基于偏保守原则的大型LNG子母罐的合于使用评价

李 勇，赵彦杰

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院周口分院，河南 周口 466000)

近年来，随着环保力度的不断加大，天然气因其排放少、污染小，被大力推广使用。我国天然气消费总量不断增长，2017年天然气消费量较上年增长了14.8%[1]。大型LNG低温液化天然气子母罐是一种常见的天然气储存设备，具有容量大、压力低、调峰效率高的特点，主要用于大中城市用气高峰期调峰，一般为立式圆筒形内外罐结构，外罐即母罐，为立式圆柱形弧顶常压设计，内罐即子罐，为立式圆柱形支腿式压力容器，子罐与母罐之间填充珠光砂并充氮气以保温绝热。

1 研究背景

某大型LNG低温液化天然气子母罐容积为1 750 m3，内有7个子罐，设计参数如表1所示。在对其首次定期检验中，发现其中一个放空汇管异径三通(φ159 mm×φ89 mm×5 mm，材质为06Cr19Ni10)表面有一处长约35 mm的裂纹，裂纹的位置在该三通变形量最大的圆弧部位。经表面渗透检测，裂纹部位外表面未发现其他缺陷，该异径三通裂纹规则化表征为平面缺陷。根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察》[2]的规定，对其采用GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》[3]简化评定方法进行合于使用评价，并把评定结果与理化检测数据进行对比分析。

表1 低温液化天然气子母罐设计参数Tab.1 Design parameters of cryogenic LNG sub mother tanks

2 合于使用评价参数

2.1 安全系数

针对该大型LNG天然气子母罐的使用情况，本次合于使用评价安全系数按严重失效后果假设，取值如表2所示。

表2 安全系数取值Tab.2 Value of safety factor

2.2 缺陷的表征

对该放空汇管异径三通裂纹进行合于使用评价时，基于保守原则按穿透性裂纹进行评定，表征为平面缺陷。对三通裂纹周围外表面进行渗透检测，未发现其他缺陷，其平面缺陷表征图见图1。

经现场测量，裂纹缺陷沿壳体表面方向的实测长度l为35 mm，最大深度h为4 mm，沿板厚方向的深度保守假设为穿透裂纹，异径三通材质为06Cr19Ni10，腐蚀裕量为0，评定用壳体计算厚度B为5 mm。

因为h(4 mm)>0.7B(3.5 mm)，所以可以规则化为长35 mm的穿透裂纹，如图2所示。

图1 异径三通裂纹表征图Fig.1 Crack characterization of reducing tee

图2 裂纹规则化示意图Fig.2 Regularization diagram of cracks

2.3 缺陷表征和等效裂纹

3 缺陷评定中所需应力的确定

3.1 应力的分解

该LNG低温液化天然气子母罐放空管异径三通主要受到内部低温液化天然气热膨胀引起的应力和内外壁温差引起的应力，热膨胀引起的应力为一次应力，温差引起的应力为二次应力[4]。

3.1.1一次应力(内侧)

裂纹沿厚度直线分布并经线性化处理，基于偏保守原则，其应力分解的薄膜应力分量σm和弯曲应力分量σB可分别由式(1)和式(2)确定：

(1)

(2)

该异径三通处一次薄膜应力pm和一次弯曲应力pb分别对应应力分解的薄膜应力分量σm和弯曲应力分量σB。

使用ANSYS有限元分析软件对该异径三通的受力情况进行分析，因其受内压作用沿厚度方向进行网格划分，在裂纹处施加沿壁厚方向的路径，其路径及应力分析结果见图3。

图3 ANSYS分析示意图Fig.3 ANSYS analysis diagram

经线性化处理后，得到裂纹分布在内外壁上的应力值σ1=82.46 MPa、σ2=66.78 MPa,由式(1)和式(2)可以得出经线性化处理后应力分解的薄膜应力分量σm和弯曲应力分量σB分别为σm=74.62 MPa、σB=7.84 MPa。因一次应力安全系数为1.25，所以该异径三通处一次薄膜应力pm=93.28 MPa、一次弯曲应力pb=9.8 MPa。

3.1.2二次应力(温差应力Qb)

该子母罐中子罐温度为-196 ℃、母罐温度为-19 ℃、内外壁温差Δt=177 ℃，奥氏体不锈钢的温差应力可由公式(3)确定：

Qb=1.8Δt。

(3)

由此，可得温差引起的二次应力Qb=318.6 MPa。

3.2 材料性能数据的确定

由于现场条件无法进行实际测量，基于偏保守原则，选用取代数据代替实测数据，使用条件下该异径三通的物理性能和力学性能如表3所示。

表3 异径三通的物理性能和力学性能Tab.3 Physical and mechanical properties of reducing tee

3.3 裂纹的简化评定

3.3.1总当量应力σ∑

基于偏保守原则，假设当量应力均匀分布在主应力平面上，总当量应力σ∑在简化评定下可由式(4)确定:

σ∑=σ∑1+σ∑2+σ∑3，

(4)

式中：σ∑1=Ktpm；σ∑2=Xbpb；σ∑3=XrQb。

该放空汇管异径三通为06Cr19Ni10奥氏体不锈钢无缝管件，裂纹位置在异径三通变形量最大的圆弧部位。 因此，在用合于使用评价简化评定方法计算母材表面裂纹总当量应力σ∑时，Kt、Xr分别选取I型裂纹的应力强度因子KI和Xr。 根据线弹性理论，通过有限元应用分析，得到垂直于裂纹面且沿着裂纹扩展方向(壁厚方向)的应力分布情况。 将应力分布用一个3次多项式函数进行拟合，然后根据拟合函数计算出I型裂纹的应力强度因子用于裂纹疲劳扩展分析，仅通过塑性修正因子考虑材料的塑性效应[5]。 在异径三通裂纹表征为穿透性裂纹的前提下，保守选取KI=1、Xb=0.5、Xr=0.6，由此可以得出总当量应力σ∑=259.3 MPa。

3.3.2抗拉强度和许用应力

根据放空汇管异径三通制造参数，抗拉强度σb为520 MPa，许用应力为137 MPa。

3.3.3平面应变断裂韧度JIc

06Cr19Ni10奥氏体不锈钢等线弹性材料裂纹顶端的力学分布状态一般用J积分来表征，其断裂韧度计算公式为J积分公式[6-8]：

(5)

式中：Γ是裂纹下表面任一点开始，按逆时针方向围绕裂纹尖端到裂纹上表面的积分路径；W为应变能密度因子；Ti是作用在Γ曲线上的应力矢量；ui是位移矢量的分量。

放空汇管异径三通裂纹为筒壳轴向裂纹，其膨胀效应系数Mg由式(6)确定：

(6)

由式(6)可得Mg=1.92。由于σ∑>σs>(σ∑1+σ∑2)，异径三通裂纹尖端张开位移由式(7)确定：

(7)

代入相应数据后可求出放空汇管异径三通裂纹尖端张开位移δ=0.25 mm。

(8)

3.3.5施加载荷与流变强度载荷的比值Sr

施加载荷与流变强度载荷的比值Sr由公式(9)得出：

(9)

载荷比Lr用公式(10)确定(含长2a轴向穿透裂纹的内压圆筒)：

(10)

3.3.6简化评定结论

图4 放空汇管异径三通裂纹失效评定图Fig.4 Failure assessment diagram of cracks on reducing tee of vent manifold

4 异径三通理化分析

4.1 表面与硬度检测

对该放空汇管异径三通切割后进行内外表面渗透检测，在其内侧表面又发现三处贯通性裂纹。经硬度检测，其布氏硬度检测值为230 N/mm2左右，超出GB/T 12459—2017《钢制对焊管件 类型与能数》[14]中06Cr19Ni10不锈钢硬度的限值190 N/mm2。另外经磁性检测，发现该三通具有较强的磁性，这与06Cr19Ni10奥氏体不锈钢无磁性或微弱磁性相违背[15-17]。

4.2 机械性能及化学成分检测

该放空汇管异径三通经某金属制品质量国家级检验中心进行机械性能及化学成分检测，其抗拉强度为790 MPa、屈服强度为620 MPa，远大于经固溶处理的06Cr19Ni10不锈钢强度值。另对其含碳量进行检测，检测值为0.089%，也符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》[18]中06Cr19Ni10钢材含碳量不大于0.08%的要求。

5 结论

(1)结合有限元分析，基于偏保守原则该异径三通合于使用评价结论为“不可接受”。该结论与采用非常规检验技术所得结论相符，表明了采用偏保守原则进行合于使用评价的正确性。

(2)对该LNG子母罐其他同批次管件全部进行检测，发现其表面质量、物理性能及化学成分等均不符合经固溶处理后06Cr19Ni10钢材的性能指标，为不合格产品。使用方对同批次三通管件全部进行更换，消除了事故隐患。

(3)按GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》的要求，在对压力容器进行合于使用评价时，需要对缺陷部位进行物理性能、机械性能和化学成分分析，以获取如屈服强度、CTOD断裂韧度、材料J积分断裂韧度等数据。LNG子母罐属于低温绝热类压力容器，开罐取样较为困难且费用较高，在实际使用中会有较多限制因素，所以应在规范标准中增加适用于此类压力容器合于使用评价的补充条款。