鄧 聰,胡華勝,傅如聞,黃 余

(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，廣東 廣州 510640;3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院茂名檢測院，廣東 茂名 525000)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，壓力容器逐步向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，使得壓力容器在制造和使用過程中，極易產(chǎn)生各種類型的缺陷，很難完全避免【1-2】。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于工期等因素的影響，讓壓力容器在沒有科學(xué)依據(jù)的情況下，盲目“帶病”運(yùn)行，這種情況往往存在較大的安全隱患，一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)使得設(shè)備本身發(fā)生損壞，還會(huì)影響到周圍設(shè)備的正常使用，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故【3-4】。因此，如何用科學(xué)的方法對含缺陷壓力容器的安全狀況進(jìn)行合于使用評價(jià)已經(jīng)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題。

目前，在所開展的含缺陷壓力容器的評價(jià)工作中，由于標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力計(jì)算公式主要是以工程經(jīng)驗(yàn)公式為主，因此無法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。而傳統(tǒng)的超聲檢測方法又存在難以對缺陷進(jìn)行定性和精確定量分析，且無直接見證記錄等缺點(diǎn)【5-6】。

本文采用新納入到承壓設(shè)備無損檢測標(biāo)準(zhǔn)體系的相控陣技術(shù)開展缺陷檢測，利用有限元應(yīng)力分析法計(jì)算國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷部位彈性應(yīng)力，對華南地區(qū)某化工企業(yè)含超標(biāo)平面缺陷的烴化反應(yīng)器進(jìn)行合于使用評價(jià)研究。下面對研究過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

烴化反應(yīng)器插入式斜接管與筒體的連接焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)，坡口開在筒體側(cè)。烴化反應(yīng)器主要參數(shù)見表1，斜接管及焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)相控陣檢測發(fā)現(xiàn)，在距外壁面22～40 mm深度范圍內(nèi)存在不同程度的超標(biāo)缺陷顯示，如圖2和表2所示。相控陣設(shè)備采用日本奧林巴斯生產(chǎn)的OmniScan SX，探頭采用5L32A11。

圖2 相控陣掃查缺陷部位圖譜

表2 相控陣檢測發(fā)現(xiàn)缺陷情況

圖1 斜接管及焊縫結(jié)構(gòu)

表1 烴化反應(yīng)器主要技術(shù)參數(shù)

另外，在對筒體和斜接管進(jìn)行的超聲波測厚以及對焊縫外壁面進(jìn)行的磁粉檢測中，未見腐蝕減薄和磁痕顯示。

1 缺陷成因分析和失效模式判斷

為進(jìn)一步分析缺陷成因，在焊縫及母材位置有針對性地進(jìn)行了硬度檢測和金相組織檢測，結(jié)果分別見表3和圖3(a)～圖3(b)。其中，硬度檢測采用美國G&R科技有限公司生產(chǎn)的HT-2000A里氏硬度計(jì)，結(jié)果顯示，母材硬度平均值為175 HB，滿足文獻(xiàn)【7】中規(guī)定的16Mn R(自GB 713—2008標(biāo)準(zhǔn)起牌號更新為Q345R，下同)的布氏硬度范圍(128～178 HB)要求，焊縫硬度較母材略高，與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果相符【8-9】。

表3 硬度檢測結(jié)果

圖3(a)～圖3(b)所示的焊縫處的顯微組織照片采用美國PTI設(shè)備公司的PTI-5000便攜式顯微鏡拍攝。圖3(a)中放大倍數(shù)為100×的焊縫處金相組織結(jié)構(gòu)呈塊狀，鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀析出;進(jìn)一步放大至500×后發(fā)現(xiàn)，魏氏組織粗大，針、塊狀組織未見有明顯球化及長大傾向，如圖3(b)所示?？梢娖湓诜鄢^10年后，焊縫接頭金相組織沒有明顯材質(zhì)劣化，與文獻(xiàn)報(bào)道相符【10-11】。

圖3 焊縫處金相顯微鏡照片

查閱反應(yīng)器的設(shè)計(jì)文件、制造資料以及歷次定檢報(bào)告發(fā)現(xiàn)，該焊縫出廠前僅進(jìn)行磁粉檢測，且過往定期檢驗(yàn)均未對此焊縫進(jìn)行埋藏缺陷檢測。

因此，結(jié)合相控陣檢測結(jié)果，可以認(rèn)為該超標(biāo)缺陷為未熔合缺陷，且是在制造過程中產(chǎn)生。另外，該反應(yīng)器操作工況穩(wěn)定，工作溫度始終小于材料蠕變溫度，不易發(fā)生疲勞和蠕變失效【12】。同時(shí)，介質(zhì)主要為苯、異丙苯、苯丙烯和丙烷等，工藝中不含水、氫氣及硫化氫，出現(xiàn)高溫氫腐蝕、高溫硫腐蝕、高溫硫化氫腐蝕和氫致開裂等概率極低【13-14】。根據(jù)上述缺陷檢驗(yàn)檢測、理化分析結(jié)果可以判斷，該反應(yīng)器在該焊縫位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效，可采用文獻(xiàn)【15】中平面缺陷簡化評定方法對埋藏缺陷進(jìn)行安全評定。

3 應(yīng)力分析

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【16-17】。

3.1 一次應(yīng)力

反應(yīng)器介質(zhì)壓力和設(shè)備自重等機(jī)械載荷引起的一次應(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(xiǎn)應(yīng)力【18】。筒體與斜接管連接部位屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)力分布復(fù)雜，為了精確求解一次應(yīng)力，假設(shè)結(jié)構(gòu)不存在缺陷，采用ANSYS 14.0進(jìn)行有限元分析，求解設(shè)計(jì)載荷下缺陷部位的一次應(yīng)力。

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，應(yīng)取筒體軸向長度大于4＝1 070 mm(Ri為筒體內(nèi)半徑，t為筒體名義壁厚)，實(shí)際軸向長度取2 000 mm;由于該結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，因此只建立模型的1/2，筒體和斜接管的厚度根據(jù)實(shí)測最小壁厚及周期腐蝕量，基于保守原則分別取55 mm和98 mm。分析模型見圖4，主要輸入?yún)?shù)見表4。

圖4 分析模型

表4 材料性能參數(shù)

采用映射面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算精度，在焊縫位置進(jìn)行加密處理，見圖5。載荷施加情況見圖6，其中位移邊界條件主要是約束筒體下端面Y方向位移為零(Y方向?yàn)樵O(shè)備筒體軸向方向)以及在對稱面施加對稱位移約束;操作工況下設(shè)備承受內(nèi)壓為2.30 MPa，故在筒體和接管內(nèi)壁面施加載荷2.30 MPa;筒體上端部施加徑向力和內(nèi)壓力引起的疊加載荷的等效載荷Pd1，為27.18 MPa，斜接管端部施加等效載荷Pd2為1.41 MPa。等效應(yīng)力載荷pd按式(1)計(jì)算:

圖5 網(wǎng)格劃分情況

圖6 載荷施加情況

式中:pc——計(jì)算壓力，MPa;

Ri——筒體或接管端部內(nèi)半徑，mm;

Ro——筒體或接管端部外半徑，mm。

圖7為采用第三強(qiáng)度理論計(jì)算得到操作工況下的應(yīng)力強(qiáng)度SINT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)度位于筒體和斜接管連接部位內(nèi)表面。利用ANSYS的路徑分析功能，在高應(yīng)力區(qū)部位沿焊趾方向建立如圖8所示的路徑，并對路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類。缺陷檢測結(jié)果顯示，整圈焊縫均存在不同程度的未熔合缺陷，出于保守考慮，評價(jià)計(jì)算時(shí)采用路徑下分解得到的最大一次薄膜應(yīng)力Pm和一次彎曲應(yīng)力Pb，分別為47.79 MPa和71.26 MPa。

圖7 操作工況下應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖

圖8 線性化路徑

3.2 二次應(yīng)力

在接管焊縫部位未發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)邊、變形，計(jì)算二次應(yīng)力時(shí)不需考慮錯(cuò)邊和變形的影響【15】，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了熱處理和溫差載荷引起的二次應(yīng)力。由于反應(yīng)器經(jīng)過整體熱處理，焊接殘余應(yīng)力引起的二次薄膜應(yīng)力可保守取值為Qm1＝0.5σs＝152.5 MPa(σs為材料的屈服強(qiáng)度，取值305 MPa)，二次彎曲應(yīng)力Qb1＝0 MPa【19】。計(jì)算溫差載荷引起的二次應(yīng)力時(shí)，采用Solid90熱單元并根據(jù)表4中的材料性能參數(shù)來模擬反應(yīng)器本體及保溫層。熱應(yīng)力分析模型見圖9。

圖9 熱應(yīng)力分析模型

在筒體及接管內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)溫度140℃，保溫層外表面施加環(huán)境溫度20℃，空氣對流傳熱系數(shù)為12 W/(m2·℃)。圖10和圖11分別給出了反應(yīng)器斜接管部位溫度場和熱應(yīng)力分布情況。同樣在高熱應(yīng)力區(qū)部位沿焊趾方向進(jìn)行線性化處理，路徑下分解得到的最大二次薄膜應(yīng)力Qm2和二次彎曲應(yīng)力Qb2分別為1.37 MPa和

圖10 反應(yīng)器斜接管部位溫度場情況

圖11 反應(yīng)器斜接管部位熱應(yīng)力分布

1.27 MPa。

3.3 材料性能數(shù)據(jù)

反應(yīng)器所用材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服極限、抗拉強(qiáng)度受條件限制，無法取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，只能參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)【20-21】，選擇相近材料進(jìn)行保守取值。其中斷裂韌度的取值根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)【22-23】中的估算方法，充分考慮操作工況對缺陷擴(kuò)展的影響進(jìn)行保守計(jì)算。材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表5。

表5 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

4 合于使用評價(jià)

4.1 缺陷表征

根據(jù)文獻(xiàn)【15】相關(guān)規(guī)定，對缺陷進(jìn)行規(guī)則化處理，同時(shí)為使得分析結(jié)果更加趨于保守，將此未熔合缺陷近似為橢圓形平面缺陷。相控陣檢測結(jié)果顯示，缺陷長度為650 mm，缺陷自身高度為19 mm，最小韌帶寬度p1＝8 mm。

4.2 斷裂比、載荷比計(jì)算以及安全性評價(jià)

對于橢圓形埋藏缺陷來說，缺陷周界上各處的應(yīng)力強(qiáng)度因子是不同的，在橢圓短軸處應(yīng)力強(qiáng)度因子最大，故安全評定僅取短軸處的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行。

一次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子:

式中:σPm和σPb——分別為缺陷部位一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，將3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果乘以安全系數(shù)(失效后果按嚴(yán)重考慮，取值1.25)得到二者的取值，分別為59.74和89.07 MPa;

σSm和σSb——分別為缺陷部位二次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，取3.2節(jié)中焊接殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力的代數(shù)和，并乘以相應(yīng)的安全系數(shù)(失效后果按嚴(yán)重考慮，取值1.0)，分別為153.87和1.27 MPa;

fm和fb——在計(jì)算缺陷短軸處方向(a方向)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)所用的裂紋構(gòu)型因子，分別按式(4)和式(5)計(jì)算;

a——橢圓形缺陷短半軸，取值為9.9 mm。

式中:e——埋藏缺陷中心與板厚中心的偏移量，取3.5 mm;

c——橢圓形缺陷長半軸，取值為357.5 mm;

B——計(jì)算壁厚，取55 mm。

計(jì)算可得:fm＝1.13，fb＝0.35。

將以上計(jì)算結(jié)果代入式(2)和式(3)，可得

計(jì)算載荷比Lr時(shí)只考慮一次應(yīng)力，不考慮二次應(yīng)力，其計(jì)算式如下:

式中:Pm和Pb——缺陷部位一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，根據(jù)3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果，分別取值為47.79和71.26 MPa。

其中

式中:p1——最小韌帶寬度，取8 mm。

將以上數(shù)據(jù)代入式(6)可得:Lr＝0.39。

斷裂比Kr按式(9)進(jìn)行計(jì)算:

式中:G——相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，按文獻(xiàn)【11】取1.0;

KP——評定用材料斷裂韌性，為表5中KIC除以相應(yīng)的安全系數(shù)1.2，即2 175 N·mm－3/2。

其中

式中:ρ——塑形修正因子;

Ψ1——塑形修正因子中間參量，根據(jù)文獻(xiàn)【11】取0.025。

根據(jù)Lr計(jì)算結(jié)果，按照式(10)計(jì)算得:ρ＝0.025。

將以上數(shù)據(jù)代入式(9)可得:Kr＝0.72。

將計(jì)算得到的平面缺陷斷裂比Kr和載荷比Lr繪制在通用失效評定圖中，如圖12所示，圖中FAC為失效評定曲線，Lr為截止線。由圖12可見，平面缺陷點(diǎn)(0.39，0.72)位于失效評定圖的安全區(qū)，說明檢驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的平面缺陷不影響反應(yīng)器在操作工況的安全使用【15】。

圖12 失效評定

5 結(jié)語

本文對華南地區(qū)某化工企業(yè)含超標(biāo)平面缺陷的烴化反應(yīng)器的合于使用評價(jià)研究過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，可得到如下結(jié)論:

1)利用新納入到承壓設(shè)備無損檢測標(biāo)準(zhǔn)體系的相控陣技術(shù)，對缺陷長度、深度以及自身高度進(jìn)行定性和精確定量分析。同時(shí)，結(jié)合磁粉檢測、超聲波測厚、金相分析、硬度檢測以及資料審查結(jié)果，判斷反應(yīng)器在該焊縫位置潛在的失效模式為彈塑性斷裂失效。

2)利用有限元分析方法解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位工程經(jīng)驗(yàn)公式無法對應(yīng)力情況進(jìn)行求解的問題，通過獲取缺陷部位高精度的應(yīng)力分布情況，為后續(xù)合于使用評價(jià)工作奠定了基礎(chǔ)。

3)采用平面缺陷常規(guī)評定方法對含超標(biāo)平面缺陷的反應(yīng)器進(jìn)行安全評定，計(jì)算得到的評定點(diǎn)位于失效評定圖的安全區(qū)內(nèi)，為反應(yīng)器的安全使用提供了科學(xué)依據(jù)，本研究對類似工程項(xiàng)目中缺陷的評定也具有借鑒和參考意義。