壓力容器液壓試驗壓力探討

1、<p>　　壓力容器液壓試驗壓力探討</p><p>　　摘 要：GB150《壓力容器》給出了液壓試驗壓力計算公式，并規(guī)定液壓試驗壓力的最低值按該公式選取。通過理論和實例推導，得出液壓試驗過程中，厚度附加量越大，受壓元件內(nèi)的應力值越低，反之亦然。同時，提出壓力容器液壓試驗壓力值應充分考慮厚度附加量的影響，探討提高液壓試驗壓力的方法和可行性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：壓力容器

2、試驗；壓力受壓元件；厚度附加量許用應力 </p><p><b>　　中圖分類號：TB </b></p><p><b>　　文獻標識碼：A </b></p><p>　　文章編號：1672-3198（2013）15-0188-01 </p><p><b>　　1 概述 </b&g

3、t;</p><p>　　GB150.1～150.4-2011《壓力容器》（以下簡稱GB150）4.6條中規(guī)定，壓力容器制成后應經(jīng)液壓試驗，其中液壓試驗壓力，按以下公式： </p><p>　　PT=1.25P〔σ〕/〔σ〕t（1） </p><p>　　同時，明確規(guī)定液壓試驗壓力的最低值按上述公式。實際中，按公式（1）確定液壓試驗壓力時，沒有考慮厚度附加量的影響，

4、壓力容器使用后厚度附加量減少，直到為零，受壓元件所承受的應力值逐漸提高?？梢?，壓力容器在出廠前的厚度附加量最大，受壓元件實際所承受應力值最低，相當于宏觀強度方面的檢驗要求最為寬松。 </p><p>　　本文提出應充分考慮厚度附加量對液壓試驗的影響，適當提高新制壓力容器的液壓試驗壓力。首先以內(nèi)壓圓筒為例，探討采用實際壁厚替代有效厚度來確定壓力容器的液壓試驗壓力。 </p><p>　　圓筒

5、壁內(nèi)達到材料的許用應力〔σ〕時的壓力為： </p><p>　　Pm=2δm〔σ〕Φ/（δm+Di）（2） </p><p><b>　　代入公式（1）有 </b></p><p>　　PT=1.25Pm〔σ〕/〔σ〕t（3） </p><p>　　Pm─圓筒壁內(nèi)達到材料的許用應力時的壓力，MPa </p>

6、<p>　　δm─圓筒液壓試驗時的實際壁厚，mm </p><p>　　同時，按GB150中4.6.3規(guī)定，進行液壓試驗應力校核。 </p><p>　　當厚度附加量為0時，公式（2）與公式（1）是一致的。實際壁厚普遍大于有效厚度，尤其是新制壓力容器，用公式（2）計算的液壓試驗壓力較公式（1）提高了，下文對此進行了實例推導和具體分析。 </p><p>

7、　　2 壓力容器進行液壓試驗的原因和目的（GB150標準釋義） </p><p>　?。?）原因：壓力容器在制造過程中，必然有材料缺陷和制造工藝缺陷存在，進行液壓試驗，這是一種直觀性的綜合檢驗。 </p><p>　?。?）目的：檢查容器在超工作壓力下的宏觀強度，包括檢查材料的缺陷、容器各部分的變形、焊接接管的強度和容器法蘭連接的泄漏檢查等。 </p><p>　　

8、3 液壓試驗公式的分析 </p><p>　　按GB150標準釋義，耐壓試驗公式（1）中的系數(shù)1.25是為了讓壓力容器在超工作壓力下進行壓力試驗。溫度修正系數(shù)〔σ〕/〔σ〕t是考慮到了溫度對材料許用應力值的影響，液壓試驗在常溫下進行，〔σ〕/〔σ〕t≤1。從公式（1）可以看出，該公式未考慮厚度附加量的影響，即液壓試驗的壓力與厚度附加量無關(guān)。 </p><p>　　4 試驗壓力PT下圓筒壁內(nèi)

9、的應力分析 </p><p>　　4.1 圓筒壁內(nèi)應力分析 </p><p>　　按“無力矩理論”（也叫“薄膜理論”），圓筒壁內(nèi)的應力為典型的二向應力狀態(tài)，即周向薄膜應力和徑向薄膜應力，其中，周向薄膜應力是徑向薄膜應力的二倍，周向承受內(nèi)壓的圓柱殼膜應力為： </p><p>　　σθ=P（Di+t）/（2t）（5） </p><p>　　σθ

10、─圓筒周向薄膜應力，MPa </p><p>　　t─圓筒壁厚，mm </p><p>　　GB150采用的是第一強度理論，即σ1≤〔σ〕t，對于薄壁內(nèi)壓圓筒，σθ為最大主應力，即：σ1=σθ。 </p><p>　　4.2 內(nèi)壓筒體壁厚公式的推導 </p><p>　　由公式（5）第一強度理論σ1≤〔σ〕t及 </p><

11、;p>　　σ1=σθ有：P（Di+t）/（2t）≤〔σ〕t </p><p>　　圓筒由鋼板卷焊時，〔σ〕t應乘以焊接接頭系數(shù)Φ，Φ≤1。此外，考慮到容器內(nèi)部介質(zhì)腐蝕（沖蝕）等因素作用，以及供貨鋼板厚度負偏差等，設(shè)計厚度比計算厚度大，故上式中t要加上附加厚度C。所以內(nèi)壓筒體壁厚計算公式為： </p><p>　　δ=PcDi/（2〔σ〕tΦ-Pc） </p><p

12、>　　以上即為公式（4）的推導過程，大家知道，圓筒名義厚度由計算壁厚、厚度附加量、向上圓整值構(gòu)成。設(shè)計時，充分考慮了厚度附加量（介質(zhì)和設(shè)計壽命決定），而液壓試驗公式（1）中沒有考慮厚度附加量。 </p><p>　　5 液壓試驗時，圓筒壁內(nèi)的應力分析實例 </p><p>　?。?）例1：某20m3液氯儲槽，筒體主體材料為Q345R，筒體內(nèi)徑1804mm，筒體壁厚14mm。其中設(shè)計參

13、數(shù)：設(shè)計壓力為1.6MPa/設(shè)計溫度為50℃/腐蝕裕量為6mm/焊接接頭系數(shù)為1.0mm/充裝介質(zhì)為液氯/容積為20m3/容器類別為Ⅲ類/液壓試驗壓力為2.0MPa。 </p><p>　?。?）圓筒計算厚度為： </p><p>　　δ=PcDi/（2〔σ〕tΦ-Pc）=7.67mm </p><p>　?。?）出廠前液壓試驗時圓筒壁內(nèi)的最大主應力為： </

14、p><p>　　σt1=PT（Di+t）/（2t） </p><p>　　=2.0×（1804+14）/（2×14） </p><p>　　=129.86MPa（<0.9RElΦ液壓試驗應力校核合格！） </p><p>　　這是出廠前到壓力容器服役結(jié)束期間，圓筒壁液壓試驗下應力值的最低值。 </p>&l

15、t;p>　　（4）壓力容器使用后，厚度附加量減少直至趨近于0，當壁厚接近于計算厚度δ時，液壓試驗時圓筒壁內(nèi)的最大主應力為： </p><p>　　σt2=PT（Di+t）/（2t） </p><p>　　=2.0×（1804+7.67）/（2×7.67） </p><p>　　=236.2MPa </p><p>　

16、　可見，壓力容器服役期間，圓筒壁內(nèi)液壓試驗下應力值可能達到的最高值。 </p><p>　?。?）出廠前和檢修過程中的應力對比。 </p><p>　　上述可以看出，在出廠前的液壓試驗中，σt/〔σ〕=12986/189=0.69，即，液壓試驗壓力作用下，圓筒壁內(nèi)的最大主應力只有許用應力值的0.69倍，圓筒是在遠低于材料許用應力的狀態(tài)下進行了宏觀檢驗，即使有制造或材料缺陷在宏觀上也很難被發(fā)

17、現(xiàn)。 　　檢修過程的液壓試驗中，σt/〔σ〕=236.2/189=1.25，圓筒壁內(nèi)的最大主應力達到了許用應力值的1.25倍，即，圓筒內(nèi)的應力值遠大于出廠前液壓試驗時的應力值，出廠前未顯現(xiàn)的缺陷可能會顯現(xiàn)甚至被放大，壓力容器壽命降低或失效。 </p><p>　　6 公式（2）在實例中的應用分析 </p><p>　　例1中，筒體實際壁厚δm=δn=14mm（忽略負偏差），由公式（3）：

18、Pm=2×14×189/（14+1804）=2.91MPa </p><p>　　由公式（2）：PT=1.25×2.91=3.63MPa。 </p><p>　　此時，圓筒內(nèi)的計算應力為： </p><p>　　σt=PT（Di+δn）/（2δn） </p><p>　　=3.63×（1804+14）/

19、（2×14） </p><p>　　=235.7MPa </p><p>　　<0.9RElΦ=310.5液壓試驗應力校核合格！ </p><p>　　σt/〔σ〕=235.7/189=1.25 </p><p>　　可見，在液壓試驗時，筒體內(nèi)的應力值達到了許用應用值的1.25倍。這種情況，實際上相當于壓力容器的厚度附加量為0

20、時的液壓試驗狀態(tài)，這種狀態(tài)在壓力容器使用后期可能會出現(xiàn)。 </p><p>　　7 提高液壓試驗壓力時，其它受壓元件及安全附件分析 </p><p>　　壓力容器的其它受壓元件，如封頭、法蘭、接管、安全附件等，在設(shè)計和選取時，都考慮耐壓余量，如設(shè)備法蘭標準中，腐蝕余量為3mm，壓力表選取耐壓要求是最高工作壓力的1.5～3.0倍，安全閥爆破片裝置一般在液壓試驗前不組裝。 </p>

21、<p>　　在液壓試驗中，試驗壓力值取決于壓力容器中承壓能力最弱的受壓元件，通常殼體所能承受的壓力值最低，因為從經(jīng)濟角度出發(fā)，設(shè)計上讓壓力容器的主體——殼體中厚度余量最小，所以，實際設(shè)計中用殼體來計算液壓試驗壓力值，再校核其它受壓元件的液壓試驗應力，而殼體以外的受壓元件在設(shè)計中選擇的余量大于殼體，提高這部分受壓元件的余量對成本影響較少，對增加安全性作用極大。 </p><p><b>　　

22、8 結(jié)語 </b></p><p>　　除GB150外，ASMEⅧ-1中也明確規(guī)定了液壓試驗壓力值的最低要求，而JB4732、ASMEⅧ-2等規(guī)范在設(shè)計中采用塑性失效準則，允許結(jié)構(gòu)一定程度上（局部）出現(xiàn)屈服。是為了提高壓力容器的制造質(zhì)量，從宏觀檢查上提出了更嚴格的要求。 </p><p>　　眾所周知，GB150給定了液壓試驗壓力的計算公式，同時也明確指出了按該公式進行液壓試驗

23、的壓力是最低要求，是否需要提高液壓試驗壓力由設(shè)計者來確定。該公式中的液壓試驗值沒有考慮厚度附加量分擔掉了一部分液壓試驗壓力，如果適當提高液壓試驗壓力進行試驗，從標準和設(shè)計的角度都是允許的，尤其是新制壓力容器，對壓力容器強度的宏觀檢驗將起到積極的作用，并在一定程度上提高了壓力容器使用中的安全保障。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[

24、1]全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員.GB150 壓力容器[S]. </p><p>　　[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.TSGR0004 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]. </p><p>　　[3]王志文.化工容器設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998. </p><p>　　[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011. </p&