【摘 要】压力容器常采用的设计标准，一般都以静载荷为基础进行设计的，认为压力容器中所受的载荷不随时间而变化。但实际上压力容器经常在交变载荷作用下进行运转的，例如周期性的外加载荷和温度，介质通过设备而产生的振动等。因此在设计、制造、使用、检验等各环节中都要对锅炉、压力容器的机械疲劳破坏给予足够的重视。文中对一台反应容器的裂纹缺陷采用机械疲劳的观点和方法分析缺陷产生的原因，并对该缺陷提出缺陷修复的方案。
【关键词】压力容器；搅拌处角；焊缝缺陷
1 机械疲劳的理论基础及破坏特征
机械疲劳是指在循环机械载荷作用下，材料、零件或构件在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹的过程。经一定循环次数后，裂纹不断扩展，可能导致突然完全断裂。机械疲劳可分为三个阶段：微观起裂阶段、宏观裂纹扩展阶段、瞬时断裂阶段。
机械疲劳通常起始于周期载荷下几何形状不连续处的表面，构件设计时几何形状的选择具有较大的影响，易致机械疲劳的常见几何形状不连续处有槽口、开孔、未修磨的焊接接头、缺陷、错边、腐蚀坑等。材料内部存在冶金和显微结构的不连续，典型情况有金属夹杂物、锻造缺陷、修磨后的焊接接头、工卡具划痕、机械磨损划痕和机械加工刀痕等位置，易产生机械疲劳损伤。碳钢、低合金钢和钛材在应力极限以下服役不会发生疲劳开裂；奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、铝和多数其它非铁基合金没有应力极限，不管应力振幅的大小，在循环机械载荷作用下均可发生疲劳损伤。热处理可改善冶金和显微结构不连续，降低机械疲劳损伤的敏感性。循环次数越大，疲劳损伤致失效可能性越高。
所有金属材料都会出现机械疲劳现象。机械疲劳容易出现在以下部位：减压阀、流量调节阀附近的和管道、离心泵和压缩机的转轴、出口和入口的管道以及其他可能引起共振的管道。机械疲劳的同时还会伴随有振动疲劳。
2 实例分析——设备的概况及相关参数
某化工厂数台反应容器，壳程/夹套设计压力为1.30/0.60MPa，壳程/夹套设计温度为170/250℃，壳程/夹套操作压力小于0.70/0.50MPa，壳程/夹套操作温度小于100/230℃，容器内径为3600mm，主体材质为1Cr18Ni9Ti，封头实测厚度为26.6mm，壳程/夹套介质为苯乙烯、戊烷/过热蒸汽，容积为45m3，设计、制造规范为GB150—89《钢制压力容器》、《压力容器安全技术检查规程》，2005年12月制造，2009年05月投人使用。该反应器结构：简体为圆筒、两端为椭圆形封头，壳程外部为外盘管，反应器为耳式支座。焊接接头系数1.0，腐蚀裕量为0mm，材料屈服强度σs=200MP。
3 设备产生焊缝缺陷的分析
角焊缝附近施焊位置的特殊性容易造成明显的应力集中情况，并且该类设备在工作时，搅拌棒不断的转动，使得该处焊缝容易产生疲劳裂纹的倾向。因此检验人员对该处焊缝做了重点检查，在对焊缝表面清理后，对该焊缝做了目视检查，焊缝局部焊瘤较多，在着色渗透检验后发现有10～18mm长条形裂纹缺陷。缺陷起源于焊缝处，缺陷取向与焊缝纵向几乎平行，缺陷显示呈直线状细线条痕迹，中间稍宽，两端尖细而颜色（或亮度）逐渐减淡至最后消失。在确定了缺陷的性质和位置后，检验人员按照返修处理方案，与企业相关人员协商后，决定采用第5条的要求进行打磨去除该缺陷。
4 凹坑计算
依据《压力容器定期检验规则》第四十条的相关内容，裂纹打磨后形成的凹坑深度如果在壁厚余量允许的范围内，则该凹坑允许存在。否则，将凹坑按其外接矩形规则化为长轴长度、短轴长度及深度，计算无量纲参数G0，如果G0<0.10，则该凹坑在允许范围内。
在满足进行无量纲参数G0凹坑计算的条件下，已知T为该缺陷经打磨处理后凹坑所在部位容器的壁厚取实测壁厚减去至下次检验期的腐蚀量为15mm；凹坑深度C=6mm；容器的平均半径为3600mm；凹坑的半长A=10mm≤1.4（RT）1/2=376mm；因为C=6>1/3T，不满足《压力容器定期检验规则》第四十条的相关规定，因此应对该缺陷进行返修补焊处理。
5 返修处理方案
1）对该缺陷焊缝进行打磨消除，并修磨圆滑过渡。
2）将待焊15mm范围内清理干净，使之露出金属光泽。
3）选用A132焊条，手工电弧焊直流反接。
4）采用局部预热来防止裂纹（预热范围以焊缝两侧100～200mm为宜）预热温度≥200℃，且需加热均匀。
5）控制层间温度为200～300℃，以便使扩散氢溢出，收弧时填满弧坑。
6 补焊处理
1）焊前准备
施焊前应按NB/T 47014—2011进行焊接工艺评定。施焊前清理裂纹所形成的沟槽及其母材表面30 mm范围内，应清除氧化物，油污、磨削残留的金属屑。清除裂纹所形成的沟槽表面不得有分层、夹杂等缺陷。出现风速大于10 m/s，相对湿度大于90%、雨雪环境，不得施焊。
2）施焊
施焊过程的电流、电压、焊速等应严格按焊接工艺规程，焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和飞溅物，焊缝两侧不得有咬边。焊后焊缝表面打磨至与母材圆滑过渡，焊接工艺评定、焊接工艺规程、施焊记录及焊工标记等应保留。
3）热处理
为改善补焊焊缝及其热影响区材料的力学性能，进行消除焊接应力局部热处理。根据图样要求制定局部热处理工艺。焊缝两侧加热宽度不小于48mm，采用热处理片进行局部热处理，靠近加热区的部位采取保温措施，使温度梯度不影响材料的组织性能。局部热处理将补焊部位在3h内加热至600℃，保温5h后，自然冷却至常温。应将热处理时间与温度曲线自动记录保留。
7 无损检测
补焊处理后经宏观检查合格后，应进行表面无损检测工作，检测选用标准JB/T4730—2010《承压设备无损检测》
8 耐压试验
8.1 应力校核
试验压力PT=1.625MPa，筒体/封头实测有效厚度δe 为21.2/25.0mm，筒体试验应力σT为：
σT =■=138.8MPa
材料屈服强度200MPa，校核条件0.9σsΦ=180MPa，σT<0.9σsΦ，筒体满足要求。
8.2 耐压试验工艺
试验介质采用水，试验压力P =1.625MPa，试介质温度大于5℃.充水时，用罐体顶部的管口将罐内空气排净。补焊部位外表面保持干燥，以便观察。试验时应缓慢升压到试验压力，保压30min，然后降至试验压力的80%，再保压30min.对补焊焊缝及其热影响区进行检查，不得有渗漏、变形和异常响声。水压试验后，将罐内水排净，用压缩空气将罐内吹干。该反应罐投入使用前应进行气密性试验，试验压力为0.8MPa。
9 机械疲劳的预防
为了预防机械疲劳的产生，可以采用以下措施：
1）优化设计：避免结构不连续，并最大限度减少应力集中；
2）选材：设计选材时考虑循环机械载荷的作用，并给定设计疲劳寿命；
3）表面粗糙度：降低表面粗糙度，避免工卡具划痕或刀痕成为疲劳源；
4）冶金和显微结构：采用合理的热处理工艺和焊接工艺等减少材料内部冶金和显微结构不连续，并减少焊接等过程产生的缺陷成为起裂源；
5）钢印：使用低硬度钢印或采用其他不打钢印的标记方式。
【参考文献】
[1]压力容器安全技术监察规程[S].
[2]TSGR7001-2004.压力容器定期检验规程[S].
[3]NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定[S].
[4]JB/T4730-2005承压设备无损检测[S].
[责任编辑：刘帅]