某干氣車間凈化器殼體錯邊完整性評價

郭肆偉荊 琳姜海一趙文靜

（1.中國石油伊拉克公司艾哈代布項目 北京 100011）（2.河北華北油田特種設備檢驗所 任丘 062552）（3.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

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某干氣車間凈化器殼體錯邊完整性評價

郭肆偉1荊 琳2姜海一3趙文靜3

（1.中國石油伊拉克公司艾哈代布項目 北京 100011）
（2.河北華北油田特種設備檢驗所 任丘 062552）
（3.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

摘 要：本文針對某干氣車間凈化器在定期檢驗中發現的封頭與筒體連接環焊縫的超標錯邊缺陷，采用合于使用評價方法對其安全性進行分析，利用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》中的塑性極限載荷分析方法進行有限元分析，得出該臺容器的最大允許操作壓力不超過塑性極限內壓的2/3，可以滿足使用要求，建議使用單位運行期間對該容器加強監控管理，避免內壓力、溫度劇烈波動，避免應力腐蝕、疲勞失效的發生，適當縮短下一檢驗周期。

關鍵詞：有限元分析 塑性極限載荷分析 合于使用評價

1 概述

2014年3月對某干氣車間凈化器進行定期檢驗［1］，檢驗過程中發現筒體與封頭連接的環焊縫存在5mm的整體超標錯邊制造缺陷（焊縫軸向長度6mm），如圖1、圖2所示。

圖1 容器結構示意圖

圖2 容器整體錯邊區域示意圖

為了科學評價局部錯邊區域內的應力狀態，采用有限元分析法進行極限分析［2-5］。分析評價的依據為JB 4732—1995。該容器的主要技術參數見表1。

表1 技術參數匯總

2 含超標錯邊結構的塑性極限內壓載荷分析

2.1 模型的簡化

基于該容器的圖紙和現場檢測的結果，建立3-D實體模型。計算中取在封頭與筒體內徑相同情況下，封頭與筒體沿某一徑向整體錯開5mm。材質的力學性能參數見表2，計算中保守地將該材料的應力應變曲線簡化為理想彈塑性曲線，如圖3所示。

表2 材質的力學性能［6］

圖3 該材料簡化后的理想彈塑性材料曲線（縱坐標為應力/ MPa，橫坐標為應變）

2.2 建模、網格劃分和加載

采用ANSYS有限元分析程序中的實體單元Solid95來建模。這兩種單元具有塑性、蠕變、鼓脹、應變硬化、大位移和大應變能力。

為了避免端面約束對分析部位產生影響，計算時取筒體軸向長度為為筒體內半徑；t為筒體壁厚）。采用沿兩側最大錯邊處剖開的對稱模型，映射網格，如圖4和圖5所示。筒體端面沿軸向和周向約束位移，內表面承受均勻的內壓載荷，如圖6所示。

圖4 整體錯邊的對稱模型網格劃分

圖5 整體錯邊的對稱模型局部網格劃分

圖6 施加位移和內壓載荷后的整體錯邊模型

2.3 計算結果

隨著內壓載荷的增加，局部錯邊區域內的VON MISES等效應力不斷發生變化，當施加的內壓值等于2.45MPa時結構分析結果最后一步收斂（見圖7和圖8）。施加的內壓超過此值時，計算得不到收斂解，表明結構失去了進一步承載的能力。取整體錯邊模型極限分析過程中計算發散前的最后一步穩定收斂的解作為錯邊區域的塑性極限內壓。根據JB 4732—1995的規定，這臺容器的最大允許操作壓力不超過塑性極限內壓的2/3，即1.64MPa。

圖7 內壓值等于2.71MPa時節點應力強度分布圖

圖8 極限分析的載荷位移曲線

3 結論

因該設備操作工況穩定，可以排除發生疲勞破壞失效的可能。極限分析結果表明，該臺容器的操作壓力和水壓試驗壓力均不超過結構的最大允許操作壓力，故整體錯邊區域滿足JB 4732—1995中基于塑性極限分析的評價要求。故該臺含錯邊超標缺陷設備可以在當前使用介質、正常操作壓力和操作溫度范圍內繼續使用。建議使用單位在凈化器未來的運行期間加強監控［7］，避免內壓、溫度的劇烈波動。鑒于可能的潛在的不利影響，建議適當縮短下一檢驗周期。

參考文獻

［1］ TSG R7001—2004 壓力容器定期檢驗規則［S］.

［2］ 賴永泉.基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術［J］.中國特種設備安全，2014，30（11）：21-25.

［3］ 趙忠祥，陳芝瑞，劉凱，等.焊縫錯邊問題的分析研究［J］.科技視界，2013，（35）：332-333.

［4］ 王妍，錢才富，司俊，等. 環焊縫含錯邊缺陷壓力管道的極限載荷分析［J］.化工設備與管道，2011，48（03）：42-45.

［5］ 張顯程，鞏建鳴，馮娟，等.環縫錯邊容器的有限元分析與容限探討［J］.石油化工設備，2003，32（06）：27-29.

［6］ 趙奕斌.壓力容器材料實用手冊——碳鋼及合金鋼［M］.北京：化學工業出版社，2000.

［7］ 馬磊，賈國棟，王輝.成套裝置承壓設備完整性管理［J］.中國特種設備安全，2014，30（10）：1-3+37.

Integrity Evaluation for Misalignment of a Pressure Vessel Shell in one Dry Gas Workshop

Guo Siwei1Jing Lin2Jiang Haiyi3Zhao Wenjing3
（1. CNPC Iraq company， Ahdeb oil field Beijing 100011）
（2. Huabei Oilfield Special Equipment Inspection of Hebei Province Renqiu 062552）
（3. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

AbstractAs an out-of-standard misalignment defect between the head and cylinder was found during periodic inspection for a dry gas purifier， fitness-for-service evaluation was applied to analysis its safety. Based on plastic limited load analysis in the standard JB 4732-1995: Steel Pressure Vessels—Designed by Analysis， the result of finite element analysis showed that its MAWP was not bigger than 2/3 of plastic limit internal pressure which could meet working requirements. It was advised that user should strengthen monitoring management during the operation to avoid violently vibrating of pressure & temperature， and stress corrosion， fatigue failure， and should shorten inspection period.

KeywordsFinite element analysis Plastic limited load analysis Fitness-for-service evaluation

作者簡介：郭肆偉（1978～），男，碩士，技術主管，工程師，從事石油工程地面工程建設工作。

收稿日期：（2015-04-17）

中圖分類號：X933.4

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）06-0034-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.008