振動環境下在役壓力容器裂紋原因分析及預防措施

李亞軍，李循跡，王立輝，燕自峰，龔道永，張玉福，魏 星

1.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070

3.機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司，上海 201518

1 概述

壓力容器是工業生產中不可缺少的設備，隨著工業的發展，已被廣泛地應用在化工、煉鋼、石油等多個行業中。在實際的使用過程中，一些特殊工況下運行的壓力容器會因為上下游的設備產生振動，強烈的振動會使得設備產生疲勞破壞。

中石油塔里木油田公司所用的7臺Cooper Superior 16SGT/MH-66天然氣發動機-壓縮機組，目前在高壓、機組振動等運行條件下已運行達18年以上。在歷年的檢驗過程中發現了49處表面裂紋[1-3]。針對這一情況，2017年由塔里木油田設備物資處、油氣工程研究院、天然氣事業部牽頭對這些壓力容器進行了詳盡的檢驗及分析，對出現裂紋最頻繁的三級出口球罐進行了化學分析、有限元分析、應力測試等，確定了裂紋產生的原因，為振動環境下壓力容器的運行和檢驗工作提供技術參考。

2 表面無損檢測

對注氣壓縮機附屬容器進行打磨，使其露出金屬光澤后進行表面無損檢測，發現3處表面缺陷：三級出口球罐A2103B接管補強圈焊縫一處裂紋，長度為70 mm，位置如圖1所示；三級出口球罐A2103A接管補強圈附近母材熱影響區一處表面裂紋，裂紋長度7 mm，位置如圖2所示；三級出口穩定罐C2101封頭與筒體連接焊縫一處表面缺陷，缺陷長度為28 mm，缺陷位置如圖3所示。

圖1 三級出口球罐A2103B表面缺陷

圖2 三級出口球罐A2103A表面缺陷

圖3 三級出口穩定罐C2101表面缺陷

3 裂紋原因分析

3.1 沖蝕分析和腐蝕分析

機組實際工藝運行時為“干氣”環境，硫化氫、氟化氫和氰化氫處于無濕環境。對三級出口球罐A2103A/B進行了內窺鏡檢查，內表面光滑，未見明顯腐蝕痕跡，如圖4所示。用超聲波測厚儀對三級出口球罐進行了密集測厚，并與歷年壁厚測定結果進行對比，未發現明顯減薄，如圖5所示，測點位置以中間焊縫為零點，向兩側每隔3 mm測一點。由此可見腐蝕減薄不是設備損傷的主要因素。

圖4 三級出口球罐內部情況

圖5 三級出口球罐A2103B網格測厚

3.2 環境助長開裂分析

對7臺機組161臺壓力容器進行了超聲檢測、TOFD檢測、相控陣檢測，發現9處埋藏缺陷。利用聲發射技術對這9處埋藏缺陷進行確認，發現9處埋藏缺陷均為不可擴展的制造缺陷。

3.3 材質分析

對三級出口球罐A2103A/B開展金相分析、硬度測定、化學成分分析，硬度測試結果如表1所示。

表1 硬度測定部位及測定值

金相分析結果表明：母材組織為鐵素體+珠光體，焊接熱影響區組織為鐵素體+珠光體，焊縫組織為先共析鐵素體+鐵素體+珠光體，組織基本正常。硬度數據表明：接管區域和焊縫熱影響區硬度略高于其他部位。

3.4 循環失效分析

壓力容器上游或者下游都連接著天然氣注氣壓縮機，壓縮機運行工作時往復式的吸、排氣使氣流的速度和壓力呈間歇性變化，形成的氣柱會將振動傳遞到后端的壓力容器和管道，使得壓力容器接管角焊縫承受比較大的交變載荷[4-6]。

3.4.1 共振分析

壓力容器、管道與其內部流體構成的系統，其固有頻率與機組的激發頻率接近時，就會發生共振，使接管產生較大的位移和應力，內部流體的脈動達到最大值[7-8]。經計算求得激發頻率為20～40 Hz，氣柱的一階固有頻率為495.62 Hz，對應的共振區為396.50～594.74 Hz，故激發頻率不在共振區內，不會發生氣柱共振。

3.4.2 激應力計算

脈動的流體沿管道輸送時，遇到彎頭、異徑管、控制閥等元件后將產生隨時間變化的激振力。接管內壓力脈動的大小可以用壓力不均勻度δ值來表述[9-10]。

式中：Pmax為不均勻壓力的最大值，MPa；Pmin為不均勻壓力的最小值，MPa；P0為平均壓力，MPa。

式中：ΔF為接管脈動激應力，N；ΔP為脈動壓力，MPa；d為管道直徑，mm；θ為相位角，（°）。

可以求得三級出口/入口緩沖罐與缸體連接接管的脈動激應力為11 553 N；與管道連接接管的脈動激應力為5 842 N。

3.4.3 振動監測

對牙哈作業區正在運行中的1#、7#壓縮機組附屬壓力容器和缸體進行了振動檢測，檢測數據見表2；再根據振動烈度級選取依據（GB/T 6075.6—2002）選取振動烈度級。

檢測結果顯示注氣機三級入口球罐、注氣機一級排氣緩沖罐、注氣機一級出口緩沖罐、注氣機一級入口緩沖罐振動較大，振動烈度級18。

3.5 強度分析

3.5.1 應變測試

依據標準Q/LJ 203—2014《承載設備應變測試方法》對三級出口球罐A2103A/B進行了應變測試，測試位置如圖6所示，壓力-時間變化曲線如圖7所示。測試結果顯示，1#、2#、6#、9#、10#測點位置應變較大。

表2 部分附屬壓力容器振動檢測結果數據表

圖6 應變片布置位置示意圖

圖7 試驗過程中壓力-時間曲線

3.5.2 有限元分析

對三級出口球罐A2103A/B進行有限元分析，對其中規則幾何體按照六面體網格劃分，對不規則幾何體如球殼按照四面體網格劃分，網格節點總數16 349 408，網格單元總數6 318 899，其網格劃分如圖8所示。

圖8 三級出口球罐A2103A/B網格劃分

對裝置的計算模型作如下簡化：

（1）裝置處于穩定工作狀態，裝置內壁壓力與溫度以設計壓力56.9 MPa與設計溫度176.7℃作為極端計算情況。

（2）裝置外表面裸露于空氣，按照鋼與空氣對流換熱條件，換熱系數范圍為5～15W/（m2·K），故此處取值約15 W/（m2·K）。

（3）對左右球殼氣體入口端面固定，三通氣體出口端面施加管端力，其他接管端面也施加管端力，對裝置整體施加重力場。

（4）設備的應力邊界條件如圖9所示，其中管端力計算按照下式求得：

式中：P為管端力，MPa；Pi為端面內壓，MPa；Ri為端面內半徑，mm；RO為端面外半徑，mm。

圖9 應力邊界條件設置

壓縮機第三級出口氣體緩沖罐裝置的有限元應力計算結果如圖10～12所示。

圖10 變形結果

圖11 應變結果

圖12 應力結果

如圖10所示，裝置最大變形位于球殼底端儀表接管部位，變形量為0.809 81 mm。如圖11所示，裝置的2#儀表接管與球殼焊接部位有最大應變，應變值為1323.8με，其他出現較大應變的位置均為接管與球殼連接的焊接部位。如圖12所示，裝置的2#儀表接管與球殼焊接部位有最大應力，為284.06 MPa，其他出現較大應力的位置均為接管與球殼連接的焊接部位，包括氣體入口直管段與球殼焊接部位，應力值為234.65 MPa，氣體出口直管段與球殼焊接部位，應力值為228.94 MPa。

4 結論

三級出口緩沖罐激發頻率為20～40 Hz，未落在氣柱固有頻率共振區內，因此緩沖罐接管振動與氣柱共振無關，其與缸體連接接管的脈動激應力為11 553 N；與管道連接接管的脈動激應力為5 842 N。裝置的溫度分布基本上是左右對稱的，溫度由內壁面向外壁面呈梯度降低，且在接管與球殼連接部位溫度變化最為劇烈，裝置的2#儀表接管與球殼焊接部位應力最大，其他出現較大應力的位置均為接管與球殼連接的焊接部位。

硬度測定結果顯示容器焊縫及附近熱影響區硬度值高于其他部位，該區域強度較高，彈塑性較低，在較高應力和外力作用下，易形成裂紋等缺陷。有限元計算和應變測試結果也表明了三級出口球罐儀表接管與筒體焊接部位、出入口接管與筒體焊接部位的應力值明顯高于其他部位。在此基礎上長期承受振動所產生的交變載荷作用，產生疲勞破壞。

5 預防措施

（1）運行過程中應加強接管以及接管補強圈的巡檢，防止開裂等問題的發生，一旦發現有異常氣體泄漏，應在做好防爆措施的情況下確認位號并緊急停車處理。

（2）對在振動環境下運行的壓力容器及其連接管線進行振動監測，防止激應力頻率和固有頻率相近時產生破壞。

（3）以后的定期檢驗中應以接管角焊縫表面無損檢測為主，尤其應該對振動較大的壓力容器及其附屬管道進行振動監測，必要時可使用其他無損檢測方法。