含超标缺陷2000 m3乙烯球罐合于使用评价*

张瑞达，李绪丰，邓 聪，王 磊

(广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528521)

球形储罐在化工厂主要存储易燃、易爆，以及极度或高度危害的介质，一旦发生泄露或爆炸事故，后果不堪设想，在检修阶段，应加强球罐的检验检测，排除缺陷隐患，保障球罐的安全运行。实践表明，球形储罐通过检验检测发现的超标缺陷并非全是不允许保留的[1]，如未综合考量安全使用性，而对所有超标缺陷进行返修处理，不符合当前双碳经济的大趋势。根据TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[2]第8.9规定，检验发现超标缺陷的压力容器可通过合于使用评价，不同研究者[3-4]探讨了含超标缺陷球形储罐的检验及合于使用评价案例。本文依据GB/T 19624-2019《在用含缺陷压力容器安全评定》[5]，结合2000 m3乙烯球罐检验发现的问题，进行案例分析，为含超标缺陷球形储罐合于使用评价提供案例参考。

1 概 况

1.1 乙烯球罐基本概况

某石化厂2000 m3乙烯球罐主要受压元件材质为07MnNiMoDR，投用日期为2020年，主要技术参数详见表1。根据TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，应于投用一年后进行首次开罐检验。

表1 2000 m3乙烯球罐主要技术参数Table 1 Main technical parameters of 2000 m3 Ethylene Spherical Tank

1.2 乙烯球罐现场检验情况

综合考虑该设备的服役年限及安装监督检验发现相关缺陷的处理情况，制定相应检验方案，其中，现场检验项目包括：主要受压元件壁厚测定、宏观检验、磁粉检测、超声检测、安全附件检验。

经UT发现，该乙烯球罐存在4处超标埋藏缺陷，如图1所示，缺陷具体参数详见表2。

表2 超声检测发现焊缝缺陷情况Table 2 Weld defects found by UT

图1 超声检测发现的缺陷位置示意图Fig.1 Schematic diagram of defect location found by ultrasonic testing

此次检验为首次定期检验，结合UT结果，以上4处缺陷为现场组焊过程中产生的条状夹渣。

2 合于使用评价

2.1 超标缺陷的常规评定

2.1.1 缺陷的表征和等效尺寸

根据 GB/T 19624-2019《在用含缺陷压力容器安全评定》第5.3.1.4条的相关规定，对条形夹渣缺陷进行规则化处理，对缺陷尺寸进行表征，并乘以缺陷表征尺寸分安全系数(失效后果按严重考虑，取值1.1)，可将缺陷表征为椭圆的埋藏缺陷，所得数据详见表3。

表3 焊缝埋藏缺陷表征情况Table 3 Characterization of weld embedded defects

2.1.2 应力的确定

(1)一次应力

根据乙烯球罐强度计算书，取下极板计算应力204.9 MPa，并乘以安全系数(失效后果按严重考虑，取值1.25)，壳壁的一次薄膜应力Pm为256.1 MPa，一次弯曲应力Pb为0 MPa。

(2)二次应力

①焊接残余应力

经审查反应器产品质量证明书等文件，可知反应器经过整体热处理，按照GB/T 19624的有关规定，焊接残余应力引起的二次薄膜应力Qm=0 MPa，二次弯曲应力Qb1=0.5σS=245 MPa[3]。

②温差应力

球罐内工作温度是-33.6℃，设取球罐内外壁温差ΔT=53.6 ℃，容器壁内外温差在内壁面产生的温差应力为拉应力，计算公式如下：

Qb2=1.6ΔT

(1)

由式(1)求得：

Qb2=85.76 MPa

③由错边引起的二次应力Qb3

对接焊缝接头中因错边引起的二次弯曲应力Qb3计算公式如下：

(2)

式中：e1——焊缝错边量

b——容器壁厚参数的指数项，取1.5

B1——错边两侧的同期壁厚的较大值

B2——错边两侧的同期壁厚的较小值

综上，二次弯曲应力Qb=Qb1+Qb2+Qb3，以上二次应力乘以相应的安全系数(失效后果按严重考虑，取值1.0)，所得应力值详见表4。

表4 焊缝缺陷处一次应力、二次应力值Table 4 Primary and secondary stress values at weld defects

2.1.3 材料性能数据的选用

通过查阅设计资料以及现场检测，球壳板材质为 07MnNiMoDR，使用温度为-33.6 ℃，为了使评价结果尽可能趋于保守，材料性能数据选用通过 GB/T 19189-2011、GB/T 150-2011 及 ASME 标准查得，并尽可能取值相对保守，乙烯球罐材料力学性能数据详见表5。

表5 乙烯球罐材料力学性能数据Table 5 Mechanical property data of Ethylene Spherical Tank materials

2.1.4 应力强度因子KIP和KIS的计算

对于椭圆形埋藏缺陷来说，缺陷周界上各处的应力强度因子是不同的，在椭圆短轴处应力强度因子最大，安全评定仅取短轴处的应力强度因子进行。短轴处应力强度因子计算如下：

一次应力引起的应力强度因子：

(3)

(4)

式中：σmP、σbP——缺陷部位一次薄膜应力和弯曲应力

σmS、σbS——缺陷部位二次薄膜应力和弯曲应力

fm、fb——计算薄膜应力σm和弯曲应力σb在缺陷短轴处方向(a方向)应力强度因子时所用的裂纹构型因子，分别按式(5)和式(6)计算

(5)

(6)

式中：e——埋藏缺陷中心与板厚中心的偏移量

c——椭圆形缺陷长半轴

a——椭圆形缺陷短半轴

将以上计算结果代入式(3)和式(4)，可得四处含缺陷位置的KIP、KIS，计算结果详见表5。

2.1.5 载荷比的计算

在计算载荷比Lr只考虑一次应力，不考虑二次应力，其计算式如下：

(7)

(8)

(9)

将已知数据代入，可得四处含缺陷位置的Lr，计算结果详见表5。

2.1.6 断裂比Kr的计算

断裂比Kr按下式(11)进行计算：

(10)

(11)

式中：G——相邻两裂纹间弹塑性干涉效应系数，取1.0

Kp——评定用材料断裂韧性，为表5中KIC除以相应的安全系数 1.2，值为2371.72 N/mm3/2

Ψ1——塑性修正因子中间参量

ρ——塑性修正因子

将以上数据代入式(10)，可得四处含缺陷位置的Kr，计算结果详见表6。

表6 焊缝缺陷处的应力强度因子、载荷比、断裂比的计算结果汇总Table 6 KIP,KIS,Lrand Krvalues at weld defects

2.1.7 安全性评价

将计算得到的缺陷断裂比Kr和载荷比Lr绘制在通用失效评定图中，如图2所示。乙烯球罐4处超标缺陷位于失效评定图的安全区，能够通过平面缺陷常规评定，检验所发现的埋藏缺陷不影响球罐在操作工况的安全使用，允许保留。

图2 失效评定图Fig.2 Failure assessment diagram

2.2 超标缺陷疲劳失效评定

2.2.1 应力变化范围值的计算

2000 m3乙烯球罐运行阶段存在压力及温度的波动，其中，由压力波动引起的一次薄膜应力变化范围值：

(12)

式中：Di——球罐内径，mm

δe——球罐有效厚度，mm

Δp——压力波动幅度，MPa

将以上数据代入式(12)，可得一次薄膜应力变化范围值Δσm为51.77 MPa。

由温度波动引起的二次弯曲应力变化范围值：

Δσb=1.6(ΔT1-ΔT2)=31.13 MPa

2.2.2 (S3N)x值的计算

乙烯球罐操作工况要求承受的疲劳强度参量：

(S3N)x=(Δσm)3n1+(Δσb)3n2

(13)

式中：n1——一次薄膜应力变化范围所承受的循环次数，取值8500

n2——二次弯曲应力变化范围所承受的循环次数，取值9300

将以上数据代入式(13)，可得工况要求承受的疲劳强度参量(S3N)x为1.46×109N3/mm6·cycle。

2.2.3 安全性评价

根据GB/T 19624-2019表14规定，乙烯球罐超标缺陷容许承受的疲劳强度参量：

(S3N)y=7.270×106E≈1.41×10126N3/mm6·cycle

其中(S3N)y>(S3N)x，即乙烯球罐4处超标缺陷通过疲劳失效评定。

3 结 论

乙烯球罐UT发现4处超标埋藏缺陷，根据GB/T 19624-2019，对上述缺陷开展断裂与塑性失效评定及疲劳失效评定，结果表明：检验所发现的埋藏缺陷不影响球罐在操作工况的安全使用，允许保留。

在未来的运行周期内，使用单位应对该球罐加强监管，严格按照允许使用工况运行，避免操作工况(压力、温度)剧烈波动，防止疲劳失效的发生，同时缩短球罐下次检验周期，对上述埋藏缺陷进行复测，监控缺陷是否扩展。