基于合于使用原则的压力容器安全评定技术

赖永泉

( 厦门市特种设备检验检测院 厦门 361004 )

基于合于使用原则的压力容器安全评定技术

赖永泉

( 厦门市特种设备检验检测院 厦门 361004 )

鉴于压力容器应用的广泛性，对其进行安全评估犹为重要。文章阐述了压力容器合于使用评价的方法，并通过对一台中压空气储罐检验发现的一处埋藏缺陷，基于“合于使用”原则进行常规评定，详细分析了评定过程及其参数的确定方法，结果表明对在用含缺陷压力容器进行合于使用评价具有非常重要的工程意义。

合于使用 压力容器 安全评定 埋藏缺陷

压力容器被广泛应用在石油、化工、冶金、电力、医药和食品等行业。在压力容器制造环节中，通常会遗留下一些“非超标缺陷”，使用过程因载荷、介质等因素影响，缺陷会扩展甚至萌生新的缺陷。实践证明，并非所有“超标缺陷”都会导致压力容器立即失效，如果采用立即停机返修或报废等措施，就会造成经济损失[4]，而且返修过程中电弧气刨、焊接等过程也会对材料性能产生影响，甚至加速材料的劣化，从而使压力容器失效。

依据我国的安全技术规范，在用压力容器实行定期检验，如果发现严重缺陷可能导致压力容器停止使用，或者压力容器安全状况等级定为4级且监控使用，如果生产工艺条件不允许停机采用修理的方法来消除缺陷时，可以对缺陷进行合于使用评价[1]。基于合于使用原则对在用含缺陷压力容器进行安全评定，只返修那些对压力容器安全运行造成威胁的危险性缺陷，而对压力容器安全运行不构成威胁的缺陷，则给予保留，对压力容器检验来说具有非常重要的意义。

本文针对一台含埋藏缺陷空气储罐，基于合于使用原则进行常规评定，详细分析了评价过程。

1 压力容器合于使用评价方法

“合于使用”评价方法是以断裂力学为理论基础，承认结构存在构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，在考虑经济性的基础上，科学分析缺陷对结构的影响，保证结构不发生已知机制失效的一种分析方法。

在我国，在用含缺陷压力容器的合于使用评价按照GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》的要求进行，该标准以CVDA规范中的裂纹张开位移和应力强度因子为主要参量，以弹塑性双判据法为基础，评定的缺陷分为平面缺陷和体积缺陷，考虑的失效模式包括断裂失效、塑性失效、疲劳失效。其中，平面缺陷包括裂纹、未熔合、未焊透以及深度大于等于1mm的咬边；体积缺陷包括凹坑、气孔、夹渣以及深度小于1mm的咬边。

标准中对断裂及塑性失效评定采用二级评定的路线，分别为缺陷的简化和常规评定。简化评定采用CVDA中的CVDA设计曲线，以失效评定图表示；常规评定采用较成熟的R6通用失效评定曲线，并根据国情选择了适当的分安全系数，以防止断裂及塑性失效。简化评定是初选评定，常规评定是更为精确的评定[7]，两级评定间通过相应的分安全系数合理衔接，从而建立了既相对独立又相互联系的关系。

压力容器安全评定的内容应包括对评定对象的状况调查（历史、工况、环境等）、缺陷检测、缺陷成因分析、失效模式判断、材料检验（性能、损伤与退化等）、应力分析、必要的实验与计算，并根据标准的规定对评定的对象的安全性进行综合分析和评价。

2 基于合于使用原则对在用含缺陷压力容器的常规评定案例

2.1 压力容器概况

某公司一台立式空气储罐在检验时，经无损检测发现上封头与筒体连接焊缝有一处埋藏裂纹。由于生产原因无法停机对缺陷进行处理，将按照GB/T19624就该缺陷在正常操作压力和温度下是否发生破裂进行评定。该空气储罐的埋藏缺陷位于偏离焊缝中心靠近筒体侧，其相关信息见表1。表2为空气储罐的主要技术参数。

表1 压力容器缺陷

表2 压力容器主要技术参数

根据空气储罐的操作特点和历次检验报告，由于工况稳定且工作温度小于材料的蠕变温度，升降压操作频次低，使用介质与材料不存在应力腐蚀倾向，所以不考虑蠕变、疲劳、应力腐蚀等失效模式。此外，该缺陷不与介质接触，不会因介质等因素导致裂纹扩展。因此，评定考虑的潜在失效模式为静态裂纹尖端因应力集中导致的弹塑性断裂失效。设备盛装介质为空气，类别为第Ⅱ类中压容器，处于生产工艺重要位置，考虑失效后果按“严重”进行评定，常规评定安全系数取值见表3。

表3 常规评定安全系数取值

2.2 安全评定参数计算

●2.2.1 缺陷的表征

安全评定时，应对实测平面缺陷进行规则化表征处理，即表征为规则的裂纹缺陷、埋藏缺陷或穿透缺陷，表征后裂纹形状为椭圆形、圆形、半椭圆形或矩形。该空气储罐的埋藏缺陷表征为高为2a、长为2c的椭圆形，如图1所示。

图1 埋藏缺陷规则化示意图

由于空气储罐的外壁防腐层良好，因此外壁腐蚀量取0mm。而筒体与封头焊接采用削薄处理，因此评定用计算厚度B=17.2-(18-17.2)×3÷10=16.96mm。缺陷高度h=2a=11.1－8.7=3.4mm，缺陷指示长度l=2c=28mm，缺陷至外表面距离p2=8.7mm，缺陷至内表面的距离p1=B-11.1=16.96-11.1=5.86mm。

●2.2.2 应力的确定

该空气储罐安全评定应考虑的应力有介质压力及其产生的应力，按一次应力考虑；焊接引起的焊接残余应力以及几何结构不连续产生的局部应力，按二次应力考虑。标准规定在评定中所取用的应力是缺陷部位的主应力，计算时采用线弹性计算方法经线性化处理后获得，并假设结构中不存在缺陷。在实际检验中，缺陷的分布方向是不规则的，且缺陷的精确分布情况的获得也存在困难。文献[7]对表面缺陷进行安全评定时假定应力是均匀分布的来计算一次应力产生的薄膜应力pm，忽略其产生的弯曲应力pb。随着有限元技术的发展，基于ANSYS软件的应力分析技术可以获得压力容器受力后的应力分布情况，且线性化处理后可以获得薄膜应力和弯曲应力，因此，本文将采用有限元法来求取pm和pb。

1）pm和pb的确定

基于设备的图纸和现场检测的结果，采用8节点2D实体单元PLANE82来分析平面应力和轴对称问题。为了获取焊缝区的应力分布情况，忽略容器封头上远离焊缝的接管，同时考虑边缘应力的影响，取筒节轴向长度500mm，建立有限元模型并加载求解获得应力分布云图，如图2所示。

图2 有限元模型与应力分布云图

从图可以看出焊缝区的应力是非线性分布的，应力强度SINT的最大值位于焊缝与封头连接处。考虑到实际缺陷位置及分布情况的不规则性，定义分析路径PATH1和PATH2，分别位于焊缝中线和筒体与焊缝区的连接线，如图2所示。将SINT当量应力映射到分析路径上，并分别进行线性化处理，得到薄膜应力和弯曲应力的分布图，如图3所示。

图3 应力线性化分布图

取两路径的应力平均值进行安全评定，见表4。

表4 操作工况下各路径上薄膜应力和弯曲应力

2）Qm和Qb的确定

Qm和Qb分别为二次应力分解得到薄膜应力和弯曲应力。本案例中，Qm由焊接残余应力引起，Qb由焊接残余应力和错边引起。对于焊接残余应力引起的薄膜应力和弯曲应力，根据GB/T19624，可取Qm=0.3=97.50MPa，Qb1=0。错边引起的二次弯曲应力Qb2按下式计算。

式中：B1为错边两侧容器壁厚的较大值，取筒体壁厚；B2为错边两侧容器壁厚的较小值，取封头壁厚。

计算求得Qb2=11.94MPa。最终由二次应力引起的弯曲应力为Qb=Qb1+Qb2=11.94MPa

●2.2.3 材料性能数据Kc、Kp的确定

对于在用压力容器，通常材料的断裂韧度Kc不能实测，可用CTOD断裂韧度δc值，按下式估算。

常规评定时，考虑分安全系数后，取Kp=Kc/1.2=2029.36 N·mm-3/2。

●2.2.4 应力强度因子的计算

和一次应力pm、pb和二次应力Qm、Qb作用下的应力强度因子，计算时，应将前述表征裂纹尺寸和应力乘以表3的分安全系数，见表5。

表5 常规评定所需基本数据

埋藏缺陷在薄膜应力和弯曲应力作用下沿缺陷尺寸方向a、c的裂纹构形因子，其计算如下：

式中：e为埋藏裂纹中心与板厚中心的偏移量，即e=B/2-p1-a=0.75。

由于沿缺陷尺寸方向c的裂纹构形因子小于沿缺陷尺寸方向a的裂纹构形因子，因此，评定时只考虑沿缺陷尺寸方向a的应力强度因子，即一次应力引起的沿裂纹尺寸方向a的应力强度因子；二次应力引起的沿裂纹尺寸方向a的应力强度因子

●2.2.5 载荷比Lr的计算

载荷比Lr是引起一次应力的施加载荷与塑性屈服极限载荷的比值，表示载荷接近于材料塑性屈服极限载荷的程度，按下式计算：

●2.2.6 断裂比Kr的计算

断裂比Kr是指施加载荷作用下的应力强度因子与以应力强度因子表示的材料断裂韧度的比值，按下式计算：

=0 31. ，查图4得ψ1=0.025，取ρ=ψ1=0.025。

图4 取值

2.3 安全性评价结果

将评定点(Lr，Kr)绘制在通用失效评定图中，如图5所示。

图中，由FAC曲线、Lr= Lrmax直线和两直角坐标轴所围成的区域之内为安全区，该区域之外为非安全区。对于16MnR等具有长屈服平台的材料[6]，且工作温度低于200℃时，取，则该缺陷在正常操作工况下的评定点位于失效评定图的安全区，因此，评定结论为合于使用。

图5 压力容器安全评定通用失效评定图

3 结论

通过前面的评定案例，可以发现，空气储罐的埋藏裂纹并不影响它的安全使用，如果返修或将容器判废，就会造成巨大的经济损失。因此，检验发现 “超标缺陷”的压力容器不等于不能使用，从合于使用的角度出发，对“超标缺陷”加以区别对待，具有非常重要的意义。

1 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程[S].

2 GB/T 19624—2004 在用含缺陷压力容器安全评定[S].

3 余伟炜,等. ANSYS 在机械与化工装备中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

4 韩毅,等. 含缺陷压力容器安全评定的发展历程与趋势[J]. 石油化工设备技术, 2012, 33(4): 47～50.

5 杨德生,等. 应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用[J].化工装备技术, 2010, 31(1): 21～22.

6 李亚宁,等. 含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究[J].有色金属, 2007, 59(1): 10～13.

7 纪熙,等. 含缺陷球形压力容器的简化、常规评定[J]. 化工机械, 2011, 38(47): 396～399.

The Safety Assessment Technology of Pressure Vessel Base on Fitness for Service Principle

Lai Yongquan (Xiamen Institute of Standardization Xiamen 361004)

Since the pressure vessels are widely used, the safety evaluation of them is very important. In this paper, the ftness for service evaluation of pressure vessel is described. And the illustration of general assessment basing on ftness for service principle is given for a buried defect of one medium-pressure air tank. The result shows that theftness for service evaluation of pressure vessel with defect has signifcant for engineering application.

Fitness for service Pressure vessel Safety assessment Buried faw

X933.4

B

1673－257X(2014)11－21－05

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.007

赖永泉(1978～)，男，工程师，主要从事特种设备检验检测工作。

2014-07-23）