某化肥厂合成工段一级卧式氨冷器发生爆炸事 故 。该设备管程设计压力为 20 M Pa,壳程设计压力 1. 6 M Pa,工作时候的温度 - 25 ～50 ℃,封头与管板的材料
都是 20 G。爆炸断口都发生在管板与封头连接的 环焊处 ,从断口上看到焊缝根部未焊透严重 ,多者占 周长的 80% ,深 2 ～4 mm ,最深处达 6 mm ,断口中部 表面平滑平坦 ,从电镜观察有明显的疲劳断裂特征 。 封头和管板连接处的单面坡口角接环缝 (见图 1 ) , 正处在结构不连续处 , 焊缝根部应力值很高 。 通过计算表明 ,该焊缝内表面轴向弯曲应力已超过
在压力容器各受压元件的连接处 , 常有几何形 状突变或其它结构上的不连续 。在这些部位都会产 生较高的不连续应力 (或称边缘应力 ) 。不同的连 接边缘 ,有不同程度的边缘效应 , 有的边缘效应显 著 ,应力可达到很大的数值 。但是 ,边缘应力有其特 点 ,即影响范围小 。这些应力只存在可连接处附近 的局部区域 ,离开连接处稍远一些 ,它们就沿着圆筒 的轴线方向呈波形的迅速衰减 , 并趋于零 。例如平 盖与圆筒的连接边缘 , 圆筒的轴线 ] 处 ,可视边缘应力衰减趋于零 (见图 2 ) 。
上采用了单面焊坡口形式 , 在焊接过程中产生了严 重的根部来焊透等缺陷 ; 同时 ,在实际运行中频繁开 停 ,使压力温度波动 , 形成疲劳循环的工作环境 , 最 终导致疲劳裂纹扩展而引起的 。
某厂饱和塔规格为 ф 1200 × 8200 mm , 设计压 力为 1. 6 M Pa,为避免腐蚀 ,塔上部二段筒体 (约 5 m 长 )选用了 10 mm 厚的 12C rN i3 板材 ,其余部分均 为 10 mm 的 A3 钢板 ,在操作压力为 0. 88 M Pa 时发 生爆炸 ,距塔顶部 2 m 处第三道环焊缝及该处纵焊 缝全部炸裂 。现场分析看 ,塔体焊接质量太差 ,对该 炸裂口焊缝所作的 X 射线探伤检查根据结果得出 , 全部 环焊缝有极其明显的母材未熔合 ,连续点状夹渣 ,气 孔及细小裂纹 ; 纵焊缝除有上述致命缺陷外 ,还有严 重的焊接咬边现象 ,咬边深度达 2 ～3 mm。此外 ,在 纵焊缝上还极不合理地开有一个 DN450 的入孔 ,在 应力集中区造成局部的高应力状态 。加之 , 焊缝中 的裂纹及未溶合部分在长期生产中被腐蚀 , 有些地 方仅剩有 3 mm 多 ,难以承受操作压力 。
应力的影响区 。对边缘强度不足的无折边锥形封头 作局部加强 ,以及避免采用容器筒体与端盖连接的 平板角焊结构 。 2. 2 焊缝错开并尽量远离应力集中区 从前述事故分析可知 , 事故大多数是由于裂纹 和尖锐的缺陷所造成的 。而他们往往起源于焊缝及 其热影响区 ,特别在焊缝交叉处和未焊透的角焊缝 处产生这类缺陷的概率较大 。容器焊接时 , 热源对 焊接构件形成不均匀的温度场 , 产生不均匀的残余 应力 。所以实际焊接容器中的残余应力 , 随焊接构 件的形状 、 、 尺寸 焊缝布置 、 焊接工艺不同而变化 ,焊 接容器存在的残余应力是复杂的 。在结构设计中 , 不仅要最好能够降低焊接结构本身的应力集中 , 而且还 要使焊缝尽可能的远离接管 、 支座等其他应力集中 区 ,以避免互相重叠造成局部的高应力状态 。 2. 3 避免采用刚性过大的焊接结构和静不定结构 刚性过大的焊接件 , 不仅因施焊时的膨胀和收 缩受到约束而产生较大的焊接应力 , 而且在操作条 件波动时 ,还会因变形受限制而产生附加弯曲应力 。 卧式容器应尽量采用静定的双支座结构 。
在能承受压力的容器的破坏事故中 , 有相当一部分是由 于结构设计不合理引起的 。结构设计不合理 , 往往 使得压力容器在制造或使用的过程中易产生应力集 中 。合理的结构设计 ,首先要求其结构便于制造 ,有 利于保证质量和避免或减少制造缺陷 。其次是要求 其结构便于无损探伤 , 使制造和使用中产生的缺陷 能及时并准确地检查出来 。结构设计还应该要考虑尽量 降低局部附加应力和应力集中 , 因为局部的高应力 区会成为断裂破坏之源 。因此 , 设计合理可靠的结 构是和强度设计同样重要的 。
材料的屈服强度 ,又因未焊透引起了应力集中 ,故在 焊缝根部产生裂纹并扩展 。此外 , 由于焊缝根部管 板一侧有一半径 R = 5 mm 的环形槽 ,它将干扰超声 波探伤 ,因此焊缝质量难以保证 。
焊件的厚度确定的 。一些范围的厚度往往有几种接 头型式可供选择 ,这就要结合容器制造厂所具备的 条件来决定 。如有的厂机加工能力较弱 , 选用 V 型 或 X 型坡口形成的接头就比较好 , 因为这些坡口的 加工只需要半自动气割机即可 。如选用 U 型或双 U 型坡口形成的接头 ,就需要在机床齐备的工厂加工 。 但 V 型坡口往往填充金属较多 , 焊接效率低 , 焊接 应力大 ,变型大 ,对抗裂性差的钢种不适用 。所以对 板厚度较大的 ,在有条件时应尽量选用 U 型或 X 型 坡口形成的接头 。前述事故一 (见图 1 )中的管板与 封头连接如改为 U 型坡口对接接头 (见图 4 ) ,采用 手工电弧焊中增加了两种氩弧焊打底的单面手工电 弧焊工艺 ,就能达到单面焊双面成型的要求 ,焊缝质 量即可大为改善 。
摘 : 根据过去的能承受压力的容器破坏事故分析 ,有相当一部分是由于结构设计不合理引起的 ,认为设计合理可靠的结 要 构和强度设计同样重要 。就能承受压力的容器结构设计的一般原则和结构设计常遇到的问题 , 如壳体接管开孔 、 开孔补强 和焊接结构的设计实例予以阐述 。 关键词 : 能承受压力的容器安全 ; 结构设计原则 ; 结构设计应用 中图分类号 : TQ 050 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 3206 ( 2005 ) 12 - 0781 - 04
由于边缘应力具有局限性 , 因此在能承受压力的容器结 构设计中 ,一般都会采用圆弧过渡或斜坡过渡的方法来 降低局部的不连续应力水平 。如对椭圆形封头和蝶 形封头按 JB / T4746 设置足够大的过渡圆弧 ,且留有 直边 ,使能承受压力的容器强度较薄弱的焊接接缝离开边缘
其补强材料集中于应力最大的部位 ,补强效率高 ,焊 缝为对接 ,抗疲劳性好 ,疲劳寿命比不开孔的筒体仅 降低 10% ～15% ,大多数都用在承受高压 、 高温 、 低温或 反复载荷的设备开孔 。目前对于圆筒体开孔 , 此结 构还不常用 ,因为加工较困难 ,要有专用机床 。球形 容器补强采用此结构较多 ,因结构形状规则 ,容易制 造加工 。 3. 3 焊接结构设计 3. 3. 1 合理的焊接接头 焊接是容器制造的重要 环节 ,在保证质量的前提下 ,焊接接头设计一般有如 下要求 , ① 焊缝填充金属应尽量少 ; ② 合理选择坡口 角度 、 钝边高 、 根部间壁等结构尺寸 , 使之有利于坡 口加工及焊透 ,以减少各种焊接缺陷产生的可能性 ; ③ 按等强度要求 ,焊条或焊丝强度 ,应不低于母材强 度; ④ 焊缝外形应尽量连续 、 、 圆滑 减少应力集中 。
工艺接管与容器壳体及开孔补强圈连接的接头 处拘束度大 ,存在比较大的应力集中 ,加之焊缝金属通 常比母材塑性低 ,焊缝根部及焊接热影响 ,在疲劳载 荷 (如循环压力和温度 、 振动等 ) 作用下 , 易成为裂 纹的起源 。从焊接施工操作看 , 这类焊缝是容器上 所有焊缝中最难控制 , 也是最易产生问题的地方 (如事故二 ) 。因为目前壳体上的马鞍形开孔仍大 量采用气割 、 气刨等手工开孔方法 ,不易保证坡口角 度及钝边尺寸 ; 坡口表面的氧化皮较难去除 ,施焊接 管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等 , 所以 极易产生裂纹 、 未焊透 、 夹渣 、 未溶合等缺陷 。可以 说 ,开孔接管等几何不连续部位是能承受压力的容器的真正 薄弱环节 。这些部位的完整性 , 很大程度上决定了 能承受压力的容器的安全常规使用的寿命 。 疲劳 断 裂 失 效 约 占 金 属 失 效 结 构 的 40% , AS E 认为 ,接管的设计应考虑最大限度地降低应 M 力集中 。最安全的容器是在容器上所有部分都具有 最低的总应力 (一次应力及应力集中等 ) , 而不是在 一次膜应力上取最大的安全系数 , 而不管局部应力 集中 。所以 ,有效的降低应力集中 ,是设计容器与接 管焊接接头时应给予足够重视的问题 。 3. 2 开孔补强结构 补强圈补强是最常见的补强结构 , 但这种结构 存在以下缺点 : ① 搭接结构易产生较大的局部应
力并导致焊接裂纹 ,对淬硬性强 、 缺口敏感性高的低 合金钢就更为不利 ; ② 搭接的补强圈结构没有和壳 体接管形成整体 ,其抗疲劳性能差 。据介绍 ,带补强 圈结构的筒体 ,其疲劳寿命比未开孔时降低 30%左 右 。因此 ,这种结构通常用于静压 、 常温的中低压容 器 。 GB150 限制其应用限制范围为 , 钢材的标准抗拉强 度下限值 σb ≤ 540 M Pa; 补强圈 厚度 小于 或等 于 1. 5 δn (δn为壳体开孔处名义厚度 ) ; 壳体名义厚度 δn ≤38 mm [ 1 ] 。此外 , 补强圈结构还有补强区分散 及补强效率不高的缺点 。所以在可能的条件下 , 应 该用厚壁管补强来代替 。 内伸式厚壁管补强结构 , 能使所有用来补强的 金属材料都直接处在最大应力的区域内 , 因而能更 有效地降低开孔周围的应力集中程度 , 其应力集中 系数比开平齐接管下降 40% 。