張東輝 吳肖涌 汪 鈺 梅應虎

(液化空氣（杭州）有限公司 杭州 310015)

位于空氣分離設備前端、以立式雙層床徑向流吸附器為主流產(chǎn)品代表的空氣純化器，是指利用分子篩和活性氧化鋁組成的吸附劑來凈除空氣中H2O、CO2、C2H2和部分碳氫化合物的吸附設備；空氣純化器進行吸附工作時，具有多孔表面的吸附劑選擇性吸附空氣中的凈除物；空氣純化器進行解吸再生工作時，污氮將表面富含凈除物的吸附劑解吸再生；為保證工作的連續(xù)性，一套空氣分離設備均配有2只空氣純化器，當其中1只空氣純化器進行吸附工作時，另1只空氣純化器經(jīng)歷卸壓、加熱、冷吹和升壓的解吸再生過程；每個吸附和解吸再生的循環(huán)周期一般為4 ～ 6h[1-4]。

從以上空氣純化器工作原理可以看出：空氣純化器是典型的、承受由壓力波動引起的機械應力循環(huán)載荷和由溫度變化引起的熱應力循環(huán)載荷的壓力容器。這里的所謂“循環(huán)載荷”（也稱“交變載荷”），是指大小和/或方向隨時間周期性或無規(guī)則變化的載荷。

1 空氣純化器的疲勞失效

金屬斷裂力學理論認為：金屬材料內部存在著或多或少的“原子局部不規(guī)則排列缺陷”，即“位錯缺陷”；在循環(huán)載荷引起的交變應力作用下，金屬材料結構內部發(fā)生位錯運動，位錯在晶粒間界、駐留滑移帶或夾雜處塞積并導致微裂紋萌生；在交變應力的反復作用下，萌生的微裂紋沿著切應力最大的滑移面不斷擴展；當裂紋擴展到一定程度，金屬材料因剩余面積不能承受交變應力加載而突然發(fā)生最終斷裂[5-7]。這種現(xiàn)象被稱為“金屬疲勞斷裂”（也稱“金屬疲勞破壞”）。

在循環(huán)載荷的作用下，壓力容器受壓元件經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴展和最終斷裂三個階段，致使壓力容器發(fā)生疲勞失效。這里的“疲勞”，系指在循環(huán)加載條件下，發(fā)生在結構某點處局部的、永久性的損傷遞增過程，經(jīng)足夠的應力或應變循環(huán)后，損傷積累可使材料發(fā)生裂紋，或使裂紋進一步擴展至完全斷裂。

關于包括空氣純化器在內的壓力容器疲勞失效，筆者強調幾點：

1)受壓元件的原始裂紋（如：原材料裂紋、冷成形裂紋、焊接裂紋等），同微裂紋一樣，會在循環(huán)載荷的反復作用下不斷擴展，導致壓力容器疲勞失效，而且原始裂紋因為不需要再經(jīng)歷約占總疲勞壽命90%的“裂紋萌生”階段而會顯著縮短壓力容器疲勞失效的時間過程；

2）壓力容器大型化和高參數(shù)化，使得高強度材料得到廣泛運用，高強度材料對裂紋的敏感性也增加了壓力容器疲勞失效的幾率；

3）壓力容器疲勞失效時，一般總體應力水平較低，不會發(fā)生明顯的容器變形，屬于潛在的、突發(fā)性破壞，因而其危險性極大，多數(shù)導致容器泄漏，有的甚至造成承壓設備事故[8-12]。

據(jù)一些階段性和區(qū)域性的有關統(tǒng)計，由疲勞失效引起的承壓設備事故占全部承壓設備事故的30%、甚至40%以上[13-14]。為切實防止在設計使用壽命期內由循環(huán)載荷引發(fā)的壓力容器疲勞失效，空氣純化器建造企業(yè)必須充分理解并掌握承受循環(huán)載荷的壓力容器有別于其它普通壓力容器的設計制造特點。

2. 空氣純化器的設計特點

2.1 應采用分析設計方法

壓力容器的設計，一般可以采用規(guī)則設計方法或者分析設計方法。

規(guī)則設計（英文：Design by Rule；也稱“常規(guī)設計”），是指按規(guī)則進行的設計；規(guī)則設計以第一強度理論（即最大主應力理論）為依據(jù)、以彈性失效準則為基礎，認為壓力容器內某最大應力點一旦喪失純彈性、進入屈服狀態(tài)、產(chǎn)生塑性流動，壓力容器結構就失去了繼續(xù)承載能力，此時的壓力容器即為失效；規(guī)則設計的依據(jù)標準，包括我國的GB150和美國的ASME Ⅷ ．1 等[15-18]。

分析設計（英文：Design by Analysis ；也稱“應力分析設計”，英文：Stress Analysis Design，縮寫：SAD），是指按應力分析進行的設計；分析設計舍棄了傳統(tǒng)的、相對保守的第一強度理論和彈性失效準則，以第三或第四強度理論為依據(jù)，采用了以極限載荷、安定載荷與疲勞壽命為界限的塑性失效準則和彈塑性失效準則，允許結構出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對峰值應力部位作有限壽命設計；分析設計的依據(jù)標準，包括我國的JB4732和美國的ASME Ⅷ．2[15-16，19-20]。

在規(guī)則設計中，壓力容器承受的載荷是以一次施加的靜載荷（即最大載荷）來考慮與處理的，即認為容器受壓元件所受的應力是不隨時間變化的；規(guī)則設計不涉及循環(huán)載荷引起的交變應力對壓力容器的疲勞破壞作用。因此，理論上嚴格地說，按GB150或ASME Ⅷ．1標準進行規(guī)則設計的方法，不適于承受循環(huán)載荷的容器設計；對于承受循環(huán)載荷的容器設計，應采用按JB4732或ASME Ⅷ．2標準進行分析設計的方法[9、11、21]。

2.2 采用JB 4732或GB 150設計標準

如果空氣純化器的設計使用壽命為20年，空氣純化器每個循環(huán)周期為6h，正常操作循環(huán)次數(shù)為29200次，大于1000次，且壓力波動范圍（如：0．46MPa）超過設計壓力（如：0．65MPa）20%；根據(jù)JB 4732中3．10免除疲勞分析條文的規(guī)定，空氣純化器在采用JB 4732標準設計時應進行疲勞分析。

在我國現(xiàn)階段，壓力容器設計單位必須取得相應資質；進行分析設計的壓力容器設計人員、審批人員和設計單位應取得壓力容器SAD級設計資質[22]。然而，現(xiàn)今已取得壓力容器SAD級資質的設計人員、審批人員和設計單位數(shù)目較少，不足于覆蓋日益增長的壓力容器分析設計工作。因為需要解決設計資質這一現(xiàn)實問題、也因為考慮到“在JB 4732頒布以前，工程實踐中已有承受交變載荷的容器按常規(guī)設計并成功使用的案例”，融入了對比經(jīng)驗設計理念的、現(xiàn)行版本的GB 150在版本修訂時，突破了理論上的規(guī)則設計方法覆蓋范圍的局限，允許對于一些結構相對簡單、壓力不高、危險性不大的、承受交變載荷的壓力容器按照 GB 150 設計[23、24]。

GB/T 150．1—2011[25]中 4．3．1 條文規(guī)定：“對于有成功使用經(jīng)驗的承受循環(huán)載荷的容器，經(jīng)設計單位技術負責人批準，可按本標準進行設計，并按JB 4732附錄C補充疲勞分析和評定，同時滿足其相關制造要求”；同樣，GB/T 150．1—2011附錄D中D．6．3條文也規(guī)定：“對于按JB 4732—1995的3．10．2和3．10．3要求進行疲勞分析的容器，根據(jù)本附錄的要求進行對比經(jīng)驗設計時，設計說明書中還應補充容器的疲勞分析內容。”可見，對于已有成功使用經(jīng)驗的空氣純化器，可以按照GB 150設計。

2.3 設計時應進行疲勞分析

從 JB 4732 中 3．10 條 文 和 GB/T150．1—2011中 4．3．1條文、附錄 D．6．3條文看，無論是采用 JB 4732、還是采用GB 150進行空氣純化器設計，均應按照JB 4732附錄C進行疲勞分析。疲勞分析的目的，就是要確?？諝饧兓髟谄湓O計使用壽命期內不會發(fā)生疲勞失效。

空氣純化器的疲勞分析一般包括以下幾個步驟：

1)確定交變應力幅；

2)確定允許循環(huán)次數(shù)；

3)疲勞強度校核；

4）疲勞累積損傷校核；

5）評定。

強調的是：在進行疲勞累積損傷校核時，應當計3個不同應力循環(huán)的累積影響：正常操作應力循環(huán)（該循環(huán)使用150℃左右的污氮進行正常解吸再生）、特殊操作應力循環(huán)（該循環(huán)使用300℃左右的污氮進行特殊解吸再生）和耐壓試驗應力循環(huán)。

2.4 設計總圖中應標明循環(huán)次數(shù)

TSG 21—2016固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程[26]（以下簡稱“容規(guī)”）中 3．1．4．4．1 條文規(guī)定：對于疲勞容器，總圖中應標明循環(huán)次數(shù)。這里的所謂“疲勞容器”，即指需要進行疲勞分析的壓力容器；容規(guī)這樣強調的原因是：循環(huán)次數(shù)是承受循環(huán)載荷的壓力容器的主要設計參數(shù)，也是進行疲勞分析的主要依據(jù)；為確保壓力容器的使用安全，用戶也不得隨意修改操作參數(shù)而使設計使用壽命期內的循環(huán)次數(shù)有較大變化。

2.5 設計中應盡可能消除或減少結構不連續(xù)

結構不連續(xù)是指幾何形狀或材料的不連續(xù)，它包括總體結構不連續(xù)和局部結構不連續(xù)，例如：封頭、法蘭、接管、支座等與殼體的連接處；不等直徑或不等壁厚的殼體連接處；小的過渡圓角處；殼體與小附件連接處；未采用全焊透結構的焊接接頭；采用不拆除墊板結構的環(huán)向接頭；采用管螺紋、螺柱或補強圈的非整體結構連接件等。

分析設計標準一般將壓力容器的應力分為三類：一次應力、二次應力和峰值應力?？傮w結構不連續(xù)，可能致使受壓元件產(chǎn)生較大的二次應力；局部結構不連續(xù)，可能致使受壓元件產(chǎn)生過大的峰值應力。

隨著應力分析方法的進步（如：有限元法的使用），人們對壓力容器結構不連續(xù)區(qū)域的應力狀態(tài)有了較為準確的認識，發(fā)現(xiàn)一些結構不連續(xù)區(qū)域局部應力很高、有的甚至超過了材料屈服極限；大量工程實踐也證實：降低結構不連續(xù)區(qū)域的應力水平，有利于延長壓力容器疲勞壽命。因此，空氣純化器的設計應盡可能消除或減少結構不連續(xù)。

也正因為如此，容規(guī)中3．2．2條文規(guī)定：對于進行疲勞分析的壓力容器，除A、B類焊接接頭必須采用全焊透結構外，其接管或凸緣與殼體之間的焊接接頭設計也應采用全焊透結構。

3 空氣純化器的制造特點

JB 4732和GB 150都是集壓力容器設計、制造、檢驗和驗收為一體的綜合性標準；對于空氣純化器，無論是按照JB 4732還是采用GB 150設計，其制造都必須滿足JB 4732的相關要求[25]；JB 4732在其主題內容中指出：在制造、檢驗和驗收方面，JB 4732規(guī)定了比GB 150更為嚴格的要求。強調的是：存在峰值應力的局部結構不連續(xù)區(qū)域，能夠在很小范圍內引起應力或應變增大，即所謂“應力集中”，是壓力容器制造過程中產(chǎn)生的、可能導致壓力容器疲勞失效的主要疲勞源；焊接接頭是應力集中、焊接缺陷、殘余應力和微裂紋的聚焦區(qū)域，也是壓力容器制造過程產(chǎn)生的主要疲勞源。

3.1 對制造單位和無損檢測人員資質要求

對于采用JB 4732設計的空氣純化器的制造，其制造單位應持有A2級制造許可證[27-28]。對于采用JB 4732或GB 150標準設計的空氣純化器，其制造單位的無損檢測人員應持有Ⅱ級或Ⅲ級無損探傷資格。

3.2 應避免表面損傷，禁止采用硬印標記

材料表面損傷處（如溝痕、凹陷、裂紋、硬印標記等）既是局部結構不連續(xù)引起的應力集中部位，也是材料表面實際開裂部位。因此空氣純化器制造時必須避免表面損傷，且不得采用硬印作為材料確認標記和焊工標記。

因制造工藝需要、焊接在母材表面的臨時性附件（如：卡具、拉筋、搭塊、工藝吊耳等）通過打磨方法去除、修平后，應在母材修磨表面作磁粉或滲透檢測，杜絕表面裂紋存在。

3.3 杜絕焊縫咬邊缺陷，且不得保留A、B類接頭焊縫余高

所有焊接接頭不得存在焊縫咬邊缺陷。咬邊是指母材或前一道熔敷金屬在焊趾處因焊接而產(chǎn)生的不規(guī)則缺口[29]；焊縫咬邊缺陷，不僅會減少母材的承載截面，還會造成微小區(qū)域的結構不連續(xù)；對于承受循環(huán)載荷的壓力容器來說，焊縫咬邊是不能容忍的焊接缺陷。因此，焊接時必須嚴格遵循評定合格的焊接工藝精心施焊，避免咬邊缺陷的產(chǎn)生；當出現(xiàn)些微深度的咬邊缺陷時，必須修磨清除、圓滑過渡。

A、B類焊接接頭表面應與母材表面齊平，不得保留焊縫余高。焊縫余高是指焊縫表面兩焊趾連線上的那部分金屬高度。焊縫表面凸起，造成焊縫部位的結構不連續(xù)。因此，必須通過打磨方法去除A、B類焊接接頭的焊縫余高，使得焊縫表面與母材表面平齊。

3.4 對于焊接接頭的無損檢測有嚴格要求

對A、B類焊接接頭應進行100%射線檢測或超聲檢測；對筒體或封頭名義厚度大于65mm的C類焊接接頭應進行100%射線檢測或超聲檢測；對開孔直徑大于100mm且筒體或封頭名義厚度大于65mm的D類焊接接頭應進行100%射線檢測或超聲檢測；對于其他C、D類焊接接頭應進行磁粉或滲透檢測。

3.5 對容器接管轉角半徑有特殊要求

安放式接管、與圓筒或封頭對接連接的嵌入式接管以及插入端與筒體內壁齊平的插入式接管，其內表面轉角半徑應不小于圓筒或封頭名義厚度的1/4，且不大于20mm；內伸的插入式接管內表面轉角半徑應不小于接管名義厚度的1/4，且不大于10mm。

容器接管是典型的結構不連續(xù)區(qū)域，限制接管轉角半徑大小，是為了將峰值應力限制在安全裕度允許的范圍內[30]。

3.6 對產(chǎn)品焊接試板有較高要求

每臺容器應至少制備1塊產(chǎn)品焊接試板（即按臺制備產(chǎn)品焊接試板）；當1臺容器的A類焊接接頭（不含球形封頭與圓筒相連的A類接頭）需由幾種焊接工藝施焊時，則每種焊接工藝均應制備1塊產(chǎn)品焊接試板。

3.7 對制造過程的質量控制應有嚴格要求

在空氣純化器的制造過程中，應嚴格要求各制造環(huán)節(jié)的質量控制，尤其應做到：嚴格要求對口錯邊量控制、軸向環(huán)向焊接接頭棱角控制；杜絕焊接接頭存在裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣和飛濺物等缺陷；嚴格要求制造元件尺寸控制、禁止強力組裝，避免額外增加受壓元件應力水平。

4 結束語

綜上所述，筆者已探討基于疲勞失效預防的空氣純化器的設計與制造特點。

在對比空氣純化器與其他壓力容器建造實踐時，了解到JB 4732和GB 150在設計、制造、檢驗與驗收方面的區(qū)別；在對比GB 150幾個新舊版本，筆者發(fā)現(xiàn)其中的一些條文逐漸趨同于JB 4732。在此對JB 4732提出一些建議：

1）建議JB 4732能夠盡早完成修訂工作，JB 4732從開始實施到現(xiàn)今已有23年了，盡管中途出現(xiàn)了“第1、2號修改單”和“2005年確認版”，但改動極少，不能很好地適應和滿足現(xiàn)今壓力容器建造形勢；

2）建議JB 4732能夠吸納GB 150的一些升版成果，如：規(guī)定“焊件溫度低于-20℃時，禁止施焊”[31]；

3）建議JB 4732吸納ASME Ⅷ．2和EN 13445的一些升版成果，如：具有里程碑意義的新疲勞設計方法（即所謂“直接法”），并能夠統(tǒng)籌規(guī)劃、創(chuàng)新出代表世界先進水平的壓力容器標準規(guī)范[32]；

4）建議將原本屬于行業(yè)標準的JB 4732升格為國家推薦標準，因為：將壓力容器分析設計標準與規(guī)則設計標準并立是美國等壓力容器建造強國的通用做法，GB 150已由國家強制標準調整為國家推薦標準，同樣作為壓力容器基礎標準的“超高壓容器標準”已被確定為GB/T 34019—2017。