陳其錦

（廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院，福建廈門 361004）

0 引言

燒結(jié)爐壓力容器作為粉末冶金行業(yè)的核心設(shè)備之一，由于燒結(jié)工藝要求，需要長期承受交變應(yīng)力，因而易產(chǎn)生包括裂紋在內(nèi)的各種缺陷。壓力容器內(nèi)、外表面不允許有裂紋，如果有裂紋，應(yīng)該打磨消除[1]。在處理裂紋打磨后形成的凹坑的實(shí)踐中，補(bǔ)焊存在較大困難時，鑒于并非所有超標(biāo)缺陷都會導(dǎo)致壓力容器立即失效[2]，可以考慮通過對含缺陷壓力容器進(jìn)行有限元分析和安全評定的方式評價壓力容器的安全狀況。

1 設(shè)備概況

廈門某公司一臺進(jìn)口燒結(jié)爐，主體結(jié)構(gòu)型式為夾套式，殼體設(shè)計(jì)壓力：-0.1～11 MPa，殼體設(shè)計(jì)溫度：5～150 ℃，殼體介質(zhì)：Ar、N2、H2、CH4、C3H8、CO2、CO，夾套設(shè)計(jì)工作壓力：0.7 MPa，夾套設(shè)計(jì)溫度：5～80 ℃，夾套介質(zhì)：水，內(nèi)筒材料：P460NH，厚度：40 mm，夾套材料：P265GH，內(nèi)徑：1240 mm。該設(shè)備自2015年1 月投用至今。

在對該燒結(jié)爐進(jìn)行檢驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒體第一條環(huán)焊縫內(nèi)表面存在一處表面裂紋。經(jīng)打磨消除裂紋后，燒結(jié)爐內(nèi)筒體內(nèi)表面縱焊縫上存在一處長軸長度為105 mm、短軸長度為70 mm、深度為3.4 mm 的半橢球形凹坑，位置如圖1 所示。

圖1 燒結(jié)爐內(nèi)筒體內(nèi)表面縱焊縫凹坑位置

由于該燒結(jié)爐采用境外材料，由境外制造，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接及焊后熱處理均存在極大困難，補(bǔ)焊維修難度非常大。因此，根據(jù)實(shí)際情況，決定對該含缺陷燒結(jié)爐進(jìn)行有限元分析和安全評定。

2 燒結(jié)爐爐體有限元分析

2.1 燒結(jié)爐整體建模

本次有限元分析對燒結(jié)爐筒體進(jìn)行整體建模，整體模型包括支座、端蓋、卡箍、法蘭、夾套、內(nèi)筒體、抽真空口接管、出蠟口接管、電極口接管、支撐柱接管、熱電偶口接管、進(jìn)氣口接管以及熱電偶口接管T1、T2，其中各部件之間的焊接處都按連續(xù)處理。正常使用工況下，施加載荷除了考慮內(nèi)壓外還考慮了物料重量，取最大值為500 kg 計(jì)算。本次有限元分析采用Solid185 單元進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的劃分。建立的整體模型如圖2 所示。

圖2 燒結(jié)爐整體模型

2.2 計(jì)算工況及材料性能參數(shù)選取

根據(jù)燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)使用工藝條件，對表1 所示4 種工況進(jìn)行應(yīng)力分析，確定平面缺陷評定中所需應(yīng)力，進(jìn)行缺陷的安全評定。本文僅以設(shè)計(jì)工況1 為例，介紹有限元分析及安全評定過程。設(shè)備材料性能參數(shù)見表2。

表1 計(jì)算工況

表2 材料性能參數(shù)

2.3 邊界條件設(shè)置及分析計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算整理，對整體模型施加的邊界條件，在4 個支座底部施加全約束；對整體模型施加的載荷邊界為：筒體和接管中所有與操作介質(zhì)接觸面施加內(nèi)壓P1（11 MPa），溫度為150 ℃，夾套中所有與操作介質(zhì)接觸面施加壓力P2（0.7 MPa），溫度為80℃，抽真空口接管端部施加軸向載荷F1（7.58 MPa），出蠟口接管端部施加軸向載荷F2（2.84 MPa），電極口接管端部施加軸向載荷F3（2.32 MPa），熱電偶口接管端部施加軸向載荷F4（2.22 MPa），進(jìn)氣口接管端部施加軸向載荷F5（0.72 MPa），熱電偶口接管T1、T2 端部施加軸向載荷F6（0.46 MPa），支撐柱接管端部施加的軸向載荷F7（2.64 MPa），外表面施加溫度20 ℃，如圖3 所示。采用映射網(wǎng)格劃分，對模型進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)化，得到網(wǎng)格劃分后的模型如圖4 所示。運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件計(jì)算，得到燒結(jié)爐筒體各單元的SINT 當(dāng)量應(yīng)力，如圖5所示。

圖3 燒結(jié)爐筒體邊界和載荷加載

圖4 燒結(jié)爐整體網(wǎng)格模型

圖5 燒結(jié)爐內(nèi)筒體各單元及焊縫的SINT 當(dāng)量應(yīng)力

由圖5 可知，燒結(jié)爐內(nèi)筒體各單元的SINT 當(dāng)量應(yīng)力的最大值位于抽真空口開孔邊緣，為263.915 MPa。燒結(jié)爐內(nèi)筒體焊縫各單元的SINT 當(dāng)量應(yīng)力最大值位于環(huán)焊縫位置（靠近端蓋），為250.339 MPa。

定義分析路徑PATH1，位于燒結(jié)爐內(nèi)筒體環(huán)焊縫的缺陷位置，路徑PATH1 的方向都從內(nèi)筒體焊縫內(nèi)表面指向焊縫外表面，如圖6 所示。

圖6 燒結(jié)爐內(nèi)筒體縱焊縫缺陷位置及路徑分布

將SINT 當(dāng)量應(yīng)力分別映射到路徑PATH1 上并進(jìn)行線性化，得到薄膜主應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等應(yīng)力的分布，如圖7 所示。路徑線性化得到的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力見表3。

表3 設(shè)計(jì)工況1 下路徑上的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

圖7 燒結(jié)爐筒體路徑PATH1 應(yīng)力線性化分布

3 安全評定

3.1 潛在失效模式分析及評價方法確定

考慮凹坑是由于將焊縫表面裂紋打磨消除后形成的，本次評定將凹坑按平面缺陷進(jìn)行評定處理，其評定結(jié)果偏于保守。由于設(shè)備工作溫度小于材料蠕變溫度，故可排除蠕變等失效模式；對凹坑缺陷以外部位厚度測量抽查顯示未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕減薄。因此本評定考慮潛在失效模式為靜態(tài)裂紋尖端因應(yīng)力集中導(dǎo)致的彈塑性斷裂失效或因靜強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效，按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》中基于雙判據(jù)通用失效評定圖技術(shù)的常規(guī)評定方法進(jìn)行評價。對于設(shè)計(jì)工況1，按標(biāo)準(zhǔn)中的失效后果嚴(yán)重確定各分安全系數(shù)，見表4。

表4 常規(guī)評定安全系數(shù)取值

3.2 斷裂力學(xué)計(jì)算

3.2.1 載荷比Lr的計(jì)算

式中，Pm為一次薄膜應(yīng)力，即np×180.8 MPa，得到Pm=226 MPa；Pb為一次彎曲應(yīng)力，即ns×121.2 MPa，得到Pb=121.2 MPa；a 為缺陷表征橢圓裂紋深度，即nc×H，得到a=3.74 mm；B 為計(jì)算壁厚，取實(shí)測厚度38.9 mm；ζ=；c=πRi。

3.2.2 斷裂比Kr的計(jì)算

式中，Qm為二次薄膜應(yīng)力，即，得到Qm=-133.5 MPa；Qb為二次彎曲應(yīng)力，即+1.6ΔT，得到Qb=379 MPa。

3.3 繪制失效評定圖

將評定點(diǎn)（Lr，Kr）繪制在通用失效評定圖（圖8），顯示該缺陷評定點(diǎn)位于失效評定圖的安全區(qū)。

圖8 燒結(jié)爐內(nèi)表面凹坑缺陷失效評定圖

4 結(jié)束語

通過有限元分析及安全評定，燒結(jié)爐凹坑缺陷在設(shè)計(jì)工況1 下的評定點(diǎn)位于失效評定圖的安全區(qū)，不影響設(shè)備在其正常設(shè)計(jì)使用工況下使用。本次有限元分析和安全評定，在確保設(shè)備安全使用的前提下，最大程度保障了企業(yè)利益。