淺談對一起壓力容器疲勞裂紋產生的原因及預防措施

宋洪昌

(天津市濱海新區大港特種設備監督檢驗所,天津 300270)

淺談對一起壓力容器疲勞裂紋產生的原因及預防措施

宋洪昌

(天津市濱海新區大港特種設備監督檢驗所,天津 300270)

文章介紹了對一起在二氧化碳緩沖罐定期檢驗過程中,發現因疲勞失效產生裂紋及對分析裂紋產生的原因、修理方法和改進措施。

二氧化碳緩沖罐 振動 疲勞失效 裂紋 處理 方法 措施 效果

1 容器的基本情況

容器名稱：二氧化碳緩沖罐

容器材質：316

2 主要參數

設計壓力：3.1MPa

設計溫度：-28-93℃

介質：CO2原料氣

幾何尺寸：φ1067×1575×18mm

3 概況

2010年3月本所檢驗人員在對天津市聯博化工有限公司在用容器進行定期檢驗中，發現該公司一臺二氧化碳緩沖罐的安全閥接管與容器本體連接處存在兩條裂紋，其尺寸分別為95mm、80mm。經過刨挖確認深度為14mm。

4 失效原因分析

針對二氧化碳緩沖罐產生裂紋這一情況，檢驗人員向車間操作人員認真了解該臺二氧化碳緩沖罐的運行情況，得知該臺二氧化碳緩沖罐在運行過程中一直處于振動狀態，振源來自與壓縮機出口相連進料管道。對二氧化碳緩沖罐本體檢查發現安全閥選用通徑75mm，重量較大，安全閥和接管與容器本體構成懸臂梁結構，安全閥重量在接管與設備連接處產生較大的力矩。安全閥接管與設備連接處無補強圈。見示意圖1。

二氧化碳緩沖罐產生裂紋的主要原因是由于進氣管道劇烈振動牽動二氧化碳緩沖罐本體以相同頻率進行振動，而安全閥重量較重，安全閥和接管與容器本體構成懸臂梁結構使安全閥的重量對二氧化碳緩沖罐本體構成較大的力矩，隨著二氧化碳緩沖罐本體振動，在安全閥進口接管與二氧化碳緩沖罐連接處的焊接接頭部位產生較大的交變應力。在交變應力的作用下造成這一區域受力最大的金屬晶粒產生滑移，隨著晶粒滑移的發展，滑移線之間產生交叉滑移，形成變寬、加深的滑移帶，當滑移帶內兩個滑移面之間的距離較小時便會產生細微的間隙并逐漸發展成為微小的裂紋，微小裂紋處由于應力集中使裂紋兩端不斷的擴展和相互貫通，最終發展成為宏觀裂紋，導致此處在振動和應力作用下發生疲勞失效破壞。

圖1

圖2

5 處理方法

首先對二氧化碳緩沖罐所有接管處的焊接接頭和不連續部位進行著色無損探傷，特別對產生裂紋處的焊接接頭進行重點檢測，確認存在裂紋的數量，位置和長度，確定修理方案和方法。

對需要清除的裂紋兩端采取打孔止裂的措施防止裂紋進一步擴大，利用機械手段和著色無損探傷對裂紋進行清除和確認，采用補焊和著色探傷的方法進行修復，將焊跡打磨平整圓滑過渡，經過著色無損探傷最終確認合格后進行液壓試驗。

由于該容器系美國制造，無原始資料，參照GB150-89第6.2、不另行補強的最大開口直徑的規定，‘在圓筒、球殼、錐殼及凸形封頭（以封頭中心為中心80%封頭內直徑的范圍內）上開孔時當滿足下述要求時可允許不另行補強，b：當殼體名義厚度大于12mm時，接管公稱直徑小于或等于80mm：；當殼體名義厚度大于或等于12mm時，接管公稱直徑小于或等于50mm：’的要求及GB150-98第8.3不另行補強的最大開口直徑的規定，‘殼體滿足下述全部要求時，可不另行開孔，a：設計壓力小于或等于2.5MPa：’的要求。筆者認為二氧化碳緩沖罐上安全閥進口管道采用規格為89×6mm，雖然其公稱直徑為76mm小于80mm在不需要另加補強的范圍內，但已經接近GB150-1989第6.2的要求，考慮二氧化碳緩沖罐的實際工況和參照GB150-1998第8.3的規定向使用單位提出由使用單位在征得原設計單位同意后，在疲勞失效部位以補強圈的形式加強其強度的建議，最終在該處焊接接頭處加裝補強圈。

其次對由壓縮機到二氧化碳緩沖罐的管道布置進行調整以此達到減小管道和容器的振動。通過分析我們認為造成管道的振動的原因有以下幾個方面：

(1)來自往復式壓縮機的運動部件往復運動時產生往復運動慣性力和慣性力矩驅使壓縮機振動牽動與其連接的管道產生相同頻率的機械振動,這個頻率稱其為管道激振頻率。

(2)往復式壓縮機產生的壓縮氣流不是連續的,是脈動的。在管道中的氣流產生脈動和壓力脈動即自由振動,其頻率稱為氣柱的固有頻率。

(3)管道作為一個構件有一個機械振動的固有頻率,這個頻率與管道長度有關,這個頻率稱其為管道的固有頻率。

當管道在某個長度上存在的固有頻率與壓縮機牽引管道產生的振動頻率即激振頻率、氣柱的固有頻率中的一個或兩個接近或相等的情況下就會產生共振的現象,此時管道將會產生激烈的震動。

根據以上的理論分析,我們得出將現有管道長度加以改變進而達到改變管道著機械振動固有頻率,是避開管道產生共振是行之有效的辦法和途徑。因此產生對原有管道布置進行變動的嘗試和構想,改變前后對比見上圖2。

如前所述,管道激振頻率與管道的長度有直接的關系,在理論上管道固有頻率與管道的長度成反比。管道布置改變前管道的固有頻率和管道激振頻率、氣柱的固有頻率兩者,或兩者之一接近或相同造成管道共振想象的發生。改變后由于管道的長度發生了變化管道固有頻率也隨之發生變化,使管道固有頻率和管道激振頻率、氣柱的固有頻率錯開,減小管道的振動和避免共振現象發生。管道布置改變前,由于管道激烈振動牽動二氧化碳緩沖罐一相同的頻率振動,因此管道激烈振動是二氧化碳緩沖罐接管或不連續處產生裂紋的的根源和主要原因。

6 效果

二氧化碳緩沖罐經過以上的修理,接管部位補強使薄弱部位強度得到加強和管道振動的減小,收到良好的效果。二氧化碳緩沖罐安全性能得到恢復,已經正常工作,修理部位狀態良好。

7 結語

在對壓力容器定期檢驗過程中,檢出裂紋的情況時有發生,裂紋形成機理不盡相同,本文中筆者對二氧化碳緩沖罐產生裂紋形式、形成的原因和機理進行了分析和處理。

通過對以上案例的分析筆者認為作為一名合格的特種設備檢驗人員應該具備一定的專業知識和實踐經驗,運用所掌握的專業理論知識和實踐經驗提高分析問題和解決問題的能力。壓力容器設計單位的設計人員設計時應充分考慮到各種因素和必要的理論計算,管道安裝單位應嚴格按設計條件要求進行安裝,不得隨意改變設計以避免不安全隱患的發生。