超設(shè)計(jì)壽命天然氣匯管安全評估研究

翁海華 虞學(xué)軍 鄭舟斌

（舟山市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 舟山316021）

1 背景

本文以天然氣公司場站內(nèi)運(yùn)行超20 年的天然氣匯管（壓力容器）為研究對象，匯管主要參數(shù)為：工作壓力5.5 MPa，材質(zhì)為16MnDR，內(nèi)徑600mm，壁厚14mm，支座形式為鞍座，介質(zhì)為天然氣；該匯管運(yùn)行年限已超20 年，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG 21-2016 中7.1.7 的規(guī)定，達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器（未規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限，但使用超過20 年的壓力容器視為達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限），如要繼續(xù)使用，使用單位應(yīng)委托有檢驗(yàn)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)參照定期檢驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定對其進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時進(jìn)行安全評估[1-4]。經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該壓力容器本體的腐蝕速率較小，無損檢測未發(fā)現(xiàn)可記錄超標(biāo)缺陷，分析認(rèn)為該壓力容器可延期使用。為評估該壓力容器至下一個檢驗(yàn)周期（4 年）內(nèi)能否正常安全運(yùn)行，對該超設(shè)計(jì)年限的壓力容器進(jìn)行安全評估。

2 安全評估過程

針對該壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)等情況，安全評估采用宏觀檢測、壁厚檢測、表面無損檢測、金相分析、磁記憶殘余應(yīng)力分析、相控陣超聲檢測、有限元應(yīng)力分析和疲勞壽命分析等方法進(jìn)行。經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該壓力容器本體的腐蝕速率較小，無損檢測未發(fā)現(xiàn)可記錄超標(biāo)缺陷，分析認(rèn)為該壓力容器適宜進(jìn)行安全評估。

2.1 金相分析

對該運(yùn)行超20 年的壓力容器進(jìn)行了金相顯微組織檢測，首先對容器基體部位進(jìn)行機(jī)械打磨，機(jī)械打磨分別用240 目、600 目和1000 目金剛石砂紙將基體打磨平整光亮，隨后用5μm 金剛石拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光，經(jīng)5%硝酸酒精侵蝕后用酒精洗凈并吹干，隨后用便攜式金相顯微鏡對腐蝕部位進(jìn)行觀察并拍照記錄。通過觀察經(jīng)侵蝕后的金相圖發(fā)現(xiàn)其組織均為鐵素體+珠光體，符合16MnDR 材料金相組織狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)容器材料金相組織結(jié)構(gòu)有珠光體球化等材質(zhì)劣化現(xiàn)象，由此得出該運(yùn)行超20 年的壓力容器的材料金相組織符合要求。

2.2 磁記憶殘余應(yīng)力分析

本次檢測采用磁記憶殘余應(yīng)力分析儀對容器的焊縫部位進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，以預(yù)測容器潛在的危險(xiǎn)區(qū)域。對該運(yùn)行超20 年的壓力容器焊縫進(jìn)行磁記憶殘余應(yīng)力檢測，檢測結(jié)果如圖1、2 所示。由圖1 可知，通過匯管的A1 焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力掃查時發(fā)現(xiàn)，在掃查部位局部均存在多個不同應(yīng)力峰，這表明對應(yīng)區(qū)域應(yīng)力集中較大，出現(xiàn)裂紋概率大，需要用其他無損檢測手段進(jìn)行檢測驗(yàn)證，而對容器B1 焊縫進(jìn)行掃查時發(fā)現(xiàn)，B1 焊縫均無明顯磁感應(yīng)力集中信號，如圖2 所示。

圖1 匯管A1 焊縫磁記憶殘余應(yīng)力圖

圖2 匯管B1 焊縫磁記憶殘余應(yīng)力圖

2.3 埋藏缺陷檢測

埋藏缺陷檢測采用相控陣超聲檢測系統(tǒng)對容器的A1 焊縫進(jìn)行檢測，相控陣超聲檢測時對上述磁記憶殘余應(yīng)力檢測殘余應(yīng)力異常部位予以復(fù)驗(yàn)，容器相控陣超聲掃查圖譜如圖3 所示。從掃查圖譜可看出，匯管相控陣超聲掃查圖譜中未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

2.4 有限元應(yīng)力分析

2.4.1 有限元模型的建立。有限元應(yīng)力分析運(yùn)用有限元數(shù)值分析軟件，根據(jù)匯管實(shí)測數(shù)據(jù)建立模型，為簡化模型計(jì)算，有限元分析計(jì)算中不考慮小接管，模型中未考慮焊縫結(jié)構(gòu)引起的材料屬性不均勻問題，模型材料屬性進(jìn)行均一化處理。容器有限元模型所用的單元格類型為六面體網(wǎng)格，容器厚度參數(shù)取實(shí)測最小厚度值，模型分析載荷取容器最高工作壓力，模型約束條件設(shè)置為容器底部鞍座固定，有限元數(shù)值模型如圖4 所示。

圖3 匯管A1 焊縫相控陣超聲掃查圖譜

圖4 匯管有限元模型

有限元分析模型的網(wǎng)格劃分用掃略方式劃分，使其盡量形成規(guī)則的六面體網(wǎng)格，減小不規(guī)則網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的影響。根據(jù)匯管實(shí)際受力情況對有限元模型施加載荷，在匯管的內(nèi)表面施加3.2 MPa（最高工作壓力）載荷，邊界條件為支腿固定。

2.4.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析。根據(jù)有限元模型的約束和載荷等條件進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算得到匯管有限元模型的應(yīng)力強(qiáng)度云圖，如圖5 所示。由圖5 可知匯管有限元應(yīng)力分布云圖中，應(yīng)力最大區(qū)域位于接管附近位置，其最大應(yīng)力幅值約為150MPa。

圖5 匯管主體模型應(yīng)力強(qiáng)度云圖

根據(jù)JB/T 4732-1995（2005 年確認(rèn)）確定該匯管工作溫度下材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，由于匯管最高工作溫度為36.4℃，根據(jù)JB/T 4732-1995（2005 年確認(rèn)）中3.6.5.1 規(guī)定一般鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為下列各值中的最低值：

（1）常溫下標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值的1/2.6。

（2）常溫下屈服強(qiáng)度Rp0.2的1/1.5。

（3）設(shè)計(jì)溫度下屈服強(qiáng)度Rtp0.2的1/1.5。

該匯管材料為16MnDR，通過計(jì)算可得出其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度最低值為490MPa×1/2.6=188MPa（490MPa 為該材料抗拉強(qiáng)度）[5]，因此該匯管最大應(yīng)力幅值小于設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度最低值（150MPa ＜188MPa），同 時 小 于 材 料 許 用 應(yīng) 力（150MPa ＜188MPa），容器強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，同時滿足容器材料許用應(yīng)力要求[5，6]。

2.5 疲勞壽命分析

在上述檢測及分析基礎(chǔ)上，按照設(shè)備的實(shí)際尺寸、材料性能及服役條件，依據(jù)JB/T 4732-1995（2005 年確認(rèn)）對設(shè)備進(jìn)行疲勞壽命分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4732-1995（2005 年確認(rèn)）中以疲勞分析為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的相關(guān)規(guī)定[5]，由上述有限元應(yīng)力分析可知，受檢容器所受最大薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力為83MPa，有限元計(jì)算最大應(yīng)力幅值為150MPa，根據(jù)碳鋼、低合金鋼設(shè)計(jì)疲勞曲線，可得在150MPa 應(yīng)力水平下，材料設(shè)計(jì)疲勞循環(huán)次數(shù)約4.0×105次。

目前該容器已運(yùn)行約20 年，容器進(jìn)行的介質(zhì)充裝等循環(huán)平均每天約2 次，由于容器投運(yùn)后規(guī)律運(yùn)行，可得出容器投運(yùn)后至下一檢驗(yàn)周期（擬定4 年）經(jīng)歷約1.8×104次疲勞循環(huán)，該容器運(yùn)行疲勞循環(huán)次數(shù)小于其設(shè)計(jì)疲勞循環(huán)次數(shù)，由此分析可知該安全評估的匯管疲勞壽命符合要求，可安全運(yùn)行至下一檢驗(yàn)周期。

3 結(jié)論

本文對某天然氣公司場站內(nèi)運(yùn)行年限已超20 年的天然氣匯管進(jìn)行了安全評估，安全評估內(nèi)容包括全面檢驗(yàn)、金相分析、磁記憶殘余應(yīng)力分析、相控陣超聲檢測、有限元應(yīng)力分析和疲勞壽命分析等。安全評估結(jié)果表明，該運(yùn)行超20 年壓力容器在現(xiàn)有操作條件下可繼續(xù)運(yùn)行至下一檢驗(yàn)周期（4 年），在運(yùn)行期間使用單位應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。