壓力容器液壓試驗(yàn)壓力探討

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

2、試驗(yàn)；壓力受壓元件；厚度附加量許用應(yīng)力 </p><p><b>　　中圖分類號(hào)：TB </b></p><p><b>　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </b></p><p>　　文章編號(hào)：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(jiǎn)稱GB150）4.6條中規(guī)定，壓力容器制成后應(yīng)經(jīng)液壓試驗(yàn)，其中液壓試驗(yàn)壓力，按以下公式： </p><p>　　PT=1.25P〔σ〕/〔σ〕t（1） </p><p>　　同時(shí)，明確規(guī)定液壓試驗(yàn)壓力的最低值按上述公式。實(shí)際中，按公式（1）確定液壓試驗(yàn)壓力時(shí)，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(yīng)力值逐漸提高。可見，壓力容器在出廠前的厚度附加量最大，受壓元件實(shí)際所承受應(yīng)力值最低，相當(dāng)于宏觀強(qiáng)度方面的檢驗(yàn)要求最為寬松。 </p><p>　　本文提出應(yīng)充分考慮厚度附加量對(duì)液壓試驗(yàn)的影響，適當(dāng)提高新制壓力容器的液壓試驗(yàn)壓力。首先以內(nèi)壓圓筒為例，探討采用實(shí)際壁厚替代有效厚度來(lái)確定壓力容器的液壓試驗(yàn)壓力。 </p><p>　　圓筒

5、壁內(nèi)達(dá)到材料的許用應(yīng)力〔σ〕時(shí)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(dá)到材料的許用應(yīng)力時(shí)的壓力，MPa </p>

6、<p>　　δm─圓筒液壓試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際壁厚，mm </p><p>　　同時(shí)，按GB150中4.6.3規(guī)定，進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核。 </p><p>　　當(dāng)厚度附加量為0時(shí)，公式（2）與公式（1）是一致的。實(shí)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(jì)算的液壓試驗(yàn)壓力較公式（1）提高了，下文對(duì)此進(jìn)行了實(shí)例推導(dǎo)和具體分析。 </p><p>

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

8、3 液壓試驗(yàn)公式的分析 </p><p>　　按GB150標(biāo)準(zhǔn)釋義，耐壓試驗(yàn)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(jìn)行壓力試驗(yàn)。溫度修正系數(shù)〔σ〕/〔σ〕t是考慮到了溫度對(duì)材料許用應(yīng)力值的影響，液壓試驗(yàn)在常溫下進(jìn)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(yàn)的壓力與厚度附加量無(wú)關(guān)。 </p><p>　　4 試驗(yàn)壓力PT下圓筒壁內(nèi)

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

10、─圓筒周向薄膜應(yīng)力，MPa </p><p>　　t─圓筒壁厚，mm </p><p>　　GB150采用的是第一強(qiáng)度理論，即σ1≤〔σ〕t，對(duì)于薄壁內(nèi)壓圓筒，σθ為最大主應(yīng)力，即：σ1=σθ。 </p><p>　　4.2 內(nèi)壓筒體壁厚公式的推導(dǎo) </p><p>　　由公式（5）第一強(qiáng)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(shí)，〔σ〕t應(yīng)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(fù)偏差等，設(shè)計(jì)厚度比計(jì)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(jì)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(dǎo)過(guò)程，大家知道，圓筒名義厚度由計(jì)算壁厚、厚度附加量、向上圓整值構(gòu)成。設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了厚度附加量（介質(zhì)和設(shè)計(jì)壽命決定），而液壓試驗(yàn)公式（1）中沒有考慮厚度附加量。 </p><p>　　5 液壓試驗(yàn)時(shí)，圓筒壁內(nèi)的應(yīng)力分析實(shí)例 </p><p>　　（1）例1：某20m3液氯儲(chǔ)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(jì)參

13、數(shù)：設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa/設(shè)計(jì)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(yàn)壓力為2.0MPa。 </p><p>　?。?）圓筒計(jì)算厚度為： </p><p>　　δ=PcDi/（2〔σ〕tΦ-Pc）=7.67mm </p><p>　?。?）出廠前液壓試驗(yàn)時(shí)圓筒壁內(nèi)的最大主應(yīng)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(yàn)應(yīng)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(yàn)下應(yīng)力值的最低值。 </p>&l

15、t;p>　?。?）壓力容器使用后，厚度附加量減少直至趨近于0，當(dāng)壁厚接近于計(jì)算厚度δ時(shí)，液壓試驗(yàn)時(shí)圓筒壁內(nèi)的最大主應(yīng)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(yàn)下應(yīng)力值可能達(dá)到的最高值。 </p><p>　?。?）出廠前和檢修過(guò)程中的應(yīng)力對(duì)比。 </p><p>　　上述可以看出，在出廠前的液壓試驗(yàn)中，σt/〔σ〕=12986/189=0.69，即，液壓試驗(yàn)壓力作用下，圓筒壁內(nèi)的最大主應(yīng)力只有許用應(yīng)力值的0.69倍，圓筒是在遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力的狀態(tài)下進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)，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(guò)程的液壓試驗(yàn)中，σt/〔σ〕=236.2/189=1.25，圓筒壁內(nèi)的最大主應(yīng)力達(dá)到了許用應(yīng)力值的1.25倍，即，圓筒內(nèi)的應(yīng)力值遠(yuǎn)大于出廠前液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力值，出廠前未顯現(xiàn)的缺陷可能會(huì)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(shí)例中的應(yīng)用分析 </p><p>　　例1中，筒體實(shí)際壁厚δm=δn=14mm（忽略負(fù)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(shí)，圓筒內(nèi)的計(jì)算應(yīng)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(yàn)應(yīng)力校核合格！ </p><p>　　σt/〔σ〕=235.7/189=1.25 </p><p>　　可見，在液壓試驗(yàn)時(shí)，筒體內(nèi)的應(yīng)力值達(dá)到了許用應(yīng)用值的1.25倍。這種情況，實(shí)際上相當(dāng)于壓力容器的厚度附加量為0

20、時(shí)的液壓試驗(yàn)狀態(tài)，這種狀態(tài)在壓力容器使用后期可能會(huì)出現(xiàn)。 </p><p>　　7 提高液壓試驗(yàn)壓力時(shí)，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(jì)和選取時(shí)，都考慮耐壓余量，如設(shè)備法蘭標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)前不組裝。 </p>

21、<p>　　在液壓試驗(yàn)中，試驗(yàn)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?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)上讓壓力容器的主體——?dú)んw中厚度余量最小，所以，實(shí)際設(shè)計(jì)中用殼體來(lái)計(jì)算液壓試驗(yàn)壓力值，再校核其它受壓元件的液壓試驗(yàn)應(yīng)力，而殼體以外的受壓元件在設(shè)計(jì)中選擇的余量大于殼體，提高這部分受壓元件的余量對(duì)成本影響較少，對(duì)增加安全性作用極大。 </p><p><b>　　

22、8 結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　除GB150外，ASMEⅧ-1中也明確規(guī)定了液壓試驗(yàn)壓力值的最低要求，而JB4732、ASMEⅧ-2等規(guī)范在設(shè)計(jì)中采用塑性失效準(zhǔn)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(yán)格的要求。 </p><p>　　眾所周知，GB150給定了液壓試驗(yàn)壓力的計(jì)算公式，同時(shí)也明確指出了按該公式進(jìn)行液壓試驗(yàn)

23、的壓力是最低要求，是否需要提高液壓試驗(yàn)壓力由設(shè)計(jì)者來(lái)確定。該公式中的液壓試驗(yàn)值沒有考慮厚度附加量分擔(dān)掉了一部分液壓試驗(yàn)壓力，如果適當(dāng)提高液壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行試驗(yàn)，從標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)的角度都是允許的，尤其是新制壓力容器，對(duì)壓力容器強(qiáng)度的宏觀檢驗(yàn)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(xiàn) </b></p><p>　　[

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