壓力容器安全系數(shù)對(duì)耐壓試驗(yàn)的影響

崔之彪

(華陸工程科技有限責(zé)任公司)

壓力容器安全系數(shù)對(duì)耐壓試驗(yàn)的影響

崔之彪

(華陸工程科技有限責(zé)任公司)

對(duì)TSG 21-2016和GB/T 150-2011中的耐壓試驗(yàn)壓力與耐壓試驗(yàn)應(yīng)力校核進(jìn)行了分析。闡述了彈性失效準(zhǔn)則下的內(nèi)壓厚壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式和耐壓試驗(yàn)計(jì)算，并給出了壓力容器試驗(yàn)壓力的可靠性理論。

壓力容器 耐壓試驗(yàn) 安全系數(shù) 強(qiáng)度理論 彈性失效準(zhǔn)則 可靠性分析

在壓力容器制造過(guò)程中，經(jīng)過(guò)熱處理和無(wú)損檢測(cè)合格后的壓力容器需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)(液壓試驗(yàn)或氣壓試驗(yàn))。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為內(nèi)壓容器耐壓試驗(yàn)的目的是：針對(duì)可能由內(nèi)壓引起局部失穩(wěn)的元件，考核容器的整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；檢查焊接接頭的致密性；驗(yàn)證密封結(jié)構(gòu)的密封性能；消除或降低焊接接頭殘余應(yīng)力、局部不連續(xù)區(qū)的峰值應(yīng)力；對(duì)微裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，鈍化微裂紋尖端。外壓容器以內(nèi)壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的目的是：檢查焊接接頭的致密性，驗(yàn)證密封結(jié)構(gòu)的密封性能，不考察容器的外壓穩(wěn)定性。由于耐壓試驗(yàn)屬于超壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力大于設(shè)計(jì)壓力，因此耐壓試驗(yàn)存在一定的危險(xiǎn)性。TSG 21-2016[2](以下簡(jiǎn)稱《固容規(guī)》)對(duì)試驗(yàn)壓力的取值和試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在此，筆者針對(duì)文獻(xiàn)[2,3]中關(guān)于耐壓試驗(yàn)的取值及其應(yīng)力校核進(jìn)行討論。

1 耐壓試驗(yàn)壓力與耐壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

1.1 耐壓試驗(yàn)壓力

《固容規(guī)》中規(guī)定，耐壓試驗(yàn)壓力pT的計(jì)算式為：

(1)

式中p′——壓力容器設(shè)計(jì)壓力或者壓力容器銘牌上規(guī)定的最大允許工作壓力，MPa；

η——耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)，參照表1進(jìn)行選取；

[σ]——容器元件材料在耐壓試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

表1 耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)η

1.2 耐壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

與JB 4732-1995[4]不同，GB/T 150-2011[3]和《固容規(guī)》不要求耐壓試驗(yàn)前一定要進(jìn)行強(qiáng)度校核。GB/T 150-2011和《固容規(guī)》規(guī)定只有在采用高于式(1)計(jì)算得出的試驗(yàn)壓力時(shí)，在耐壓試驗(yàn)前才需要校核各受壓元件在試驗(yàn)條件下的應(yīng)力水平。如對(duì)于殼體元件，試驗(yàn)壓力下的應(yīng)力σT為：

液壓試驗(yàn)σT≤0.9ReLΦ

氣壓試驗(yàn)或氣液組合試驗(yàn)σT≤0.8ReLΦ

式中ReL——材料在標(biāo)準(zhǔn)室溫下的屈服強(qiáng)度，MPa；

Φ——焊接接頭系數(shù)。

ASME BPVC.Ⅷ.1-2015[5]不要求在耐壓試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)力校核，但當(dāng)耐壓試驗(yàn)壓力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值，并使容器出現(xiàn)明顯的塑性變形時(shí)，檢驗(yàn)師有權(quán)拒絕接收該容器。ASME BPVC.Ⅷ.2-2015[6](采用應(yīng)力分類和應(yīng)力評(píng)定原理)規(guī)定，當(dāng)試驗(yàn)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，要分別對(duì)一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次彎曲應(yīng)力Pb及二者的組合進(jìn)行校核。

2 壓力容器標(biāo)準(zhǔn)下的耐壓試驗(yàn)探討

2.1 彈性失效準(zhǔn)則下的內(nèi)壓厚壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算

僅受內(nèi)壓作用時(shí)，將厚壁圓筒內(nèi)壁處的三向應(yīng)力分量計(jì)算式(拉美公式)分別代入彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的第一強(qiáng)度理論(最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則)、第三強(qiáng)度理論(最大切應(yīng)力準(zhǔn)則)、第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能準(zhǔn)則)和中徑公式[3]中，可求得相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下的應(yīng)力強(qiáng)度、徑比和圓筒厚度計(jì)算式，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 彈性失效準(zhǔn)則下的內(nèi)壓厚壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算式

注：σeqi中的下角i為第一強(qiáng)度理論、第二強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論的序號(hào)；p為設(shè)計(jì)壓力；Ri為圓筒內(nèi)半徑。

當(dāng)表2中的應(yīng)力強(qiáng)度等于材料屈服點(diǎn)σs時(shí)，所對(duì)應(yīng)的壓力為內(nèi)壁初始屈服壓力psi。psi/σs表示圓筒的彈性承載能力，它和徑比K的關(guān)系如圖1所示?？梢钥闯觯?dāng)壓力容器厚度較薄(K值較小)時(shí)，各設(shè)計(jì)準(zhǔn)則差別不大；在同一承載能力下，第三強(qiáng)度理論計(jì)算出的厚度最厚，中徑公式計(jì)算出的厚度最?。坏谒膹?qiáng)度理論計(jì)算出的內(nèi)壁初始屈服壓力和實(shí)測(cè)值最為接近。

圖1 徑比與彈性承載能力的關(guān)系曲線

2.2 彈性失效準(zhǔn)則下的耐壓試驗(yàn)計(jì)算

GB/T 150-2011中圓筒厚度計(jì)算公式由第一強(qiáng)度理論導(dǎo)出，因此只能用于一定的厚度范圍，如果厚度過(guò)大，則由于實(shí)際應(yīng)力情況與應(yīng)力沿厚度均布假設(shè)相差太大而無(wú)法使用。按照薄殼理論，圓筒厚度計(jì)算公式僅能在δ/D≤0.1(即K≤1.2)范圍內(nèi)使用。但作為工程設(shè)計(jì)，在確定許用應(yīng)力時(shí)引入了材料安全系數(shù)，故在實(shí)際使用中可以將使用范圍略加擴(kuò)大。GB/T 150-2011中規(guī)定的圓筒厚度計(jì)算公式適用范圍為：

p≤0.4[σ]tΦ

(2)

則相應(yīng)K值的許用范圍擴(kuò)大到K≤1.5。

由于按第四強(qiáng)度理論計(jì)算出的內(nèi)壁初始屈服壓力和實(shí)測(cè)值最為接近，所以與第四強(qiáng)度理論所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度σeq4能較好地反映厚壁圓筒的實(shí)際應(yīng)力水平。則有：

m=σeq4/σeqm

(3)

其中，σeqm為中徑公式得出的應(yīng)力強(qiáng)度；m為第四強(qiáng)度理論計(jì)算出的內(nèi)壁應(yīng)力強(qiáng)度與中徑公式計(jì)算得出的應(yīng)力強(qiáng)度之比。

由圖1可知，m隨徑比K的增大而增大，當(dāng)K=1.5時(shí)，根據(jù)表2中應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算式與式(3)，可以求得m≈1.25。因此可以近似認(rèn)為，當(dāng)K=1.5時(shí)內(nèi)壁實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度是按中徑公式計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度的1.25倍。則有：

y=η×m

(4)

其中，y為耐壓試驗(yàn)時(shí)圓筒內(nèi)表面的實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度與中徑公式計(jì)算得出的應(yīng)力強(qiáng)度之比。

式(4)中，η取1.25(液壓試驗(yàn))，按徑比K=1.5的極限情況計(jì)算，則y=η×m=1.25×1.25=1.56<1.6(JB 4732-1995中碳鋼和低合金鋼屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)ns)，說(shuō)明筒體內(nèi)表面金屬未達(dá)到屈服點(diǎn)，處于彈性狀態(tài)。

GB/T 150-2011中ns=1.5。由上述可知，在K=1.5的情況下，y=1.56>1.5。若考慮ns=1.5，令第四強(qiáng)度理論計(jì)算得出的內(nèi)壓圓筒內(nèi)壁達(dá)到剛好屈服的極限情況，此時(shí)y=η×m=1.25×m=1.5，求得m=1.2。

2.3 壓力容器試驗(yàn)壓力的可靠性理論

在彈性失效準(zhǔn)則下，當(dāng)K>1.43時(shí)，按照式(1)計(jì)算得出的試驗(yàn)壓力，壓力容器耐壓試驗(yàn)時(shí)的圓筒內(nèi)壁金屬將達(dá)到屈服點(diǎn)，處于塑性狀態(tài)，彈性失效準(zhǔn)則以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到許用應(yīng)力即視為失效。但實(shí)際上，由于壓力容器所用材料為塑性韌性較好的材料，特別對(duì)于內(nèi)壓厚壁圓筒，當(dāng)危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生屈服時(shí)，其余各點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài)，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)截面的屈服，因此構(gòu)件仍能承載。應(yīng)用可靠性數(shù)學(xué)的基本知識(shí)，基于鋼制內(nèi)壓容器靜強(qiáng)度(內(nèi)壓容器的屈服強(qiáng)度和爆破強(qiáng)度)在壓力試驗(yàn)時(shí)的可靠性分析，劉小寧等建立了鋼制壓力容器試驗(yàn)壓力的可靠性理論[7]。他們認(rèn)為，除超高壓厚壁圓筒外，其余結(jié)構(gòu)容器的試驗(yàn)壓力系數(shù)上限均由屈服失效準(zhǔn)則決定：當(dāng)ns=1.5時(shí)，η的取值上限為1.2(氣壓試驗(yàn))或1.35(液壓試驗(yàn))；當(dāng)超高壓厚壁圓筒的抗拉安全系數(shù)nb=2.55時(shí)，η的取值上限為1.662(液壓試驗(yàn))。相較于表1中η的取值，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力系數(shù)的取值是保守的。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了提高我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平、競(jìng)爭(zhēng)力，適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)需求，在GB/T 150-2011和《固容規(guī)》中修訂了碳鋼和低合金鋼屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)。筆者認(rèn)為，按照GB/T 150-2011和《固容規(guī)》中的耐壓試驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算雖然會(huì)引起在彈性失效準(zhǔn)則下厚壁容器(K>1.43)內(nèi)壁產(chǎn)生屈服，但是在屈服失效和爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下可知，容器整體并不會(huì)產(chǎn)生失效。因此，我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)將安全系數(shù)ns由1.6調(diào)整到1.5是有一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)的。

[1] 壽比南,楊國(guó)義,徐鋒,等.GB/T 150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義[M].北京:新華出版社,2012.

[2] TSG 21-2016,固定式壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程[S].北京:新華出版社,2016.

[3] GB/T 150.1～150.4-2011,壓力容器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[4] JB 4732-1995,鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

[5] ASME BPVC.Ⅷ.1-2015,ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 1[S].New York:ASME International, 2015.

[6] ASME BPVC.Ⅷ.2-2015,ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 2[S].New York:ASME International, 2015.

[7] 劉小寧,潘傳九,劉岑,等.鋼制內(nèi)壓容器安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力系數(shù)研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(4):321～325.

TheInfluenceofPressureVessel’sSafetyCoefficientonthePressureTest

CUI Zhi-biao
(HualuEngineering&TechnologyCo.,Ltd.)

The test pressure and stress checking stipulated in TSG 21-2016 Specification and GB/T 150-2011 Standard were analyzed and both strength calculation formula and pressure test for the thick walled cylinder were expounded, including the reliability theory on test pressure of the pressure vessels.

pressure vessel, pressure test, safety coefficient, strength theory, elastic failure criterion, reliability analysis

崔之彪(1985-)，工程師，從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作，czb2154@chinahualueng.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)03-0276-03

2016-06-03，

2017-05-09)