徐州焦化廠 15萬立米 1#濕式
氣柜 , 用于煤氣儲存 , 是徐州市用煤氣的主要儲罐之一。該氣柜由底座及五個塔組成 , 每塔底部均有一圈掛圈走臺 , 每個走臺上放有二十四個導輪。隨著
儲氣量的多少 , 各塔靠二十四個導輪沿導軌滑動實現自動升降。氣柜主要參數如下: 氣柜材料:A3鋼;: 容積: 150 000m3; 壁厚: 3mm;各塔高度: 10m;各塔平均直徑: 60m;氣柜全部開起時總體高度: 67m。見圖 1照片。
該
氣柜服役十余年后 , 發現掛圈走臺上導輪附件有裂紋 , 導致煤氣泄漏 , 為了進一步摸清氣柜的損壞程度 , 分析導致裂紋出現的原因及提供修復意見 , 我們對該氣柜進行了測試分析。該氣柜四塔掛圈走臺為受力最嚴重亦損壞最嚴重部位。為了搞清走臺殘余應力的分布情況 , 用 X射線法對導輪附件的較危險部位和其它典型部位進行了殘余應力的現場測試。同時為了弄清氣柜服役狀態時的應力水平 , 修復前用應變片法進行了氣柜升降時的工作應力測試 , 為進一步對比分析 , 于氣柜修復后又進行了工作應力測試。
2 殘余應力測試
2. 1 測試方法
本次測試采用 X射線法。
測試儀器為日本理學公司生產的PSF- 2M應力測試儀。
測試過程按國際 GB7704- 87“X射線應力測定方法”進行 , 測試前先將測點部位用粗砂紙進行打磨以去除銹層及污物 , 然后用細砂紙將表面打磨平整光滑 , 最后對表面進行電解拋光 , 消除由打磨造成的表層加工應力 , 此后即可開始用X射線儀進行逐點測試。
2. 2 測點布置
根據分析 , 掛圈走臺殘余應力主要來自焊接應力 , 而焊接應力又以導輪支座附件的應力集中部位為最嚴重 , 故測點主要選在導輪支座旁的焊縫附近。各測點的具體位置一般是: 到導輪支座邊緣的環向距離約為 ( 80- 120) mm, 至走臺外邊緣約為 ( 15- 30) mm, 見圖 2。同時選了少數測點在距導輪支座較遠處 (約 1. 5m )以作對比。測點大部分選在四塔 , 少部分選在三塔 , 測點總數為 28點 , 測點布置總圖見圖 3。
2. 3 測試結果及分析
對每個測點都測試了兩個方向的應力 , 即環向應力 ex及徑向應力 ey, 測試總結果見表1。 對測試結果分析討論如下:
1) 殘余應力在掛圈走臺不同部位的分布極不均勻 , 有的部位很大 , 有的部位很小 , 最大殘余應力為 147MPa, 約為 0. 6es, 這表明焊接殘余應力水平是較高的。 由金相復型結果得知, 這主要是焊接時溫度過高而冷卻較快所至。
2) 對出現裂紋較多的 5- 9, 5-10, 5- 11等部位 ( 5- 9, 5- 10, 5-11, 指氣柜 4塔掛圈走臺上 9, 10, 11號導輪 ) , 其殘余應力也較大。例如在5- 9穿透裂紋附近 , 最大殘余應力高達 140MPa及 147MPa(測點 7. 2, 7.3,見圖 4)。 即使在距導輪支座較遠如測點 8. 4, 8. 5,其殘余應力也高達144M Pa及 132M Pa。 而在未出現裂紋處如 5- 6導輪支座附近的測點 4. 1及 4. 2, 其殘余應力較小 ,僅為 36MPa。這說明 , 殘余應力是助長裂紋生成和擴展的重要因素。
3) 對三塔 , 選測了三處。 兩個導輪支座附近 ( 4- 7, 4- 10) (指氣柜 3塔掛圈走臺 7, 10號導輪 ) , 殘余應力也偏大 , 為 116, 113, 134M Pa;一個遠離導輪支座處 ( 4- 21) , 測點 1. 1及 1. 2, 應力也稍大 , 為 97MPa及 42MPa , 殘余應力狀況同四塔相近。
3 工作應力測試
3. 1 測試方法
采用電阻應變片法進行工作應力的現場測試。測試儀器為日本共和電業生產的U CAM- 10A 數據采集器。
本次現場測試由于氣柜的體積較大 , 故由應變片至測試儀器之間的導線距離較長 , 一般在 50- 70m之間。為保證測量精度 , 進行了計及導線阻值的長導線修正。公式如下:
另外 , 考慮到氣柜各區溫度的差異及導線長度的不同 , 采用分區設置溫度補償片 , 各區分別進行補償的方法。
3. 2 測點布置
考慮到導輪支座部位承力情況復雜 , 應力可能較大 , 測點布置主要選在導輪支座附近 ,也有少數測點選在距導輪支座較遠的一般位置 , 以做對比。
修復前共選測點 24處 , 有效測點 19處 (四塔 15處 , 三塔 4處 ); 修復后共選測點 15處 ,有效測點 14處 (全部在四塔 )。每次測點測定 2個方向應變 , 即環向及徑向。導輪支座附近的測點位置為: 到導輪支座邊緣的環向距離約為 5mm, 到走臺外邊緣的徑向距離約為 25mm,四塔修復前后測點總體布置見圖 5、 圖 6。
3. 3 測試結果及分析
測試時以皮尺長度度量氣柜升起高度。在氣柜升起不同高度時記錄相應的應力值。典型測點 ( 5- 18右 )的應力 - 高度曲線見圖 7。對應氣柜升起至最大高度時 (將最后的一塔掛起時 )四塔各測點的最大應力值總和表示在圖 5、圖 6上。
主要采取內壁增加加強筋等措施進行修復?，F在主要根據四塔測試結果 (圖 5及圖 6)進行分析和討論。修復前后應力狀態的比較如下:
( 1) 修復前 (圖 5) ,沿掛圈走臺各測點的應力數值分配極不均勻 , 從總體看 , 氣柜一側應力較大 , 另一側則應力較小 , 表明氣柜升起時有較嚴重的側偏現象。修復后 (圖 6) , 各測點應力分配不均勻現象有顯著好轉 , 基本達到等強度 , 側偏現象也有好轉。
( 2) 導輪附近部位工作應力數值特大 , 最大應力值高達 - 980MPa( 5- 18左右 ) (實際上此數值僅為表觀應力值 , 因為此值系按線彈性虎克定律由應變值計算來; 實際上此時應力已超過材料屈服極限 (約 240MPa) , 真正應力值沒有這樣大 , 但已發生顯著的塑性變形。此值愈大 , 表示塑性變形愈大 )。 本次現場測點所在部位為外表面 , 主要承受徑向彎曲壓應力 , 而其內表面則受彎曲拉應力。在內表面處無加強筋時 , 內表面的拉應力與外表面的壓應力數值相等 , - 980M Pa,可見掛圈走臺導輪支座附近的應力狀態極為嚴重。修復后 , 測點布置在導輪附近為 11處 , 距導輪較遠的一般位置為 3處。測試結果表明 , 導輪支座附近同距導輪支座較遠的一般位置 , 其應力基本無差別 (見圖 5)?？梢?, 經修復后 , 掛圈走臺強度基本達到一致。
( 3) 修復后徑向彎曲應力 (垂直焊縫方向 )明顯減小。 最大表觀應力由修復前的 -980M Pa降至修復后的 - 50M Pa。 而且由于走臺下表面內添置了加強筋 , 內表面所受徑向拉應力也不會大于外表面的徑向壓應力。因此 , 發生環向疲勞裂紋的可能性將較修復前有顯著降低。正是由于走臺徑向彎曲剛度增大 , 相對地環向彎曲剛度變弱 , 因此表面環向拉應力由200M Pa(測點 5- 10, 5- 14)增至 330M Pa(測點 5- 16)。即發生徑向疲勞裂紋的可能性稍有增加。加之 , 氣柜整體側偏現象仍未完全消除 , 最大環向拉應力還有可能更大。因此 , 建議氣柜使用時繼續保持定期巡查 , 注意裂紋萌生及擴展。 氣柜升降工作時 , 掛圈走臺的應力狀態相當于塑性應變疲勞 , 氣柜每升降一次 , 即發生一次疲勞循環過程。循環次數積累至一定數量時 , 即生成疲勞裂紋。這種裂紋大多由內表面的受拉部位起始 , 向外表面擴展 , 再經若干循環 , 最終導致裂紋向外表面穿透。
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