浅谈空气纯化器的设计制造及相关标准

张东辉 吴肖涌 汪 钰 梅应虎

(液化空气（杭州）有限公司 杭州 310015)

位于空气分离设备前端、以立式双层床径向流吸附器为主流产品代表的空气纯化器，是指利用分子筛和活性氧化铝组成的吸附剂来净除空气中H2O、CO2、C2H2和部分碳氢化合物的吸附设备；空气纯化器进行吸附工作时，具有多孔表面的吸附剂选择性吸附空气中的净除物；空气纯化器进行解吸再生工作时，污氮将表面富含净除物的吸附剂解吸再生；为保证工作的连续性，一套空气分离设备均配有2只空气纯化器，当其中1只空气纯化器进行吸附工作时，另1只空气纯化器经历卸压、加热、冷吹和升压的解吸再生过程；每个吸附和解吸再生的循环周期一般为4 ～ 6h[1-4]。

从以上空气纯化器工作原理可以看出：空气纯化器是典型的、承受由压力波动引起的机械应力循环载荷和由温度变化引起的热应力循环载荷的压力容器。这里的所谓“循环载荷”（也称“交变载荷”），是指大小和/或方向随时间周期性或无规则变化的载荷。

1 空气纯化器的疲劳失效

金属断裂力学理论认为：金属材料内部存在着或多或少的“原子局部不规则排列缺陷”，即“位错缺陷”；在循环载荷引起的交变应力作用下，金属材料结构内部发生位错运动，位错在晶粒间界、驻留滑移带或夹杂处塞积并导致微裂纹萌生；在交变应力的反复作用下，萌生的微裂纹沿着切应力最大的滑移面不断扩展；当裂纹扩展到一定程度，金属材料因剩余面积不能承受交变应力加载而突然发生最终断裂[5-7]。这种现象被称为“金属疲劳断裂”（也称“金属疲劳破坏”）。

在循环载荷的作用下，压力容器受压元件经历裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个阶段，致使压力容器发生疲劳失效。这里的“疲劳”，系指在循环加载条件下，发生在结构某点处局部的、永久性的损伤递增过程，经足够的应力或应变循环后，损伤积累可使材料发生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。

关于包括空气纯化器在内的压力容器疲劳失效，笔者强调几点：

1)受压元件的原始裂纹（如：原材料裂纹、冷成形裂纹、焊接裂纹等），同微裂纹一样，会在循环载荷的反复作用下不断扩展，导致压力容器疲劳失效，而且原始裂纹因为不需要再经历约占总疲劳寿命90%的“裂纹萌生”阶段而会显著缩短压力容器疲劳失效的时间过程；

2）压力容器大型化和高参数化，使得高强度材料得到广泛运用，高强度材料对裂纹的敏感性也增加了压力容器疲劳失效的几率；

3）压力容器疲劳失效时，一般总体应力水平较低，不会发生明显的容器变形，属于潜在的、突发性破坏，因而其危险性极大，多数导致容器泄漏，有的甚至造成承压设备事故[8-12]。

据一些阶段性和区域性的有关统计，由疲劳失效引起的承压设备事故占全部承压设备事故的30%、甚至40%以上[13-14]。为切实防止在设计使用寿命期内由循环载荷引发的压力容器疲劳失效，空气纯化器建造企业必须充分理解并掌握承受循环载荷的压力容器有别于其它普通压力容器的设计制造特点。

2. 空气纯化器的设计特点

2.1 应采用分析设计方法

压力容器的设计，一般可以采用规则设计方法或者分析设计方法。

规则设计（英文：Design by Rule；也称“常规设计”），是指按规则进行的设计；规则设计以第一强度理论（即最大主应力理论）为依据、以弹性失效准则为基础，认为压力容器内某最大应力点一旦丧失纯弹性、进入屈服状态、产生塑性流动，压力容器结构就失去了继续承载能力，此时的压力容器即为失效；规则设计的依据标准，包括我国的GB150和美国的ASME Ⅷ ．1 等[15-18]。

分析设计（英文：Design by Analysis ；也称“应力分析设计”，英文：Stress Analysis Design，缩写：SAD），是指按应力分析进行的设计；分析设计舍弃了传统的、相对保守的第一强度理论和弹性失效准则，以第三或第四强度理论为依据，采用了以极限载荷、安定载荷与疲劳寿命为界限的塑性失效准则和弹塑性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计；分析设计的依据标准，包括我国的JB4732和美国的ASME Ⅷ．2[15-16，19-20]。

在规则设计中，压力容器承受的载荷是以一次施加的静载荷（即最大载荷）来考虑与处理的，即认为容器受压元件所受的应力是不随时间变化的；规则设计不涉及循环载荷引起的交变应力对压力容器的疲劳破坏作用。因此，理论上严格地说，按GB150或ASME Ⅷ．1标准进行规则设计的方法，不适于承受循环载荷的容器设计；对于承受循环载荷的容器设计，应采用按JB4732或ASME Ⅷ．2标准进行分析设计的方法[9、11、21]。

2.2 采用JB 4732或GB 150设计标准

如果空气纯化器的设计使用寿命为20年，空气纯化器每个循环周期为6h，正常操作循环次数为29200次，大于1000次，且压力波动范围（如：0．46MPa）超过设计压力（如：0．65MPa）20%；根据JB 4732中3．10免除疲劳分析条文的规定，空气纯化器在采用JB 4732标准设计时应进行疲劳分析。

在我国现阶段，压力容器设计单位必须取得相应资质；进行分析设计的压力容器设计人员、审批人员和设计单位应取得压力容器SAD级设计资质[22]。然而，现今已取得压力容器SAD级资质的设计人员、审批人员和设计单位数目较少，不足于覆盖日益增长的压力容器分析设计工作。因为需要解决设计资质这一现实问题、也因为考虑到“在JB 4732颁布以前，工程实践中已有承受交变载荷的容器按常规设计并成功使用的案例”，融入了对比经验设计理念的、现行版本的GB 150在版本修订时，突破了理论上的规则设计方法覆盖范围的局限，允许对于一些结构相对简单、压力不高、危险性不大的、承受交变载荷的压力容器按照 GB 150 设计[23、24]。

GB/T 150．1—2011[25]中 4．3．1 条文规定：“对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，经设计单位技术负责人批准，可按本标准进行设计，并按JB 4732附录C补充疲劳分析和评定，同时满足其相关制造要求”；同样，GB/T 150．1—2011附录D中D．6．3条文也规定：“对于按JB 4732—1995的3．10．2和3．10．3要求进行疲劳分析的容器，根据本附录的要求进行对比经验设计时，设计说明书中还应补充容器的疲劳分析内容。”可见，对于已有成功使用经验的空气纯化器，可以按照GB 150设计。

2.3 设计时应进行疲劳分析

从 JB 4732 中 3．10 条 文 和 GB/T150．1—2011中 4．3．1条文、附录 D．6．3条文看，无论是采用 JB 4732、还是采用GB 150进行空气纯化器设计，均应按照JB 4732附录C进行疲劳分析。疲劳分析的目的，就是要确保空气纯化器在其设计使用寿命期内不会发生疲劳失效。

空气纯化器的疲劳分析一般包括以下几个步骤：

1)确定交变应力幅；

2)确定允许循环次数；

3)疲劳强度校核；

4）疲劳累积损伤校核；

5）评定。

强调的是：在进行疲劳累积损伤校核时，应当计3个不同应力循环的累积影响：正常操作应力循环（该循环使用150℃左右的污氮进行正常解吸再生）、特殊操作应力循环（该循环使用300℃左右的污氮进行特殊解吸再生）和耐压试验应力循环。

2.4 设计总图中应标明循环次数

TSG 21—2016固定式压力容器安全技术监察规程[26]（以下简称“容规”）中 3．1．4．4．1 条文规定：对于疲劳容器，总图中应标明循环次数。这里的所谓“疲劳容器”，即指需要进行疲劳分析的压力容器；容规这样强调的原因是：循环次数是承受循环载荷的压力容器的主要设计参数，也是进行疲劳分析的主要依据；为确保压力容器的使用安全，用户也不得随意修改操作参数而使设计使用寿命期内的循环次数有较大变化。

2.5 设计中应尽可能消除或减少结构不连续

结构不连续是指几何形状或材料的不连续，它包括总体结构不连续和局部结构不连续，例如：封头、法兰、接管、支座等与壳体的连接处；不等直径或不等壁厚的壳体连接处；小的过渡圆角处；壳体与小附件连接处；未采用全焊透结构的焊接接头；采用不拆除垫板结构的环向接头；采用管螺纹、螺柱或补强圈的非整体结构连接件等。

分析设计标准一般将压力容器的应力分为三类：一次应力、二次应力和峰值应力。总体结构不连续，可能致使受压元件产生较大的二次应力；局部结构不连续，可能致使受压元件产生过大的峰值应力。

随着应力分析方法的进步（如：有限元法的使用），人们对压力容器结构不连续区域的应力状态有了较为准确的认识，发现一些结构不连续区域局部应力很高、有的甚至超过了材料屈服极限；大量工程实践也证实：降低结构不连续区域的应力水平，有利于延长压力容器疲劳寿命。因此，空气纯化器的设计应尽可能消除或减少结构不连续。

也正因为如此，容规中3．2．2条文规定：对于进行疲劳分析的压力容器，除A、B类焊接接头必须采用全焊透结构外，其接管或凸缘与壳体之间的焊接接头设计也应采用全焊透结构。

3 空气纯化器的制造特点

JB 4732和GB 150都是集压力容器设计、制造、检验和验收为一体的综合性标准；对于空气纯化器，无论是按照JB 4732还是采用GB 150设计，其制造都必须满足JB 4732的相关要求[25]；JB 4732在其主题内容中指出：在制造、检验和验收方面，JB 4732规定了比GB 150更为严格的要求。强调的是：存在峰值应力的局部结构不连续区域，能够在很小范围内引起应力或应变增大，即所谓“应力集中”，是压力容器制造过程中产生的、可能导致压力容器疲劳失效的主要疲劳源；焊接接头是应力集中、焊接缺陷、残余应力和微裂纹的聚焦区域，也是压力容器制造过程产生的主要疲劳源。

3.1 对制造单位和无损检测人员资质要求

对于采用JB 4732设计的空气纯化器的制造，其制造单位应持有A2级制造许可证[27-28]。对于采用JB 4732或GB 150标准设计的空气纯化器，其制造单位的无损检测人员应持有Ⅱ级或Ⅲ级无损探伤资格。

3.2 应避免表面损伤，禁止采用硬印标记

材料表面损伤处（如沟痕、凹陷、裂纹、硬印标记等）既是局部结构不连续引起的应力集中部位，也是材料表面实际开裂部位。因此空气纯化器制造时必须避免表面损伤，且不得采用硬印作为材料确认标记和焊工标记。

因制造工艺需要、焊接在母材表面的临时性附件（如：卡具、拉筋、搭块、工艺吊耳等）通过打磨方法去除、修平后，应在母材修磨表面作磁粉或渗透检测，杜绝表面裂纹存在。

3.3 杜绝焊缝咬边缺陷，且不得保留A、B类接头焊缝余高

所有焊接接头不得存在焊缝咬边缺陷。咬边是指母材或前一道熔敷金属在焊趾处因焊接而产生的不规则缺口[29]；焊缝咬边缺陷，不仅会减少母材的承载截面，还会造成微小区域的结构不连续；对于承受循环载荷的压力容器来说，焊缝咬边是不能容忍的焊接缺陷。因此，焊接时必须严格遵循评定合格的焊接工艺精心施焊，避免咬边缺陷的产生；当出现些微深度的咬边缺陷时，必须修磨清除、圆滑过渡。

A、B类焊接接头表面应与母材表面齐平，不得保留焊缝余高。焊缝余高是指焊缝表面两焊趾连线上的那部分金属高度。焊缝表面凸起，造成焊缝部位的结构不连续。因此，必须通过打磨方法去除A、B类焊接接头的焊缝余高，使得焊缝表面与母材表面平齐。

3.4 对于焊接接头的无损检测有严格要求

对A、B类焊接接头应进行100%射线检测或超声检测；对筒体或封头名义厚度大于65mm的C类焊接接头应进行100%射线检测或超声检测；对开孔直径大于100mm且筒体或封头名义厚度大于65mm的D类焊接接头应进行100%射线检测或超声检测；对于其他C、D类焊接接头应进行磁粉或渗透检测。

3.5 对容器接管转角半径有特殊要求

安放式接管、与圆筒或封头对接连接的嵌入式接管以及插入端与筒体内壁齐平的插入式接管，其内表面转角半径应不小于圆筒或封头名义厚度的1/4，且不大于20mm；内伸的插入式接管内表面转角半径应不小于接管名义厚度的1/4，且不大于10mm。

容器接管是典型的结构不连续区域，限制接管转角半径大小，是为了将峰值应力限制在安全裕度允许的范围内[30]。

3.6 对产品焊接试板有较高要求

每台容器应至少制备1块产品焊接试板（即按台制备产品焊接试板）；当1台容器的A类焊接接头（不含球形封头与圆筒相连的A类接头）需由几种焊接工艺施焊时，则每种焊接工艺均应制备1块产品焊接试板。

3.7 对制造过程的质量控制应有严格要求

在空气纯化器的制造过程中，应严格要求各制造环节的质量控制，尤其应做到：严格要求对口错边量控制、轴向环向焊接接头棱角控制；杜绝焊接接头存在裂纹、未焊透、未熔合、表面气孔、弧坑、未填满、夹渣和飞溅物等缺陷；严格要求制造元件尺寸控制、禁止强力组装，避免额外增加受压元件应力水平。

4 结束语

综上所述，笔者已探讨基于疲劳失效预防的空气纯化器的设计与制造特点。

在对比空气纯化器与其他压力容器建造实践时，了解到JB 4732和GB 150在设计、制造、检验与验收方面的区别；在对比GB 150几个新旧版本，笔者发现其中的一些条文逐渐趋同于JB 4732。在此对JB 4732提出一些建议：

1）建议JB 4732能够尽早完成修订工作，JB 4732从开始实施到现今已有23年了，尽管中途出现了“第1、2号修改单”和“2005年确认版”，但改动极少，不能很好地适应和满足现今压力容器建造形势；

2）建议JB 4732能够吸纳GB 150的一些升版成果，如：规定“焊件温度低于-20℃时，禁止施焊”[31]；

3）建议JB 4732吸纳ASME Ⅷ．2和EN 13445的一些升版成果，如：具有里程碑意义的新疲劳设计方法（即所谓“直接法”），并能够统筹规划、创新出代表世界先进水平的压力容器标准规范[32]；

4）建议将原本属于行业标准的JB 4732升格为国家推荐标准，因为：将压力容器分析设计标准与规则设计标准并立是美国等压力容器建造强国的通用做法，GB 150已由国家强制标准调整为国家推荐标准，同样作为压力容器基础标准的“超高压容器标准”已被确定为GB/T 34019—2017。