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压力容器问题探究

发布时间:08-08  
压力容器的压力试验是指耐压试验和气密性试验?,耐压试验包括液压试验和气压试验。?众所周知?,压力容器在制造完毕、投入使用之前的压力试验是一种极为有效的、必不可少的最终检验手段?,可以提高压力容器在正常操作条件下的安全性?,对于压力容器的安全使用起着重要作用。?然而关于压力试验的真正目的?,目前尚无统一的说法?,此外?,由于?GB150?关于压力试验的有些条文规定不是十分清晰和严谨?,使得人们在学习和应用中出现了一些理解上的偏差和混淆?,因而?,引发了业内人士对一些问题的争议?,发表了各种见解?,笔者将就几个有争议的问题进行讨论和分析?,并提出新观点。

1关于压力试验的目的



GB150?―1998《钢制压力容器》第?10.?9?条规定?:制造完毕的容器应按图样规定进行压力试验(液压试验或气压试验)?或增加气密性试验。?关于压力试验的目的?,在其标准释义中只笼统提到?:其目的在于用超压?(即超过设计压力)?的试验办法?,全面考核容器的强度及检查容器的严密性。?在其它一些文献中的提法也是比较笼统的?,有的说是为了检验容器的宏观强度和致密性?;有的说是为了检查设备的整体强度和密封性?;有的则更进一步提出检查容器的宏观强度包括检查材料的缺陷、容器各部分的变形?,焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查等。



对于考核容器密封结构及焊缝的致密性一条?,各种文献基本一致?,而对于考核容器“强度”一说?,意义却不甚明了?,所谓“强度”是何种意义上的强度??对内压容器和外压容器而言?,压力试验的目的是否相同??对外压容器是否也需要通过压力试验来检查其“强度”?这些问题?,对于许多从事压力容器设计及制造的专业技术人员来说也是十分模糊的。



笔者认为?,不区分内压容器和外压容器而笼统地说压力试验的目的是“检查容器的宏观强度和致密性”(多数大学教材的提法如此)?是欠妥的。



由于内压容器和外压容器在工作状态下的应力状态不同?,外压容器的失效形式主要是“失稳”而不是强度破坏?,因此?,压力试验的目的对内压容器和外压容器而言应是有所不同的。



为了保证安全运行?,对压力容器的选材、设计、制造、检验等各个环节都有相应的规范条文?,按照规范正确选材、设计、制造、检验的容器?,似乎应能保证容器的安全运行?,但实际上这些容器的泄漏或破裂事故仍然时有发生?,究其原因?,除操作或维护不当之外?,更主要的原因是材料内部存在着夹渣、气孔、裂纹等初始缺陷或焊缝中存在缺陷?,这些缺陷有的是在抽查或局部检查中漏检了的?,有的是规范允许的、尺寸较小或数量较少的缺陷?,有的是目前尚无有效而准确的检测方法来检测的缺陷。?大量的灾难性事故?,正是由于上述缺陷在一定外部条件下迅速扩展而造成的?,有时是在低于设计压力条件下的脆断事故?,这也是按传统的强度理论进行设计的一个不足之处。?为了弥补这个不足?,通过大量实践?,逐步形成了一个强度理论的新分支?―――断裂力学。?与传统强度理论不同的是?,它从构件内部具有初始缺陷这一实际情况出发?,研究构件在外载荷下裂纹的扩展规律?,从而提出带裂纹构件的强度准则。?虽然断裂力学近年来发展较快?,但还没有达到成熟完善的阶段?,且应用于工程也缺乏经验?,还有大量问题有待于进一步解决。?所以就目前来看?,对压力容器进行全面的缺陷检查和断裂分析是不现实的?,也是不经济的。



那么这种“带缺陷”的压力容器?,其缺陷对容器的危害程度到底有多大??在正常操作时是否会扩展开裂??对这类问题?,若采用压力试验来考查?,的确是一种经济、便捷而有效的办法。



对内压容器来说?,由于其在正常操作情况下?,器壁承受拉伸应力?,为了使容器上的缺陷在正常操作条件下不开裂?,就可采用压力试验的办法?,使压力试验时容器缺陷所承受的拉伸应力比正常操作时容器缺陷所承受的拉伸应力略高?,这样就可使那些在正常操作时可能导致开裂的缺陷在压力试验时就开裂?,以免容器在正常操作时发生泄漏或破裂等事故?;另外还会使那些在正常操作时不一定开裂的缺陷在压力试验时由于过载应力的作用而在缺陷尖端一定范围内产生屈服?,根据加载―――卸载定理?,压力试验完成并卸压后在缺陷尖端一定范围内留下残余压缩(影响煤层气压缩效率的因素
)应力?,从而在正常操作时?,在工作压力所引起的拉伸应力作用下?,使原来就不一定导致开裂的缺陷更难开裂。?因此笔者认为?,所谓“检查容器的宏观强度”应是指检查容器缺陷(包括材料初始缺陷及焊缝缺陷)?是否会在超设计压力状态下开裂进而造成容器泄漏或破裂。



对外压容器来说?,由于其在正常操作情况下?,器壁承受压缩应力?,容器缺陷在压缩应力作用下并不会开裂而是趋于闭合?,除某些缺陷(例如穿透性砂眼)?在外压作用下可能会导致渗漏外?,不可能使外压容器产生“低应力失稳”,这是与内压容器的不同之处。?所以对于制造完毕投入使用之前的外压容器?,压力试验的目的只是检查那些可能会导致容器渗漏的缺陷及密封元件的密封性能?,无需检查容器的稳定性?,更谈不到宏观强度。?为了达到上述目的?,可以通过外压试验?,也可以通过内压试验?,由于内压试验方便易行?,且可以使那些可能在拉伸应力作用下引起开裂的缺陷在压力试验时提前开裂以消除隐患?,所以外压容器通常以内压试验方式进行压力试验。



2关于试验压力如何确定的问题



试验压力大小的确定?,既要保证压力试验时器壁应力超过设计状态下器壁的应力水平?,又要保证压力试验时存在缺陷的容器不致爆破或试验后留下较大的残余变形。



GB150?―1998?第?3.?8.?1?条规定?:液压试验时试验压力的最低值为?:对内压容器P?T?=?1。



25?p?t;对外压和真空容器P?T?=?1。



25?p。



气压试验时试验压力的最低值为:对内压容器P?T?=?1。



15?p?t;对外压和真空容器P?T?=?1。



15?p。



试验压力的上限应满足下式的限制:σT?=?P?T(?D?i?+δe)2δe≤



0。



9φσs(σ0。



2)?(液压试验时)0。



8φσs(σ0。



2)(气压试验时)式中符号见文献〔1〕。



试验压力取设计压力的某一倍数是为了超载以使缺陷张开而达到试验目的。?倍数的大小与容器设计时所取的安全系数有关?,由于?GB150?―?1998?取?n?b?=?3.?0?,n?s?=?1.?6?,故对液压试验取?1.?25倍?,对气压试验取?1.?15?倍。?对于内压容器?,由于高温容器不可能在高温下进行压力试验?,而是在常温下进行?,因此?,为了维持设计时预期达到的应力水平?,试验压力还应乘以温度修正系数〔σ〕/〔σ〕t。



对外压容器,设计时的控制点是临界压力值,实质上是失稳时的周向应变值,而失稳时的周向应变值与圆筒尺寸D、δ、L有关,与材料性能无关,所以与温度也无关,因此试验压力不必乘以温度修正系数〔σ〕/〔σ〕t。



各国规范对试验压力取值的规定大多如此,且已使用了几十年。



但近年来业内人士对这一规定提出了不同的观点,认为在常温进行水压试验的压力P?T应等于设计温度下的试验压力?1.?25P乘以“温度修正系数”E/?E?t,指出压力试验的实质是将“缺陷”置于一定的“应变场”中考验其是否扩展开裂。?若以〔σ〕/〔σ〕t对试验压力进行修正?,则是围绕圆筒常温静力强度概念的?,试压目的是考核容器的常温静力强度?,而不是考核容器缺陷在设计温度下?,在“超设计压力”(1.?25P)?状态下是否会发生扩展开裂?,对容器的静力强度考核是不必要的。?可见?,现行标准仍沿用几十年前的公式是落后的?,没有跟上人们对压力试验的目的的新的认识。



人对事物的认识是随着时间的推移逐步加深的?,既然人们已认识到过去的结论是不准确的?,那么完全有必要纠正和补充?,绝不能以先入为主来否定正确的认识?,只有这样?,科学才能进步?,社会才能发展。



3关于是否对试验时器壁薄膜应力予以限制的问题



GB150?-?1998?第?3.?8.?2?条规定?,压力试验前?,应按下式校核圆筒应力?:σT?=?P?T(?D?i?+δe)2δe≤



0。



9φσs(σ0。



2)?(液压试验时)0。



8φσs(σ0。



2)(气压试验时)有一种观点〔3〕认为?,在极大多数条件下这一条件是满足的?,即使在个别情况下略有超过?,按ASME?Ⅷ―1?的规定?,只要不出现明显的永久变形也是可以接受的?,因此没有必要做此规定。



笔者也曾对液压试验作过如下计算?:当P?t?=?1。



25?P〔σ〕t时σT?=?P?T(?D?i?+δe)2δe?>?1。



25?P〔σ〕t?D?i?2δe由于PD?i?2δe?


25〔σ〕φ在常温下,大多数材料的σb?n?b?<σs?n?s,即其〔σ〕都是由σb?n?b确定的,即使按较大值σs?n?s来确定〔σ〕,那么σT≈?1。



25σs?1。



6φ=?0.?78σsφ同理可导出,对气压试验当P?T?=?1。



15?P〔σ〕t时σT?=?0。



72σsφ显然?,在这种情况下?,满足校核条件是不成问题的?,而且有一种观点认为?,在极大多数条件下这一条件是能满足的?,即使在个别情况下略有超过?,按?ASME?Ⅷ―1?的规定?,只要不出现明显的永久变形也是可以接受的?,因此没有必要作此规定〔2〕。



但笔者以为不妥?,所谓“明显的永久变形”用什么指标来衡量呢??使人感到无所适从?,而且假如真的发生了“明显的永久变形”,那么容器也就废了?,会造成很大的经济损失。?所以?,既然有这种可能性?,那么为什么不防患于未然呢??且?GB150?明确规定P?T?=?1。



25?P〔σ〕/〔σ〕t只是试验压力的最低值?,实际操作中?,试验压力是完全有可能高于这个下限的。?因此?,笔者以为由于试验压力高于设计压力?,为了保证安全?,不使容器发生不必要的变形和破裂?,若试验压力不是按照最低值确定的?,那么在压力试验前校核一下器壁应力是否在安全允许范围内是完全必要的。



但?GB150?―1998?中仅对圆筒薄膜应力提出了校核要求?,而对封头等其他受压元件并未提出校核要求。?针对这一问题?,有观点解释为?:其原因是由于圆筒中存在着“量大面广”的一次总体薄膜应力?,应力水平高且遍及整个壳体。?对这种应力由于性质最重要?,必须严格加以控制?,故需校核。?而对椭圆封头、碟形封头虽也存在薄膜应力?,但并不象在圆筒上那样“量大面广”。?其次?,总体薄膜应力水平并不很高?,或并非整体都很高?,故无校核的必要?,因而得出“?GB150?对圆筒所作应力校核的要求是合理的”之结论。



笔者以为?GB150?―1998?规定对筒体进行压力试验前的应力校核?,其最终目的是防止由于试验时应力过高而导致容器产生过大的变形或破坏?,并不是为了限制薄膜应力而限制薄膜应力?,只是由于在设计圆筒壁厚时是以将圆筒最大薄膜应力限制在许用应力水平为前提的。?而对于封头来说?,尽管一次总体薄膜应力并非量大面广?,但在强度计算中起决定作用的总应力?(比如凸形封头过渡区的总应力?,锥形封头大端的总应力等)?同样是限制在材料的许用应力水平的?,如果圆筒在压力试验时薄膜应力会升高而可能导致过大的变形或破坏的话?,那么封头在压力试验时的总应力同样会升高而可能导致过大的变形或破坏。?因此?,需要校核的应力不应仅仅是圆筒的薄膜应力?,还应包括封头及其他受压元件上在强度计算中起决定作用的最大总应力。?当然?,这些校核计算会很麻烦?,而且在一般情况下(比如?P?T取下限时)?不需要?,但对重要设备或特殊情况?,是必不可少的。?况且在规范中规定进行这些校核计算不会给容器的设计、制造和检验带来任何坏的影响。?GB150?―1998?中只对圆筒作出校核规定?,而不对其他受压元件作出校核规定很容易使人们在使用中产生误解。

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