關(guān)于鑄鐵烘缸破壞性試驗(yàn)問(wèn)題

呂洪玉 張 弛，2 卞學(xué)詢(xún)

(1. 天津科技大學(xué)，天津，300222;2. 焦作市崇義輕工機(jī)械有限公司，河南沁陽(yáng)，454550)

鑄鐵烘缸是一種壓力容器，而且由脆性材料制造，故其安全使用至關(guān)重要。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)各種不同的事故［1-2］，后果極其嚴(yán)重，輕的造成泄漏，嚴(yán)重的發(fā)生爆炸，造成機(jī)臺(tái)破壞或人員傷亡。我國(guó)國(guó)家質(zhì)檢總局TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新容規(guī)”)［3］中的鑄造壓力容器中規(guī)定:“首次試制產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)進(jìn)行液壓破壞性試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性……”。如何理解與實(shí)施這項(xiàng)規(guī)定，至關(guān)重要。

烘缸的檢測(cè)主要有兩大方面，即非破壞性檢測(cè)與破壞性檢測(cè)，非破壞性檢測(cè)如超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、水壓試驗(yàn)等。破壞性檢測(cè)即水壓破壞性試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)與制造加工的可靠性。我國(guó)是烘缸生產(chǎn)大國(guó)，每年有上千只烘缸的產(chǎn)量，多年來(lái)從未做過(guò)水壓破壞性試驗(yàn)，“新容規(guī)”做出水壓破壞性試驗(yàn)的規(guī)定是有其必要性的，但是如何實(shí)施這項(xiàng)規(guī)定則需要研究。

關(guān)于破壞性試驗(yàn)如何理解，有些人認(rèn)為破壞性試驗(yàn)水壓超過(guò)設(shè)計(jì)壓力即可，但筆者認(rèn)為這樣理解是不全面的，新設(shè)計(jì)制造的烘缸破壞性試驗(yàn)應(yīng)將水壓增大至烘缸泄漏為止，這樣才能找到設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)而加以改進(jìn)。對(duì)舊烘缸也可通過(guò)破壞性試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其最大承壓能力。

筆者深入研究分析了國(guó)內(nèi)外有關(guān)壓力容器的設(shè)計(jì)與制造的有關(guān)規(guī)定，對(duì)鑄鐵烘缸破壞性試驗(yàn)問(wèn)題有如下的見(jiàn)解。

1 我國(guó)規(guī)范中鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定

國(guó)內(nèi)關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)規(guī)定，只是在“新容規(guī)”中要求鑄造壓力容器首次試制的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行液壓破壞性試驗(yàn)，并在“新容規(guī)”釋義一書(shū)中要求試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)報(bào)省級(jí)監(jiān)察機(jī)構(gòu)備案。但是沒(méi)有給出關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的最高允許壓力的計(jì)算方法。

可以借鑒的規(guī)范只有鋼制壓力容器規(guī)范GB150—2011 關(guān)于“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力”的強(qiáng)制性附錄［4］，是全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在新的壓力容器規(guī)范中首次對(duì)破壞性試驗(yàn)做出的規(guī)定，其主要試驗(yàn)最高允許工作壓力的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)或式(2)。

或

式中 P″——試驗(yàn)溫度下的最高允許工作壓力，MPa

Pb——爆破試驗(yàn)壓力或試驗(yàn)停止點(diǎn)壓力，MPa

φ——焊接接頭系數(shù)

Rm——材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa

Rmave——室溫下試樣的平均抗拉強(qiáng)度，MPa

Rmh——材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度上限值，MPa

通過(guò)爆破試驗(yàn)壓力或試驗(yàn)停止點(diǎn)壓力Pb，來(lái)確定試驗(yàn)溫度下的最高允許工作壓力P″。另外還有腐蝕裕度與溫度影響的規(guī)定。

2 歐洲規(guī)范中關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定

歐洲規(guī)范中關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定當(dāng)以BS EN 13445［5-6］為主，其規(guī)定如下。

規(guī)定壓力的增加一定要在可控的狀態(tài)下達(dá)到破壞壓力:

式中:Pb——最小破壞壓力，MPa

PS——最大允許工作壓力，bar (注1 bar =0.1 MPa)

Rm(3)——同一批同一溫度，3 個(gè)拉伸試件拉伸強(qiáng)度的平均值，MPa

f——名義設(shè)計(jì)應(yīng)力，MPa

eact——實(shí)際厚度，mm

emin——圖紙上確定的最小厚度，mm

c——腐蝕裕度，mm

n——依賴(lài)于殼體形狀的因子(n 的選取，根據(jù)BS EN 13445-6 規(guī)定，對(duì)于柱殼和球殼:n=1，其他殼:n=2)

厚度相互關(guān)系定義如圖1 所示［6］。

圖1 中 e——需要厚度，mm

ea——分析厚度，mm

emin——包含腐蝕裕度的最小厚度，mm

圖1 歐洲規(guī)范(BS EN 13445-6)中厚度定義圖

c——腐蝕裕度，mm

ε——鑄造過(guò)程中外加厚度，mm

δ——鑄造余量，mm

可以反推出來(lái)允許工作壓力表達(dá)式見(jiàn)式(4)。

式中 Pbact——實(shí)際爆破壓力，MPa

應(yīng)注意到名義設(shè)計(jì)應(yīng)力f，其意義是在壓力元件計(jì)算式中的應(yīng)力值。

當(dāng)使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行烘缸破壞性試驗(yàn)時(shí)，就應(yīng)該計(jì)算烘缸有關(guān)部位的最大應(yīng)力值。

3 美國(guó)規(guī)范中關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定

目前國(guó)際上較公認(rèn)的壓力容器規(guī)范即美國(guó)的ASME 規(guī)范［7］，它有關(guān)鑄鐵壓力容器的UCI 篇鑄鐵建造壓力容器的要求中，UC-101 液壓破壞性試驗(yàn)規(guī)定:“按UG101 (m)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)決定它們的最大許用工作壓力(注:假定破壞是由于彎曲造成的)”，其試驗(yàn)方法規(guī)定為(見(jiàn)式(5)):

式中 PR——表UCI-32 所列操作溫度下最大需用工作壓力

PB——破壞性試驗(yàn)壓力

4 上述國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓力容器破壞性試驗(yàn)的各種方法評(píng)述

我國(guó)GB150—2011 的規(guī)范是對(duì)鋼制壓力容器制定的，體現(xiàn)在分母上的系數(shù)4，其計(jì)算方法與美國(guó)ASME 鋼制壓力容器的算法相同，且對(duì)于腐蝕裕度及溫度影響等均進(jìn)行了規(guī)定，而對(duì)鑄造的鑄鐵壓力容器不能使用。

歐洲規(guī)范BS EN 13445 對(duì)于破壞壓力的規(guī)定，其式(3)可解出最大允許工作壓力，因?qū)嶋H測(cè)試時(shí)，對(duì)已完工的鑄鐵壓力容器烘缸來(lái)說(shuō)，圖1 上的某些尺寸已不復(fù)存在。實(shí)際計(jì)算時(shí)，要計(jì)算f 值，這就要將鑄鐵烘缸一些關(guān)鍵部位或危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值計(jì)算出來(lái)，再代入式(3)或式(4)求得允許工作壓力。

美國(guó)ASME 規(guī)范破壞性試驗(yàn)規(guī)定的最根本的假設(shè)是:彎曲應(yīng)力而引起的破壞，其安全系數(shù)在國(guó)際上均選為10，這是因?yàn)殍T鐵破壞未知因素太多。由于彎曲應(yīng)力破壞許用應(yīng)力為拉伸破壞許用應(yīng)力的1.5 倍，由于假定破壞是由彎曲應(yīng)力引起的，因此式(5)中的系數(shù)6.67 是由10/1.5 =6.67 而來(lái)，而實(shí)際上，作為烘缸這一產(chǎn)品來(lái)講，對(duì)其破壞因素進(jìn)行詳細(xì)分析如下:

缸體主要應(yīng)力是膜應(yīng)力，而不是彎曲應(yīng)力，設(shè)計(jì)計(jì)算公式即是膜應(yīng)力，見(jiàn)式(6)。

式中 σ—— 環(huán)向應(yīng)力(即膜應(yīng)力)，MPa

p——內(nèi)壓，MPa

D——內(nèi)徑，mm

t——缸體厚度，mm

對(duì)烘缸殼體進(jìn)行有限元分析時(shí)，其結(jié)果也說(shuō)明主要是膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力很低［8］。由此可看出按照彎曲應(yīng)力理論進(jìn)行破壞分析是不對(duì)的，缸體的破壞是拉伸破壞。

5 關(guān)于ASME 規(guī)范應(yīng)用于鑄鐵烘缸破壞性試驗(yàn)的原理研究

大量計(jì)算分析說(shuō)明，鑄鐵烘缸法蘭處應(yīng)力是應(yīng)力峰值所在，實(shí)際大量破壞是在端蓋與缸體連接的法蘭處，這里的應(yīng)力狀態(tài)有一軸向的拉力，與一個(gè)彎矩［9-10］，此彎矩之值非常大，軸向拉力值較低。法蘭處的彎矩如圖2 所示，其引起的變形的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖2 法蘭處的彎矩(凸型端蓋)

現(xiàn)以簡(jiǎn)單算例予以說(shuō)明:

算例:直徑φ1804 mm，內(nèi)壓p =0.5 MPa，壁厚t=38 mm

以平蓋計(jì)算，端蓋承受壓力 F=1.17 MN

對(duì)邊緣的彎矩 M=0.179 MN

圖3 由法蘭處巨大彎矩引起的變形

彎曲應(yīng)力 σ= ±308.53 MPa (當(dāng)法蘭與缸體間無(wú)過(guò)度弧時(shí))

軸向拉伸應(yīng)力 σ=5.38 MPa

缸體部分環(huán)向應(yīng)力 σ=11.87 MPa

這一算例表明鑄鐵烘缸破壞危險(xiǎn)處在法蘭與缸體連接處，采用凸型端蓋形式導(dǎo)致局部彎矩下降［9］，也足以證明使用ASME 壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行水壓破壞性試驗(yàn)方法是可行的，但烘缸作為鑄鐵壓力容器系鑄鐵材料制作，當(dāng)中有許多未知因素，如片狀石墨的不同分布、不同級(jí)別，均會(huì)導(dǎo)致烘缸在某一部位因水壓破壞而破裂。另外，鑄鐵烘缸的主要荷載為內(nèi)壓、熱荷載、托輥線(xiàn)荷載等，熱荷載即占總荷載的40%以上［11］，所以即使做水壓破壞性試驗(yàn)，也不意味著得到需用最大壓力而完全安全，只能給一個(gè)參考值。

作為水壓破壞性試驗(yàn)的案例［11］，一個(gè)安全運(yùn)行的揚(yáng)克缸，在進(jìn)行水壓破壞性試驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有達(dá)到ASME 規(guī)定壓力即發(fā)生破壞。其水壓破壞性試驗(yàn)條件如下:烘缸直徑5 m，幅寬4.85 m，工作壓力0.9 MPa，水壓達(dá)到3.75 MPa 時(shí)發(fā)生泄漏，也即在工作壓力4.2 倍時(shí)發(fā)生泄漏。此烘缸未能達(dá)到ASME 規(guī)范規(guī)定允許的工作壓力要求。

6 建議水壓破壞性試驗(yàn)的方法

參考ASME 規(guī)范中的規(guī)定，應(yīng)用式(5):

進(jìn)行計(jì)算，但需要考慮腐蝕裕度余量時(shí)，試驗(yàn)溫度下最大允許工作壓力為:

式中 PR'——考慮腐蝕裕量后試驗(yàn)溫度下最高允許工作壓力，MPa

t——強(qiáng)度薄弱處材料厚度，mm

C——材料腐蝕裕度，mm

n——結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)(圓柱殼和球殼n =1，其他殼n=2)設(shè)計(jì)溫度下的最高允許工作壓力:

式中 PR″——設(shè)計(jì)溫度下最高允許工作壓力，MPa

［σ］t——材料設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，MPa

［σ］——材料試驗(yàn)溫度下許用應(yīng)力，MPa

7 破壞性試驗(yàn)中的若干問(wèn)題

(1)必要說(shuō)明;鑄鐵壓力容器水壓破壞性試驗(yàn)并非通過(guò)水壓破壞試驗(yàn)?zāi)M真正的烘缸工作狀態(tài)下的破壞，因?yàn)楹娓缀奢d最主要的為內(nèi)壓、溫度荷載、托輥線(xiàn)荷載，最大的溫度荷載要占總荷載的的40%以上［8］，因此，水壓破壞性試驗(yàn)只能模擬壓力荷載一種工況。

(2)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)是“新容規(guī)”要求對(duì)鑄造壓力容器進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的要求，建議新設(shè)計(jì)的鑄鐵烘缸必須要進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，對(duì)于在用烘缸進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，可適當(dāng)選擇壓力點(diǎn)即可停止。

(3)試驗(yàn)應(yīng)有完整的方案和可靠的安全措施，雖然是水壓試驗(yàn)，破壞時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏而泄壓，但也應(yīng)做好防護(hù)，以免發(fā)生意外。

(4)試驗(yàn)前要確定試驗(yàn)容器與圖紙相符，確認(rèn)加工部件尺寸相同。

(5)要確認(rèn)材料與圖紙規(guī)定的相同，對(duì)每一個(gè)破壞試驗(yàn)鑄件，必須有3 個(gè)做拉伸的試驗(yàn)試件，試件的選取應(yīng)于缸體的上下側(cè)選取。

(6)試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)缸體厚度進(jìn)行測(cè)量。

(7)試驗(yàn)用壓力表的壓力范圍應(yīng)該達(dá)到預(yù)期破壞壓力的4/3。

(8)試驗(yàn)壓力應(yīng)在可控狀態(tài)下上升，直至斷裂發(fā)生，記錄下斷裂壓力PB、測(cè)試日期、部件號(hào)等。

(9)如果某一部件在試驗(yàn)過(guò)程中未能達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，可更換該部件，當(dāng)?shù)诙€(gè)更換部件還未達(dá)到要求時(shí)，既要考慮該部件是否符合設(shè)計(jì)要求。

(10)試驗(yàn)過(guò)程中，若PR由于法蘭泄漏而未能達(dá)到ASME 規(guī)范中UCI-32［7］所列操作溫度下的最大需用工作壓力PB值時(shí)，就要改進(jìn)連接主螺栓間隙與法蘭墊片設(shè)計(jì)，或考慮螺栓間距過(guò)大問(wèn)題。

［1］ Ferrari F J. Case histories of Yankee dryer failure［C］//Tappi Eng.Conf.. Atlanta，1985.

［2］ MA Ming-gang，SUN Chang-shan，ZHANG Dong-jun，et al. The Failure of Cast Iron Dryer—Optimal Design of Covers［J］. China Pulp and Paper，2007，26(5):64.馬明剛，孫長(zhǎng)山，張東峻，等. 鑄鐵烘缸的失效分析——端蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］. 中國(guó)造紙，2007，26(5):64.

［3］ AQSIQ. TSG R0004—2009 Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel［S］. Beijing:Xinhua Publishing House，2009.國(guó)家質(zhì)檢總局. TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］. 北京:新華出版社，2009.

［4］ AQSIQ. GB150—2011 Pressure Vessel［S］. Beijing:China Zhijian Publishing House，2011.國(guó)家質(zhì)檢總局. GB150—2011 壓力容器［S］. 北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2011.

［5］ BS EN 15776-2011 Unfired pressure vessels-Requirements for the design and fabrication of pressure vessels and pressure parts constructed from cast iron with an elongation after fracture equal or less than 15%［S］. BSI Standards Publication.

［6］ BS EN 13445-6 Unfired pressure vessels—Requirements for the design and fabrication of pressure vessels and pressure parts constructed from spheroidal graphite cast iron［S］. BSI Standard Publication.

［7］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code［S］. Beijing:China Petrochemical Press，2004.ASME 鍋爐及壓力容［S］. 北京:中國(guó)石化出版社，2004.

［8］ Bian Xuexun，Pei Sude，Miao Dehua. Finite element Stress Analysis of Yankee Dryer［J］. Journal of Tianjin Institute of light Industry，1991(1):20.卞學(xué)詢(xún)，培蘇德，苗德華，等. 大烘缸的有限元法應(yīng)力分析［J］.天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991(1):20.

［9］ ZHANG Dong-Jun，GUO Heng-xia，BIAN Xue-xue. The Further Discussion of Optimal Design of Head Covers of Cast Iron Dryer［J］. China Pulp and Paper，2011，30(10):52.張東峻，郭恒霞，卞學(xué)詢(xún). 鑄鐵烘缸端蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究之二［J］.中國(guó)造紙，2011，30(10):52.

［10］ Hongyu Lv，Runhua Tan，Xuexun Bian. The Solution of Problems in Cast Iron Dryer End Covers Designing［C］//Advanced in Materials Research IEEM Paper 2010. GuiLin，2010.

［11］ Bengt Unneberg. Hydrostatic testing of Yankee dryers［C］//Tappi Eng. Conf. Proceeding. Atlanta，1994.