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            天然气缓冲罐焊接裂纹的安全评定

            文档作者: 周建华        文档来源: 绍兴市燃气产业集团有限公司
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            更新时间: 2021年01月08日
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            2009年 第3期 茬 遣 技 木 Pipeline Technique 5 {要 各 and Equipment 天然气缓冲罐焊接裂纹的安全评定 No.3 周建华 (绍兴市燃气产业集团有限公司,浙江绍兴312000) 摘要:根据BS7910-99(焊接结构缺陷验收评定方法指南》和《压力容器缺陷评定》,对一台天然气 缓冲罐筒体焊缝中的裂纹进行了安全性评定。首先,通过超声波和x射线探伤确定了4条焊接裂纹的 位置,然后根据缺陷规则化原则对焊接裂纹进行了规则化处理,得出等效裂纹 值。在计算焊接裂纹 应力并对比材料性能数据的前提下,以L 为横坐标 为纵坐标绘制了平面缺陷筛选评定失效评定图, 发现所有的点均在安全区内,并且有一定的安全余量。由此评定得出,在正常操作条件下,该缓冲罐是 安全的。但考虑到裂纹可能继续扩展,建议尽快更新或返修。 关键词:天然气缓冲罐;安全评定;力学性能;裂纹 中图分类号:TG441.8 文献标识码:A 文章编号:1004—9614(2009)03—0042—03 Safety Assessment of W elding Flaws in Natural Gas Bufer Tank ZHOU Jian.hua (Shaoxing Gas Industry Group Co.,Ltd.,Shaoxing 312000,China) Abstract:According to BS7910—99 guide to assessing the acceptability of flaws in metallic structures and assessment of defects of pressure vessles,the welding flaws in natural gas bufer tank cylinders are assessed.Firs of all,through the X·ray and ul— trasonic detections,the locations of welding cracks are determined and then treated in accordance with the regularity principle of welding crakcs.The equivalent a of the crack is obtained.In the premise of calculating the welding cracks stress and comparing the data about material performane,with Lt as the abscissa,√8t as the coordinate,to draw a plane defects screening assessment map,it is found that all the points are safe in the region,and that there is a certain safety margin.Under normal operation condi— tions,the reactor is safe.But in consideration of the expansion of these flaws,some suggestions are brought forward in regard to the future servi‘ce of the reactor. Key words:natural gas buffer tank;safety assessment;mechanical properties;flaws 0 引言 某天然气储气站的一台天然气缓冲罐经无损检 测,发现反应器筒体两筒节之间的环焊缝中有4条垂 直于焊缝的埋藏裂纹。文章采用BS7910—99?和《压 力容器缺陷评定》 ],对这些裂纹在操作压力和温度 下是否发生破裂进行评定。 该反应器简体焊缝布置见图1,主要技术参数如 下:实际工作压力为0.70 MPa;实际工作温度为0~50 ℃;工作介质为CH ;简体材质为16MnR;简体尺寸为 1 600×H 3 000 mm;简体壁厚为10 mm. 图1中,L表示纵向焊缝,W表示环向焊缝。 1 裂纹缺陷的尺寸和位置 经超声波探伤和x射线检查,在w:环焊缝中存 有4条裂纹缺陷,具体的尺寸位置为 裂纹1:Ⅳ=3~6 mm,L=8 mm; 收稿日期:2008—12—05 收修改稿日期:2009—05—01 W3 W2 Wl 图1 简体焊缝布置图 裂纹2:日=5—8 mm,L=10 mm; 裂纹3:H=6—9 mm,L=10 mm; 裂纹4:H=2~6 mm,L=15 mm. 其中,H为从外壁向内壁算起的超声波探伤判废 波高的位置,但判废波高的位置与实际裂纹的尺寸是 有差别的,而裂纹垂直于焊缝方向的长度£是由x射 线探伤得到的实际尺寸。 2 裂纹缺陷的断裂评定 按文献[1]、[2]评定规程,对上述裂纹缺陷采用 1级评定方法进行断裂评定。 第3期 周建华:天然气缓冲罐焊接裂纹 童全评塞 塑 2.1 缺陷表征和等效裂纹尺寸的确定 总应力为 2.1.1 缺陷的规则化 盯= + =335 MPa 根据缺陷规则化原则,按偏保守的估算 。其表 2.3 材料性能数据 面裂纹的形状、位置见图2。 图2 表面裂纹位置、尺寸形状图 这样,W 焊缝中4条裂纹规则化后的表面裂纹 尺寸为裂纹1:a=2 1Tim,2c=8 mm;裂纹2:a=2 mm, 2c=10 mm;裂纹3:a=1 mm,2c:15 mm;裂纹4:a=3 mm,2c=15 mm.其中,裂纹4的深度尺寸最大,也最 危险。 2.1.2 等效裂纹a尺寸的计算 表面裂纹缺陷可规则化为:a x 2c,a为表面裂纹 深度,2c为表面裂纹长度。t为容器壁厚,取值l0 mm,现按最危险的裂纹4计算,则: 旦:0 . 400 0 上 = [1+1.464(ac) ] 1.150 1 F=1.10+5.2×(0.5)5了a×(导) ·。+ac:1.192 0 一 O,-O~ 222 2 mm 式中: 为裂纹阻力位移;F为裂纹张开位移。 2.1.3 各表面裂纹的等效裂纹长度 汇总 表1为各表面裂纹的等效裂纹长度 汇总。 表1 各表面裂纹的等效裂纹长度 汇总。 2.2 应力的确定 2.2.1 筒体膜应力计算 按实际工作压力p为0.7 MPa,容器壁厚t为10 mm,罐体高度日 为3 000 mm,计算: pHl 0 . 7 X 3 000 m —丽 2.2.2 焊接残余应力 = 105 MPa 焊接残余应力取0.50"。 ,则: = 0.50-。=230 MPa 2.2.3 患葭力 由于制造该容器简体的原材料已无法得到,不能 直接测取简体母材和焊缝的断裂韧性K 和 ,但评定 规范 允许铁素体钢可按其却贝V冲击功c 值换算 得到断裂韧性K 和6i.根据制造厂提供的质保书分 析,材料组织应为铁素体+珠光体,由焊接测试板测 得的最低冲击功值为59.3 J;则由下面的计算可得到 Ic值。 K :— — :3 N/mm3/2 m 一 850 4/~ n - v - 1 420 mat 1/4 +630一一510 ? ?? 式中:K 为断裂韧性,N/mm ; 为壁厚,B=10 mm. Tr = — aL =111 MPa·m 1 000 所以,对应的裂纹起裂张开位移6i=0.090 8 mm. 2.4 及 的计算 以裂纹4为例计算如下: 2 = 1+1.61%-2=l+1.61 =1.ool 0 = 1T _8 s 。 ~r 。 ) 2:1T×3.222 2× × ( 1.o0l 0 -0.012 4 mm 式中:E为基层材料弹性模量,E:2 Z 10 MPa;8 为基 层材料屈服点,8 =460 MPa; 为可变强化系数;or 为总应力;R为罐体直径。 因此得到: √毒。。·368 9 式中艿 为断裂应变系数。 其他各个裂纹计算过程同上,8及厨算结果汇 总见表2。 表2 及~/ 计算值汇总表 2.5 外加荷载O"b与塑性屈服强度荷载的比值 的 计算 orb=0, =105 MPa,B =10 mm. 裂纹4中的表面裂纹计算如下: s—Bf _0.128 6 c+ )一u‘ 厶0 u 标准分享网 www.bzfxw.com 免费下载 www.bzfxw.com 44 Pipeline Technique and Equipment Mav. 2009 Lr:— 3垂(1 #丛 :0.261 9 一 ) 一一叭 其他各个裂纹计算过程同上,参量 及 计算结 果汇总见表3。 表3 孝及L 计算结果汇总见表 裂纹序号 L 裂纹序号 1 0.057 l 0.242 1 3 O.042 9 0.238 5 2 O.O66 7 0.244 6 4 0.128 6 0.261 9 2.6 安全评定分析 把计算得到的对应值取小数点后面2位汇总在表 4,并把各评定点绘制在图3中。 表4 、L 对应值 裂纹序号√ L 裂纹序号√ 1 0.269 3 0.242 1 3 0.228 2 0.238 5 2 0.287 4 0.24_4 6 4 0.368 9 0.26l 9 图3 平面缺陷筛选评定失效评定图 由图3可以看出,所有的点均在安全区内,并且有 一定的安全余量。 2.7 裂纹缺陷的疲劳分析 在实际运行中,由于压力、温度波动很小,没有显 著的疲劳荷载,裂纹发生疲劳扩展的可能性不大,因 此不做疲劳寿命方面的分析计算。 3 结束语 在正常操作条件下运行,即P=0.7 MPa,温度为 0~50℃ 时,按制造厂的焊接试板换算的断裂韧性值 进行评定,这些裂纹还处在安全区内,但考虑到甲烷 在裂尖积聚可能使裂纹扩展,建议予以更换。新设备 没有投入使用之前,该反应器还需运行一段时间,则 应严密监控,发现裂纹扩展,立即停止使用。 对更换下来的反应器若要返修,必须制订出合适 的返修方案,方案中应包括焊缝裂纹的去除方法及焊 接工艺等。 参考文献: [1] BS79109 Guide O13 Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Stmctures. [2] 李建化.压力容器缺陷评定.北京:劳动部锅炉扭力容器 安全出版社,1988. [3] 何家胜,李书容,危卫.圆管外表面轴向椭圆裂纹应力强 度因子的有限元研究.管道技术与设备,2008(2):25— 28. [4] 张华,赵勇辉,罗金恒,等.天然气管道阀门断裂原因的三 维有限元分析.管道技术与设备,2007(1):32—33. 作者简介:周建华(1972一),工程师,从事燃气工程技术工 作。 (上接第36页)0.08 inn),为防止凸缘与封头组焊后 密封面变形,应将凸缘槽面法兰留一定加工余量,待 与封头组焊后,加工凸缘法兰密封面及封头坡口,然 后将外头盖各部组焊在一起。这样,就解决了外头盖 壳体法兰与凸缘的同心度问题。见图4。 图4 外头盖组件 2.7 下壳体裙座(或悬挂支座)段的制造加工 立式换热器一般采用裙座或悬挂支座,焊在下壳体 上,因其焊接量较大,焊接后容易造成壳体局部收缩而 导致内径小于图纸要求尺寸,致使管束与下壳体无法顺 利装配。因此,应采用将裙座与之相焊的那一段筒节厚 度增加一定余量(加工余量),筒节卷圆时,按所加余量 调整卷圆后的筒节内径尺寸,使之小于图纸要求尺寸, 然后将此段筒节与裙座焊接,并做相应的热处理、检查 等工作,合格后再对此组件的筒节内壁进行机械加工 (见图5),使之达到图纸要求的内径尺寸,这样,就使得 下壳体与管束的装配能够顺利进行。 图5 裙座(悬挂支座)组件 3 结束语 立式换热器的社会效益非??晒?,与同类型的国 外进口产品相比,国内制造的立式换热器可节约费用 约1/3以上。而且,大型立式换热器的制造对实现加 氢设备国产化,提高国内大型设备制造能力,提高制 造水平都有重大意义。 作者简介:王丽莉(1980一),助理工程师,主要从事压力容器设计工作。
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