顶回流瓦斯换热器壳体的强度校核与安全分析

　　1基本情况锦州石化分公司焦化车间顶回流瓦斯换热器是1997年安装投用的,该换热器壳体由上、下封头,上下筒节及两块管板之间的筒体共五个部分组成。上下筒节上各设置一双带接管的人孔。2001年大修期间首次开罐检验。原始资料审查表明,该设备材质为16MnR;内直径1400mm,高为8000mm,封头设计壁厚为14mm,筒体设计壁厚为14mm;壳体操作压力为1.32MPa,操作温度为250℃左右,介质为瓦斯、水蒸气;Ⅱ类压力容器;生产厂为抚顺北方石化金属结构公司。

　　2外观检查结果本次着重对局部拆除保温层的换热器的上部、下部的外表面状况及从下部人孔进入器底,对下封头、下筒节内表面的状况进行外观检查,检查情况如下:(1)换热器的外壁情况良好,结构合理完整,无明显的局部机械损伤和异常变形。表面氧化层厚度很薄。(2)封头与筒节、筒节与管板的环焊缝以及筒节上的纵焊缝(指外露可见部分)外观良好,无超标的错边、棱角度、角变形和咬边等情况。(3)封头内表面呈现出轻度、局部中度腐蚀,腐蚀区域主要位于连接环焊缝下方50mm～80mm的周向环带内。封头底部东北及西南两处,局部腐蚀深度达2.5mm。(4)人孔接管与下筒节的连接焊缝呈现出中等程度的腐蚀,焊缝表面有明显沟痕,西侧下弦最大深度达4mm左右。(5)筒节人孔下方的局部区域显示出明显的呈片状剥落的表面腐蚀,深度达到4mm以上。(6)人孔接管的内表面出现明显的腐蚀痕迹。超声波密集测厚的结果与外观检查十分吻合,准确一致地确定了换热器壳体的四个腐蚀部位:①筒节人孔下方片状表面腐蚀区域,实测最小壁厚值为7.9mm～8.5mm。②下封头腐蚀环区域测厚值为9.6mm～11.8mm,封头底部东北向局部测厚值为9.9mm～12mm,西南向局部测厚值为9.7mm～11.3mm。③人孔接管与下封头连接处,实测壁厚为10mm(原设计14mm)。④人孔接管局部最薄处测厚值为2.0mm～3.9mm(原设计8mm)。

　　3腐蚀区域的强度校核根据GB150-98《钢制压力容器》进行强度校核。3 1下筒节人孔的下方区域取最小实测壁厚再考虑扣除0.5mm的腐蚀裕量来计算。σte=PDi2(δe-C)=1.32×140 2(0.79-0.05)=125.2MPa此应力小于250℃材料的许用应力[σ]t=156MPa

　　3 2下封头按标准椭圆封头校核,取得最小实测壁厚再考虑0.5mm的腐蚀裕量:σte=P[Di+0.5(δe-C)] 2(δe-C)=1.32[140+0.5(0.96-0.05)] 2(0.96-0.05)=101.8MPa此应力小于250℃材料的许用应力[σ]t=156MPa

　　3 3人孔接管与下筒节连接处连接处有效壁厚取筒节实测有效壁厚10mm加上加强圈厚度12mm,再考虑扣除1mm的腐蚀裕量;考虑开孔引起的局部应力集中来估算该处的实际工作应力水平,取应力集中系数K值为2.5;考虑焊缝系数φ=0.9,该处许用应力为φ·[σ]t。σte=PDiK2(δe-C)=1.32×140×2.5 2(1.0+1.2-0.1)=110.3MPaφ·[σ]t=0.9×156=140.4MPaσte<φ·[σ]t3 4人孔接管的工作应力接管尺寸为Φ479×8mm;取最小壁厚再考虑0.5mm的腐蚀裕量:σte=PDi2(δe-C)=1.32(47.9-2×0.8) 2(0.20-0.05)=212.1MPaσte>[σ]t上述简要的强度校核表明,人孔接管不满足强度要求,应予更换。其它部分虽发生腐蚀减薄,尚能满足强度要求。

　　4断裂安全分析本次检验,除对两处丁字焊缝进行X射线检测发现结果良好外,未进行大面积无损检测,防止断裂失效的安全分析,采取偏于保守的做法。经过仔细分析对比,人孔接管与筒节连接处,有一最大深度为4mm,长度约21mm,立向孔边的沟槽。将其视为深a=4mm,长2c=21mm的半椭圆表面裂纹,考虑到焊缝热影响区内的各种削弱因素,按最严重的情况分析。分析的依据是CVDA-1984《压力容器缺陷评定规范》。

　　4 1等效裂纹尺寸的计算as=4.14=0.28ac=4.0.5×21=0.38由as,ac之值,查CVDA-84的表面裂纹等效裂纹尺寸换算表(表3)得s=0.33 =0.33×14=4.62

　　42材料常数的选择16MnR材料在250℃条件下σts=294MPa,Et=1.98×105MPa,Es=1.5×10-3。临界张开位移δcr值在0.12～0.15mm内变化,考虑到焊接区的削弱影响及轻度腐蚀,取其低值再考虑2倍的安全系数,即选用δcr=0.06mm

　　4 3应力-应变水平计算总应力σ=σ1+σ2+σ3σ1(基本工作应力)=110.3MPaσ2(面外弯曲作用影响),薄壁容量可不计,σ3(制造中焊接残余应力),取为0.6σs由于σ1+σ2<σ3则e=e1+e2+e3=110.3 198000+0+0.6×1.5×10-3=1.47×10-3e

　　4.4最大允许裂纹尺寸计算max=δcr[2πes(ees)2]=6.63mm=4.62mm<6.63mm这表明,这条表面裂纹不会引起断裂破坏。

　　5结论与建议(1)该换热器下部人孔接管不能满足强度要求,应予更换。(2)在严格控制腐蚀速率及不发生意外的情况下,考虑到该换热器工况稳定,停开车次数很少,即无明显疲劳载荷作用。则其近期内不会发生断裂破坏事故。(3)控制腐蚀速率,查清腐蚀原因与采取相应对策,是该换热器安全运行的关键。(4)严格工艺操作,加强运行监察和按时定期检验十分必要。建议运行一年到两年应进行一次内外检验。