論免除壓力容器疲勞分析設(shè)計(jì)的條件

溫艷梅

（河北生特瑞工程設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海 200335）

引言

斯比凱可（山東）生物制品有限公司（即使用單位）在新建年產(chǎn)壹萬(wàn)噸生物基發(fā)酵纖維素液新材料生產(chǎn)線項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱新建項(xiàng)目）中要求工程公司負(fù)責(zé)采購(gòu)6臺(tái)維持罐以替換下述問(wèn)題舊有設(shè)備。使用單位反饋2003—2017年間使用的6臺(tái)維持罐是按常規(guī)規(guī)則設(shè)計(jì)方法（GB 150—1998鋼制壓力容器）進(jìn)行設(shè)計(jì)，工況1：設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度150℃；工況2：設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度300℃；工況3：設(shè)計(jì)壓力-0.1 MPa，設(shè)計(jì)溫度300℃。2017年，特檢院監(jiān)檢評(píng)審為不合規(guī)使用（該設(shè)備已連續(xù)使用14年），要求報(bào)廢設(shè)備，重新設(shè)計(jì)制造設(shè)備。同年設(shè)計(jì)院按GB 150.1～150.4—2011標(biāo)準(zhǔn)[1]要求重新設(shè)計(jì)替換報(bào)廢的設(shè)備。在2020年（替換設(shè)備使用第3年時(shí)）特檢院年檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)維持罐出現(xiàn)裂紋，裂紋主要集中在封頭與筒體之間環(huán)焊縫和筒體縱向焊縫兩側(cè)。在調(diào)研可能引起裂紋的原因時(shí)，使用單位提出了循環(huán)載荷工況，以下是工程管理公司對(duì)于此新建項(xiàng)目設(shè)備能否免除疲勞分析設(shè)計(jì)的論證。

1 工況條件

TK3105～TK3108維持罐是新建項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備，6臺(tái)維持罐在整個(gè)設(shè)計(jì)使用周期（15年）內(nèi)，需要定期間歇充裝、蒸發(fā)物料（物料成分主要為淀粉漿及過(guò)熱蒸汽，設(shè)備主體選擇材質(zhì)為不銹鋼S31603）。該維持罐的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，工況條件如表1所示。

表1 TK3105～TK3108維持罐工況條件

2 免除疲勞分析的條件

考慮到疲勞設(shè)備設(shè)計(jì)要進(jìn)行應(yīng)力分析，相對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)會(huì)增加較大的設(shè)計(jì)成本，也延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，而且制造和檢驗(yàn)也會(huì)提高要求，增加了制造成本。使用單位也認(rèn)為在2003—2017年間，6臺(tái)維持罐按常規(guī)規(guī)則設(shè)計(jì)方法是正常使用的，至今操作工況并沒(méi)有改變，故使用單位不推薦使用疲勞分析設(shè)計(jì)方法。工程管理方對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)分析論證，整個(gè)分析論證過(guò)程看似繁復(fù)冗長(zhǎng)，但是，為了確保壓力容器的安全運(yùn)行，尤其是對(duì)于進(jìn)行頻繁加載卸載工作條件下的壓力容器，如本案例中的設(shè)備，每8 h需進(jìn)行一次加壓升溫，雖然相同設(shè)備有14年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，但更新替換設(shè)備后，使用第3年隨即出現(xiàn)了裂紋，是非常有必要進(jìn)行疲勞設(shè)備分析論證的。以下是工程管理方依據(jù)JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2-3]進(jìn)行設(shè)備是否可滿足免除條件的詳細(xì)過(guò)程。

《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》3.10條款指出，滿足3.10.1、3.10.2.1、3.10.2.2或3.10.3中任一條所有要求時(shí)，可免做疲勞分析。為了驗(yàn)證此維持罐是否滿足免除疲勞分析條件的準(zhǔn)確性及完整性，按上述標(biāo)準(zhǔn)逐條進(jìn)行論證。

2.1 3.10.1：使用經(jīng)驗(yàn)

3.1 0.1使用經(jīng)驗(yàn)指當(dāng)所設(shè)計(jì)的容器與已有成功使用的容器有可類比的形狀與載荷條件，且根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏C明不需做疲勞分析者。

如上文所述情況，雖是同一操作工況下的相同設(shè)備，但使用單位并沒(méi)有明確是原材料質(zhì)量問(wèn)題，還是焊接質(zhì)量問(wèn)題引起的裂紋，因此，有必要進(jìn)行疲勞分析。

2.2 3.10.2.1：循環(huán)次數(shù)的總和不超過(guò)1 000次

3.1 0.2.1：循環(huán)次數(shù)的總和不超過(guò)1 000次，是指對(duì)于常溫抗拉屈服強(qiáng)度不超過(guò)550 MPa的鋼材，下列各項(xiàng)循環(huán)次數(shù)的總和不超過(guò)1 000次，即:

1）包括啟動(dòng)與停車在內(nèi)的全范圍壓力循環(huán)的預(yù)計(jì)（設(shè)計(jì)）循環(huán)次數(shù)（即na）。

2）壓力波動(dòng)范圍超過(guò)設(shè)計(jì)壓力20%的工作壓力循環(huán)的預(yù)計(jì)（設(shè)計(jì)）次數(shù)（即nb）。

3）包括接管在內(nèi)的任意相鄰兩點(diǎn)之間金屬溫差波動(dòng)的有效次數(shù)（即nc）。

4）由熱膨脹系數(shù)不同的材料組成的部件（包括焊縫），當(dāng)（α1-α2）T>0.000 34時(shí)的溫度波動(dòng)循環(huán)次數(shù)（即nd）。

本維持罐操作壓力從常壓狀態(tài)到0.55 MPa,每隔8 h為一個(gè)工作循環(huán)，即：3次/天×30天/月×12月/年=1 080次/年，按照15年的使用壽命評(píng)估，壓力波動(dòng)循環(huán)次數(shù)na=15×1 080=16 200次。且壓力波動(dòng)0.55-0＝0.55MPa＞20%×1（設(shè)計(jì)壓力）=0.2MPa，即初始是常壓，再次回到常壓是每8 h一次。nb=16 200次。從壓力波動(dòng)來(lái)看，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1 000次。

本設(shè)備屬于單腔薄壁容器，且有保溫，暫認(rèn)為殼體徑向和厚度方向的溫度變化趨于均勻,且是同步的，即nc≈0次。主體選材一致，暫認(rèn)為材料熱膨脹系數(shù)相等，溫度波動(dòng)nd=0。

na+nb+nc+nd=32 400次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1 000次，故此條不滿足免除條件。

2.3 3.10.2.2：全部滿足a～f條的條件

1）a條包括啟動(dòng)與停車在內(nèi)的全范圍壓力循環(huán)的預(yù)計(jì)（設(shè)計(jì)）循環(huán)次數(shù)（na），不超過(guò)附錄C的疲勞曲線中，以設(shè)計(jì)溫度下材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm的3倍作為Sa所查得的循環(huán)次數(shù)。Sa為疲勞曲線中對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值。按照續(xù)表6-2查得S31603材料在300℃的設(shè)計(jì)溫度下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=95 MPa，則應(yīng)力幅值Sa=3Sm=3×95=285 MPa。查圖C-2：溫度不超過(guò)425℃和Sa>194 MPa的奧氏體不銹鋼的設(shè)計(jì)疲勞曲線，查得循環(huán)次數(shù)N≈9×104。而維持罐的循環(huán)次數(shù)na

這里要理清壓力循環(huán)即工作循環(huán)的一種形式，是一個(gè)閉環(huán)，所以并不代表所有的波動(dòng)都為循環(huán)。JB4732中對(duì)工作循環(huán)的解釋為由初始狀態(tài)進(jìn)入新?tīng)顟B(tài)，隨后又回到初始狀態(tài)開(kāi)始點(diǎn)的過(guò)程。所以本設(shè)備初始狀態(tài)操作壓力為常壓，再次回到常壓為一個(gè)工作循環(huán)。

由此判定3.10.2.2不滿足免除條件。

3）如果溫差波動(dòng)、機(jī)械載荷波動(dòng)占主導(dǎo)循環(huán)因素，c～f條也是有必要一一進(jìn)行分析的。

上述3.10.2.1及3.10.2.2條即是3.10.2條的組成，分析基礎(chǔ)是建立在分析對(duì)象是容器整體部件，即是設(shè)備組成的每一獨(dú)立連續(xù)部件。但各部件的組合焊接處，即焊接接頭附近，結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，以及開(kāi)孔接管等區(qū)域，這些局部峰值應(yīng)力更是最集中區(qū)域，也應(yīng)是疲勞斷裂最易發(fā)生區(qū)域。如果整體部件都不能滿足疲勞分析免除條件，則帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管及非整體結(jié)構(gòu)更不能滿足免除條件的，甚至沒(méi)有進(jìn)一步分析的必要。

2.4 3.10.3 帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管及非整體結(jié)構(gòu)，滿足3.10.3.1或3.10.3.2的全部條件

1）3.10.3.1：循環(huán)次數(shù)的總和不超過(guò)400次。因na+nb+nc+nd=32 400次，詳細(xì)分析過(guò)程同3.10.2.1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)400次，故此條不滿足免除條件。

2）3.10.3.2分析過(guò)程參考3.10.2.2，筆者認(rèn)為接管及非整體結(jié)構(gòu)肯定比整體部件要求更高更嚴(yán)苛，才能滿足免除疲勞分析條件，故沒(méi)有反復(fù)分析，認(rèn)為也不滿足免除條件。

3 設(shè)計(jì)分析

設(shè)備是否需要做疲勞分析，要結(jié)合實(shí)際操作工況及材料特性[4]，不能為保險(xiǎn)起見(jiàn)，大于1 000次的工作循環(huán)就判定為疲勞設(shè)備，要按照3.10.2.2進(jìn)行分析，即使本條例比較繁復(fù)，但也更為客觀，如本案例中壓力波動(dòng)的范圍可允許達(dá)到0.68 MPa,也可以理解為在0.68 MPa的壓力波動(dòng)范圍內(nèi)材料不會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象，仍然是彈性的安定狀態(tài)。本案例的操作壓力波動(dòng)范圍0.55 MPa,并未超過(guò)安定狀態(tài)，只是超過(guò)了極端壓力波動(dòng)范圍1 MPa。畢竟若能免除疲勞分析設(shè)備按照疲勞分析來(lái)設(shè)計(jì)制造，顯然是不經(jīng)濟(jì)合理的。

疲勞破壞的裂紋源一般應(yīng)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處、焊接缺陷處或材料質(zhì)量缺陷處。如本案例中設(shè)備的裂紋是出現(xiàn)在筒體與封頭的組焊處，也有極大的可能是由于焊接存在缺陷?，F(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)較常規(guī)設(shè)計(jì)增加了如下特殊要求：

1）材料與結(jié)構(gòu)：鋼板選用GB/T24511固溶狀態(tài)的S31603鋼板，接管及法蘭采用的均是NB/T47010固溶狀態(tài)Ⅲ級(jí)鍛管及法蘭，未加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈等非整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。不得焊接任何墊板，不可有管道外載荷作用等。

2）制造與檢驗(yàn)：容器逐臺(tái)制作產(chǎn)品焊接試件，受壓件之間的焊接接頭采用雙面焊的全焊透結(jié)構(gòu)，且為連續(xù)焊。受壓件與非受壓件之間的焊接接頭采用周邊連續(xù)焊全焊透結(jié)構(gòu)，焊接接頭形成連續(xù)封閉整體，不得存在間隙。A、B類焊接接頭表面焊后打磨至與母材表面齊平并經(jīng)100%射線探傷檢測(cè)加100%超聲檢測(cè)。C、D、E類焊接接頭打磨至圓滑過(guò)渡并進(jìn)行100%滲透檢測(cè)。所有與受壓部件相焊的附件的角焊縫打磨至圓滑過(guò)渡并100%滲透檢測(cè)，不得采用硬印作為材料的確認(rèn)標(biāo)記和焊工印記等。部分焊接節(jié)點(diǎn)要求如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本案例中最終對(duì)維持罐進(jìn)行了疲勞分析設(shè)計(jì)，主要考慮到下述幾個(gè)因素：一是歷史使用經(jīng)驗(yàn)成功與失敗參半，并不成熟；二是維持罐是制藥系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，檢修或者停產(chǎn)都會(huì)造成很大的損失；三是考慮到6臺(tái)維持罐相同，設(shè)計(jì)也是相同的，總體設(shè)計(jì)成本不會(huì)增加不多。

安全無(wú)小事，設(shè)計(jì)過(guò)條例。筆者很想通過(guò)此篇繁復(fù)冗長(zhǎng)但不失論據(jù)的項(xiàng)目案例詳細(xì)分析論證過(guò)程，分享給同行，希望在項(xiàng)目中對(duì)于判定疲勞設(shè)備能否滿足免除分析條件時(shí)能有所借鑒與啟發(fā)。從而能在分析設(shè)計(jì)及常規(guī)設(shè)計(jì)中，力求理論客觀，經(jīng)濟(jì)合理選擇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。