郭俊財(cái)

摘 要：變壓吸附壓力容器為疲勞容器，操作壓力在0.02MPa-3.5MPa之間交變。年交變次數(shù)為40000次，殼體采用正火狀態(tài)下供貨的Q345R鋼板。因超溫造成塔壁不同程度鼓脹發(fā)生塑性變形，通過宏觀檢查、壁厚測定、超聲檢測、滲透檢測、硬度檢測、金相分析等手段對壓力容器進(jìn)行鼓脹變形影響分析、金相分析以及強(qiáng)度校核及疲勞壽命分析，從而做出合于使用綜合評價(jià)并提出正常使用有效控制措施。

關(guān)鍵詞：疲勞容器;塑性變形;疲勞壽命分析;控制措施

對吸附壓力容器進(jìn)行首次全面檢驗(yàn)，進(jìn)行合于使用評價(jià)。將對超出TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求的各類超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理，提出正常使用有效控制措施。

1 檢驗(yàn)準(zhǔn)備工作

審查設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用管理等資料，以及運(yùn)行工況引起設(shè)備超溫的原因;卸除和清理塔內(nèi)介質(zhì);搭設(shè)內(nèi)外壁滿堂架;拆除塔壁保溫;內(nèi)外壁板材、焊縫、分析部位打磨。

2 檢驗(yàn)情況

2.1 宏觀檢查

通過結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、幾何尺寸檢驗(yàn)、外觀檢查確定鼓脹位置為下部約2m 高一周區(qū)域。1-3#容器最大鼓脹位置（距底部筒體焊縫距離）分別為1300mm、1300mm、1260mm。

2.2 壁厚測定

測得縱、環(huán)焊縫最大對口錯(cuò)邊量分別為1.0mm和0.5mm;縱、環(huán)焊縫最大棱角度分別為1.0mm和0.5mm。三臺(tái)吸附容器裙座角焊縫Q及下部壁板H1/H2之間存在鼓脹，其中1#鼓脹最嚴(yán)重。半徑鼓脹量為25-55mm、封頭壁厚測得為43.1-45.5mm、筒體壁厚為38.2-40mm（變形處及未變形處）。

2.3 超聲檢測

筒體、封頭對接焊縫采用超聲從外壁進(jìn)行檢測埋藏缺陷，重點(diǎn)檢測焊縫超標(biāo)缺陷和裂紋類缺陷。所有對接焊縫均100%外壁超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

2.4 磁粉檢測

吸附容器主體所有對接焊縫內(nèi)外壁、每臺(tái)塔鼓脹最嚴(yán)重部位外壁板材及H1-H2筒節(jié)內(nèi)壁板材磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。僅4#塔下封頭與裙座連接焊縫表面兩處裂紋，分別為南側(cè)，裂紋長40mm，東側(cè)，裂紋長33mm。

2.5 滲透檢測

對原料進(jìn)氣口和人孔接管焊縫進(jìn)行外壁滲透檢測，吸附容器上封頭位置內(nèi)壁支撐圈角焊縫、支撐板下角焊縫及下接管與筒體對接焊縫滲透檢測未見缺陷跡痕顯示。

2.6 硬度檢測

選取鼓脹變形明顯部位;各3條縱環(huán)焊縫;焊縫金屬及其兩側(cè)熱影響區(qū)、母材;接管焊縫，3處焊縫金屬及其一側(cè)熱影響區(qū)、母材測定硬度，每部位至少3點(diǎn)取平均值。

檢測結(jié)果為筒體母材（變形部位）：112-119HB;焊接熱影響區(qū)：150-192HB;封頭母材：114-183HB;筒體母材（未變形部位）：112-130HB;焊縫金屬：121-179HB。

變形部位母材與未變形母材硬度基本一致，即超溫未引起容器硬度發(fā)生明顯變化。

2.7 金相分析

吸附容器金相分析部位（含鼓脹變形部位）組織基本正常，筒體正常部位及鼓脹部位均為鐵素體+珠光體;封頭、筒體及封頭部位熱影響區(qū)、焊縫金屬均為鐵素體+珠光體+貝氏體。

3 鼓脹變形原因及影響初步分析

3.1 鼓脹原因分析

吸附介質(zhì)帶液，在氣液分離器中未分離完全，液態(tài)組分進(jìn)入吸附容器分子篩中，引起分子篩大量集中快速放熱，致使容器超溫，導(dǎo)致器壁鋼材的屈服強(qiáng)度下降，塔壁應(yīng)力水平超過屈服強(qiáng)度發(fā)生了永久塑性變形。

3.2 鼓脹變形影響分析

根據(jù)金相檢測結(jié)果，鼓脹變形嚴(yán)重部位筒體部位金相組織為鐵素體+珠光體，金相組織正常，超溫未引起材質(zhì)發(fā)生相變。容器膨脹變形引起設(shè)備結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會(huì)降低設(shè)備的承載強(qiáng)度和疲勞壽命，因此還需對吸附容器鼓脹變形部位進(jìn)行強(qiáng)度校核及疲勞壽命分析。

4 強(qiáng)度校核及疲勞分析

4.1 強(qiáng)度校核

參照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，筒體鼓脹變形部位和未變形部位壁厚取37.7mm和38.3mm（實(shí)測值減去0.5mm腐蝕余量），內(nèi)表面施加內(nèi)壓，取操作壓力3.5MPa。則筒體端面施加平衡面載荷：

因容器鼓脹，建立有限元分析模型，按結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖計(jì)算得出最大應(yīng)力164MPa。位于膨脹變形筒節(jié)的下邊緣。

超溫未引起容器硬度發(fā)生明顯變化，變形部位Q345R許用應(yīng)力仍按照原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取值，40℃（操作溫度）時(shí)許用應(yīng)力未181MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1#應(yīng)力最大值小于評定用的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，可以通過評定。由于2#和3#膨脹變形較小，因此三臺(tái)容器操作條件下都可以通過強(qiáng)度校核;膨脹部位滿足JB4732標(biāo)準(zhǔn)安定性判定條件，即在吸附容器疲勞載荷作用下不會(huì)出現(xiàn)棘輪現(xiàn)象（鼓脹繼續(xù)發(fā)展）。

4.2 疲勞分析

吸附容器承受交變載荷作用，吸附容器操作壓力為0-3.5MPa。設(shè)計(jì)交變次數(shù)為4*104 次/年，實(shí)際交變次數(shù)為3.5*104次/年。依據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以1#塔為例，對三臺(tái)吸附容器進(jìn)行疲勞分析。結(jié)合3.5MPa內(nèi)壓下計(jì)算得到第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力最大值為164MPa，位于鼓掌變形筒節(jié)的下邊緣。即：

Srij=164MPa

附錄C進(jìn)行疲勞壽命估算，1#塔最大交變應(yīng)力強(qiáng)度幅：

Salt=0.5*Srij=0.5*164=82MPa

碳錳鋼在40℃時(shí)彈性模量Et=205GPa，進(jìn)行彈性模量修正，即：

=Salt*Et/E=82*2.1/2.05=84MPa

查JB4732-95附錄C圖C-1，得到允許循環(huán)次數(shù)不少于100萬次，實(shí)際已循環(huán)7萬次，剩余循環(huán)次數(shù)不少于93萬次。其他兩容器相對于1#容器鼓脹變形較小，受力狀況更好，因此3臺(tái)吸附容器在無其他缺陷的情況下，按設(shè)計(jì)規(guī)定的40000次/年交變次數(shù)可以安全使用至下一檢驗(yàn)周期。

5 缺陷修復(fù)

4#容器下封頭與裙座角焊縫處表面有表面裂紋，分別為東側(cè)一處33mm，南側(cè)一處40mm，此兩處經(jīng)打磨至深度10mm/7mm時(shí)裂紋消失，非貫穿缺陷，對裂紋處進(jìn)行修復(fù)。采用J507焊條電弧補(bǔ)焊，焊后100-150℃/2h緩冷，使用前經(jīng)過350℃-400℃/2h烘烤，施焊前使用火焰將補(bǔ)焊部位加熱到80℃以上，多道（層）焊接，道（層）間溫度小于250℃。經(jīng)補(bǔ)焊冷卻至常溫后表面100%MT檢測，NB/T47013.4 I級合格。

6 評價(jià)及控制措施

根據(jù)吸附容器設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等資料，結(jié)合本次檢驗(yàn)檢測結(jié)果，依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，經(jīng)強(qiáng)度校核和疲勞分析，對這3臺(tái)吸附容器鼓脹變形的合于使用評價(jià)結(jié)論如下：

①吸附容器局部過熱導(dǎo)致的鼓脹變形降低了設(shè)備的承載強(qiáng)度和疲勞壽命。鼓脹變形可以通過操作條件下（3.5MPa）的強(qiáng)度校核和疲勞分析。鼓脹變形原因分析為超溫導(dǎo)致器壁應(yīng)力水平超過屈服強(qiáng)度，發(fā)生了永久塑性變形;

②采取有效措施確保不會(huì)再次超溫的前提下，工作壓力3.4MPa、溫度40℃、循環(huán)周次40000次/年下，吸附容器鼓脹變形不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，可以在設(shè)計(jì)規(guī)定的操作條件下繼續(xù)使用。依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》8.5.12條，“使用過程中產(chǎn)生的鼓包”，“如果能查清鼓包的起因并且確定該其不再擴(kuò)展，不影響壓力容器安全使用的，可以定為3級”，下次檢驗(yàn)周期定為3年;

③運(yùn)行過程中加強(qiáng)巡檢和溫度檢測，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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