管式褐煤干燥机低温环境下端板焊缝缺陷的安全评定

（承德石油高等专科学校工业技术中心，河北承德067000）

0 前言

管式褐煤干燥机属于承压设备，是一种多管式封闭式回转圆筒，主要服务于坑口电厂的发电以及煤化工等行业[1]，其中端板位于干燥机两端，是一种典型的焊接结构。由于焊接过程中常常使焊缝组织性能劣化，产生高数值的焊接残余应力甚至缺陷[2]，尤其是在低温环境下，端板外部温度由环境温度决定，若缺陷此时出现在端板外部焊缝处，焊接接头会由延性状态转变为脆性状态，且应力易集中于焊接缺陷处，导致焊接接头发生断裂造成突发性及灾难性事故。因此，对端板外部含缺陷焊缝部位低温环境下进行安全评定以保证整机设备安全运行具有重要的现实意义。

国内外对含体积型缺陷承压设备“合乎使用”安全评定代表性的标准主要有GB/T19624-2004、API579-2007、BS7910-2005、FITNET FFS 等[3-7]。但《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T19624-2004）是适合我国国情且用来评定主要构件和焊接结构的标准。该标准是对焊接结构进行“合于使用”评定的一种方法，集成了国内承压设备安全评定的最新研究成果和工程实践经验，将国内在用含缺陷承压设备安全评定技术提高到当代国际水平，为降低国内承压设备灾难性事故率提供了有效的技术手段[8]。

通过对某管式褐煤干燥机端板Q370R钢焊接接头焊缝部位进行低温力学性能试验和分析，根据GB/T19624-2004标准对端板焊缝处外表面裂纹进行安全性评定，这也为GB/T19624-2004进行Q370R钢结构的低温安全评定奠定基础。

1《在用含缺陷压力容器安全评定》GB/T19624-2004介绍

1.1 标准等级划分

GB/T19624-2004采用三级评定技术路线，即简化评定、常规评定、分析评定，分别采用不同的分安全系数使三级评定方法合理衔接。这种合理的衔接安排为三级评定方法建立了各级既相对独立又相互联系和衔接的合理关系，也为用户根据实际情况采用任何一级安全评定方法进行平面缺陷的安全评定提供了可能[9]。本研究采用前两个标准等级进行安全评定。

1.1.1 简化评定

简化评定属于第一等级，所需数据及评定结果相对其他等级要简单和保守，只能用于缺陷安全性的粗略评定。该等级参照BSI PD6493-91将COD设计曲线转化为以为纵坐标，Sr为横坐标，以为截止线的矩形失效评定图的形式，并依据材料屈服强度σs、抗拉强度σb及断裂韧度δc计算评定点，只要评定点落在矩形范围内则该缺陷可以接受，结构安全；反之，则不可接受和不能保证安全。

1.1.2 常规评定

常规评定改进了失效评定曲线，同时加入了符合我国国情的分安全系数，得到更为精确的评价，降低了评价的保守性。要求的输入参数少且易获得、原理较简单、使用方法简便、评定精确度和可靠性适中[10]。

常规评定首先确定材料的屈服点σs、抗拉强度σb。分别计算出一次应力和二次应力作用下的应力强度因子，进而计算出断裂比Kr和载荷比Lr[11]，将评定点（Lr，Kr）绘制于失效评定曲线FAC及垂线Lr=Lrmax中，若评定点落在两坐标轴、Lr=Lrmax直线及FAC曲线所围区域内则表明结构安全，该缺陷允许存在；反之，则不安全和不允许存在。

失效评定曲线（FAC）方程为

垂直线的方程为

2 参数确定

2.1 焊接参数

褐煤干燥机主体结构筒体壁厚16mm，筒体外径3 000 mm，两端端板材质为Q370R钢，板厚40 mm。端板采用焊条电弧焊打底、埋弧自动焊填充的方法焊接，接头形式和焊接参数如图1和表1所示。

图1 坡口形式及尺寸Fig.1 Groove form and size

2.1 低温拉伸试验结果及断裂韧度

对Q370R钢焊接接头进行全焊缝-20℃低温拉伸试验，焊缝具有屈服平台，拉伸试验结果如表2所示。

断裂韧度按照GB2358-94标准制备直三点弯曲试样，在焊缝处采用单边预制疲劳裂纹，断裂韧度如表3所示，取焊缝处断裂韧度值中的最小值δc=0.22评定，这样会使评定结果偏安全[12]。

2.2 评定裂纹尺寸及应力情况

褐煤干燥机主体结构按照裂纹位置分为内表面裂纹、外表面裂纹、穿透裂纹、埋藏裂纹，本研究

主要针对管式褐煤干燥机端板焊接接头焊缝部位外表面裂纹进行评定。对端板进行无损检测，发现拼接焊缝处外表面裂纹经规则化后尺寸a=24 mm（a为裂纹高度），2c=85 mm（2c为裂纹长度），且该裂纹与拼接焊缝平行，如图2所示。对管式褐煤干燥机内部采用最大允许工作压力进行评定计算，这样对于评价结果偏安全，通过如下公式计算出最大允许工作压力为5.079 MPa。

式中 [σ]t为筒体材料在设计温度下的许用应力；φ为焊接接头系数；δe为筒体有效厚度；Di为筒体内直径。

表1 焊接参数Table 1 Welding experimental conditions

表2 Q345E的力学性能Tab.2 Mechanical properties of Q345E

表3 焊缝-20℃时断裂韧度Table 3 Fracture toughness of weld at-20℃

图2 裂纹形状示意Fig.2 Assumed flaw shape in girth weld

3 安全评定计算[13]

3.1 简化评定计算

3.1.1 等效裂纹尺寸的确定

裂纹尺寸a=24mm，2c=85mm，端板厚B=40mm，依据GB19624-2004标准并查表得

3.1.2 Sr的计算

载荷比Lr

得Sr=0.264。

3.1.3 δ及的计算

式中 σ∑为总当量应力，σ∑=σ∑1+σ∑2+σ∑3，其中 σ∑1=K1Pm，σ∑2=XbPb，σ∑3=XtQ。K1为由焊缝形状引起的应力集中系数，根据标准当时，K1=1.0；Xt为焊接残余应力折合系数，表面裂纹取0.6；Q取屈服强度；Mg为鼓胀效应系数筒形容器平均半径R=1 492 mm；E为弹性模量。

根据评定标准规定，材料断裂韧性实测值除以1.2用于δc计算，经计算

3.1.4 安全性评价

将计算得到的失效评定点（0.264，0.633）绘制在失效评定图中，如图3所示，评定点靠近失效评定曲线边缘，但仍在安全区内。因此，当在-20℃低温环境裂纹尺寸a=24 mm，2c=85 mm时，在最大允许工作压力作用下褐煤干燥机端板不会发生脆性断裂，说明该结构是安全的。

图3 简化评定结果Fig.3 Results of simplified assessment

3.1.5 最大容许等效裂纹尺寸计算

根据GB/T19624-2004要求，用下式计算最大容许等效裂纹尺寸按照标准规定，当且Sr＜0.8时，该缺陷是容许的。

3.2 常规评定计算

3.2.1 Lr的计算

根据标准，缺陷表征尺寸a、B、c计算时需乘以分安全系数1.1，一次应力Pm乘以分安全系数1.5，此时Pb为0，计算得到Lr=0.432。

3.2.2 Kr的计算

Kr计算式为

式中 G为相邻两裂纹间弹塑性干涉效应系数，不考虑裂纹群影响，干裂纹涉效应因子为一次应力引起的应力强度因子（单位：N/mm3/2）为二次应力引起的应力强度因子，（单位：N/mm3/2），式中 σm分别为一次薄膜应力和残余应力引起的二次应力，分别用σm=Pm×1.5、σm=σs×1 求得，fm可查 GB19624-2004 表D.3取值。根据标准材料断裂韧度KP=Kc/n，n为安全系数，取；δc取缺陷材料断裂韧度所有实测值中的最小值，计算结果是偏于安全；υ为泊松比；ρ为塑性修正因子，当 Lr<0.8时，ρ=ψ1，ψ1按照标准根据查得。根据以上分析和计算，可以得到Kr=1.13。

将失效评定点（Lr，Kr）绘制于图 4 中，评定点落在安全区外，表明该缺陷不允许存在，结构不安全，必须进行返修处理。

图4 常规评定结果Fig.4 Results of traditional assessment

4 结论

针对管式褐煤干燥机端板Q370R钢焊接接头，采用GB/T19624-2004标准针对焊缝区外表面裂纹进行-20℃低温工况下的安全评定，采用简化评定计算所得评定点已接近失效平顶曲线边缘，虽仍在安全区内，但安全裕度已降低，同时进一步计算所得表面裂纹最大容许等效裂纹尺寸小于等效裂纹尺寸，根据标准该裂纹缺陷不能接受。

采用常规评定计算所得评定点直接落在失效平顶曲线外，表明该裂纹缺陷不能被验收。根据以上计算结果可知，该裂纹缺陷最终不能被接受，结构不安全，出于安全性考虑，建议对该裂纹缺陷进行返修。

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