杜付軍 ， 韓志威 ， 姜鳳銀

(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州 450018)

關(guān)于壓力容器耐壓試驗(yàn)壓力的探討

杜付軍 ， 韓志威 ， 姜鳳銀

(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州 450018)

針對壓力容器耐壓試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)壓力合理取值以及校核耐壓試驗(yàn)時(shí)各主要受壓元件強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)行了分析討論，最終總結(jié)得出耐壓試驗(yàn)前除校核殼體最大總體薄膜應(yīng)力外，其他受壓元件也需通過不同的方法進(jìn)行強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的校核。

壓力容器 ； 耐壓試驗(yàn) ； 試驗(yàn)壓力 ； 應(yīng)力校核

0 引言

壓力容器制成投入使用(或檢修后再使用)前都應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。它是對壓力容器出廠前的一種驗(yàn)證性綜合檢查，用以確保設(shè)備能長久安全運(yùn)行。但在具體操作時(shí)，涉及到水壓試驗(yàn)壓力的合理取值，以及如何驗(yàn)證所取試驗(yàn)壓力是否能對所有受壓元件達(dá)到耐壓試驗(yàn)?zāi)康?，?biāo)準(zhǔn)中都沒有統(tǒng)一定論。本文通過實(shí)例對水壓試驗(yàn)取值及校核進(jìn)行探討。

1 耐壓試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

耐壓試驗(yàn)，是使用高于設(shè)計(jì)壓力的試驗(yàn)介質(zhì)對壓力容器進(jìn)行的充壓試驗(yàn)，其作用是檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度、焊接部位組織的嚴(yán)密性及密封元件的剛度。也是對設(shè)計(jì)、材料、制造等方面的綜合考察。同時(shí)，耐壓試驗(yàn)還可以消除制造上的形狀誤差，緩解應(yīng)力集中，提高壓力容器的疲勞壽命。所以，耐壓試驗(yàn)是保證設(shè)備安全性的重要措施，對檢驗(yàn)設(shè)備的材料性能和焊接性能具有重要意義。

2 水壓試驗(yàn)壓力取值

因國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有對壓力容器水壓試驗(yàn)壓力取值做詳細(xì)的規(guī)定和限制，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)和試驗(yàn)操作過程中，業(yè)內(nèi)都根據(jù)自己的考慮和經(jīng)驗(yàn)選取試驗(yàn)壓力數(shù)值。以一臺(tái)U形管式換熱器為例詳細(xì)說明。管殼介質(zhì)工況如表1所示。

表1 管殼程介質(zhì)工況

各受壓元件按GB 150.1-2011[1]第4.6.2.2內(nèi)壓容器液壓試驗(yàn)壓力計(jì)算公式

pT=1.25p[σ]/[σ]t

式中：pT，試驗(yàn)壓力最低值，MPa；p，設(shè)計(jì)壓力，MPa；[σ]，容器元件材料在耐壓試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；[σ]t，容器元件材料在設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

得水壓試驗(yàn)壓力pT如下：殼程受壓元件，3.21板材，20管材3.66，20鍛件3.87，16Mn設(shè)備法蘭3.76，35CrMoA螺栓3.14；管程受壓元件，板材6.23，不銹鋼管材7.08；不銹鋼鍛件6.08，16Mn+SS堆焊設(shè)備法蘭6.60，35CrMoA螺栓6.66。

由于管板接觸兩側(cè)介質(zhì)，為檢查換熱管與管板連接的致密性，按苛刻工況(設(shè)計(jì)壓力4.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度300 ℃)得到管板水壓試驗(yàn)壓力8.32 MPa。按照GB150.1-2011第4.6.2.2注2規(guī)定，則殼程和管程水壓試驗(yàn)壓力分別取3.14 MPa和6.08 MPa[1]。此時(shí)殼程水壓試驗(yàn)壓力對螺栓起到了經(jīng)受1.25p[σ]/[σ]t的考驗(yàn)，而對其他元件，如20鍛件僅受到1.01p[σ]/[σ]t的考驗(yàn)，管板更是達(dá)不到0.5p[σ]/[σ]t的考驗(yàn)。

綜上，除殼程螺栓及管程不銹鋼鍛件外，其他主要受壓元件都無法達(dá)到水壓試驗(yàn)的考驗(yàn)?zāi)康?，從而就失去了壓力試?yàn)的本意。

雖然，通常螺柱的金屬溫度比殼體金屬溫度低很多，直接取殼體的設(shè)計(jì)溫度作為螺柱的設(shè)計(jì)溫度是偏保守的。但本例即便不取緊固件試驗(yàn)壓力，根據(jù)GB150取較小值也仍無法校核其他受壓元件。

所以，筆者認(rèn)為GB150.1-2011第4.6.2.2條注2：“容器各主要受壓元件，如圓筒、封頭、接管、設(shè)備法蘭(或人手孔法蘭)及其緊固件等所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的[σ]/[σ]t比值中最小者”有待商榷，建議不包括緊固件。

那么，若為了校核所有受壓元件，取最大值是否合適呢？文獻(xiàn)[2]指出，過高的試驗(yàn)壓力會(huì)帶來不必要的浪費(fèi)，也會(huì)促使裂紋發(fā)生擴(kuò)展，從而造成危害或形成損傷造成隱患。另外，過高試驗(yàn)壓力可能會(huì)使殼體強(qiáng)度不滿足要求，從而增加壁厚，造成制造成本大大提高。所以，選擇合適的水壓試驗(yàn)壓力對提高設(shè)備安全性及經(jīng)濟(jì)合理性很有意義。本文將結(jié)合水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核選取合理試驗(yàn)壓力。

3 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

GB150.1-2011僅規(guī)定了如何校核殼體元件的應(yīng)力水平，GB151-1999[3]中給出了圓筒和橢圓形封頭的應(yīng)力校核方法，其他如接管等元件的校核卻都沒有提到。雖然長期實(shí)踐證明這些部件是安全的，但卻不能肯定不存在安全隱患[3]。所以說，必須考慮所取試驗(yàn)壓力是否安全可靠。

還以上述換熱器為例。現(xiàn)取管殼程各元件水壓試驗(yàn)壓力最大值，即殼程3.87 MPa，管程8.32 MPa。此時(shí)通過軟件SW6-2011校核殼程筒體壁厚符合要求，而管箱筒體試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力σT為160.76 MPa，壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力[σ]T為162 MPa。此時(shí)需增加管箱筒體壁厚，以滿足安全余量要求。若調(diào)整管程試驗(yàn)壓力為7.08 MPa，校核筒體、封頭都能通過。此時(shí)管板壓力試驗(yàn)壓力為1.06[σ]，接管法蘭壓力等級也都滿足水壓試驗(yàn)要求，能起到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

其次，校核接管。我們可將接管看做筒體，校核其最大總體薄膜應(yīng)力來校核接管。結(jié)果合格。其中，開孔補(bǔ)強(qiáng)可借鑒文獻(xiàn)[4]計(jì)算開口處圓筒計(jì)算厚度δ=pTDi/2×0.9×Φ-pT，最后得出接管校核合格。

同理，我們可參考校核開孔補(bǔ)強(qiáng)，用水壓試驗(yàn)壓力反推設(shè)計(jì)壓力來校核設(shè)備法蘭是否合格。殼程16 Mn設(shè)備法蘭反推得設(shè)計(jì)壓力p=pT[σ]t/1.25[σ]=2.14 MPa，管程16Mn設(shè)備法蘭反推得設(shè)計(jì)壓力為p=pT[σ]t/1.25[σ]=4.94 MPa。將兩者分別作為設(shè)備法蘭的設(shè)計(jì)壓力計(jì)算，設(shè)備法蘭也都能安全通過檢核。綜上，管殼程水壓試驗(yàn)壓力分別取7.08 MPa和3.87 MPa是安全合理的。

4 總結(jié)

本文針對壓力容器水壓試驗(yàn)壓力取值及校核等結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了探討及總結(jié)。主要由以下幾點(diǎn)結(jié)論：①GB150.1-2011中容器各主要受壓元件所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的[σ]/[σ]t比值中最小者建議不包括螺栓等緊固件。②水壓試驗(yàn)壓力的取值要考慮能否檢驗(yàn)到各個(gè)受壓元件，同時(shí)還要兼顧到是否經(jīng)濟(jì)等因素，切實(shí)最終取到合理安全的水壓試驗(yàn)壓力。③總結(jié)提出了設(shè)備法蘭等主要受壓元件的幾種校核試驗(yàn)壓力方法。

[1] GB150.1～150.4-2011 壓力容器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[2] 桑如苞.關(guān)于壓力容器試驗(yàn)壓力的討論[J].壓力容器.1997(6).

[3] GB151-1999 管殼式換熱器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[4] 宋 凱.固定管板式換熱器水壓試驗(yàn)壓力的探討[J].遼寧化工,2012(11)：40-41.

2015-10-09

杜付軍(1987-)，男，助理工程師，從事石油化工壓力容器設(shè)計(jì)工作，電話：15038294485。

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