郭俊財(cái)

摘 要：變壓吸附壓力容器為疲勞容器，操作壓力在0.02MPa-3.5MPa之間交變。年交變次數(shù)為40000次，殼體采用正火狀態(tài)下供貨的Q345R鋼板。因超溫造成塔壁不同程度鼓脹發(fā)生塑性變形，通過(guò)宏觀檢查、壁厚測(cè)定、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、硬度檢測(cè)、金相分析等手段對(duì)壓力容器進(jìn)行鼓脹變形影響分析、金相分析以及強(qiáng)度校核及疲勞壽命分析，從而做出合于使用綜合評(píng)價(jià)并提出正常使用有效控制措施。

關(guān)鍵詞：疲勞容器;塑性變形;疲勞壽命分析;控制措施

對(duì)吸附壓力容器進(jìn)行首次全面檢驗(yàn)，進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。將對(duì)超出TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求的各類超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理，提出正常使用有效控制措施。

1 檢驗(yàn)準(zhǔn)備工作

審查設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用管理等資料，以及運(yùn)行工況引起設(shè)備超溫的原因;卸除和清理塔內(nèi)介質(zhì);搭設(shè)內(nèi)外壁滿堂架;拆除塔壁保溫;內(nèi)外壁板材、焊縫、分析部位打磨。

2 檢驗(yàn)情況

2.1 宏觀檢查

通過(guò)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、幾何尺寸檢驗(yàn)、外觀檢查確定鼓脹位置為下部約2m 高一周區(qū)域。1-3#容器最大鼓脹位置（距底部筒體焊縫距離）分別為1300mm、1300mm、1260mm。

2.2 壁厚測(cè)定

測(cè)得縱、環(huán)焊縫最大對(duì)口錯(cuò)邊量分別為1.0mm和0.5mm;縱、環(huán)焊縫最大棱角度分別為1.0mm和0.5mm。三臺(tái)吸附容器裙座角焊縫Q及下部壁板H1/H2之間存在鼓脹，其中1#鼓脹最嚴(yán)重。半徑鼓脹量為25-55mm、封頭壁厚測(cè)得為43.1-45.5mm、筒體壁厚為38.2-40mm（變形處及未變形處）。

2.3 超聲檢測(cè)

筒體、封頭對(duì)接焊縫采用超聲從外壁進(jìn)行檢測(cè)埋藏缺陷，重點(diǎn)檢測(cè)焊縫超標(biāo)缺陷和裂紋類缺陷。所有對(duì)接焊縫均100%外壁超聲檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

2.4 磁粉檢測(cè)

吸附容器主體所有對(duì)接焊縫內(nèi)外壁、每臺(tái)塔鼓脹最嚴(yán)重部位外壁板材及H1-H2筒節(jié)內(nèi)壁板材磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。僅4#塔下封頭與裙座連接焊縫表面兩處裂紋，分別為南側(cè)，裂紋長(zhǎng)40mm，東側(cè)，裂紋長(zhǎng)33mm。

2.5 滲透檢測(cè)

對(duì)原料進(jìn)氣口和人孔接管焊縫進(jìn)行外壁滲透檢測(cè)，吸附容器上封頭位置內(nèi)壁支撐圈角焊縫、支撐板下角焊縫及下接管與筒體對(duì)接焊縫滲透檢測(cè)未見(jiàn)缺陷跡痕顯示。

2.6 硬度檢測(cè)

選取鼓脹變形明顯部位;各3條縱環(huán)焊縫;焊縫金屬及其兩側(cè)熱影響區(qū)、母材;接管焊縫，3處焊縫金屬及其一側(cè)熱影響區(qū)、母材測(cè)定硬度，每部位至少3點(diǎn)取平均值。

檢測(cè)結(jié)果為筒體母材（變形部位）：112-119HB;焊接熱影響區(qū)：150-192HB;封頭母材：114-183HB;筒體母材（未變形部位）：112-130HB;焊縫金屬：121-179HB。

變形部位母材與未變形母材硬度基本一致，即超溫未引起容器硬度發(fā)生明顯變化。

2.7 金相分析

吸附容器金相分析部位（含鼓脹變形部位）組織基本正常，筒體正常部位及鼓脹部位均為鐵素體+珠光體;封頭、筒體及封頭部位熱影響區(qū)、焊縫金屬均為鐵素體+珠光體+貝氏體。

3 鼓脹變形原因及影響初步分析

3.1 鼓脹原因分析

吸附介質(zhì)帶液，在氣液分離器中未分離完全，液態(tài)組分進(jìn)入吸附容器分子篩中，引起分子篩大量集中快速放熱，致使容器超溫，導(dǎo)致器壁鋼材的屈服強(qiáng)度下降，塔壁應(yīng)力水平超過(guò)屈服強(qiáng)度發(fā)生了永久塑性變形。

3.2 鼓脹變形影響分析

根據(jù)金相檢測(cè)結(jié)果，鼓脹變形嚴(yán)重部位筒體部位金相組織為鐵素體+珠光體，金相組織正常，超溫未引起材質(zhì)發(fā)生相變。容器膨脹變形引起設(shè)備結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會(huì)降低設(shè)備的承載強(qiáng)度和疲勞壽命，因此還需對(duì)吸附容器鼓脹變形部位進(jìn)行強(qiáng)度校核及疲勞壽命分析。

4 強(qiáng)度校核及疲勞分析

4.1 強(qiáng)度校核

參照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，筒體鼓脹變形部位和未變形部位壁厚取37.7mm和38.3mm（實(shí)測(cè)值減去0.5mm腐蝕余量），內(nèi)表面施加內(nèi)壓，取操作壓力3.5MPa。則筒體端面施加平衡面載荷：

因容器鼓脹，建立有限元分析模型，按結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖計(jì)算得出最大應(yīng)力164MPa。位于膨脹變形筒節(jié)的下邊緣。

超溫未引起容器硬度發(fā)生明顯變化，變形部位Q345R許用應(yīng)力仍按照原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取值，40℃（操作溫度）時(shí)許用應(yīng)力未181MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1#應(yīng)力最大值小于評(píng)定用的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，可以通過(guò)評(píng)定。由于2#和3#膨脹變形較小，因此三臺(tái)容器操作條件下都可以通過(guò)強(qiáng)度校核;膨脹部位滿足JB4732標(biāo)準(zhǔn)安定性判定條件，即在吸附容器疲勞載荷作用下不會(huì)出現(xiàn)棘輪現(xiàn)象（鼓脹繼續(xù)發(fā)展）。

4.2 疲勞分析

吸附容器承受交變載荷作用，吸附容器操作壓力為0-3.5MPa。設(shè)計(jì)交變次數(shù)為4*104 次/年，實(shí)際交變次數(shù)為3.5*104次/年。依據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以1#塔為例，對(duì)三臺(tái)吸附容器進(jìn)行疲勞分析。結(jié)合3.5MPa內(nèi)壓下計(jì)算得到第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力最大值為164MPa，位于鼓掌變形筒節(jié)的下邊緣。即：

Srij=164MPa

附錄C進(jìn)行疲勞壽命估算，1#塔最大交變應(yīng)力強(qiáng)度幅：

Salt=0.5*Srij=0.5*164=82MPa

碳錳鋼在40℃時(shí)彈性模量Et=205GPa，進(jìn)行彈性模量修正，即：

=Salt*Et/E=82*2.1/2.05=84MPa

查JB4732-95附錄C圖C-1，得到允許循環(huán)次數(shù)不少于100萬(wàn)次，實(shí)際已循環(huán)7萬(wàn)次，剩余循環(huán)次數(shù)不少于93萬(wàn)次。其他兩容器相對(duì)于1#容器鼓脹變形較小，受力狀況更好，因此3臺(tái)吸附容器在無(wú)其他缺陷的情況下，按設(shè)計(jì)規(guī)定的40000次/年交變次數(shù)可以安全使用至下一檢驗(yàn)周期。

5 缺陷修復(fù)

4#容器下封頭與裙座角焊縫處表面有表面裂紋，分別為東側(cè)一處33mm，南側(cè)一處40mm，此兩處經(jīng)打磨至深度10mm/7mm時(shí)裂紋消失，非貫穿缺陷，對(duì)裂紋處進(jìn)行修復(fù)。采用J507焊條電弧補(bǔ)焊，焊后100-150℃/2h緩冷，使用前經(jīng)過(guò)350℃-400℃/2h烘烤，施焊前使用火焰將補(bǔ)焊部位加熱到80℃以上，多道（層）焊接，道（層）間溫度小于250℃。經(jīng)補(bǔ)焊冷卻至常溫后表面100%MT檢測(cè)，NB/T47013.4 I級(jí)合格。

6 評(píng)價(jià)及控制措施

根據(jù)吸附容器設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等資料，結(jié)合本次檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，經(jīng)強(qiáng)度校核和疲勞分析，對(duì)這3臺(tái)吸附容器鼓脹變形的合于使用評(píng)價(jià)結(jié)論如下：

①吸附容器局部過(guò)熱導(dǎo)致的鼓脹變形降低了設(shè)備的承載強(qiáng)度和疲勞壽命。鼓脹變形可以通過(guò)操作條件下（3.5MPa）的強(qiáng)度校核和疲勞分析。鼓脹變形原因分析為超溫導(dǎo)致器壁應(yīng)力水平超過(guò)屈服強(qiáng)度，發(fā)生了永久塑性變形;

②采取有效措施確保不會(huì)再次超溫的前提下，工作壓力3.4MPa、溫度40℃、循環(huán)周次40000次/年下，吸附容器鼓脹變形不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，可以在設(shè)計(jì)規(guī)定的操作條件下繼續(xù)使用。依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》8.5.12條，“使用過(guò)程中產(chǎn)生的鼓包”，“如果能查清鼓包的起因并且確定該其不再擴(kuò)展，不影響壓力容器安全使用的，可以定為3級(jí)”，下次檢驗(yàn)周期定為3年;

③運(yùn)行過(guò)程中加強(qiáng)巡檢和溫度檢測(cè)，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行。

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