馬中元

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院湛江檢測院，廣東 湛江 524022)

蒸壓釜是用于蒸養(yǎng)煙灰制品或硅酸鹽制品的專用設(shè)備。其特點(diǎn)是采用齒嚙式快開結(jié)構(gòu)，并配有釜門開啟關(guān)閉的安全聯(lián)鎖裝置。釜體由筒體和釜體法蘭焊接而成，釜蓋由釜蓋法蘭和球冠封頭焊接而成，釜體法蘭和釜蓋法蘭均采用整體鍛造加工。

蒸壓釜是特種設(shè)備監(jiān)管下的壓力容器，其工作壓力不高，一般低于1.3 MPa，但體積較大，運(yùn)行過程中儲存較大能量，如果使用和保養(yǎng)不當(dāng)，就會有產(chǎn)生事故的危險，而一旦發(fā)生爆炸，危害性極強(qiáng)，后果十分嚴(yán)重。

1 蒸壓釜檢驗基本情況

2021年3月，我院對某管樁廠1臺蒸壓釜進(jìn)行了定期檢驗。該蒸壓釜于2012年10月制造，設(shè)計壓力1.6 MPa，設(shè)計溫度204 ℃，介質(zhì)為飽和水蒸汽，規(guī)格φ2850 mm×20 mm×28134 mm，筒體和封頭材料為Q345R，釜體法蘭和釜蓋法蘭材料選用16MnⅡ鍛件，安全閥開啟壓力1.25 MPa，投用日期為2013年4月，設(shè)計使用年限15年。

針對本次檢驗蒸壓釜實(shí)際情況，依據(jù)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定詳細(xì)的檢驗方案。表面缺陷檢測采用磁粉檢測方法，用ZCM-DA1202型磁粉探傷機(jī)(交流磁軛法磁化)對蒸壓釜釜體及釜蓋法蘭釜齒表面進(jìn)行了100%的磁粉檢測。探傷結(jié)果顯示：在釜體及釜蓋法蘭嚙合齒根部及受壓端面有大量裂紋存在，呈軸向延伸，最長達(dá)80 mm，如圖1所示。

圖1 嚙合齒根部裂紋

2 釜體及釜蓋法蘭應(yīng)力分析

2.1 法蘭釜齒嚙合結(jié)構(gòu)

蒸壓釜釜體法蘭和釜蓋法蘭在圓周方向上以均勻分布的齒相嚙合。其工作原理是沿快開裝置的圓周方向的均布的齒通過將頂蓋法蘭旋轉(zhuǎn)某一角度，實(shí)現(xiàn)頂蓋法蘭齒與卡箍齒之間的嚙合和錯開，從而得到快速啟閉的目的。法蘭釜齒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蒸壓釜法蘭釜齒嚙合結(jié)構(gòu)

2.2 應(yīng)力分析

蒸壓釜釜齒采用機(jī)加工成型，齒根部位為結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 720-2011《蒸壓釜》中規(guī)定釜蓋法蘭和釜體法蘭牙齒接觸面的齒根圓角半徑不小于5 mm，因此在釜齒加工過程中要求嚙合齒根部為圓角，以減小應(yīng)力集中系數(shù)。頻繁開關(guān)蓋是快開門壓力容器的使用特點(diǎn)，從該蒸壓釜管樁蒸壓工藝可以了解到該釜就是一種典型的間歇操作設(shè)備，其工作周期主要由升壓、保壓和降壓3個階段組成，開停頻繁，且溫差大，隨著使用過程中升溫升壓、降溫降壓的周期性循環(huán)，蒸壓釜承受著交變載荷和溫差應(yīng)力的共同作用[1]。蒸壓釜法蘭沿環(huán)向分布的齒是均勻間斷分布的，并且齒數(shù)為偶數(shù)，齒間尺寸略大于牙齒尺寸。罐門關(guān)閉后，釜體法蘭與釜蓋法蘭牙齒嚙合對齊，嚙合力沿齒面徑向均布或線性分布[2]。法蘭在內(nèi)壓作用下，牙齒部分承受軸向力，齒根其橫向和縱向截面為危險截面，主要承受剪力和彎曲應(yīng)力。文獻(xiàn)[3]通過有限元模型認(rèn)為，嚙合齒根部是應(yīng)力高強(qiáng)度區(qū)，是比較危險的截面。有學(xué)者利用ANSYS Workbench對蒸壓釜進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過蒸壓釜工作時靜力學(xué)下的應(yīng)力分布云圖，得到蒸壓釜安全系數(shù)最小易發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域在法蘭齒根、齒根側(cè)面和齒尖，符合現(xiàn)狀[4]。HG/T 20582-2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)范》—整體相連的齒嚙式卡箍連接件設(shè)計章節(jié)中給出了齒根應(yīng)力計算公式，卡箍齒根的軸向剪切應(yīng)力：

(1)

卡箍齒根的彎曲應(yīng)力：

(2)

封頭齒根的軸向剪切應(yīng)力：

(3)

封頭齒根的彎曲應(yīng)力：

(4)

式中：H為由內(nèi)壓引起的總軸向力；n為齒數(shù)；L為卡箍齒在根部的弧長；T1為卡箍環(huán)厚度；Cm為卡箍齒有效長度；Lc為封頭齒在根部的弧長；h3為封頭齒在根部的厚度。

從以上應(yīng)力公式中可以看出齒根的軸向剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力與齒在根部的弧長和厚度有關(guān)，成反比關(guān)系，如果增大齒在根部的弧長，齒根應(yīng)力將減小，裂紋萌生的幾率隨之也將減小。

3 裂紋產(chǎn)生原因

從上述應(yīng)力分析可知，蒸壓釜法蘭釜齒根部由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，導(dǎo)致該部位應(yīng)力集中系數(shù)高，是應(yīng)力高強(qiáng)度區(qū)，且蒸壓釜工作過程中釜體法蘭和釜蓋法蘭經(jīng)常啟閉，處于周期性運(yùn)行過程中，嚙合齒承受交變載荷和溫差應(yīng)力的共同作用，在使用過程中萌生裂紋并加速擴(kuò)展；另外，檢驗中發(fā)現(xiàn)釜體法蘭和釜蓋法蘭嚙合齒的嚙合表面加工制造平整度不符合要求，超出了通?？刂破淦矫娑鹊姆秶?，造成齒與齒之間擠壓不均，從而受力不均。

4 表面裂紋處理

蒸壓釜釜體法蘭和釜蓋法蘭齒根裂紋的存在會大大減弱嚙合齒的強(qiáng)度，造成安全隱患，因此必須予以處理?！豆潭ㄊ綁毫θ萜靼踩夹g(shù)監(jiān)察規(guī)程》定期檢驗章節(jié)中8.5.4條規(guī)定，檢驗后的壓力容器內(nèi)、外表面不允許有裂紋存在。因此，該蒸壓釜法蘭嚙合齒根部及受壓端面的所有裂紋必須打磨消除。蒸壓釜釜齒齒側(cè)裂紋在一定深度范圍內(nèi)是可以進(jìn)行非焊接打磨修復(fù)的，存在最佳打磨圓弧半徑，可滿足強(qiáng)度要求[5]。依據(jù)相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定返修方案，返修方案需經(jīng)返修單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)。首先，對發(fā)現(xiàn)的裂紋采用角向砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，打磨與磁粉探傷相配合以確定裂紋完全清除。打磨后形成的凹坑不在允許范圍內(nèi)的應(yīng)當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)焊，參與返修施焊的焊工必須持有國家市場監(jiān)督管理部門頒發(fā)的焊工合格證，在有效期間擔(dān)任合格項目的焊接工作。施焊前應(yīng)將磨槽表面及其周圍的污物和雜質(zhì)清除干凈，根據(jù)合格的焊接工藝評定制定焊接工藝卡，嚴(yán)格按工藝卡規(guī)定的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制焊接線能量，補(bǔ)焊后對補(bǔ)焊部位進(jìn)行外觀檢查，用電動砂輪機(jī)將焊縫及邊緣打磨光滑，去除補(bǔ)焊部位的回火焊道，最后需經(jīng)磁粉檢測合格。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)應(yīng)力分析可知，蒸壓釜法蘭嚙合齒齒根部位是應(yīng)力高強(qiáng)度區(qū)，是比較危險的截面；

(2)蒸壓釜法蘭齒根裂紋的形成主要是由于該部位結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力集中系數(shù)較高，在使用過程中受到交變載荷和溫差應(yīng)力的共同作用，且法蘭嚙合齒的嚙合表面的平整度不符合要求，造成齒與齒之間擠壓受力不均；

(3)在蒸壓釜定期檢驗過程中，應(yīng)對釜齒根部進(jìn)行嚴(yán)格的無損檢測。