管式褐煤干燥機低溫環(huán)境下端板焊縫缺陷的安全評定

（承德石油高等專科學校工業(yè)技術(shù)中心，河北承德067000）

0 前言

管式褐煤干燥機屬于承壓設(shè)備，是一種多管式封閉式回轉(zhuǎn)圓筒，主要服務(wù)于坑口電廠的發(fā)電以及煤化工等行業(yè)[1]，其中端板位于干燥機兩端，是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。由于焊接過程中常常使焊縫組織性能劣化，產(chǎn)生高數(shù)值的焊接殘余應(yīng)力甚至缺陷[2]，尤其是在低溫環(huán)境下，端板外部溫度由環(huán)境溫度決定，若缺陷此時出現(xiàn)在端板外部焊縫處，焊接接頭會由延性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，且應(yīng)力易集中于焊接缺陷處，導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生斷裂造成突發(fā)性及災(zāi)難性事故。因此，對端板外部含缺陷焊縫部位低溫環(huán)境下進行安全評定以保證整機設(shè)備安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外對含體積型缺陷承壓設(shè)備“合乎使用”安全評定代表性的標準主要有GB/T19624-2004、API579-2007、BS7910-2005、FITNET FFS 等[3-7]。但《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T19624-2004）是適合我國國情且用來評定主要構(gòu)件和焊接結(jié)構(gòu)的標準。該標準是對焊接結(jié)構(gòu)進行“合于使用”評定的一種方法，集成了國內(nèi)承壓設(shè)備安全評定的最新研究成果和工程實踐經(jīng)驗，將國內(nèi)在用含缺陷承壓設(shè)備安全評定技術(shù)提高到當代國際水平，為降低國內(nèi)承壓設(shè)備災(zāi)難性事故率提供了有效的技術(shù)手段[8]。

通過對某管式褐煤干燥機端板Q370R鋼焊接接頭焊縫部位進行低溫力學性能試驗和分析，根據(jù)GB/T19624-2004標準對端板焊縫處外表面裂紋進行安全性評定，這也為GB/T19624-2004進行Q370R鋼結(jié)構(gòu)的低溫安全評定奠定基礎(chǔ)。

1《在用含缺陷壓力容器安全評定》GB/T19624-2004介紹

1.1 標準等級劃分

GB/T19624-2004采用三級評定技術(shù)路線，即簡化評定、常規(guī)評定、分析評定，分別采用不同的分安全系數(shù)使三級評定方法合理銜接。這種合理的銜接安排為三級評定方法建立了各級既相對獨立又相互聯(lián)系和銜接的合理關(guān)系，也為用戶根據(jù)實際情況采用任何一級安全評定方法進行平面缺陷的安全評定提供了可能[9]。本研究采用前兩個標準等級進行安全評定。

1.1.1 簡化評定

簡化評定屬于第一等級，所需數(shù)據(jù)及評定結(jié)果相對其他等級要簡單和保守，只能用于缺陷安全性的粗略評定。該等級參照BSI PD6493-91將COD設(shè)計曲線轉(zhuǎn)化為以為縱坐標，Sr為橫坐標，以為截止線的矩形失效評定圖的形式，并依據(jù)材料屈服強度σs、抗拉強度σb及斷裂韌度δc計算評定點，只要評定點落在矩形范圍內(nèi)則該缺陷可以接受，結(jié)構(gòu)安全；反之，則不可接受和不能保證安全。

1.1.2 常規(guī)評定

常規(guī)評定改進了失效評定曲線，同時加入了符合我國國情的分安全系數(shù)，得到更為精確的評價，降低了評價的保守性。要求的輸入?yún)?shù)少且易獲得、原理較簡單、使用方法簡便、評定精確度和可靠性適中[10]。

常規(guī)評定首先確定材料的屈服點σs、抗拉強度σb。分別計算出一次應(yīng)力和二次應(yīng)力作用下的應(yīng)力強度因子，進而計算出斷裂比Kr和載荷比Lr[11]，將評定點（Lr，Kr）繪制于失效評定曲線FAC及垂線Lr=Lrmax中，若評定點落在兩坐標軸、Lr=Lrmax直線及FAC曲線所圍區(qū)域內(nèi)則表明結(jié)構(gòu)安全，該缺陷允許存在；反之，則不安全和不允許存在。

失效評定曲線（FAC）方程為

垂直線的方程為

2 參數(shù)確定

2.1 焊接參數(shù)

褐煤干燥機主體結(jié)構(gòu)筒體壁厚16mm，筒體外徑3 000 mm，兩端端板材質(zhì)為Q370R鋼，板厚40 mm。端板采用焊條電弧焊打底、埋弧自動焊填充的方法焊接，接頭形式和焊接參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 坡口形式及尺寸Fig.1 Groove form and size

2.1 低溫拉伸試驗結(jié)果及斷裂韌度

對Q370R鋼焊接接頭進行全焊縫-20℃低溫拉伸試驗，焊縫具有屈服平臺，拉伸試驗結(jié)果如表2所示。

斷裂韌度按照GB2358-94標準制備直三點彎曲試樣，在焊縫處采用單邊預(yù)制疲勞裂紋，斷裂韌度如表3所示，取焊縫處斷裂韌度值中的最小值δc=0.22評定，這樣會使評定結(jié)果偏安全[12]。

2.2 評定裂紋尺寸及應(yīng)力情況

褐煤干燥機主體結(jié)構(gòu)按照裂紋位置分為內(nèi)表面裂紋、外表面裂紋、穿透裂紋、埋藏裂紋，本研究

主要針對管式褐煤干燥機端板焊接接頭焊縫部位外表面裂紋進行評定。對端板進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)拼接焊縫處外表面裂紋經(jīng)規(guī)則化后尺寸a=24 mm（a為裂紋高度），2c=85 mm（2c為裂紋長度），且該裂紋與拼接焊縫平行，如圖2所示。對管式褐煤干燥機內(nèi)部采用最大允許工作壓力進行評定計算，這樣對于評價結(jié)果偏安全，通過如下公式計算出最大允許工作壓力為5.079 MPa。

式中 [σ]t為筒體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)；δe為筒體有效厚度；Di為筒體內(nèi)直徑。

表1 焊接參數(shù)Table 1 Welding experimental conditions

表2 Q345E的力學性能Tab.2 Mechanical properties of Q345E

表3 焊縫-20℃時斷裂韌度Table 3 Fracture toughness of weld at-20℃

圖2 裂紋形狀示意Fig.2 Assumed flaw shape in girth weld

3 安全評定計算[13]

3.1 簡化評定計算

3.1.1 等效裂紋尺寸的確定

裂紋尺寸a=24mm，2c=85mm，端板厚B=40mm，依據(jù)GB19624-2004標準并查表得

3.1.2 Sr的計算

載荷比Lr

得Sr=0.264。

3.1.3 δ及的計算

式中 σ∑為總當量應(yīng)力，σ∑=σ∑1+σ∑2+σ∑3，其中 σ∑1=K1Pm，σ∑2=XbPb，σ∑3=XtQ。K1為由焊縫形狀引起的應(yīng)力集中系數(shù)，根據(jù)標準當時，K1=1.0；Xt為焊接殘余應(yīng)力折合系數(shù)，表面裂紋取0.6；Q取屈服強度；Mg為鼓脹效應(yīng)系數(shù)筒形容器平均半徑R=1 492 mm；E為彈性模量。

根據(jù)評定標準規(guī)定，材料斷裂韌性實測值除以1.2用于δc計算，經(jīng)計算

3.1.4 安全性評價

將計算得到的失效評定點（0.264，0.633）繪制在失效評定圖中，如圖3所示，評定點靠近失效評定曲線邊緣，但仍在安全區(qū)內(nèi)。因此，當在-20℃低溫環(huán)境裂紋尺寸a=24 mm，2c=85 mm時，在最大允許工作壓力作用下褐煤干燥機端板不會發(fā)生脆性斷裂，說明該結(jié)構(gòu)是安全的。

圖3 簡化評定結(jié)果Fig.3 Results of simplified assessment

3.1.5 最大容許等效裂紋尺寸計算

根據(jù)GB/T19624-2004要求，用下式計算最大容許等效裂紋尺寸按照標準規(guī)定，當且Sr＜0.8時，該缺陷是容許的。

3.2 常規(guī)評定計算

3.2.1 Lr的計算

根據(jù)標準，缺陷表征尺寸a、B、c計算時需乘以分安全系數(shù)1.1，一次應(yīng)力Pm乘以分安全系數(shù)1.5，此時Pb為0，計算得到Lr=0.432。

3.2.2 Kr的計算

Kr計算式為

式中 G為相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，不考慮裂紋群影響，干裂紋涉效應(yīng)因子為一次應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子（單位：N/mm3/2）為二次應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子，（單位：N/mm3/2），式中 σm分別為一次薄膜應(yīng)力和殘余應(yīng)力引起的二次應(yīng)力，分別用σm=Pm×1.5、σm=σs×1 求得，fm可查 GB19624-2004 表D.3取值。根據(jù)標準材料斷裂韌度KP=Kc/n，n為安全系數(shù)，取；δc取缺陷材料斷裂韌度所有實測值中的最小值，計算結(jié)果是偏于安全；υ為泊松比；ρ為塑性修正因子，當 Lr<0.8時，ρ=ψ1，ψ1按照標準根據(jù)查得。根據(jù)以上分析和計算，可以得到Kr=1.13。

將失效評定點（Lr，Kr）繪制于圖 4 中，評定點落在安全區(qū)外，表明該缺陷不允許存在，結(jié)構(gòu)不安全，必須進行返修處理。

圖4 常規(guī)評定結(jié)果Fig.4 Results of traditional assessment

4 結(jié)論

針對管式褐煤干燥機端板Q370R鋼焊接接頭，采用GB/T19624-2004標準針對焊縫區(qū)外表面裂紋進行-20℃低溫工況下的安全評定，采用簡化評定計算所得評定點已接近失效平頂曲線邊緣，雖仍在安全區(qū)內(nèi)，但安全裕度已降低，同時進一步計算所得表面裂紋最大容許等效裂紋尺寸小于等效裂紋尺寸，根據(jù)標準該裂紋缺陷不能接受。

采用常規(guī)評定計算所得評定點直接落在失效平頂曲線外，表明該裂紋缺陷不能被驗收。根據(jù)以上計算結(jié)果可知，該裂紋缺陷最終不能被接受，結(jié)構(gòu)不安全，出于安全性考慮，建議對該裂紋缺陷進行返修。

[1]尤清華，孫煥鋒，任賀.大型蒸汽管式干燥機的組裝與分析[J].電站輔機，2014，35（4）：17-21.

[2]夏靜，霍立興，白秉仁，等.焊縫非匹配海管表面缺陷的安全評定[J].焊接學報.2005，26（9）：39-43.

[3]李培寧.世界各國缺陷評定規(guī)范的發(fā)展[A].第五屆全國壓力容器學術(shù)會議[C].南京：中國機械工程學會，2001.

[4]Wilkowski G，Stephens D，Krishnaswamy P，et al.Progress in development of acceptance criteria for local thinned areas in pipe and piping components[J].Nuclear Engineering and Design，2000，195（2）：149-169.

[5]American Society of Mechanical Engineers.ANSI/API 579-1/ASMEFFS-1-2007 Fitness-For-Service[S].Washington DC：API，2007.

[6]British Standards Institution.BS 7910-2005 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].London：BSI，2005.

[7]Kocak M.FITNET fitness-for-service procedure：an overview[J].Welding in the World，2007，51（5/6）：94-105.

[8]鐘群鵬，李培寧，李學仁，等.國家標準《在用含缺陷壓力容器安全評定》的特色和創(chuàng)新點綜述[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2006（1）：1-5.

[9]郁光廷.核電站含缺陷壓力容器的安全評定研究和應(yīng)用[J].壓力容器，2014，31（8）：54-58.

[10]徐星，盧禮蘭.平面型缺陷剩余強度評價方法及其應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012（8）：127-131.

[11]王亞新，謝禹鈞.基于GB/T 19624-2004對含缺陷壓力管道的安全評定[J].石油化工高等學校學報，2007，20（1）：54-57.

[12]劉明亮，張玉鳳，霍立興，等.海底管道高匹配焊接接頭的安全評定[J].焊接學報，2006，27（5）：31-34.

[13]中國國家標準化管理委員會.GB/T19624-2004在用含缺陷壓力容器安全評定[S].北京：中國標準出版社，2004.

[14]張忠政，鞏建鳴，涂善東.含缺陷球罐的安全評定[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2007，28（1）：11-14.