單層整鍛式超高壓容器液壓試驗(yàn)壓力的分析

蘭清生 陳 穎

（江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 南昌 330029）

單層整鍛式超高壓容器液壓試驗(yàn)壓力的分析

蘭清生 陳 穎

（江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 南昌 330029）

根據(jù)我國(guó)單層整段式超高壓容器的設(shè)計(jì)和材料的實(shí)際情況，從超高壓容器的安全性能出發(fā)，分析了超高壓容器液壓試驗(yàn)壓力值的確定。本文認(rèn)為超高壓液壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力的確定應(yīng)遵循以下原則：1）液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證容器內(nèi)壁不屈服，確保不出現(xiàn)過大的殘余變形量；2）液壓試驗(yàn)時(shí)壓力容器的平均一次周向應(yīng)力計(jì)算值不得超過所用材料在試驗(yàn)溫度下90%的屈服強(qiáng)度；3）液壓試驗(yàn)時(shí)超高壓容器的平均一次周向應(yīng)力計(jì)算值不超過同類材料制作的薄壁容器的最大周向應(yīng)力。

超高壓容器 液壓試驗(yàn) 試驗(yàn)壓力

超高壓容器的設(shè)計(jì)應(yīng)力大于100MPa，目前乙烯聚合的超高壓反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)力達(dá)到320～350MPa，根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料及制造超高壓容器的液壓試驗(yàn)情況表明，試驗(yàn)壓力大部分為設(shè)計(jì)壓力的1.10～1.25倍，試驗(yàn)壓力按現(xiàn)有使用經(jīng)驗(yàn)選取，設(shè)計(jì)壓力高時(shí)取低值，低時(shí)取高值，造成這種情況是由于超高壓容器液壓試驗(yàn)對(duì)筒體應(yīng)力大小沒有具體控制要求，片面參照薄壁容器的試驗(yàn)壓力取1.25倍設(shè)計(jì)壓力又偏高，所以一般取1.12〔1、2〕，即使如此，超高壓容器的液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力超高，危險(xiǎn)性很大。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，即使試驗(yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力的1.10倍，容器內(nèi)部也可能會(huì)屈服〔2〕，對(duì)于用彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的超高壓容器，這樣進(jìn)行液壓試驗(yàn)顯然是不合理的。超高壓容器液壓試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)壓力容器的強(qiáng)度及緊密性，容器交付使用前必須進(jìn)行液壓試驗(yàn)，由于超高壓容器試驗(yàn)時(shí)儲(chǔ)備了較高的能量，從安全角度出發(fā)，液壓試驗(yàn)既要達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康挠忠_保試驗(yàn)時(shí)容器安全可靠。因此對(duì)超高壓容器的液壓試驗(yàn)壓力深入研究，特別是單層整鍛式超高壓容器，采用最早且應(yīng)用最為廣泛，確定其液壓試驗(yàn)的合理取值十分必要。

2 液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力分析和壓力確定

2.1 超高壓容器的設(shè)計(jì)壓力

20世紀(jì)60年代以前，超高壓容器多用彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，初始屈服安全系數(shù)取ns=1.8～1.9。由于內(nèi)壓為0.577σ時(shí)，按強(qiáng)度失效準(zhǔn)則設(shè)計(jì)壁厚需要無(wú)窮大。所以，后來(lái)超高壓容器都采用爆破失效準(zhǔn)則，按Faupel公式計(jì)算，設(shè)計(jì)壓力為：

式中：

nb——爆破安全系數(shù)；

K——外徑和內(nèi)徑的比值。

日本高壓氣體協(xié)會(huì)《超高壓園筒容器設(shè)計(jì)指南》HPIS-C-103-1980規(guī)定 nb為2.5〔5〕，據(jù)我國(guó)《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，采用爆破失效準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)，爆破安全系數(shù) nb取3.0。

2.2 液壓試驗(yàn)壓力

超高壓容器內(nèi)壁初始屈服時(shí)，按第四強(qiáng)度理論計(jì)算得容器初始屈服壓力：

假設(shè)液壓試驗(yàn)壓力pL=ηp，則液壓試驗(yàn)下筒體的一次平均周向應(yīng)力為

確定液壓試驗(yàn)壓力時(shí)考慮前面提到的兩個(gè)原則，液壓試驗(yàn)壓力應(yīng)滿足以下要求：

pL≤pS,σm≤0.9σs

代入pL、pS、σm的值，得

式中爆破安全系數(shù) nb取3.0。

若能確定滿足上述條件的η的值，就可得到液壓試驗(yàn)壓力。

●2.2.1 考慮滿足（4b）式時(shí)的η值

由(4b)式知η與材料的屈強(qiáng)比σs及容器的徑比K有關(guān)。這兩個(gè)影響因素的作用為：

2) 容器的徑比K越小，液壓試驗(yàn)時(shí)平均一次應(yīng)力越大。

即最大一次膜應(yīng)力水平只達(dá)到0.9σs的57%，超高壓容器取此一次膜應(yīng)力水平進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)可認(rèn)為較安全可靠，因此超高壓力容器液壓試驗(yàn)壓力可?。?/p>

pL=2.14p×57%=1.2p (5)

●2.2.2 考慮滿足4（a）式的η值

2.3 自增強(qiáng)容器和設(shè)計(jì)壓力下內(nèi)壁屈服的容器

以上分析實(shí)際上假設(shè)容器未經(jīng)增強(qiáng)處理，且在設(shè)計(jì)下內(nèi)壁不發(fā)生屈服。據(jù)報(bào)道國(guó)外建議對(duì)徑比K＞1.3的厚壁容器即可考慮采用自增強(qiáng)，對(duì)靜液壓自增強(qiáng)容器，由于已進(jìn)行了超壓處理，說明容器已滿足強(qiáng)度要求，因此可免做液壓試驗(yàn)。

按爆破失效準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)K≥3.5時(shí)設(shè)計(jì)壓力將大于容器的初始屈服壓力。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為這類容器不要求液壓試驗(yàn)，但是容器若不進(jìn)行強(qiáng)度和密封性試驗(yàn)直接投入使用是不妥當(dāng)?shù)摹６舨捎贸^設(shè)計(jì)壓力的壓力進(jìn)行液壓試驗(yàn)，因塑性變形會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形量，也不合理。建議對(duì)此類容器用其設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行液壓試驗(yàn)。

3 結(jié)論

由以上分析，根據(jù)我國(guó)單層整鍛式超高壓的設(shè)計(jì)和材料的實(shí)際情況，建議單層整鍛式超高壓容器的液壓試驗(yàn)壓力按以下幾種情況決定：

1) 超高壓容器的徑比K≤2.35時(shí)，液壓試驗(yàn)壓力取pL=1.2KTp，徑比K＞2.35時(shí)，液壓試驗(yàn)壓力取容器的初始屈服壓力pS。

2） 當(dāng)按爆破失效準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，超高壓容器的設(shè)計(jì)壓力大于容器的初始屈服壓力，液壓試驗(yàn)壓力取容器的設(shè)計(jì)壓力。

3） 經(jīng)靜壓自增強(qiáng)處理的超高壓容器，不需要進(jìn)行液壓試驗(yàn)。

1 TSGR0002-2005 《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[S].

2 邵國(guó)華等，超高壓容器[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

3 sir. H. Ford,E. H.Watson,B.crossland,Thoughts on a Code of Practice for Forged High pressures Vessels of Monobloc Design,Journal of Pressure Vessel Technology,VOL,103,February 1981.PP,2～9.

4 GB150—2011 《鋼制壓力容器》[S].2011.

5日本高壓氣體協(xié)會(huì)，HPIS-C-103-1980《超高壓園筒容器設(shè)計(jì)指南》[S].

Analysis of Hydraulic Test Pressure for Monolayer Forged Super-highpressure Vessel

Lan Qingsheng Chen Ying
(Jiangxi Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Nanchang 330029)

According to the actual situation of design and the material of monolayer pressure vessel in our country and in the view of safety performance of super high pressure vessel, this paper analyzes the hydraulic test pressure values of super high pressure vessel .This paper argues that the determination of ultrahigh pressure hydraulic pressure strength test should follow the following principles: 1) when the hydraulic pressure test should guarantee the container wall does not yield, ensure don′t appear too much residual deformation; 2) when the hydraulic test pressure vessel, on average, a circumferential stress calculation value of the material in test temperature shall not exceed 90% of the yield strength; 3) hydraulic tests of ultrahigh pressure vessel during an average the circumferential stress calculation values are not more than a similar material to make the maximum circumferential stress of thin-walled vessels.

Super high pressure vessel Hydraulic test Test pressure

X933.2

：B

1673－257X(2014)11－13－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.004

蘭清生（1967～），男，碩士，高級(jí)工程師、特種設(shè)備高級(jí)檢驗(yàn)師，主要從事鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)和研究和技術(shù)質(zhì)量管理工作.

2014-08-08）