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞失效破壞。

圖1

圖2

5 處理方法

首先對二氧化碳緩沖罐所有接管處的焊接接頭和不連續(xù)部位進(jìn)行著色無損探傷，特別對產(chǎn)生裂紋處的焊接接頭進(jìn)行重點(diǎn)檢測，確認(rèn)存在裂紋的數(shù)量，位置和長度，確定修理方案和方法。

對需要清除的裂紋兩端采取打孔止裂的措施防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，利用機(jī)械手段和著色無損探傷對裂紋進(jìn)行清除和確認(rèn)，采用補(bǔ)焊和著色探傷的方法進(jìn)行修復(fù)，將焊跡打磨平整圓滑過渡，經(jīng)過著色無損探傷最終確認(rèn)合格后進(jìn)行液壓試驗(yàn)。

由于該容器系美國制造，無原始資料，參照GB150-89第6.2、不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開口直徑的規(guī)定，‘在圓筒、球殼、錐殼及凸形封頭（以封頭中心為中心80%封頭內(nèi)直徑的范圍內(nèi)）上開孔時(shí)當(dāng)滿足下述要求時(shí)可允許不另行補(bǔ)強(qiáng)，b：當(dāng)殼體名義厚度大于12mm時(shí)，接管公稱直徑小于或等于80mm：；當(dāng)殼體名義厚度大于或等于12mm時(shí)，接管公稱直徑小于或等于50mm：’的要求及GB150-98第8.3不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開口直徑的規(guī)定，‘殼體滿足下述全部要求時(shí)，可不另行開孔，a：設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa：’的要求。筆者認(rèn)為二氧化碳緩沖罐上安全閥進(jìn)口管道采用規(guī)格為89×6mm，雖然其公稱直徑為76mm小于80mm在不需要另加補(bǔ)強(qiáng)的范圍內(nèi)，但已經(jīng)接近GB150-1989第6.2的要求，考慮二氧化碳緩沖罐的實(shí)際工況和參照GB150-1998第8.3的規(guī)定向使用單位提出由使用單位在征得原設(shè)計(jì)單位同意后，在疲勞失效部位以補(bǔ)強(qiáng)圈的形式加強(qiáng)其強(qiáng)度的建議，最終在該處焊接接頭處加裝補(bǔ)強(qiáng)圈。

其次對由壓縮機(jī)到二氧化碳緩沖罐的管道布置進(jìn)行調(diào)整以此達(dá)到減小管道和容器的振動。通過分析我們認(rèn)為造成管道的振動的原因有以下幾個(gè)方面：

(1)來自往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動部件往復(fù)運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動慣性力和慣性力矩驅(qū)使壓縮機(jī)振動牽動與其連接的管道產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動,這個(gè)頻率稱其為管道激振頻率。

(2)往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣流不是連續(xù)的,是脈動的。在管道中的氣流產(chǎn)生脈動和壓力脈動即自由振動,其頻率稱為氣柱的固有頻率。

(3)管道作為一個(gè)構(gòu)件有一個(gè)機(jī)械振動的固有頻率,這個(gè)頻率與管道長度有關(guān),這個(gè)頻率稱其為管道的固有頻率。

當(dāng)管道在某個(gè)長度上存在的固有頻率與壓縮機(jī)牽引管道產(chǎn)生的振動頻率即激振頻率、氣柱的固有頻率中的一個(gè)或兩個(gè)接近或相等的情況下就會產(chǎn)生共振的現(xiàn)象,此時(shí)管道將會產(chǎn)生激烈的震動。

根據(jù)以上的理論分析,我們得出將現(xiàn)有管道長度加以改變進(jìn)而達(dá)到改變管道著機(jī)械振動固有頻率,是避開管道產(chǎn)生共振是行之有效的辦法和途徑。因此產(chǎn)生對原有管道布置進(jìn)行變動的嘗試和構(gòu)想,改變前后對比見上圖2。

如前所述,管道激振頻率與管道的長度有直接的關(guān)系,在理論上管道固有頻率與管道的長度成反比。管道布置改變前管道的固有頻率和管道激振頻率、氣柱的固有頻率兩者,或兩者之一接近或相同造成管道共振想象的發(fā)生。改變后由于管道的長度發(fā)生了變化管道固有頻率也隨之發(fā)生變化,使管道固有頻率和管道激振頻率、氣柱的固有頻率錯開,減小管道的振動和避免共振現(xiàn)象發(fā)生。管道布置改變前,由于管道激烈振動牽動二氧化碳緩沖罐一相同的頻率振動,因此管道激烈振動是二氧化碳緩沖罐接管或不連續(xù)處產(chǎn)生裂紋的的根源和主要原因。

6 效果

二氧化碳緩沖罐經(jīng)過以上的修理,接管部位補(bǔ)強(qiáng)使薄弱部位強(qiáng)度得到加強(qiáng)和管道振動的減小,收到良好的效果。二氧化碳緩沖罐安全性能得到恢復(fù),已經(jīng)正常工作,修理部位狀態(tài)良好。

7 結(jié)語

在對壓力容器定期檢驗(yàn)過程中,檢出裂紋的情況時(shí)有發(fā)生,裂紋形成機(jī)理不盡相同,本文中筆者對二氧化碳緩沖罐產(chǎn)生裂紋形式、形成的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析和處理。

通過對以上案例的分析筆者認(rèn)為作為一名合格的特種設(shè)備檢驗(yàn)人員應(yīng)該具備一定的專業(yè)知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用所掌握的專業(yè)理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提高分析問題和解決問題的能力。壓力容器設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到各種因素和必要的理論計(jì)算,管道安裝單位應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)條件要求進(jìn)行安裝,不得隨意改變設(shè)計(jì)以避免不安全隱患的發(fā)生。