CN109596709A - 一种固定式压力容器的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定式压力容器的检测方法，首先，通过计算该压力容器理论上的最薄允许壁厚D₁，用测厚仪对该固定式压力容器进行测厚，并计算容器的平均实际壁厚D₂，比较平均实际壁厚D₂与最薄允许壁厚D₁，判断容器的安全情况，如果安全，则进一步用超声波测量法对压力容器进行全壁面扫描，确定存在的缺陷，对所有缺陷进行定位并进行标记；对存在缺陷的位置进行超声波时差衍射检测，获取缺陷的长度和高度，并根据缺陷的长度和高度进行模拟尺寸的计算，筛选出模拟尺寸最大的裂纹，记为对缺陷的最大模拟尺寸D₃与平均实际壁厚D₂进行比较，对于安全的容器，进一步通过Paris公式进行裂纹扩展速率与剩余寿命的预测，该方法为预测固定式压力容器的安全性能，防止泄露或爆炸事故的发生提供重要依据。

Description

一种固定式压力容器的检测方法

技术领域

本发明涉及一种压力容器的检测方法，更具体地，涉及一种固定式压力容器的无损检测方 法。

背景技术

压力容器是一种具有爆炸危险的特种承压设备，常用来存储易燃易爆有毒的液体、气体等， 一旦发生爆炸或者泄露，后果极其严重。近年来，伴随我国现代工业不断的发展，已经对压 力容器产品质量以及结构安全、使用的可靠性等提出了更加严格的要求，固定式压力容器的 安全可靠性评判显得尤为重要。固定式压力容器在应用期间，在温度、介质、压力等因素的 影响下，会逐渐出现各种损伤，极易出现应力集中问题，而导致该问题产生的原因在于，其 内部接管与封头等结构体焊缝内存在着一定的残余应力，并且有不连续性等情况，这便导致 出现应力集中的情况。通常在应力集中的部位，温度以及介质等压力共同作用之下，会出现 损伤疲劳、开裂腐蚀等情况，这致使压力容器的使用性能大幅度下降。为此，国家特点制定 了《固定式压力容器安全技术检查规程》，用来对固定式压力容器进行标准化检测。

现有的关于压力容器的无损检测方法，主要由TOFD衍射时差法超声检测技术、声发射检测、 射线检测和磁粉检测法。这些方法都是针对压力容器的某个部位进行检测，或者对裂纹的区 域进行检测，但定性及定量的数据都不够准确。例如CN102539533A中，利用TOFD法对大型螺 旋壳体焊缝进行了检测，利用TOFD与RT、UT对比试验来进行焊缝的检测；CN103868985B公开 了一种在役压力容器缺陷量化综合安全评判方法，采用磁记忆的检测结果，进行了失效评定 曲线方程的模拟，对在役压力容器进行综合性安全评判。CN105259180B公开了一种含纵向内 裂纹缺陷压力容器裂纹扩展情况监测系统，通过传感器测量应力应变，计算应力强度和断裂 韧性，来进行比较，得到裂纹的扩展情况。这些现有技术，都不能快速地对固定式压力容器 的缺陷进行判断，且不能更进一步的给出具体详细的综合判断准则。

发明内容

本发明要解决的计算问题在于克服上述缺陷，提供一种综合性的对固定式压力容器进行检 测的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种固定式压力容器的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：测量所述压力容器的内径R、压力容器器壁材料在使用温度下允许应力幅值以 及压力容器的焊缝系数α，用公式(1)计算该压力容器理论上的最薄允许壁厚：

式中，D₁表示压力容器理论上的最薄允许壁厚，P为压力容器的最大承压力；

步骤2：用测厚仪对该固定式压力容器进行测厚，并计算容器的平均实际壁厚D₂，比较平 均实际壁厚D₂与最薄允许壁厚D₁，如果D₁≥0.8D₂,则可以判断该压力容器处于泄露或爆炸危 险中；如果D₁＜0.8D₂，则进入步骤3进行进一步检测；

步骤3：用超声波测量法对压力容器进行全壁面扫描，确定存在的缺陷，对所有缺陷进行 定位并进行标记；

步骤4：对存在缺陷的位置进行超声波时差衍射检测，获取缺陷的长度和高度，并根据缺 陷的长度和高度进行模拟尺寸的计算，得到缺陷的模拟尺寸；筛选出其中模拟尺寸最大的裂 纹，其模拟尺寸记为D₃；

步骤5，对缺陷的最大模拟尺寸D₃与平均实际壁厚D₂进行比较，如果D₃≥0.75D₂，则可以 判断该压力容器处于泄露或爆炸危险中；如果D₃＜0.75D₂，则进行步骤6的进一步检测；

步骤6：测量容器壁材质的弹性模量、泊松比、屈服强度，对压力容器注入预订压力为p 的流体，进行高周裂纹扩展试验，此时，压力容器内部壁面的轴向应力和环向应力可用公式 (2)和公式(3)表示为：

σ₁＝pR/4D₂ (2)

σ₂＝pR/2D₂ (3)

式中，σ₁表示轴向应力，σ₂表示环向应力；

根据容器壁材质的弹性模量、泊松比、屈服强度、轴向应力和环向应力计算缺陷裂纹的应 力强度因子K；

步骤7：利用Paris公式计算缺陷裂纹的扩展速率，具体公式为：

式中，a表示裂纹模拟尺寸，N表示应力循环次数，表示裂纹扩展速率，C、n为材料常数， A为温度系数；

步骤8，根据步骤5中的判断，裂纹模拟尺寸达到0.75D₂时，可以判断裂纹失效，有泄露或 者爆炸的危险，因此，将公式(4)积分，得到缺陷裂纹的寿命预测公式(5)：

式中，a₀是步骤4中得到的最大缺陷裂纹模拟尺寸的初始值，

由此判断该固定式压力容器的剩余寿命。

优选地，在步骤3中，超声波扫描时，重点扫描焊缝、容器弯角、连接处等位置。

优选地，步骤4中缺陷裂纹长度通过以下方式获得：

通过TOFD的D扫查来检测裂纹长度，通过公式(6)进行计算：

式中，l为缺陷裂纹的长度，ΔT为TOFD中直通波与裂纹的衍射波的时差，c为超声波在容 器壁中的传播速度，S为探头中心距离的一半。

优选地，步骤4中缺陷裂纹的高度通过以下方式获得：

通过TOFD的D扫查来检测裂纹高度，通过公式(7)进行计算：

式中，h表示缺陷裂纹的高度，t是缺陷上尖端衍射波的到达时间，Δt为TOFD中上下尖端衍 射波的时差，c为超声波在容器壁中的传播速度，s为探头中心间距。

优选地，步骤4中，缺陷的模拟尺寸通过公式(8)来计算：

式中，e为裂纹中心偏离容器壁厚中心的偏心距，D₂为步骤2中计算得到的容器的平均实际 壁厚。

优选地，步骤6中注入的流体为固定式压力容器中存储的气体或液体。

优选的，所述气体为天然气，液体为汽油等。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

首先，判断压力容器是否损坏步骤简洁，并不是简单的利用Paris直接进行裂纹寿命的预 测，而是通过理论最薄壁厚与平均实际壁厚的对比关系先对压力容器进行初步的判断，得到 压力容器是否处于危险的判断；然后，利用平均实际壁厚与最大缺陷模拟尺寸进行对比，再 对实际壁厚较厚的压力容器进行安全判定，最后才对处于安全的压力容器进行裂纹剩余寿命 的预测。这种逐步检测、判断的检测方法，节省了检测成本与时间，更为直观、全面地对固 定式压力容器进行安全检测，也更为方便的对其承压能力、泄露能力和安全性能进行全方位 的判断。

本发明的检测方法，相对于单一的磁粉、射线和超声时差衍射等方法，做了更为综合的判 断，且并未使用单一的缺陷裂纹的高度或长度，而是进行了模拟尺寸的计算，更为准确地反 应裂纹尺寸与壁厚的关系。同时，也为剩余寿命的预测提供了更为准确的计算方式。

附图说明

图1是本发明的一种固定式压力容器的检测方法的

具体实施方式

实施例1

对一材质为16MnR钢的石油储罐，其直径为7m，测量的实际平均壁厚为30mm，该钢的屈服 强度为345MPa，弹性模量为2.08MPa，泊松比为0.3，对该储罐进行检测，具体步骤如下：

测量所述压力容器的内径R、压力容器器壁材料在使用温度下允许应力幅值以及压力容 器的焊缝系数α，用公式(1)计算该压力容器理论上的最薄允许壁厚：

式中，D₁表示压力容器理论上的最薄允许壁厚，P为压力容器的最大承压力；

代入相关参数，得到最薄允许壁厚为20.6mm，由于20.6mm＜0.8*30mm，因此，进入步 骤3，用超声波测量法对压力容器进行全壁面扫描，确定存在的缺陷，对所有缺陷进行定位 并进行标记；

步骤4：对存在缺陷的位置进行超声波时差衍射检测，获取缺陷的长度和高度，并根据缺 陷的长度和高度进行模拟尺寸的计算，得到缺陷的模拟尺寸；筛选出其中模拟尺寸最大的裂 纹，其模拟尺寸记为D₃；具体的计算方法为：

通过TOFD的D扫查来检测裂纹长度，通过公式(6)进行计算：

式中，l为缺陷裂纹的长度，ΔT为TOFD中直通波与裂纹的衍射波的时差，c为超声波在容 器壁中的传播速度，S为探头中心距离的一半。

缺陷裂纹的高度通过以下方式获得：

通过TOFD的D扫查来检测裂纹高度，通过公式(7)进行计算：

式中，h表示缺陷裂纹的高度，t是缺陷上尖端衍射波的到达时间，Δt为TOFD中上下尖端衍 射波的时差，c为超声波在容器壁中的传播速度，s为探头中心间距。

缺陷的模拟尺寸通过公式(8)来计算：

式中，e为裂纹中心偏离容器壁厚中心的偏心距，D₂为步骤2中计算得到的容器的平均实际 壁厚，由此，经过对焊缝中裂纹的检测，测得最大缺陷的模拟尺寸为7.365mm，其小于 0.75*30mm，然后根据容器壁材质的弹性模量、泊松比、屈服强度，对压力容器注入预订压力 为p的流体，进行高周裂纹扩展试验，此时，压力容器内部壁面的轴向应力和环向应力可用公 式(2)和公式(3)表示为：

σ₁＝pK/4D₂ (2)

σ₂＝pK/2D₂ (3)

式中，σ₁表示轴向应力，σ₂表示环向应力；

根据容器壁材质的弹性模量、泊松比、屈服强度、轴向应力和环向应力计算缺陷裂纹的应 力强度因子K；

然后，利用Paris公式计算缺陷裂纹的扩展速率，具体公式为：

式中，a表示裂纹模拟尺寸，N表示应力循环次数，表示裂纹扩展速率，C、n为材料常数， A为温度系数；

最后根据步骤5中的判断，裂纹模拟尺寸达到0.75D₂时，可以判断裂纹失效，有泄露或者 爆炸的危险，因此，将公式(4)积分，得到缺陷裂纹的寿命预测公式(5)：

式中，a₀是步骤4中得到的最大缺陷裂纹模拟尺寸的初始值，

由此判断该固定式压力容器的剩余寿命。

最终，通过计算，得到N为15734次，即该石油储罐还可以进行预订压力、温度下的注油15734 次，从而其最大裂纹会扩展到22.5mm，这是，该储罐处于泄露的奉献中，应对该储罐进行维 修或退役。

同时，在后续的利用相同方法检测时，如果由于腐蚀等原因，使得罐体壁厚小于24mm或者 最大裂纹的模拟尺寸高于实际壁厚的0.75倍，都应该对该储罐进行维修或者退役，以防止事 故的发生。

上面的具体描述仅是对本发明的优选实施例的描述，并不是用来限制本发明。本领域技术 人员在阅读本发明后能够意识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改进和改 变。本发明的范围由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种固定式压力容器的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：测量所述压力容器的内径R、压力容器器壁材料在使用温度下允许应力幅值以及压力容器的焊缝系数α，用公式(1)计算该压力容器理论上的最薄允许壁厚：

式中，D₁表示压力容器理论上的最薄允许壁厚，P为压力容器的最大承压力；

步骤2：用测厚仪对该固定式压力容器进行测厚，并计算容器的平均实际壁厚D₂，比较平均实际壁厚D₂与最薄允许壁厚D₁，如果D₁≥0.8D₂,则可以判断该压力容器处于泄露或爆炸危险中；如果D₁＜0.8D₂，则进入步骤3进行进一步检测；

步骤3：用超声波测量法对压力容器进行全壁面扫描，确定存在的缺陷，对所有缺陷进行定位并进行标记；

步骤4：对存在缺陷的位置进行超声波时差衍射检测，获取缺陷的长度和高度，并根据缺陷的长度和高度进行模拟尺寸的计算，得到缺陷的模拟尺寸；筛选出其中模拟尺寸最大的裂纹，其模拟尺寸记为D₃；

步骤5，对缺陷的最大模拟尺寸D₃与平均实际壁厚D₂进行比较，如果D₃≥0.75D₂，则可以判断该压力容器处于泄露或爆炸危险中；如果D₃＜0.75D₂，则进行步骤6的进一步检测；

步骤6：测量容器壁材质的弹性模量、泊松比、屈服强度，对压力容器注入预订压力为p的流体，进行高周裂纹扩展试验，此时，压力容器内部壁面的轴向应力和环向应力可用公式(2)和公式(3)表示为：

σ₁＝pR/4D₂ (2)

σ₂＝pR/2D₂ (3)

式中，σ₁表示轴向应力，σ₂表示环向应力；

根据容器壁材质的弹性模量、泊松比、屈服强度、轴向应力和环向应力计算缺陷裂纹的应力强度因子K；

步骤7：利用Paris公式计算缺陷裂纹的扩展速率，具体公式为：

式中，a表示裂纹模拟尺寸，N表示应力循环次数，表示裂纹扩展速率，C、n为材料常数，A为温度系数；

步骤8，根据步骤5中的判断，裂纹模拟尺寸达到0.75D₂时，可以判断裂纹失效，有泄露或者爆炸的危险，因此，将公式(4)积分，得到缺陷裂纹的寿命预测公式(5)：

式中，a₀是步骤4中得到的最大缺陷裂纹模拟尺寸的初始值，

由此计算得到该固定式压力容器的剩余寿命。

2.如权利要求1所述的一种固定式压力容器的检测方法，在步骤3中，超声波扫描时，重点扫描焊缝、容器弯角、连接处等位置。

3.如权利要求1所述的一种固定式压力容器的检测方法，步骤4中缺陷裂纹长度通过以下方式获得：

通过TOFD的D扫查来检测裂纹长度，通过公式(6)进行计算：

式中，l为缺陷裂纹的长度，ΔT为TOFD中直通波与裂纹的衍射波的时差，c为超声波在容器壁中的传播速度，S为探头中心距离的一半。

4.如权利要求3所述的一种固定式压力容器的检测方法，步骤4中缺陷裂纹的高度通过以下方式获得：

通过TOFD的D扫查来检测裂纹高度，通过公式(7)进行计算：

式中，h表示缺陷裂纹的高度，t是缺陷上尖端衍射波的到达时间，Δt为TOFD中上下尖端衍射波的时差，c为超声波在容器壁中的传播速度，s为探头中心间距。

5.如权利要求4所述的一种固定式压力容器的检测方法，步骤4中，缺陷的模拟尺寸通过公式(8)来计算：

式中，e为裂纹中心偏离容器壁厚中心的偏心距，D₂为步骤2中计算得到的容器的平均实际壁厚。

6.如权利要求1所述的一种固定式压力容器的检测方法，步骤6中注入的流体为固定式压力容器中存储的气体或液体，优选的，所述气体为天然气，液体为汽油等。