多腔壓力容器的液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

辛丹丹

（溫州亞光科技實(shí)業(yè)有限公司)

0 前言

多腔壓力容器廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、輕工等領(lǐng)域。與普通壓力容器相比，多腔壓力容器在設(shè)計(jì)和制造上具有一些特殊的要求。為了避免制造過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題，對(duì)于需要進(jìn)行液壓試驗(yàn)的壓力容器，設(shè)計(jì)者不僅要給出試驗(yàn)壓力值，而且還要進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核，并提出試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。本文重點(diǎn)分析相對(duì)復(fù)雜的多腔壓力容器的液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某多腔壓力容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力為0.2 MPa，夾套設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，內(nèi)筒和夾套的材質(zhì)均為S30408，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 多腔壓力容器結(jié)構(gòu)

2 液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》對(duì)于多腔壓力容器耐壓試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定，并給出了殼體元件液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核公式。使用全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站開(kāi)發(fā)的SW6-2011設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，可對(duì)表1給出的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，操作上將上述設(shè)計(jì)參數(shù)輸入該軟件的立式容器計(jì)算模塊中即可。

表1 某多腔壓力容器的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 內(nèi)筒體液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

（1）內(nèi)筒體按內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力0.2 MPa進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核，得出：

其中，S30408材料試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度σs=205 MPa；內(nèi)筒體壁厚 δe=8.7 mm，按GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》相關(guān)公式計(jì)算，選取內(nèi)外壓計(jì)算結(jié)果的較大值。

式中pT——液壓試驗(yàn)壓力，MPa；

p——內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力，MPa；

[σ]T——壓力試驗(yàn)筒體的許用應(yīng)力，MPa；

σT——試驗(yàn)壓力下筒體的應(yīng)力，MPa；

σs——試驗(yàn)溫度下材料的屈服強(qiáng)度，MPa；

[σ]——試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

Di—— 內(nèi)筒體內(nèi)徑，mm；

δe——內(nèi)筒體有效厚度，mm；

φ——焊縫系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得： σT≤ [σ]T=0.9σs，滿足校核條件，結(jié)果合格。

（2）內(nèi)筒體按外壓設(shè)計(jì)壓力0.4 MPa進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核，得出：

式中pc——外壓設(shè)計(jì)壓力，MPa；

其他符號(hào)同上。

經(jīng)計(jì)算得： σT≤[σ]T=0.9σs，滿足校核條件，結(jié)果合格。

2.2 夾套筒體液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

為使分析數(shù)據(jù)有代表性，本文夾套圓筒體以0.7 MPa試驗(yàn)壓力進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核，得出：

其中，夾套筒體壁厚δe=2.7 mm。

經(jīng)計(jì)算得： σT≤[σ]T=0.9σs，滿足校核條件，結(jié)果合格。

通過(guò)上述列舉的內(nèi)筒體及夾套圓筒體的液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核可以看出：對(duì)于受內(nèi)外壓的內(nèi)筒體液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核時(shí)，液壓試驗(yàn)壓力值取按內(nèi)壓容器液壓試驗(yàn)公式計(jì)算的壓力值0.25 MPa和按外壓容器液壓試驗(yàn)公式計(jì)算的壓力值0.50 MPa中的較大值，這樣可以簡(jiǎn)化校核計(jì)算過(guò)程。以SW6—2011軟件計(jì)算形成的計(jì)算書中對(duì)于內(nèi)筒體 （內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力為0.2 MPa）的液壓試驗(yàn)壓力不是按0.25 MPa取值的，而是直接按內(nèi)外壓液壓試驗(yàn)壓力的較大值0.50 MPa進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核的。這樣內(nèi)筒體無(wú)論是按0.25 MPa還是按0.50 MPa為內(nèi)壓壓力值進(jìn)行液壓試驗(yàn)，筒體的強(qiáng)度都能滿足要求。對(duì)于夾套圓筒體液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核時(shí)，液壓試驗(yàn)壓力值按內(nèi)壓容器液壓試驗(yàn)公式計(jì)算。以SW6-2011軟件計(jì)算形成的計(jì)算書還提示，當(dāng)夾套以0.7 MPa進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒體至少需保持一定的內(nèi)壓，以使整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程 （包括升壓、保壓、泄壓）中的任一時(shí)刻，內(nèi)筒體與夾套圓筒體的壓力差不超壓，否則將導(dǎo)致內(nèi)筒體失穩(wěn)。本例中夾套水壓試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒體內(nèi)需充壓0.17 MPa。新版的GB 150—2011《壓力容器》規(guī)定，當(dāng)采用大于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的試驗(yàn)壓力時(shí) （例如本文所取的0.7 MPa），應(yīng)對(duì)各受壓元件進(jìn)行應(yīng)力校核，本文僅列舉了筒體的應(yīng)力校核，對(duì)于封頭、接管等受壓元件也要進(jìn)行應(yīng)力校核。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于多腔壓力容器液壓試驗(yàn)，除了應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力校核外，還要注意以下一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）受內(nèi)外壓的殼體以內(nèi)壓進(jìn)行液壓試驗(yàn)，主要是檢查焊接接頭的致密性和密封結(jié)構(gòu)的密封性能以及發(fā)現(xiàn)容易擴(kuò)展為穿透性缺陷的隱患。

（2）內(nèi)筒體、內(nèi)筒體下封頭的外壓計(jì)算應(yīng)按GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》中的要求進(jìn)行，即許用外壓 [p]≥計(jì)算外壓pc，如果不滿足此條件，就須重新計(jì)算。

許用外壓的計(jì)算公式為：

式中的外壓應(yīng)力系數(shù)B可通過(guò)查圖表求得，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)外壓應(yīng)變系數(shù)A值一定時(shí)（即L/Do、Do/δe不變，L表示外壓筒體計(jì)算長(zhǎng)度，Do表示筒體外徑），設(shè)計(jì)溫度越高，外壓應(yīng)力系數(shù)B值就越低，因而殼體的許用外壓 [p]值也就越低。值得注意的是，在使用SW6-2011軟件設(shè)計(jì)所形成的計(jì)算書中，對(duì)于內(nèi)殼體的外壓校核計(jì)算其設(shè)計(jì)溫度是按夾套的設(shè)計(jì)溫度100℃選取的。但在實(shí)際工況中，如果當(dāng)內(nèi)筒體承受外壓、夾套的設(shè)計(jì)溫度小于內(nèi)筒體中介質(zhì)的溫度時(shí)，那么設(shè)計(jì)者應(yīng)按最苛刻組合考慮，取溫度較高值作為設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行內(nèi)筒的外壓校核計(jì)算，以避免操作過(guò)程中殼體出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖2 外壓應(yīng)力系數(shù)B曲線

（3）對(duì)內(nèi)筒體、內(nèi)筒體下封頭的外壓計(jì)算得出：在夾套0.7 MPa水壓試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒內(nèi)需充壓0.170 MPa，內(nèi)筒下封頭需充壓0.188 MPa，否則將導(dǎo)致內(nèi)筒體、內(nèi)筒體下封頭失穩(wěn)。設(shè)計(jì)圖樣上應(yīng)注明這一要求，以避免在壓力試驗(yàn)過(guò)程中殼體出現(xiàn)失穩(wěn)。

在夾套進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒體是否需要充壓，這是需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定的，即需要計(jì)算出殼體在試驗(yàn)溫度下的許用外壓?？砂赐鈮簯?yīng)力系數(shù)B曲線圖查出試驗(yàn)溫度下的B值，例如內(nèi)筒體液壓試驗(yàn)溫度25℃，外壓應(yīng)變系數(shù)A=0.0006328，查得B=68 MPa，代入公式得試驗(yàn)溫度下的許用外壓=0.53 MPa。夾套以0.7 MPa進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，已經(jīng)超出了筒體試驗(yàn)溫度下的許用外壓，所以為保證內(nèi)筒體在液壓試驗(yàn)時(shí)不失穩(wěn)，內(nèi)筒體需要充壓0.17 MPa壓力。若對(duì)于內(nèi)筒體和內(nèi)筒體下封頭都需要充壓，則充壓數(shù)值取兩者中的大值。如果夾套以0.50 MPa進(jìn)行液壓試驗(yàn)，內(nèi)筒體和內(nèi)筒體下封頭試驗(yàn)溫度下許用外壓大于0.50 MPa，這時(shí)不充壓也能滿足穩(wěn)定性要求。所以提高某腔試驗(yàn)壓力時(shí)，內(nèi)殼體不僅要進(jìn)行液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核，而且試驗(yàn)溫度下的許用外壓也需要校核。

（4）應(yīng)當(dāng)注意圖樣中標(biāo)注殼體最小成型厚度的問(wèn)題。當(dāng)最小成型厚度小于殼體有效厚度時(shí)，殼體最大允許工作壓力、許用外壓及試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力都發(fā)生了變化，設(shè)計(jì)者需要重新進(jìn)行應(yīng)力校核，以免液壓試驗(yàn)時(shí)內(nèi)殼體失穩(wěn)。

（5）對(duì)于液壓試驗(yàn)的液體，有特殊要求時(shí)需要提出。例如，對(duì)于本文中的奧氏體不銹鋼S30408，應(yīng)控制水中的氯離子含量不超過(guò)25 mg/L，以避免氯離子含量過(guò)高對(duì)容器壁產(chǎn)生腐蝕。

（6）對(duì)于立式容器采用臥置進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)計(jì)入立置試驗(yàn)時(shí)的液柱靜壓力。工作條件下內(nèi)裝介質(zhì)的液柱靜壓力大于液壓試驗(yàn)的液柱靜壓力時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮相應(yīng)增加試驗(yàn)壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述分析是筆者在多腔壓力容器設(shè)計(jì)工作中的體會(huì)。對(duì)于多腔壓力容器的液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)者的足夠重視，以避免因殼體元件失穩(wěn)和忽視了應(yīng)該注意的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，導(dǎo)致壓力容器失效而無(wú)法使用，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

[1] TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2] GB 150.1～150.4—2011.壓力容器 [S].

[3] TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程釋義[S].

[4] GB 150.1～150.4—2011.壓力容器標(biāo)準(zhǔn)釋義 [S].