含缺陷管式褐煤干燥机用钢焊接接头低温下的安全评定

王 晶

(承德石油高等专科学校 工业技术中心，河北 承德 067000)

含缺陷管式褐煤干燥机用钢焊接接头低温下的安全评定

王 晶

(承德石油高等专科学校 工业技术中心，河北 承德 067000)

在设备内部载荷、裂纹尺寸及材料低温性能已知的情况下，采用我国《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T19624-2004)标准中简化评定针对某褐煤干燥机管板用钢Q370R焊接接头焊缝处外表面裂纹进行了安全评定，并给出了失效评定图，同时根据标准计算出该焊接接头最大容许等效裂纹尺寸。结果表明，评定点位于曲线定义的安全范围内，但等效裂纹尺寸大于最大容许等效裂纹尺寸，根据标准该结构不安全必须进行返修。将GB/T19624-2004安全评定标准应用于管式褐煤干燥机结构，为国内含缺陷Q370R钢结构的安全评定奠定基础。

管式褐煤干燥机；GB/T19624-2004；低温；安全评定；最大容许等效裂纹尺寸

管式褐煤干燥机属于一种承压设备，是一种多管式的倾斜的封闭式回转圆筒，主要服务于坑口电厂的发电以及煤化工等行业[1]，其中管板位于回转筒体两端，是一种大厚板拼焊钢结构件，筒体内部分布大量干燥管，管的两端插入管板对应圆孔并通过胀接加固。

本文管式褐煤干燥机主体结构依靠焊接完成，其中管板直径可达3 040 mm，厚度40 mm，材质为Q370R钢，制造时需采用3块等厚同材质钢板拼焊完成，焊接任务量大且焊接过程常常使焊接接头的组织性能劣化和各种缺陷的存在[2]，其中最常见也是最危险的缺陷是焊接裂纹，特别是在冬季低温环境下，干燥管强烈振动产生各种不均衡、非周期作用力及各种力产生的扭矩导致管板焊接接头受力不稳定，裂纹处易引起应力集中，特别是接头外部裂纹完全暴露在低温环境下，此时焊接接头容易脆化，极易发生断裂造成突发性及灾难性事故。因此，针对管板有必要测试焊接接头的低温力学性能，同时在“合于使用”原则指导下，利用我国《在用含缺陷压力容器安全评定(GB/T19624-2004)标准对含缺陷焊接接头在低温环境下进行安全评定，判定该裂纹是否允许存在还是需要立即返修，这样可使设备增加服务时间，避免不必要的维护以降低经济成本。

1 《在用含缺陷压力容器安全评定》GB/T19624-2004简介

《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T19624-2004)是适合我国国情且用来评定主要构件和焊接结构的合于使用性的标准，该标准集成了国内承压设备安全评定最新研究成果和工程实践经验,使国内在用含缺陷承压设备安全评定技术提高到当代国际水平,为降低国内承压设备灾难性事故率提供了有效的技术手段[3]。

GB/T19624-2004是以英国CEGB R6-91、BSI PD6493-91标准为基础也是采用了三级评定技术路线，但该标准具有国内的特色和创新之处。本标准将评定等级细分为简化评定、常规评定、分析评定三个等级，等级越高，保守性相应降低，本文采用简化评定标准进行安全评定。

2 结构参数与试验

2.1焊接参数

本文管式褐煤干燥机主体结构由中间筒体和两端管板组焊而成，其中筒体壁厚16 mm，筒体外径3 000 mm，针对40 mm厚管板采用焊条电弧焊打底，埋弧自动焊填充及盖面的方法焊接。坡口制作时要求坡口表面及两侧30 mm范围内进行打磨清理，不得有氧化皮、熔渣、油污及水锈。坡口表面用5倍(含5倍)以上放大镜进行宏观检查，不许有裂纹、分层等缺陷[4]，坡口形式及尺寸、焊接参数如图1、表1所示。

表1 焊接参数

2.2低温力学性能试验结果

对Q370R钢焊接接头进行全焊缝-20 ℃低温力学性能试验，数据见表2。根据试验结果可以看出，Q370R的焊接性良好，母材及焊缝金属低温拉伸试验、冲击试验数据均符合GB713-2008技术要求，焊缝具有良好的低温力学性能，且面弯、背弯部位外表面(受拉面)未发现裂纹和裂缝，焊接接头具有良好的塑性和韧性，能满足工作要求，验证了焊接参数的合理性。

表2 母材和焊缝低温性能试验结果

3 安全评定计算[5]

3.1焊缝低温断裂韧度测定

焊缝断裂韧性通常可采用夏比冲击吸收功Akv、裂纹尖端张开位移(CTOD)试验值δc、断裂韧度Kc及J积分临界值Jc来表示，但Akv缺乏明确物理意义，不能充分反映真实韧性，特别是对于大厚度材料，试验局限较大；KC通常只适用于线弹性场合；而JC在大范围屈服条件下的适用性尚未确定；因此δC成为材料设计评估时最常用的临界参考值[6]。

断裂韧度按照GB/T21143-2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》标准预制直三点弯曲试样，并在焊缝中心预制单边疲劳裂纹，在-20 ℃低温环境下将试样加载直至失稳破坏。根据试验结果(见表3)取焊缝处断裂韧度值中的最小值来评定，这样会使评定结果更安全[7]，文中取值为δc=0.22。

表3 焊缝-20℃时断裂韧度

3.2评定裂纹尺寸及应力情况

管板校平之后必须对焊缝进行探伤，按照探伤等级要求对管板拼接焊缝应进行100%射线检测和100%超声波检测，检测结果发现管板外侧拼接焊缝处出现裂纹，该裂纹与焊缝垂直，根据GB/T19624-2004标准将裂纹规则化处理后尺寸取a=24 mm(a为裂纹深度)，2c=85 mm(2c为裂纹长度)，如图2所示。

根据含缺陷结构安全工作压力的评定，需要考虑无缺陷容器的极限压力和安全压力[8]，因此文中取无缺陷管式褐煤干燥机内部最大允许工作压力用于评定计算，这样对于评定结果偏安全，计算公式如下：

式中：[σ]t为Q370R钢在设计温度下的许用应力，通过GB150.2-2011查得；φ为焊接接头系数，可由焊缝金属抗拉强度与母材抗拉强度之比求得；δe为筒体有效厚度；Di为筒体内直径。通过计算其最大允许工作压力为5.079 MPa。

3.3简化评定计算

3.3.2Sr的计算

3.3.4 安全性评价

3.4最大容许等效裂纹尺寸计算

4 结论

1)针对管式褐煤干燥机管板Q370R钢焊接接头进行了-20 ℃下的低温力学性能试验，根据试验结果在给定裂纹尺寸及最大工作压力的条件下采用GB/T19624-2004简化评定标准针对焊缝区表面裂纹进行低温工况下的安全评定，结果表明评定点在曲线定义的安全范围内，说明该结构是安全的。

2)考虑到焊接残余应力的影响，给出了在已知条件下的表面裂纹最大容许尺寸，根据计算结果可以看出，最大容许裂纹尺寸要小于等效裂纹尺寸，表明该裂纹缺陷不能被接受，与简化评定结果相反，出于安全性考虑，建议对该裂纹缺陷进行返修，这也说明了简化评定的保守性较高。

[1] 尤清华，孙焕锋，任贺. 大型蒸汽管式干燥机的组装与分析[J].电站辅机，2014，35(4)：17-21.

[2] 刘明亮，张玉凤，霍立兴，等. 海底管道高匹配焊接接头的安全评定[J]. 焊接学报，2006，27(5)：31-34.

[3] 钟群鹏，李培宁，李学仁，等.国家标准《在用含缺陷压力容器安全评定》的特色和创新点综述[J].管道技术与设备，2006，(1)：1-5.

[4] 韩曙光，董战虎. 13MnNiMoNbR钢焊接[J].承德石油高等专科学校学报，2001，3(2)：12-15.

[5] 中国国家标准化管理委员会.GB/T19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定[S].北京：中国标准出版社，2004.

[6] 孙吉，桂赤斌，倪世丰. 10CrNi3MoV钢焊接接头夏比吸收功与CTOD值的关系及其在安全评定中的应用[J].电焊机，2012，42(2)：62-65.

[7] 刘明亮，张玉凤，霍立兴，等. 海底管道安全性评定方法的分析[J]. 焊接学报，2006，27(8)：75-78.

[8] 彭韬明，周昌玉. 含体积型缺陷圆柱壳承压结构安全评定方法比较[J]. 南京工业大学学报(自然科学版)，2014，36(5):64-69.

[9] 李其，李晓秋，刘殿魁. 重油催化再生器典型缺陷安全评定[J]. 东北林业大学学报，2006，36(4)：77-80.

SafeAssessmentforWeldedJointofEndPlatesofTubularLigniteDryingMachineContainingDefectsBasedonGB/T19624-2004atLowTemperature

WANG Jing

(Industrial Technology Center， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei, China)

Given load, crack size and cryogenic mechanical properties，outer surface flaw in weld bead zone of Q370R steel of the tubular lignite drying machine was assessed by simplified assessment of GB/T19624-2004(Safety assessment for in-service pressure vessels containing defect) and failure assessment diagram was showed. Maximum tolerable equivalent flaw size was calculated according to GB/T19624-2004.The results showed that the assessment point was located within the failure lines but the size of tolerable equivalent flaw size was larger than the maximum tolerable equivalent flaw size，the structure was unsafe and must be repaired. This study laid the foundation of application of GB/T19624-2004 to Q370R steel structure assessment.

tubular lignite drying machine; GB/T19624-2004; low temperature; safe assessment; maximum tolerable equivalent flaw size

TQ051

A

1008-9446(2017)05-0025-04

2017-01-09

王晶(1978-)，男，内蒙古呼和浩特人，讲师、工程师，硕士,主要从事焊接结构强度与焊接安全评定方面的研究，E-mail：wangjing1953@qq.com。