天然气缓冲罐焊接裂纹的安全评定.pdf

2 0 0 9年 第 3 期 茬 遣 技 木 P i p e l i n e T e c h ni q u e 5 { 要 各 a n d Eq u i pme n t 天然气缓冲罐焊接裂纹的安全评定 No ． 3 周建华 绍兴市燃气产业集团有限公司， 浙江绍兴3 1 2 0 0 0 摘要 根据 B S 7 9 1 0- 9 9 焊接结构缺陷验收评定方法指南 和 压力容器缺陷评定 ， 对一台天然气 缓冲罐筒体焊缝 中的裂纹进行 了安全性评定。首先 ， 通过超声波和 x射线探伤确定 了4条焊接裂纹的 位置， 然后根据缺陷规则化原则对焊接裂纹进行了规则化处理， 得出等效裂纹 值。在计算焊接裂纹 应力并对比材料性能数据的前提下， 以L 为横坐标 为纵坐标绘制 了平面缺陷筛选评定失效评 定图， 发现所有的点均在安全区内， 并且有一定的安全余量。由此评定得出， 在正常操作条件下， 该缓冲罐是 安全的。但考虑到裂纹可能继续扩展 ， 建议尽快更新或返修。 关键词 天然气缓冲罐 ； 安全评定 ； 力学性能； 裂纹 中图分类号 T G 4 4 1 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 9 0 3 0 0 4 20 3 S a f e t y As s e s s me n t o f W e l d i n g Fl a ws i n Na t u r a l Ga s Bu ffe r Ta n k Z HOU J i a n ． h u a S h a o x i n g Ga s I n d u s t r y Gr o u p C o ． ， L t d ． ， S h a o x i n g 3 1 2 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o B S 7 9 1 09 9 g u i d e t o a s s e s s i n g t h e a c c e p t a b i l i t y o f fl a w s i n me t a l l i c s t r u c t u r e s a n d a s s e s s me n t o f d e - f e c t s o f p r e s s u r e v e s s l e s ， t h e w e l d i n g fl a ws i n n a t u r a l g a s b u ff e r t a n k c y l i n d e r s a r e a s s e s s e d ． F i rs o f a l l ， t h r o u g h t h e X r a y a n d u l t r a s o n i c d e t e c t i o n s ， t h e l o c a t i o n s o f we l d i n g c r a c k s a r e d e t e r mi n e d and t h e n t r e a t e d i n a c c o r d anc e w i t h t h e r e g u l a r i t y p ri n c i p l e o f w e l d i n g c r a k c s ． T h e e q u i v a l e n t a o f t h e c r a c k i s o b t a i n e d ． I n t h e p r e mi s e o f c alc u l a t i n g t h e w e l d i n g c r a c k s s t r e s s a n d c o mp a ri n g t h e d a t a abo u t m a t e ri al p e r f o rma n e ， w i t h L t a s t h e a b s c i s s a ， √ 8 t as t h e c o o r d i n a t e ， t o d r a w a p l a n e d e f e c t s s c re e n i n g a s s e s s m e n t ma p， i t i s f o u n d t h a t a l l t h e p o i n t s are s a f e i n t h e reg i o n， a n d t h a t t h e r e i s a c e r t a i n s a f e t y ma r g i n ． Un d e r n o r mal o p e r a t i o n c o n d i t i o n s ， t h e r e a c t o r i s s a f e ． B u t i n c o n s i d e r a t i o n o f t h e e x p a n s i o n o f t h e s e fl a w s ， s o me s u g g e s t i o n s a r e b r o u g h t f o r w a r d i n r e g a r d t o t h e f u t u r e s e r v i‘ c e o f t h e r e a c t o r ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s b u f f e r t a n k； s a f e t y a s s e s s me n t ； me c h a n i c al p r o p e r t i e s ； fl a ws 0引言 某天然气储气站的一 台天然气缓 冲罐 经无损检 测， 发现反应器筒体两筒节之间的环焊缝中有 4条垂 直于焊缝的埋藏裂纹。文章采用 B S 7 9 1 0 9 9 ⋯和 压 力容器缺陷评定 ] ， 对这些裂纹在操作压力和温度 下是否发生破裂进行评定 。 该反应器简体焊缝布置见图 1 ， 主要技术参数如 下 实际工作压力为0 ． 7 0 M P a ； 实际工作温度为0～ 5 0 ℃； 工作介质为 C H ； 简体材质为 1 6 Mn R； 简体尺寸为 1 6 0 0 H 3 0 0 0 mm； 简体壁厚为 1 0 m m． 图 1中， L表示纵向焊缝 ， W 表示环向焊缝。 1 裂纹缺陷的尺寸和位置 经超声波探伤和 x射线检查 ， 在 w 环焊缝中存 有 4条裂纹缺陷 ， 具体的尺寸位置为 裂纹 1 Ⅳ 3～ 6 m m， L 8 m m； 收稿 日期 2 0 0 81 20 5 收修改稿日期 2 0 0 90 5 0 1 W3 W2 Wl 图 1 简体焊 缝布 置图 裂纹 2 日 58 m m， L1 0 mm； 裂纹 3 H 6 9 m m， L1 0 mm； 裂纹 4 H 2～ 6 m m， L1 5 m m． 其中， H为从外壁向内壁算起的超声波探伤判废 波高的位置 ， 但判废波高的位置与实际裂纹 的尺寸是 有差别的， 而裂纹垂直于焊缝方向的长度 ￡是由 x射 线探伤得到的实际尺寸。 2 裂纹缺陷的断裂评定 按文献[ 1 ] 、 [ 2 ] 评定规程， 对上述裂纹缺陷采用 1 级评定方法进行断裂评定。 第3 期 周建华 天然气缓冲罐焊接裂纹 童全评塞 塑 2 ． 1 缺 陷表征和等效裂纹尺寸的确定 总应力为 2 ． 1 ． 1 缺 陷 的规 则化 盯 3 3 5 MP a 根据缺陷规则化原则 ， 按偏保守 的估算 。其表 2 ． 3 材料性能数据 面裂纹的形状 、 位置见图 2 。 图 2 表面裂纹位置 、 尺寸形状 图 这样 ， W 焊缝 中 4条裂纹规则 化后 的表面裂纹 尺寸为裂纹 1 a 2 1 T i m， 2 c 8 m m； 裂纹 2 a2 mm， 2 c 1 0 m m； 裂纹 3 a1 mm， 2 c 1 5 mm； 裂纹 4 a 3 mm， 2 c1 5 m m． 其中 ， 裂纹 4的深度尺寸最 大 ， 也最 危险。 2 ． 1 ． 2 等效裂纹 a尺寸的计算 表面裂纹缺陷可规则化为 a x 2 c ， a为表面裂纹 深度， 2 c为表面裂纹长度。t 为容器壁厚，取值 l 0 m m， 现按最危险的裂纹4计算， 则 旦0 ．4 0 0 0 上 [ 1 1 ． 4 6 4 ac ] 1 ． 1 5 0 1 F 1 ． 1 0 5 ． 2 0 ． 5 5了 a 导 。 ac 1 ． 1 9 2 0 一 O , --O 2 2 2 2 mm 式 中 为裂纹阻力位移 ； F为裂纹张开位移。 2 ． 1 ． 3 各表面裂纹的等效裂纹长度 汇总 表 1 为各表面裂纹 的等效裂纹长度 汇总。 表 1 各表面裂纹的等效裂纹长度 汇总。 2 ． 2 应力的确定 2 ． 2 ． 1 筒体膜 应 力计 算 按实际工作压力 p为 0 ． 7 M P a ， 容器壁厚 t 为 1 0 m m， 罐体高度 日 为3 0 0 0 m m， 计算 p Hl 0 ．7 X 3 0 00 m 丽 2 ． 2 ． 2 焊接残余应力 1 0 5 MPa 焊接残余应力取0 ． 5 0 “ 。 ， 则 0． 50 - 。23 0 MPa 2 ． 2 ． 3 患葭 力 由于制造该容器简体的原材料 已无法得到 ， 不能 直接测取简体母材和焊缝的断裂韧性 K 和 ， 但评定 规范 允许铁素体钢可按其却贝V冲击功 c 值换算 得到断裂韧性 K 和6 i ． 根据制造厂提供的质保书分 析 ， 材料组 织应为铁素体 珠光体 ， 由焊接测试板测 得的最低 冲击功值 为 5 9 ． 3 J ； 则 由下面的计算可得到 I c值 。 K3 N／mm3 ／ 2 m一 8 5 0 4 ／ n - v-1 42 06 3 0一一51 0 m a t 1 ／ 4 ⋯ ⋯⋯ 式中 K 为断裂韧性 ， N ／ m m ； 为壁厚 ， B1 0 m m． T r a L1 1 1 MP a m 1 0 0 0 所以， 对应的裂纹起裂张开位移 6 i 0 ． 0 9 0 8 m m． 2 ． 4 及 的计算 以裂纹4为例计算如下 2 1 1 ． 6 1 ％-- 2 l 1 ． 6 1 1 ． o o l 0 1 T__ 8 s 。 r 。 21 T3 ． 2 2 2 2 1 ． o 0 l 0 - 0 ． 0 1 2 4 m m 式中 E为基层材料弹性模量 ， E 2 Z 1 0 MP a ； 8 为基 层材料屈服点 ， 8 4 6 0 MP a ； 为可变强化 系数 ； o r 为总应力 ； R为罐体直径 。 因此得到 √ 毒 。 。 3 6 8 9 式 中艿 为断裂应变系数。 其他各个裂纹计算过程同上， 8 及厨算结果汇 总 见表 2 。 表2 及 ／ 计算值汇总表 2 ． 5 外加荷载 O “ b与塑性屈服强度荷载的比值 的 计算 o r b0， 1 05 MP a， B 1 0 mm． 裂纹 4中的表面裂纹计算如下 _0 ． 1 2 8 6 sBf c 一u ‘ 厶 0 u 4 4 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t Ma v ．2 0 0 9 L r 垂 丛 0 ． 2 6 1 9 3 1 一 一 一叭 其他各个裂纹计算过程同上， 参量 及 计算结 果汇总见表 3 。 表3 孝及L 计算结果汇总见表 裂纹序号 L 裂纹序 号 1 0 ． 0 5 7 l 0 ． 2 4 2 1 3 O ． 0 4 2 9 0 ． 2 3 8 5 2 O ． O6 6 7 0 ． 2 4 4 6 4 0 ． 1 2 8 6 0 ． 2 6 1 9 2 ． 6安全评定分析 把计算得到的对应值取小数点后面 2位汇总在表 4 ， 并把各评定点绘制在图 3中。 表 4 、 L 对应值 裂纹序号√ L 裂纹序号√ 1 0． 2 6 9 3 0 ． 2 4 2 1 3 0． 2 2 8 2 0 ． 2 3 8 5 2 0． 2 8 7 4 0 ． 2 4 _4 6 4 0． 3 6 8 9 0 ． 2 6l 9 图3 平面缺陷筛选评定失效评定图 由图3可以看出， 所有的点均在安全 区内， 并且有 一 定的安全余量。 2 ． 7裂纹缺陷的疲劳分析 在实际运行 中， 由于压力 、 温度波动很小， 没有显 著的疲劳荷载 ， 裂纹发生疲劳扩展的可能性不大 ， 因 此不做疲劳寿命方面的分析计算 。 3 结束语 在正常操作条件下运行 ， 即 P 0 ． 7 MP a ， 温度为 0～ 5 0℃时， 按制造厂 的焊接试板换算 的断裂韧性值 进行评定 ， 这些裂纹还处在安全 区内， 但考虑到 甲烷 在裂尖积聚可能使裂纹扩展 ， 建议予以更换。新设备 没有投入使用之前， 该反应器还需运行一段时间， 则 应严密监控 ， 发现裂纹扩展 ， 立 即停止使用 。 对更换下来的反应器若要返修 ， 必须制订出合适 的返修方案 ， 方案 中应包括焊缝裂纹的去除方法 及焊 接工艺等。 参考文献 [ 1 ] B S 7 9 1 0 9 G u i d e O 13 Me t h o d s f o r A s s e s s i n g t h e A c c e p t a b i l i t y o f F l a ws i n Me t a l l i c S t mc t u r e s ． [ 2 ] 李建化． 压力容器缺陷评定． 北京 劳动部锅炉扭力容器 安全 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 3 ] 何家胜， 李书容， 危卫． 圆管外表面轴向椭圆裂纹应力强 度因子的有限元研究． 管道技术与设备， 2 0 0 8 2 2 5 28 ． [ 4 ] 张华 ， 赵勇辉， 罗金恒， 等． 天然气管道阀门断裂原因的三 维有限元分析． 管道技术与设备 ， 2 0 0 7 1 3 2 3 3 ． 作者简介 周建华 1 9 7 2 一 ， 工程师， 从事燃气工程技术工 作 。 上接第 3 6页 0 ． 0 8 i n n ， 为防止凸缘与封头组 焊后 密封面变形， 应将凸缘槽面法兰留一定加工余量， 待 与封头组焊后 ， 加工凸缘法兰密封面及封头坡 口， 然 后将外头盖各部组焊在一起 。这样 ， 就解决了外头盖 壳体法兰与凸缘的同心度问题。见图4 。 图 4外头盖组件 2 ． 7 下壳体裙座 或悬挂支座 段的制造加工 立式换热器一般采用裙座或悬挂支座， 焊在下壳体 上， 因其焊接量较大， 焊接后容易造成壳体局部收缩而 导致内径小于图纸要求尺寸， 致使管束与下壳体无法顺 利装配。因此， 应采用将裙座与之相焊的那一段筒节厚 度增加一定余量 加工余量 ， 筒节卷圆时， 按所加余量 调整卷圆后的筒节内径尺寸， 使之小于图纸要求尺寸， 然后将此段筒节与裙座焊接， 并做相应的热处理、 检查 等工作， 合格后再 对此组件的筒节 内壁进行机械加工 见图5 ， 使之达到图纸要求的内径尺寸， 这样， 就使得 下壳体与管束的装配能够顺利进行。 图 5裙座 悬挂支座 组件 3 结束语 立式换热器的社会效益非常可观， 与同类型的国 外进口产品相 比， 国内制造的立式换热器可节 约费用 约 1 ／ 3以上。而且 ， 大型立式换热器的制造对实现加 氢设备 国产化 ， 提高 国内大型设 备制造能力 ， 提高制 造水平都有重大意义。 作者简介 王丽莉 1 9 8 0 一 ， 助理工程师 ， 主要从事压力容器设计工作。