王 晶

(承德石油高等專科學(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

含缺陷管式褐煤干燥機(jī)用鋼焊接接頭低溫下的安全評定

王 晶

(承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

在設(shè)備內(nèi)部載荷、裂紋尺寸及材料低溫性能已知的情況下，采用我國《在用含缺陷壓力容器安全評定》(GB/T19624-2004)標(biāo)準(zhǔn)中簡化評定針對某褐煤干燥機(jī)管板用鋼Q370R焊接接頭焊縫處外表面裂紋進(jìn)行了安全評定，并給出了失效評定圖，同時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計算出該焊接接頭最大容許等效裂紋尺寸。結(jié)果表明，評定點(diǎn)位于曲線定義的安全范圍內(nèi)，但等效裂紋尺寸大于最大容許等效裂紋尺寸，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)該結(jié)構(gòu)不安全必須進(jìn)行返修。將GB/T19624-2004安全評定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于管式褐煤干燥機(jī)結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)含缺陷Q370R鋼結(jié)構(gòu)的安全評定奠定基礎(chǔ)。

管式褐煤干燥機(jī)；GB/T19624-2004；低溫；安全評定；最大容許等效裂紋尺寸

管式褐煤干燥機(jī)屬于一種承壓設(shè)備，是一種多管式的傾斜的封閉式回轉(zhuǎn)圓筒，主要服務(wù)于坑口電廠的發(fā)電以及煤化工等行業(yè)[1]，其中管板位于回轉(zhuǎn)筒體兩端，是一種大厚板拼焊鋼結(jié)構(gòu)件，筒體內(nèi)部分布大量干燥管，管的兩端插入管板對應(yīng)圓孔并通過脹接加固。

本文管式褐煤干燥機(jī)主體結(jié)構(gòu)依靠焊接完成，其中管板直徑可達(dá)3 040 mm，厚度40 mm，材質(zhì)為Q370R鋼，制造時需采用3塊等厚同材質(zhì)鋼板拼焊完成，焊接任務(wù)量大且焊接過程常常使焊接接頭的組織性能劣化和各種缺陷的存在[2]，其中最常見也是最危險的缺陷是焊接裂紋，特別是在冬季低溫環(huán)境下，干燥管強(qiáng)烈振動產(chǎn)生各種不均衡、非周期作用力及各種力產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致管板焊接接頭受力不穩(wěn)定，裂紋處易引起應(yīng)力集中，特別是接頭外部裂紋完全暴露在低溫環(huán)境下，此時焊接接頭容易脆化，極易發(fā)生斷裂造成突發(fā)性及災(zāi)難性事故。因此，針對管板有必要測試焊接接頭的低溫力學(xué)性能，同時在“合于使用”原則指導(dǎo)下，利用我國《在用含缺陷壓力容器安全評定(GB/T19624-2004)標(biāo)準(zhǔn)對含缺陷焊接接頭在低溫環(huán)境下進(jìn)行安全評定，判定該裂紋是否允許存在還是需要立即返修，這樣可使設(shè)備增加服務(wù)時間，避免不必要的維護(hù)以降低經(jīng)濟(jì)成本。

1 《在用含缺陷壓力容器安全評定》GB/T19624-2004簡介

《在用含缺陷壓力容器安全評定》(GB/T19624-2004)是適合我國國情且用來評定主要構(gòu)件和焊接結(jié)構(gòu)的合于使用性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)集成了國內(nèi)承壓設(shè)備安全評定最新研究成果和工程實踐經(jīng)驗,使國內(nèi)在用含缺陷承壓設(shè)備安全評定技術(shù)提高到當(dāng)代國際水平,為降低國內(nèi)承壓設(shè)備災(zāi)難性事故率提供了有效的技術(shù)手段[3]。

GB/T19624-2004是以英國CEGB R6-91、BSI PD6493-91標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)也是采用了三級評定技術(shù)路線，但該標(biāo)準(zhǔn)具有國內(nèi)的特色和創(chuàng)新之處。本標(biāo)準(zhǔn)將評定等級細(xì)分為簡化評定、常規(guī)評定、分析評定三個等級，等級越高，保守性相應(yīng)降低，本文采用簡化評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全評定。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗

2.1焊接參數(shù)

本文管式褐煤干燥機(jī)主體結(jié)構(gòu)由中間筒體和兩端管板組焊而成，其中筒體壁厚16 mm，筒體外徑3 000 mm，針對40 mm厚管板采用焊條電弧焊打底，埋弧自動焊填充及蓋面的方法焊接。坡口制作時要求坡口表面及兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨清理，不得有氧化皮、熔渣、油污及水銹。坡口表面用5倍(含5倍)以上放大鏡進(jìn)行宏觀檢查，不許有裂紋、分層等缺陷[4]，坡口形式及尺寸、焊接參數(shù)如圖1、表1所示。

表1 焊接參數(shù)

2.2低溫力學(xué)性能試驗結(jié)果

對Q370R鋼焊接接頭進(jìn)行全焊縫-20 ℃低溫力學(xué)性能試驗，數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)試驗結(jié)果可以看出，Q370R的焊接性良好，母材及焊縫金屬低溫拉伸試驗、沖擊試驗數(shù)據(jù)均符合GB713-2008技術(shù)要求，焊縫具有良好的低溫力學(xué)性能，且面彎、背彎部位外表面(受拉面)未發(fā)現(xiàn)裂紋和裂縫，焊接接頭具有良好的塑性和韌性，能滿足工作要求，驗證了焊接參數(shù)的合理性。

表2 母材和焊縫低溫性能試驗結(jié)果

3 安全評定計算[5]

3.1焊縫低溫斷裂韌度測定

焊縫斷裂韌性通?？刹捎孟谋葲_擊吸收功Akv、裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗值δc、斷裂韌度Kc及J積分臨界值Jc來表示，但Akv缺乏明確物理意義，不能充分反映真實韌性，特別是對于大厚度材料，試驗局限較大；KC通常只適用于線彈性場合；而JC在大范圍屈服條件下的適用性尚未確定；因此δC成為材料設(shè)計評估時最常用的臨界參考值[6]。

斷裂韌度按照GB/T21143-2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制直三點(diǎn)彎曲試樣，并在焊縫中心預(yù)制單邊疲勞裂紋，在-20 ℃低溫環(huán)境下將試樣加載直至失穩(wěn)破壞。根據(jù)試驗結(jié)果(見表3)取焊縫處斷裂韌度值中的最小值來評定，這樣會使評定結(jié)果更安全[7]，文中取值為δc=0.22。

表3 焊縫-20℃時斷裂韌度

3.2評定裂紋尺寸及應(yīng)力情況

管板校平之后必須對焊縫進(jìn)行探傷，按照探傷等級要求對管板拼接焊縫應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測和100%超聲波檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)管板外側(cè)拼接焊縫處出現(xiàn)裂紋，該裂紋與焊縫垂直，根據(jù)GB/T19624-2004標(biāo)準(zhǔn)將裂紋規(guī)則化處理后尺寸取a=24 mm(a為裂紋深度)，2c=85 mm(2c為裂紋長度)，如圖2所示。

根據(jù)含缺陷結(jié)構(gòu)安全工作壓力的評定，需要考慮無缺陷容器的極限壓力和安全壓力[8]，因此文中取無缺陷管式褐煤干燥機(jī)內(nèi)部最大允許工作壓力用于評定計算，這樣對于評定結(jié)果偏安全，計算公式如下：

式中：[σ]t為Q370R鋼在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，通過GB150.2-2011查得；φ為焊接接頭系數(shù)，可由焊縫金屬抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度之比求得；δe為筒體有效厚度；Di為筒體內(nèi)直徑。通過計算其最大允許工作壓力為5.079 MPa。

3.3簡化評定計算

3.3.2Sr的計算

3.3.4 安全性評價

3.4最大容許等效裂紋尺寸計算

4 結(jié)論

1)針對管式褐煤干燥機(jī)管板Q370R鋼焊接接頭進(jìn)行了-20 ℃下的低溫力學(xué)性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果在給定裂紋尺寸及最大工作壓力的條件下采用GB/T19624-2004簡化評定標(biāo)準(zhǔn)針對焊縫區(qū)表面裂紋進(jìn)行低溫工況下的安全評定，結(jié)果表明評定點(diǎn)在曲線定義的安全范圍內(nèi)，說明該結(jié)構(gòu)是安全的。

2)考慮到焊接殘余應(yīng)力的影響，給出了在已知條件下的表面裂紋最大容許尺寸，根據(jù)計算結(jié)果可以看出，最大容許裂紋尺寸要小于等效裂紋尺寸，表明該裂紋缺陷不能被接受，與簡化評定結(jié)果相反，出于安全性考慮，建議對該裂紋缺陷進(jìn)行返修，這也說明了簡化評定的保守性較高。

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SafeAssessmentforWeldedJointofEndPlatesofTubularLigniteDryingMachineContainingDefectsBasedonGB/T19624-2004atLowTemperature

WANG Jing

(Industrial Technology Center， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei, China)

Given load, crack size and cryogenic mechanical properties，outer surface flaw in weld bead zone of Q370R steel of the tubular lignite drying machine was assessed by simplified assessment of GB/T19624-2004(Safety assessment for in-service pressure vessels containing defect) and failure assessment diagram was showed. Maximum tolerable equivalent flaw size was calculated according to GB/T19624-2004.The results showed that the assessment point was located within the failure lines but the size of tolerable equivalent flaw size was larger than the maximum tolerable equivalent flaw size，the structure was unsafe and must be repaired. This study laid the foundation of application of GB/T19624-2004 to Q370R steel structure assessment.

tubular lignite drying machine; GB/T19624-2004; low temperature; safe assessment; maximum tolerable equivalent flaw size

TQ051

A

1008-9446(2017)05-0025-04

2017-01-09

王晶(1978-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，講師、工程師，碩士,主要從事焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與焊接安全評定方面的研究，E-mail：wangjing1953@qq.com。