胡華勝，鄧 聰,2，趙仲勛，王 磊

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

壓力容器作為八大類特種設(shè)備的一種，通常面臨十分苛刻的工藝環(huán)境，在其制造和長期使用過程中，極易產(chǎn)生各種類型的缺陷，很難完全避免[1]。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，壓力容器一方面不斷向大型化、高參數(shù)方向發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用，使用環(huán)境更加苛刻復(fù)雜；另一方面超期服役的壓力容器也在迅速增長[2]。

在TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中已明確表述，對超期服役或者含超標(biāo)缺陷的壓力容器可以采用合于使用評價的方式對其安全狀況進(jìn)行評估[3]。而在實(shí)際操作過程中，由于缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，且傳統(tǒng)方式下應(yīng)力計算過程復(fù)雜，采用手工計算的話效率低下[4]。在此背景下，面對超期服役或者含超標(biāo)缺陷的壓力容器，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和檢驗(yàn)工程師們通常只能給出返修或者更換的策略[5]。但企業(yè)往往受制于工期以及經(jīng)濟(jì)效益等因素，在沒有科學(xué)依據(jù)的情況下，盲目“帶病”運(yùn)行超期服役或者含超標(biāo)缺陷的壓力容器，存在較大安全隱患[6]。在此背景下，如何行之有效地開展此類壓力容器的檢驗(yàn)及評價工作已成為了迫切需要解決的熱點(diǎn)問題。

本文將傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測技術(shù)與有限元應(yīng)力分析法結(jié)合起來，以某大型水電企業(yè)超期服役下的含超標(biāo)平面缺陷的壓力容器為例，進(jìn)行了應(yīng)力分析及合于使用評價研究，為企業(yè)特種設(shè)備安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，同時為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中廣泛開展合于使用評價工作提供借鑒和參考。

1 某服役壓力容器

1.1 基本情況

某壓力容器為單層板焊結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該壓力容器于1990年前后投用，其服役年限已遠(yuǎn)超過其設(shè)計使用壽命。

表1 壓力油罐主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of pressure tank

圖1 壓力油罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of pressure tank

1.2 定期檢驗(yàn)情況

在對此壓力油罐的全面檢驗(yàn)過程中，經(jīng)超聲檢測發(fā)現(xiàn)，上封頭與筒體連接環(huán)縫存在未熔合，且該缺陷尺寸已超過TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》所允許的使用范圍，如表2所示。

表2 超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷情況Tab.2 Defects by ultrasonic examination

母材化學(xué)成分檢測結(jié)果符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]中20R鋼的要求，如表3所示。硬度檢測發(fā)現(xiàn)母材與焊縫硬度值為126～135 HB，符合《鍋爐和壓力容器用鋼板》[8]中20R材料的布氏硬度范圍（108～140 HB）。結(jié)合其使用條件，可以認(rèn)為該設(shè)備沒有明顯材質(zhì)劣化[9]。

表3 母材化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.3 Results of chemical composition analysis of base material%

另外，檢驗(yàn)人員采用超聲波測厚以及在該焊縫外壁面磁粉檢測中未見腐蝕減薄和磁痕顯示。

1.3 材料力學(xué)性能試驗(yàn)情況

由于該批次壓力油罐年代久遠(yuǎn)，部分隨機(jī)資料已遺失，焊接材料和焊接工藝無法確定。由于后續(xù)安全評定的需要，檢驗(yàn)人員對已經(jīng)報廢的、同批次壓力油罐進(jìn)行取樣，并根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)[10]，獲取了其力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如圖2所示?，F(xiàn)將試樣力學(xué)性能測試結(jié)果與《壓力容器用鋼板》[11]進(jìn)行對比，均符合要求，如表4所示。

圖2 力學(xué)性能試驗(yàn)情況Fig.2 Circumstance of mechanical testing

表4 材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of mechanical testing

2 缺陷成因分析和失效模式判斷

經(jīng)過對設(shè)備介質(zhì)進(jìn)行成分化驗(yàn)，不包含氫氣和硫化氫等，不存在氫損傷和硫化氫破壞等潛在的損傷機(jī)理。同時，根據(jù)上述缺陷檢驗(yàn)檢測、理化分析結(jié)果，可以認(rèn)為該超標(biāo)缺陷為制造過程中產(chǎn)生的未熔合，且未產(chǎn)生新增缺陷。

另外，該壓力油罐操作工況較穩(wěn)定，工作溫度為常溫，不易發(fā)生疲勞和蠕變失效[12]。因此，壓力油罐在該缺陷位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效，可采用《在用含缺陷壓力容器安全評定》[13]中平面缺陷常規(guī)評定方法對埋藏缺陷進(jìn)行安全評定。

3 合于使用評價研究

3.1 缺陷表征

根據(jù)超聲檢測結(jié)果，未熔合缺陷實(shí)測最大自身高度h=5 mm，實(shí)測最大長度l=8138 mm，板厚B=46 mm，距離內(nèi)外表面距離p1和p2分別為1 mm和40 mm。由于p1＜0.4h＜p2，現(xiàn)將缺陷規(guī)則化為半橢圓形表面缺陷，a=h+p1=6 mm，2c=l=8138 mm。

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

應(yīng)力按性質(zhì)可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，其中峰值應(yīng)力僅對低周疲勞或脆性斷裂的失效模式起作用，故本次分析不需要考慮峰值應(yīng)力[14-15]。其中，介質(zhì)的壓力和介質(zhì)和設(shè)備的自重以及外加的機(jī)械荷引起的一次應(yīng)力對缺陷開裂起主要作用，缺陷部位與缺陷平面垂直的一次應(yīng)力是危險應(yīng)力[16]。

現(xiàn)采用ANSYS14.0進(jìn)行有限元分析，簡化后的模型如下：根據(jù)圣維南定理，為避免端面約束對分析部位產(chǎn)生影響，筒體取軸向長度應(yīng)大于4Rit=960 mm（式中，Ri為筒體內(nèi)半徑，t為筒體名義壁厚），實(shí)際筒節(jié)軸向長度取1500 mm；考慮到壓力油罐的對稱性，采用1/4模型。分析時采用20節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元（C3D20R）進(jìn)行彈性分析求解。為保證計算精度，對缺陷部位網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，有限元分析模型和網(wǎng)格劃分情況如圖3和圖4所示。

圖3 壓力油罐三維有限元分析模型Fig.3 Three dimensional finite element analysis model of pressure oil tank

圖4 壓力油罐整體及局部網(wǎng)格劃分情況Fig 4 Overall and local grid division of pressure oil tank

3.2.2 邊界條件

圖5所示為邊界條件設(shè)置情況。其中，位移邊界條件主要是約束筒體下端面ΔY=0，以及在對稱面施加對稱位移約束。力邊界條件主要包括：（1）靜水壓力載荷（油密度0.8 kg·m-3），自由面設(shè)置為壓力油罐最頂端；（2）內(nèi)壁面施加載荷4.38 MPa（設(shè)計工況）；（3）筒體下端部施加等效應(yīng)力載荷pd1，計算值為58.43 MPa。等效應(yīng)力載荷公式如下：

圖5 邊界條件Fig 5 The boundary condition

式中：pc為計算壓力，MPa；Ri為筒體或接管端部內(nèi)半徑，mm；Ro為筒體或接管端部外半徑，mm。

3.2.3 應(yīng)力分析結(jié)果

圖6所示為設(shè)計工況下含缺陷壓力油罐的應(yīng)力強(qiáng)度SINT（第三強(qiáng)度理論）云圖，圖中紅色區(qū)域表示高應(yīng)力區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示低應(yīng)力區(qū)。最大應(yīng)力強(qiáng)度為筒體和焊縫連接部位內(nèi)表面，顯然，該超標(biāo)未熔合缺陷破壞了壓力油罐的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致應(yīng)力增加，最大值可達(dá)到168.45 MPa。

圖6 應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖Fig 6 SINT picture of stress intensity

同時根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，建立路徑Path，并利用ANSYS的路徑線性化分析功能，分解得到缺陷位置最大一次薄膜應(yīng)力pm和一次彎曲應(yīng)力pb，其值分別為70.12 MPa和29.40 MPa。

3.3 安全評定

3.3.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子的計算

出于保守的考慮，焊接殘余應(yīng)力引起的二次薄膜應(yīng)力取值Qm1=0.5σS=124 MPa，二次彎曲應(yīng)力Qb1=0 MPa[17]。焊縫部位未發(fā)現(xiàn)有錯邊、變形，計算二次應(yīng)力時不考慮錯邊和變形的影響。

式中：σmP和σbP分別為缺陷部位一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，按照3.2節(jié)計算結(jié)果，并乘以安全系數(shù)（失效后果按一般考慮，取值1.1），分別為87.65 MPa，36.75 MPa；σmS和σbS分別為缺陷部位二次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，失效后果為嚴(yán)重時，安全系數(shù)取1.0，其值為155 MPa，0 MPa；fm和fb為裂紋構(gòu)形因子，取值為1.103，1.103[11]。

3.3.2 載荷比Lr和斷裂比Kr的計算

載荷比Lr計算結(jié)果為0.43，計算公式如下：

斷裂比Kr計算結(jié)果為0.85，按下式進(jìn)行計算：

式中：G為裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，取1.0[11]；Ψ1為塑形修正因子中間參量，取0.027[11]；Kp為評定用材料斷裂韌性，用斷裂韌度KC除以安全系數(shù)1.1求得。

KC值為148.89 MPa·m0.5，可通過下式進(jìn)行計算：

式中：KV2為沖擊功（0℃），根據(jù)力學(xué)性能測試結(jié)果，取值為104 J，如表4所示。

3.3.3 失效評定

將計算得到平面缺陷點(diǎn)（0.42，0.85）繪制在通用失效評定圖中，如圖7所示。圖中FAC為失效評定曲線，為截止線=1.15）。顯然，平面缺陷點(diǎn)（0.42，0.85）位于失效評定圖的安全區(qū)，說明在設(shè)計工況下超標(biāo)未熔合缺陷不影響壓力油罐的安全使用[18-19]。

圖7 失效評定Fig 7 Failure assessment chart

4 結(jié)束語

（1）針對超期服役的壓力油罐，進(jìn)行超聲檢測、磁粉檢測、超聲測厚、理化分析以及力學(xué)性能試驗(yàn)，在缺少相關(guān)資料的背景下，對檢測發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷進(jìn)行定性定量分析，并明確壓力油罐在該焊縫位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效。

（2）通過有限元分析獲取壓力油罐應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖，發(fā)現(xiàn)缺陷的存在破壞了壓力油罐結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使得SINT當(dāng)量應(yīng)力顯著增加，最大值可達(dá)到168.45 MPa。

（3）采用平面缺陷常規(guī)評定方法對含超標(biāo)未熔合缺陷的壓力油罐進(jìn)行安全評定，計算得到的評定點(diǎn)位于通用失效評定圖的安全區(qū)內(nèi)，為壓力油罐的安全使用提供了科學(xué)依據(jù)，為特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中廣泛開展合于使用評價工作提供借鑒和參考。