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关于压力容器封头上80%Di范围以外大开孔的讨论

关于封头上80%Di范围以外大开孔的讨论

    某设计公司设计的一台反应器,结构形式为卧式容器中通过U形管式换热器进行加热,介质吸热水解反应,加热器通过封头上开孔进入设备内部,如图所示:

    加热器(U形管换热器)在封头上开孔的位置,超出了GB150中推荐的80%D的范围,但是通过开孔补强计算,该开孔满足强度要求,本文就此结构是否算是一个合格的设计为题进行讨论。以下为本公司资深工程师的个人看法,现分享给大家,也恳请各位同行老师讨论一下,各抒己见。

 

一、我国在椭圆封头上开孔问题的历史沿革

    1989年以前,我国尚无压力容器标准 ,整个70年代直至80年代末,是以《设计规定》的形式出现的,它也具有强制性的法律意义。《设计规定》严格禁止在椭圆封头的80%Di以外开孔。

    1989年我国建立了压力容器的强制性国家标准GB150,它同样严格禁止在封头的80%Di以外开孔。

    1998年执行第二版GB150,此版有了一点变化:允许在封头的80%Di以外开孔了,但要求开孔的中心线沿封头表面的法线,以保证开孔为圆形,而不是长圆形,以使应力集中的峰值不会太高。(说明:实际上椭圆是一条变曲率的曲线,不存在法线,尤其在封头80%Di处,曲率急剧变化,连近似的法线都画不出来。所以这一条实际无法执行。)

    那个年代,一提到在椭圆封头的80%Di以外的位置开孔,真是谈虎色变,唯恐避之不及。劳动局也特变关注这个问题,一旦有在这个禁忌位置开孔的,立即判废,毫不留情。

    2011年执行第三版GB150,此版对椭圆封头上的开孔未提任何要求。

      

二、2011GB150的《标准释义》对于这个问题的观点,与该版GB150的正文大相径庭。

    2011GB150的《标准释义》(第142页)明确指出:“出于安全考虑,建议开孔尽可能位于80Di%范围内。这是因为对于80%Di范围以外的封头转角部分曲率变化大,应力水平高,封头与接管间的相贯导致受力情况与等面积法基本假设偏差较大,因此需在实际工程中尽量避免。”

    等面积法是按在平板上开孔做为力学模型推导出来的(由于焊上接管后,受力更复杂,所以等面积法还包含一定的经验成分,不过这不是本文所要讨论的,这里不再赘述)。而椭圆封头80%Di以外的转角部分,沿经向的近似曲率半径很小,而周向的曲率半径又非常大,所以此处不仅不是平面,而且不是经向和周向曲率半径相等的球面,也不是经向曲率半径无限大,而只存在周向曲率半径的圆柱面。这使得此处的开孔远远偏离等面积法的力学模型,因此用GB150的开孔补强计算方法算出的补强结果与实际受力情况相差甚远,极不安全。

    

三、2011GB150的正文与它的《标准释义》为什么互相矛盾?

    2011GB150正文的主要编纂者就是2011GB150《标准释义》的编纂者;对《标准释义》与标准正文的这个矛盾,我们应当从正面去理解,即这个矛盾必有其存在的合理理由。

    现实的问题是很复杂的,往往是不能仅靠画一条线就能妥善解决的,工程技术问题既要符合安全性,又要考虑经济性,比如现在我们所讨论的这个问题。

    对于这设备,如果安装在椭圆封头80%Di以外的不是加热器,而仅仅是一个人孔,那么除了如上所诉述的由于开孔位置所造成的受力严重不合理外,不会再附加其他的不利因素了。这时情况还不是太恶劣,其安全度在某种程度上还是可以接受的。(说明:这仅仅是相对而言,也可能如果此处开孔的仅仅是一个DN50的小管,其安全性才能达到可接受的程度。这个度如何把握,本人现在也无从下手,估计既要考虑开孔的大小,接管的附加载荷,又要考虑介质的危害程度。)。如果非要加大反应器直径,以使此人孔进入封头80%Di,当设备非常大时,会造成不必要的浪费;反之,虽不加大设备直径,却非要将人孔移至封头的80%Di以内,又可能给使用带来不便;这时,人孔安装在封头80%Di之外,则是合理选择,即经济又适用,其安全度又可接受。尤其随着我国经济的发展,设备大型化的趋势越演越烈,从经济上考虑,这种选择是很有价值的。这就是2011GB150没有提出 限制在封头80%Di以外开孔的道理所在。

    然而,本设备设置在此处的却是一个加热器。这时,除了由于在此处开孔造成的危险因素外,至少还要附加两条不利因素:

    首先,虽然设置了管束支撑,但由于设计和制造安装都不可避免地存在误差,所以必然会对此开孔附加一个很大的弯矩,使开孔处的应力集中峰值进一步增加。一般开孔处此应力峰值达到设备基本应力的三倍(按变形量用弹性模量计算出的虚拟应力,以下同。),有时甚至达到六倍以上。而在此封头80%Di以外开大孔,又加上上述的附加弯矩,此处的峰值应力会更大,这就会使疲劳断裂很快发生。

因为疲劳曲线的特点是:应力越高,不产生疲劳失效所允许的循环次数越少。当应力高到一定程度,可能应力循环十几次,几十次就会发生疲劳失效,一个寿命十几年的设备正常开停车的次数就会远远高于十几次,几十次,所以,此种状况,发生疲劳失效的可能性还是较大的。

    其次,作为一个U形管换热器,振动也是不可避免的,震动会产生低应力高循环疲劳失效。疲劳失效有两种,一种是高应力低循环疲劳,即上面所说的,开孔处峰值应力极高时,应力循环,十几次,几十次或几百次就会发生疲劳失效。还有一种疲劳失效叫低应力高循环疲劳,此时应力极度低,甚至远远小于许用应力,循环次数达到一百万次或以上是时,也会发生疲劳失效。而对于振动,一百万次循环是不需太长时间的。

    所以,本设备即使没有发生高应力低周期疲劳失效,由于存在振动,也还有可能发生低应力高周期疲劳失效。

    这就是为什么2011GB150的《标准释义》要求我们“出于安全考虑,建议开孔尽可能位于封头80%Di范围内“及这种开孔“需在实际工程中尽量避免”。

 

四、开孔不合理时,失效的后果是什么?

压力容器设计者首先要知道你所设计的结构一旦失效,其后果是怎样的,因为只有这样你才能知道事情的轻重缓急,才能合理取舍。

    标准只告诉我们应该怎么做,但不告诉我们为什么这样做。开孔失效的后果只能在压力容器教科书中找到。在最具权威性的压力容器教科书 ——天津大学于国崇编的《化工容器及设备》(此书几十年来被大量的专著所引用,被大量的杂志上的专业论文所引用)告诉我们,接管补强不合理的失效形式是:疲劳和脆性断裂。

    脆性断裂是一种灾难性的事故,它不同于设备的塑性失效断裂,会有很多预警设施提示,还会有安全泄放装置泄压,;而脆性断裂是在在介质压力还在设计压力之内,安全阀还未起跳的情况下,设备没有任何几何尺寸膨胀以供操作者发现的情况下,压力表等仪表指示的数据没有任何异常的情况下,爆炸突然发生。

    疲劳,存在两种情况。一种情况是首先出现疲劳裂纹,被人们发现后停车,这就避免了裂纹进一步发展至断裂。但设备只能改做他用,因如按原参数运行,疲劳裂纹会进一步扩展,直至发生脆性断裂。另一种情况是,疲劳裂纹一旦发生还未来得及被人们发现,裂纹已经失稳,脆性断裂也就是爆炸已经发生。

    一台设备的疲劳失效,是按第一种情况,还是按第二种情况,决定于该设备的断裂韧度。断裂韧度小,裂纹刚一发生,还未被人们发现,就会发生脆性断裂,造成严重后果。而如果断裂韧度大,裂纹发展到一定长度,张开一定宽度后才会发生脆性断裂,这就有可能使在脆性断裂发生前,裂纹被我们发现,因而就给了我们一定的时间采取关车等措施,可以避免灾难性事故发生。

    断裂韧度与该设备的材料有关,也和该设备的结构有关,结构的刚性越大,将使设备的断裂韧度降低。本设备的封头的厚度相对于直径还是较大的,也就是说,刚性较大,应该引起注意。

 

五、我们以前也设计过类似设结构,至今还未发生问题,这个经验能够做为仍按原不合理的结构设计的依据吗?

    以前设计过类似结构而至今未发生问题这是事实,而且可能如此设计的第二台设备,也将不会发生问题(实际上,对于疲劳失效,只有到达设计寿命结束,未发生失效才能证明设计合格,这里姑且认为运行几年后未发生疲劳失效就叫合格。)。但从GB150处理问题的原则我们应能体会到:由于压力容器一旦失效带来的后果极其严重,GB150处理问题的原则是只要存在这种失效的可能性,就必需当做这种后果肯定会出现来对待。举个例子,比如应力腐蚀问题,某种材质对某一定浓度的某种介质只要有可能发生应力腐蚀,尽管不是台台都会发生,就规定为其有应力腐蚀倾向,不管是多大的高塔,也必须做价格昂贵的消除应力热处理。再比如,某种材料通过敏化温度后对某种介质有发生晶间腐蚀的可能,尽管不是台台都会发生,就规定为有晶间腐蚀倾向,而必须更换材料,不论新换的材料价格提高多大幅度也必须更换(虽说做固溶处理或稳定性处理能避免晶间腐蚀,但由于热变形的问题实际当中根本行不通。)

所以2011GB150的《标准释义》建议:从安全角度考虑,第一,椭圆封头开孔尽可能位于80%Di范围内。第二,在80%Di以外的开孔在实际工程中尽量避免。

 

六、“2011GB150正文既然对椭圆封头上开孔位置未做限制,那么封头在80%Di之外开了孔,即使出了事故,也应由GB150负责。”这种观点行得通吗?

    我们看2011GB150本身是如何回答这个问题的:此版标准的“引言”明确地告诉我们:“本标准不能替代技术培训和工程评价。” “工程评价是指由知识渊博,娴于规范应用的技术人员做出的针对具体产品的评价”。

    由上可见,2011GB150本身就规定,只按照GB150设计并不能确定为是合格的设计。而必须由知识渊博,娴于规范应用的技术人员,针对具体产品的具体情况做出的具体评价,才确认这个设计是否合理。

    2011GB150《标准释义》中的观点评价这种将加热器孔开在封头80%Di之外的结构,肯定是不合理的,这种设计是不合格的。

 七、关于《风险评估》

    2011版的GB150中,首次提出《风险评估》。某种意义上这正是为了配合该版GB150这种为了兼顾经济性而将某些安全性问题交给设计者合理掌握的做法。

    还从这台设备在封头80%Di以外开加热器孔为例谈谈体会:

    2011GB150规定,风险评估报告内容中,包括“操作设计条件下,可能发生的所有危害,如:爆炸,泄漏,破损,变形……等”,并明确提出:“对于标准已经有规定的失效模式,说明采用标准的条款”。“对于标准没有规定的失效模式,说明设计载荷,安全系数,和相应计算方法的选取依据”。

    现这台水解反应器中加热器的开孔位置不合理的情况,标准未做限制,但也未提出其失效模式和相应采取的防控措施。既然标准未提出,按上述GB150的规定就应由设计者提出设计载荷,安全系数,和相应计算方法的选取依据。

    然而本设备的设计对此未做足工作,既不知峰值应力的具体值,也不知在此峰值应力下允许的最多循环次数。因而无法告知用户允许的开车次数 ,故使疲劳失效发生的几率大幅度提高。对开孔应力集中区域的裂纹类缺陷控制也未提出全面的措施,只提了一个接管与封头连接焊缝的表面探伤要求,但接管及附近区域内部的裂纹类缺陷也是脆性断裂的根源,设计者却未提探伤要求。

无论是否需要《风险评估报告》这种形式,本设备的设计未对该开孔做出GB150所要求的载荷确定,安全系数确定,以及有合理依据的计算。

不知道各位同行遇到过这种类似的问题没有?又是如何处理这种结构形式的?

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总结的很全面,也很实用,学习了,点赞
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同行们,也欢迎大家就这个问题进行讨论,提出自己的观点和建议。

谢谢!

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实际生产很容易出现这类问题,楼主应该说碰到了如何处理吧,不应该直接说不行,个人观点,没有攻击性
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  • 宝哥

    我们提出的建议是:1.可以加大直径,使开孔控制在80%范围内;2.可以改为斜锥形封头的结构。

    不过这第一个方案会对工艺有一定的影响,而且,更重要的是,两个方案都会增加成本,所以设计方没有采纳,我们暂时还只能按图纸进行加工制造。本文提出这个问题是从设计角度考虑,如果我自己设计,我会建议选用斜锥形封头的结构。

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  • 我也说一句
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