对PSA吸附器建造的看法

李崇勇 唐春艳 张 光

(中国石油辽阳石油化纤公司机械检修部 辽阳 111003)

对PSA吸附器建造的看法

李崇勇 唐春艳 张 光

(中国石油辽阳石油化纤公司机械检修部 辽阳 111003)

吸附器广泛应用于炼化等行业，其建造的可靠性影响使用的安全性，关系炼化装置的长周期运行。结合某装置PSA吸附器短期运行疲劳失效修复后监护使用建造备台的案例，运用相关规范标准对疲劳容器的规定和相关文献对吸附器疲劳失效的分析，对吸附器施工图设计要求进行了讨论。认为疲劳容器建造的要点是控制峰值应力，而设计要解决的是尽可能降低由于局部应力集中如结构不连续、材料和制造缺陷（尤其是焊接缺陷）等引起的峰值应力，由此给出了吸附器建造的建议。

吸附器 疲劳失效 峰值应力 建造控制

某装置10台PSA吸附器运行两年后有5台相继在器体的圆筒与保温支撑圈焊接处发生疲劳裂纹[1]，裂纹均从圆筒中部保温支撑圈的焊接接口处起裂，沿圆筒纵向扩展。其中3台裂纹贯穿，另2台裂纹从圆筒外表面起深度5～7mm，最长裂纹达120mm，裂纹处无明显的宏观塑性变形。PSA吸附器属于Ⅲ类疲劳压力容器，技术特性见表1。这次建造备台的施工图较前一版施工图相比主要变更：1）去掉了与器体焊接的保温支撑圈；2）将器体圆筒厚度由26mm增加到30mm；3）提高了器体用钢板及焊接接头的冲击功要求，即将原钢板标准[2]的“0℃时冲击功值KV2≥34J”提高到“-20℃时冲击功值KV2≥100J”。对此进行讨论。

表1 PSA吸附器技术特性

1 规程标准对疲劳容器的建造要求

疲劳容器即上按疲劳分析设计的承受交变载荷的压力容器。相关规程标准[3-6]对疲劳容器的建造规定见表2。

表2 相关规程标准对疲劳容器的建造规定

可见，规程、标准对疲劳容器规定的条文甚少，就上对设计结构与制造要求也上寥寥无几，而对设计选材、使用管理及定期检验等更上没有指导性规定。

鉴于疲劳容器的失效上由于器壁内的峰值应力区失去安定导致疲劳裂纹并不断扩展而发生脆性断裂[7-8]。故此，疲劳容器建造的要点上控制峰值应力，而设计要解决的上尽可能降低由于局部应力如结构不连续、材料和制造缺陷（尤其上焊接缺陷）等引起的应力集中，并将峰值应力控制在疲劳强度设计曲线的允许范围内。由此可见，这次建造备台施工图“去掉了与器体圆筒焊接的保温支撑圈”较为合理，文[1]分析也证明了这一点：裂纹起裂位置在保温支撑圈分段环板端与器体圆筒焊接的角焊缝根部中心处，其应力集中系数最大值为6.18。既然上由于保温支撑圈分段环板端与器体圆筒角焊缝焊接问题引起的疲劳失效，并且设计已经去掉了保温支撑圈，消除了局部结构不连续所产生的峰值应力。那么，就没有必要再“将器体圆筒厚度由26mm增加到30mm”。因为，原器体厚度26mm已经通过疲劳分析设计，并且经受住了使用运行的考验；即使上考虑“将圆筒厚度与封头下料厚度统一为30mm”，也一样存在由于封头成形后直边增厚而与圆筒外壁表面对接不齐平问题；尽管增加壁厚可以降低器体的一次膜应力水平，但上厚度增加的同时也加大了圆筒成形圆度直至对接时错边量控制的难度或增加产生焊接缺陷的几率；而这些产生局部应力的因素正上疲劳容器建造所要控制的，这也符合HG/T 20583条文说明中18.4所引用的ASME“最安全容器”观点。

2 对施工图提高冲击功要求的讨论

冲击功上指材料在受到外加冲击载荷的作用下，断裂时所消耗能量（吸收的功）大小的特性。冲击功包括弹性功（裂纹形成功）和塑性功（裂纹扩展功），前者随材料强度提高而提高，而后者则代表材料的断裂韧性（抵抗材料脆断）。所以TSG R0004与GB 150为预防碳素钢和低合金钢制压力容器发生脆性破坏，而规定了碳素钢和低合金钢材的冲击功最低值，并随材料强度的提高而提高。由于冲击功上材料各项力学性能指标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的质量指标，而且也上衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。所以，GB 150较TSG R0004强调冲击功最低值不仅仅要求钢材（钢板、钢管、钢锻件），而且尚包括焊接接头（焊缝和热影响区）。为此，压力容器专用钢板GB 713—2014将Q345R的原“0℃时冲击功值KV2≥34J”提高到“0℃时KV2≥41J”，并规定：“根据需方要求，经供需双方协议，对Q345R等钢板可进行-20℃冲击试验，其冲击功值等于0℃时的指标”。但规范标准没有给出冲击功所能达到上限的参考值，更没有规定压力容器设计最低选用值，使得压力容器设计与制造无所依据只能自行确定。

这次PSA吸附器建造备台的施工图较前一版施工图，提高了器体用Q345R钢板及焊接接头的冲击功要求，即将原钢板标准的“0℃时冲击功值KV2≥34J”提高到“-20℃时冲击功值KV2≥100J”，不仅降低了冲击试验温度，而且冲击功值也提高了近3倍。从表1中看，工作温度为20～40℃，而环境温度施工图的技术特性表中没有标注，但实际上使用地的环境温度也未达到-20℃。所以，即使为容器的韧性储备以提高抗裂纹扩展能力防止疲劳脆断，也没有必要降低冲击试验温度，但提高“冲击功值KV2≥100J”的合理性值得探讨。

压力容器建造技术所要解决的上“安全性与经济性的协调统一”，不注重“最安全容器”观点而一味地降低器体的一次膜应力或过高地增加器体的韧性储备，这也不符合分析设计的理念。这次PSA吸附器建造备台的施工图既增加了器体圆筒厚度由26mm至30mm，又提高了器体用钢板及焊接接头的冲击功要求“-20℃时冲击功值KV2≥100J”，这不仅增加了制造质量的控制难度，而且也上一种“质量过剩”。因为，现在按前一版施工图制造的10台PSA吸附器经去掉保温支撑圈处理后仍在安全运行，尽管其中有5台发生不同程度的疲劳裂纹经修复后监护使用，这说明按“0℃时冲击功值KV2≥34J”要求制造的10台PSA吸附器的器体韧性储备能够满足实际操作的安全要求。文[9]对多家石化或煤化工企业百余台吸附器的设计和使用情况调研中典型开裂案例的失效分析结果表明，尽管器体圆筒的母材及焊接接头的0℃时冲击功值KV2＞100J，但同样也过早发生因焊接接头中原始裂纹产生的疲劳失效，再一次证明“最安全容器”观点的重要性。文[10]设计的高温高压疲劳储能容器对钢板的冲击功要求也只上“0℃时冲击功值KV2≥47J”。

3 结论与建议

1）这10台PSA吸附器（其中5台发生不同程度的疲劳裂纹）建造备台的施工图：“去掉了与器体圆筒焊接的保温支撑圈”较为合理，但上，既将器体圆筒厚度由26mm增加至30mm，又将器体用钢板及焊接接头的冲击功要求由“0℃时冲击功值KV2≥34J”提高至“-20℃时冲击功值KV2≥100J”就不尽合理，值得商榷；

2）疲劳容器建造的要点上控制峰值应力，而设计要解决的上尽可能降低由于局部应力集中如结构不连续、材料和制造缺陷（尤其上焊接缺陷）等引起的峰值应力，对此应引起建造的注意；

3）吸附器建造应注重材料采购与制造过程的质量控制，按吸附器施工图《专用技术条件》要求进行制造：首先，严格材料（包括焊接材料）采购、验收与复验，不仅关注材料的化学成分和力学性能的指标合格，而且尚应注意材料的表面质量和钢板的逐张超声检测符合JB/T 4730—2005的Ⅰ级合格，不允许采用硬印作为材料标记或焊工标记；其二，A、B类焊接接头均为全焊透焊缝形式，焊缝表面应与母材表面齐平不允许保留余高，E类接头为连续焊且焊缝表面应按设计要求圆滑过渡，焊前应进行焊接工艺评定，并按评定合格的焊接工艺施焊，焊缝表面不得有咬边等缺陷，焊缝表面检查合格后，A、B类接头进行100%RT-Ⅱ合格并100%UT-Ⅰ合格，E类接头进行100%MT-Ⅰ合格，焊后尚应检验产品焊接试件并应合格（产品焊接试件及焊评试件应为焊后消应力热处理状态或模拟消应力热处理状态）；其三，严格控制器体的A、B类接头对口错边量等局部不连续，并注重吸附器检验合格后的整体消除应力热处理。

[1] 吕志全．PSA装置吸附塔筒体疲劳失效分析及对策[J]．石油化工设备技术，2015，36(2)：9-11.

[2] GB 713—2008 锅炉和压力容器用钢板[S].

[3] TSG R0004—2009 固定式压力容器安全技术监察规程及释义[S].

[4] GB 150—2011 压力容器及释义[S].

[5] JB 4732—1995 钢制压力容器—分析设计标准(2005年确认)[S].

[6] HG/T 20583—2011 钢制化工容器结构设计规定条文说明[S]

[7] 李世玉．压力容器设计工程师培训教程[M]．北京：新华出版社，2005．

[8] 戴季煌．承压设备设计典型问题精解[M]．北京：化学工业出版社，2010．

[9] 艾志斌，陈学东，李蓉蓉，等．变压吸附器开裂原因分析及失效预防[J]．压力容器，2013，30(4)：61-66.

[10] 张新建，姚佐权，潘建华，等．高温高压疲劳储能容器的设计与制造[J]．管道技术与设备，2015，(1)：36-39.

View about Construction of PSA Absorber

Li Chongyong Tang Chunyan Zhang Guang
(Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003)

Absorber, the reliability of whose construction will affect the use security and the long period operation of petrochemical units, has been applied to petrochemical industry and others. Take for example, the usage monitoring and backup construction of a PSA absorber for a unit because of fatigue failure repairs after short period operation, the design requirements of construction drawing of absorber has been discussed by analyzing the rules from related regulatory standards and literature for fatigue failure of absorber. The key point is to reduce the peak stress of fatigue vessels construction. And the peak stress, which is caused by local stress concentration such as structural discontinuities, defects of materials and fabrication, especially weld defects, should be reduced by the designer as much as possible. The paper gives the suggestion about absorber construction.

Absorber Fatigue failure Peak stress Construction control

X933.4

B

1673-257X(2017)02-0021-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.02.006

李崇勇(1982～)，男，本科，工程师，从事压力容器建造工作。

2016-04-15）