浅谈对一起压力容器疲劳裂纹产生的原因及预防措施

宋洪昌

(天津市滨海新区大港特种设备监督检验所,天津 300270)

浅谈对一起压力容器疲劳裂纹产生的原因及预防措施

宋洪昌

(天津市滨海新区大港特种设备监督检验所,天津 300270)

文章介绍了对一起在二氧化碳缓冲罐定期检验过程中,发现因疲劳失效产生裂纹及对分析裂纹产生的原因、修理方法和改进措施。

二氧化碳缓冲罐 振动 疲劳失效 裂纹 处理 方法 措施 效果

1 容器的基本情况

容器名称：二氧化碳缓冲罐

容器材质：316

2 主要参数

设计压力：3.1MPa

设计温度：-28-93℃

介质：CO2原料气

几何尺寸：φ1067×1575×18mm

3 概况

2010年3月本所检验人员在对天津市联博化工有限公司在用容器进行定期检验中，发现该公司一台二氧化碳缓冲罐的安全阀接管与容器本体连接处存在两条裂纹，其尺寸分别为95mm、80mm。经过刨挖确认深度为14mm。

4 失效原因分析

针对二氧化碳缓冲罐产生裂纹这一情况，检验人员向车间操作人员认真了解该台二氧化碳缓冲罐的运行情况，得知该台二氧化碳缓冲罐在运行过程中一直处于振动状态，振源来自与压缩机出口相连进料管道。对二氧化碳缓冲罐本体检查发现安全阀选用通径75mm，重量较大，安全阀和接管与容器本体构成悬臂梁结构，安全阀重量在接管与设备连接处产生较大的力矩。安全阀接管与设备连接处无补强圈。见示意图1。

二氧化碳缓冲罐产生裂纹的主要原因是由于进气管道剧烈振动牵动二氧化碳缓冲罐本体以相同频率进行振动，而安全阀重量较重，安全阀和接管与容器本体构成悬臂梁结构使安全阀的重量对二氧化碳缓冲罐本体构成较大的力矩，随着二氧化碳缓冲罐本体振动，在安全阀进口接管与二氧化碳缓冲罐连接处的焊接接头部位产生较大的交变应力。在交变应力的作用下造成这一区域受力最大的金属晶粒产生滑移，随着晶粒滑移的发展，滑移线之间产生交叉滑移，形成变宽、加深的滑移带，当滑移带内两个滑移面之间的距离较小时便会产生细微的间隙并逐渐发展成为微小的裂纹，微小裂纹处由于应力集中使裂纹两端不断的扩展和相互贯通，最终发展成为宏观裂纹，导致此处在振动和应力作用下发生疲劳失效破坏。

图1

图2

5 处理方法

首先对二氧化碳缓冲罐所有接管处的焊接接头和不连续部位进行着色无损探伤，特别对产生裂纹处的焊接接头进行重点检测，确认存在裂纹的数量，位置和长度，确定修理方案和方法。

对需要清除的裂纹两端采取打孔止裂的措施防止裂纹进一步扩大，利用机械手段和着色无损探伤对裂纹进行清除和确认，采用补焊和着色探伤的方法进行修复，将焊迹打磨平整圆滑过渡，经过着色无损探伤最终确认合格后进行液压试验。

由于该容器系美国制造，无原始资料，参照GB150-89第6.2、不另行补强的最大开口直径的规定，‘在圆筒、球壳、锥壳及凸形封头（以封头中心为中心80%封头内直径的范围内）上开孔时当满足下述要求时可允许不另行补强，b：当壳体名义厚度大于12mm时，接管公称直径小于或等于80mm：；当壳体名义厚度大于或等于12mm时，接管公称直径小于或等于50mm：’的要求及GB150-98第8.3不另行补强的最大开口直径的规定，‘壳体满足下述全部要求时，可不另行开孔，a：设计压力小于或等于2.5MPa：’的要求。笔者认为二氧化碳缓冲罐上安全阀进口管道采用规格为89×6mm，虽然其公称直径为76mm小于80mm在不需要另加补强的范围内，但已经接近GB150-1989第6.2的要求，考虑二氧化碳缓冲罐的实际工况和参照GB150-1998第8.3的规定向使用单位提出由使用单位在征得原设计单位同意后，在疲劳失效部位以补强圈的形式加强其强度的建议，最终在该处焊接接头处加装补强圈。

其次对由压缩机到二氧化碳缓冲罐的管道布置进行调整以此达到减小管道和容器的振动。通过分析我们认为造成管道的振动的原因有以下几个方面：

(1)来自往复式压缩机的运动部件往复运动时产生往复运动惯性力和惯性力矩驱使压缩机振动牵动与其连接的管道产生相同频率的机械振动,这个频率称其为管道激振频率。

(2)往复式压缩机产生的压缩气流不是连续的,是脉动的。在管道中的气流产生脉动和压力脉动即自由振动,其频率称为气柱的固有频率。

(3)管道作为一个构件有一个机械振动的固有频率,这个频率与管道长度有关,这个频率称其为管道的固有频率。

当管道在某个长度上存在的固有频率与压缩机牵引管道产生的振动频率即激振频率、气柱的固有频率中的一个或两个接近或相等的情况下就会产生共振的现象,此时管道将会产生激烈的震动。

根据以上的理论分析,我们得出将现有管道长度加以改变进而达到改变管道着机械振动固有频率,是避开管道产生共振是行之有效的办法和途径。因此产生对原有管道布置进行变动的尝试和构想,改变前后对比见上图2。

如前所述,管道激振频率与管道的长度有直接的关系,在理论上管道固有频率与管道的长度成反比。管道布置改变前管道的固有频率和管道激振频率、气柱的固有频率两者,或两者之一接近或相同造成管道共振想象的发生。改变后由于管道的长度发生了变化管道固有频率也随之发生变化,使管道固有频率和管道激振频率、气柱的固有频率错开,减小管道的振动和避免共振现象发生。管道布置改变前,由于管道激烈振动牵动二氧化碳缓冲罐一相同的频率振动,因此管道激烈振动是二氧化碳缓冲罐接管或不连续处产生裂纹的的根源和主要原因。

6 效果

二氧化碳缓冲罐经过以上的修理,接管部位补强使薄弱部位强度得到加强和管道振动的减小,收到良好的效果。二氧化碳缓冲罐安全性能得到恢复,已经正常工作,修理部位状态良好。

7 结语

在对压力容器定期检验过程中,检出裂纹的情况时有发生,裂纹形成机理不尽相同,本文中笔者对二氧化碳缓冲罐产生裂纹形式、形成的原因和机理进行了分析和处理。

通过对以上案例的分析笔者认为作为一名合格的特种设备检验人员应该具备一定的专业知识和实践经验,运用所掌握的专业理论知识和实践经验提高分析问题和解决问题的能力。压力容器设计单位的设计人员设计时应充分考虑到各种因素和必要的理论计算,管道安装单位应严格按设计条件要求进行安装,不得随意改变设计以避免不安全隐患的发生。