尿素合成塔缺陷评定.pdf
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1、尿素合成塔缺陷评定 陈团海 , 陈国明 。 李伟 ( 中国石油大学( 华东 )机电工程学院 , 山东 东营2 5 7 O 6 1 ) 摘要: 为确保尿素合成塔安全运行, 采用失效评定 图对尿素合成塔进行 了缺 陷评定。鉴 于有 限元 分析技术可以针对尿素合成塔这一特定结构建立精细的分析模 型进行参数分析, 能够 大大地提高 结果的准确度 , 采用有限元方法计算评定参数。建立含裂纹结构的尿素合成塔缺 陷三维分析模型, 通过节点位移插值计算应力强度 因子; 基于塑性屈服和裂纹稳态扩展准则求得结构的极限载荷 ; 利 用 s I N T A P中的失效评定曲线进行缺陷评定与1 4年后的安全预评定。结果
2、表明, 目 前设备处于 安全状态, 安全裕度为 0 2 0 2 6, 1 2年后设备仍安全, 第 3年临界安全 , 第 4年设备失效。 关键词: 尿素合成塔 ; 有限元分析 ; 缺陷评定; 失效评定 图; 极 限载荷 中图分类号: T Q 0 5 3 5 文献标识码 : A 文章编号: 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9) 0 3 0 0 4 3 0 6 d o i : 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 014 8 3 7 2 0 0 9 0 3 o o 9 De f e c t As s e s s me n t 0 n Ur e a S y n t h e
3、 t i c Re a c t 0 r s CHEN Tua n h a i ,CHEN GuOmi ng,LI W e i ( C 0 U e g e 0 f Me c h a n d E l e c E n g i n e e r i n g ,C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m,D o n g y i n g 2 5 7 0 6 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m ( n D)me t
4、 h o d w a s a p p l i e d t o c 0 n d u c t e a d e f e c t a s s e s s m e n t 0 f u I a s y n t h e t i c r e a c t o r i n o r d e r t o e n s u r e i t s s a f _e s e r i c e C o n s i d e r i n g t h e d e t a i l e d a n a l v s i s mo d e l 0 f u I le a s y n t h e t i c I -e a c t o r c o u
5、 l d b e c I le a t e d t h r o u g h f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s , a n d t h e a c c u I a c y o f r e s u l t s c o u l d b e i mp r 0 v e d l a r g e l y,f i n i t e e 1 e me n t me t h 0 d wa s u s e d t 0 d e t e nn i n e t h e a s s e s s me n t pa r a me t e r s Th e 3 D d e f e
6、c t a n a l y s i s m 0 d e 1 0 f t h e c r a c k e d s t mc t u r e w a s c r e a t e d a n d t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t 0 r( S I F )w a s c a 1 c u 1 砒e d b v n 0 d a l d i s p l a c e me n t i n t e I p 0 l a t i 0 n T h e c 0 l l a p s e l o a d w a s i n v e s t i g a t e d t h
7、 I D u g h t h e p l a s t i c y i e l d a n d c I la c k s t e a d y p r ( 】 p a g a t i o n c t e r i 0 n s Th e de f e c t a s s e s s me n t o n t h e s t I 1 J c t u r e a n d t h e s t y p r e d i c t i o n s we r e c a r r i e d 0 u t v i a a F AD 0 f S I NT AP p I o c e d u r e T h e r e s u
8、 l t s s h o w t h a t t h e u I _e a s v n t h e t i c r le a c t 0 r i s c u n e n t l v s wi t h a ma I gi n 0 f 0 2 02 6,i n t h e 6r s t 2 y e a r s i t i s s t i I l s a f e , a n d i n t h e s t a t e 0 f c r i t i c a l s a f le t v i n t h e 3t h y e a r ,a n d f a i l e d i n t h e 4t h y
9、e a r Ke y wO r d s : u r e a s y n t h e t i c r e a c t o r ; f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ; d e f _e c t a s s e s s me n t ; f a i l u r e a s s e s s me n t d i a g r a m; c o l l a D s e l o a d 尿素生产设备具有大型化、 复杂化及生产连续 温高压等特征。尿素合成塔作为尿素生产中最关键 化的特点, 工作介质又多具有易爆、 有毒或高( 低) 的设备之一, 其内部承受高温高
10、压, 安全非常重要 , 基金项目: 国家8 6 3 计划 2 【 】 ( ) 6 年度专题课题( 2 o o 6 A A 0 9 z 3 5 5 ) ; 中国石油天然气股份公司安保基金 4 3 尿素合成塔缺陷评定 V o l 2 6 N 0 3 2 0 o 9 一 次意外的停车会造成近百万元 的损失 , 若发生事 故损失更大 , 而缺 陷的存在是尿素合 成塔失效的一 个主要因素 , 因此进行缺陷评定是非常必要的。 尿素合成塔 的缺陷评定可 以按照 多种方法进 行 , 为同时考虑脆性破坏和极限失稳两种失效模式 , 文中采用失效评定图( F a il u r e A s s e s s m e n
11、 t D i a g r a m, 简称 F A D) 对尿素合成塔进行评定。通常情况 F A D 的评定参数( 比如应力强度因子和极限载荷) 都是 由公式计算得 到 J , 但这些公式是在一些简单模 型基础上建立的, 将这些公式直接应用于尿素合成 塔这样复杂结构的评定 中则可能带来较大的误差 , 而采用有限元仿真的方法则可以针对尿素合成塔这 一 特定结构建立模型进行分析, 对于需要重点分析 的缺陷区域进行精细模拟, 能够 大大提高计算准确 度。近年来, 有限元分析在工程设计和分析中得到 了越来越广泛的重视, 采用有限元分析技术对尿素 合成塔 进行 缺 陷评 定 成 为最 佳选 择。文 中采
12、用 F A D , 基于有限元分析技术对尿素合成塔进行缺陷 评定, 并根据裂纹的腐蚀扩展规律计算缺陷尺寸, 预 测其 l一 4年后的安全性 。 1 缺陷评定方法简介 欧洲委员会于 1 9 9 9年完成了“ 欧洲工业结构完 整性评定方法” , 简称 s I N T A P , 已于 2 O 0 0年发表并 形成了一个未来欧洲统一标准 的草稿 。由于英 国 R 6 、 P D 6 4 9 3 、 德 国 的 C K s s及 瑞 典 技 术 中心 都 是 s I N T A P 研究的核心成员, s I N T A P也是他们共同参 与研究后形成的共识 j , 且 目前基于“ 合于使用” 原 则的
13、含缺陷结构安全评定方法大多 以 s I N T A P为核 心基础 , 故文 中采用 s I N T A P对尿素合成塔进行缺 陷评定。 s I N T A P 采用失效评定图 F A D和裂纹推动力 c D F 两类分析方法, 这两类方法在形式上有所不 同, 但实质是一样的。2 0世纪 8 0年代 以来 , 随着 断 裂力学的发展 , 国际上逐步发展形成 了兼顾安全可 靠性和经济性的适用性评定方法, 多数采用 F A D技 术 , F A D的关键是 确定失 效评 定 曲线 ( F a i l u r e A s - s e s s m e n t c u r v e , 简称 F A c
14、) , s I N T A P评定方法共有 7个级别 , 分别对应不同的 F A c, 第 3级及其 以上级 别的失效评定曲线比较复杂 , 不便推广应用。在常 用的前 3个级别中, 第 0级 比第 1级和第 2级 曲线 趋于保守 , 这意味着在第 0级评定安全的缺陷在 以后级别 中也能满足安全要求。 对于无屈服平台的连续屈服材料 , s I N T A P第 0 级的 F A C方程可表示为 : = 1+( 1 5 0 ) 。 ( L , a x ) ( , 一 ) ( 1 a ) ( 1 b ) 式中L L 的容许极限 应力强度因子比, K = K , 裂纹尖端应力强度因子 材料断裂韧性 K
15、 L 载荷 比, L = P P P 外加载荷 尸 极限载荷 材料屈服应力 , M P a 由式 ( 1 a ) 和式 ( 1 b ) 作 出的 F A C如 图 1所示 , 横坐标为载荷比 , , 纵坐标为应力强度因子比 。 利用 F A D进行评定时 , 计算给定条件下的 和 , 值 并在图中作 出该点 , 若评定点 ( K r , , ) 落在 C内 侧 , 缺 陷被认 为是安全 的; 若 评定点 ( K , ) 落在 F A c外侧 , 则不安全 。另外 当 , K , 时 , 构件发生 脆性断裂 , 当 PP 时, 构件发生极 限载荷失效 , 这 两种情况可不采用 F A D进行评定
16、 , 直接判断构件失 效 。 图 1 失效评定图 ( A D ) 利用失效评定图不但可以确定含缺陷结构在一 定载荷作用下的安全状态, 还可以进一步分析其安 全系数与安全裕度 。如图 1中评定点 A点的状 态 , 其安全系数为 : s = D ( 2 ) 而安全裕度 则为 : 3 C; 6 加 )p 既 5 7 + + ( 0 , J C l I 【 = K 第 2 6卷第3期 压 力 容 器 总第 1 9 6期 M s =AB oA= F s一、 2 尿素合成塔缺陷评定 ( 3 ) 以某石化厂尿素合成塔 为评定对象 , 该设备的 设计压力为 l 6 MP a , 设 计温度为 1 9 1 ,
17、其结 构主 要 由顶盖 、 上下封头 、 简体、 筋板、 裙座 、 筛板 、 输液管 组成, 内径为2 8 m, 总长 3 6 1 m。其中筒体由9 个 筒节环焊而成 , 每个筒节总壁厚为 l 2 4 m m, 外层 由 9层 l 2 m m的钢板卷焊再经层板包扎而成 , 钢板材 料为 K T E N 6 2 M; 内层 为 6 mm的盲板和 1 0 mm的 内筒( 衬里) , 盲板材料为 l 6 Mn , 内筒处 于最里层 , 与 各 种 反 应 介 质 直 接 接 触 ,其 材 料 为 ) ( 2 C r MN 0 1 8 1 2 Mo D (对 应 中 国G B 型 号 为 0 0 c
18、r l 7 N i 1 3 Mo 2 N) , 具有 良好的耐腐蚀性 , 但强度不 高 , 屈服强度为 2 2 2 MP a , 极 限强度为 5 5 0 MP a _ g J , 内 筒作为尿素合成塔的重要组成部分之一, 当内筒存 在缺陷且评定不安全时, 应该立即停止作业, 并更换 新的内筒 , 因此 内筒穿透 可以作为尿素合成塔的一 种失效形式 。 该尿素合成塔于 1 9 9 7年 5月建成投产 , 目前已 服役 l 0余年, 厂家每年对整套设备进行检测, 对检 测到较大的缺陷则进行 维修 , 最新 的检测报告显示 内筒存在腐蚀凹坑 和平面缺陷 , 如 图 2所示。在所 有的腐蚀凹坑中,
19、最小壁厚为 8 8 m m( 完好结构为 l 0 m m) , 即最大腐蚀厚度为 1 2 m m; 最大平面缺陷 在长度方 向尺寸 为 4 0 m m, 深度方 向 H为 3 mm, 根据 G B T 1 9 6 2 4 2 o 0 4 在用含缺陷压力容器安全 评定 , 该缺陷可简化成一短半轴 o: 3 m m, 长半 轴 c = 2 0 mm的半椭圆表面裂纹进行分析。 图2 尿素合成塔内筒缺陷照片 采用 s I N T A P的评定曲线对尿素合成塔进行缺 陷评定时 , 由于材料 的断裂韧性 和外加载荷 P 已知 , 评定的关键是计算在给定载荷条件下裂 纹尖 端的应力强度因子 和结构的极 限载
20、荷 P , 这两个 参数均可以通过有限元方法求得。 采用有限元计算应力强度因子的基本方法是对 裂纹区域进行细化建模, 利用奇异单元模拟裂纹尖 端附近 的结构 , 通过离裂纹尖端最 近一对节点 的位 移插值求得裂尖应力强度因子。所谓奇异单元就是 由正常的二次等参单元修改而成, 在邻近尖端的边 上 , 将节点定义在离裂尖 l 4处 , 所得 的单元在角点 附近出现 r 级的应力奇异 , 能够很好地模拟裂纹 尖端 的应力场 。 含裂纹结构极限状态 的判断准则是整个结构进 入塑性极 限状态或裂纹发生失稳扩展 , 此时的作用 载荷 即为极限载荷 。裂 纹发生失稳扩展 可通过 K , ,c 判断, , 可
21、以通过有限元方法求得; 而结构 进入塑性极限状 态的判 断可 以通过 A N S Y S中非线 性 的大变形技术实现 , 即在 A N S Y S非线性选项中将 N L G E O M选项设为开启状态 , 当程序计算 不收敛时 即认为结构进入极 限状态_ l 。故采用有限元软件 A N s Y S求解含裂纹结 构 的极 限载荷 可按下面步骤 进行 : ( 1 )建立含裂纹结构的有限元模型, 打开非线 性大变形选项, 对模型逐步加大载荷进行计算 , 取程 序发散前一载荷子步所对应 的载荷为 P ( 2 )由含裂纹结构模型求得 P 对应的应力强 度因子 , , 若 K , , 则进行第 ( 3 )
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- 尿素 合成 缺陷 评定
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