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壓力容器問題探究

發布時間:08-08  
壓力容器的壓力試驗是指耐壓試驗和氣密性試驗?,耐壓試驗包括液壓試驗和氣壓試驗。?眾所周知?,壓力容器在制造完畢、投入使用之前的壓力試驗是一種極為有效的、必不可少的最終檢驗手段?,可以提高壓力容器在正常操作條件下的安全性?,對于壓力容器的安全使用起著重要作用。?然而關于壓力試驗的真正目的?,目前尚無統一的說法?,此外?,由于?GB150?關于壓力試驗的有些條文規定不是十分清晰和嚴謹?,使得人們在學習和應用中出現了一些理解上的偏差和混淆?,因而?,引發了業內人士對一些問題的爭議?,發表了各種見解?,筆者將就幾個有爭議的問題進行討論和分析?,并提出新觀點。

1關于壓力試驗的目的



GB150?―1998《鋼制壓力容器》第?10.?9?條規定?:制造完畢的容器應按圖樣規定進行壓力試驗(液壓試驗或氣壓試驗)?或增加氣密性試驗。?關于壓力試驗的目的?,在其標準釋義中只籠統提到?:其目的在于用超壓?(即超過設計壓力)?的試驗辦法?,全面考核容器的強度及檢查容器的嚴密性。?在其它一些文獻中的提法也是比較籠統的?,有的說是為了檢驗容器的宏觀強度和致密性?;有的說是為了檢查設備的整體強度和密封性?;有的則更進一步提出檢查容器的宏觀強度包括檢查材料的缺陷、容器各部分的變形?,焊接接管的強度和容器法蘭連接的泄漏檢查等。



對于考核容器密封結構及焊縫的致密性一條?,各種文獻基本一致?,而對于考核容器“強度”一說?,意義卻不甚明了?,所謂“強度”是何種意義上的強度??對內壓容器和外壓容器而言?,壓力試驗的目的是否相同??對外壓容器是否也需要通過壓力試驗來檢查其“強度”?這些問題?,對于許多從事壓力容器設計及制造的專業技術人員來說也是十分模糊的。



筆者認為?,不區分內壓容器和外壓容器而籠統地說壓力試驗的目的是“檢查容器的宏觀強度和致密性”(多數大學教材的提法如此)?是欠妥的。



由于內壓容器和外壓容器在工作狀態下的應力狀態不同?,外壓容器的失效形式主要是“失穩”而不是強度破壞?,因此?,壓力試驗的目的對內壓容器和外壓容器而言應是有所不同的。



為了保證安全運行?,對壓力容器的選材、設計、制造、檢驗等各個環節都有相應的規范條文?,按照規范正確選材、設計、制造、檢驗的容器?,似乎應能保證容器的安全運行?,但實際上這些容器的泄漏或破裂事故仍然時有發生?,究其原因?,除操作或維護不當之外?,更主要的原因是材料內部存在著夾渣、氣孔、裂紋等初始缺陷或焊縫中存在缺陷?,這些缺陷有的是在抽查或局部檢查中漏檢了的?,有的是規范允許的、尺寸較小或數量較少的缺陷?,有的是目前尚無有效而準確的檢測方法來檢測的缺陷。?大量的災難性事故?,正是由于上述缺陷在一定外部條件下迅速擴展而造成的?,有時是在低于設計壓力條件下的脆斷事故?,這也是按傳統的強度理論進行設計的一個不足之處。?為了彌補這個不足?,通過大量實踐?,逐步形成了一個強度理論的新分支?―――斷裂力學。?與傳統強度理論不同的是?,它從構件內部具有初始缺陷這一實際情況出發?,研究構件在外載荷下裂紋的擴展規律?,從而提出帶裂紋構件的強度準則。?雖然斷裂力學近年來發展較快?,但還沒有達到成熟完善的階段?,且應用于工程也缺乏經驗?,還有大量問題有待于進一步解決。?所以就目前來看?,對壓力容器進行全面的缺陷檢查和斷裂分析是不現實的?,也是不經濟的。



那么這種“帶缺陷”的壓力容器?,其缺陷對容器的危害程度到底有多大??在正常操作時是否會擴展開裂??對這類問題?,若采用壓力試驗來考查?,的確是一種經濟、便捷而有效的辦法。



對內壓容器來說?,由于其在正常操作情況下?,器壁承受拉伸應力?,為了使容器上的缺陷在正常操作條件下不開裂?,就可采用壓力試驗的辦法?,使壓力試驗時容器缺陷所承受的拉伸應力比正常操作時容器缺陷所承受的拉伸應力略高?,這樣就可使那些在正常操作時可能導致開裂的缺陷在壓力試驗時就開裂?,以免容器在正常操作時發生泄漏或破裂等事故?;另外還會使那些在正常操作時不一定開裂的缺陷在壓力試驗時由于過載應力的作用而在缺陷尖端一定范圍內產生屈服?,根據加載―――卸載定理?,壓力試驗完成并卸壓后在缺陷尖端一定范圍內留下殘余壓縮(影響煤層氣壓縮效率的因素
)應力?,從而在正常操作時?,在工作壓力所引起的拉伸應力作用下?,使原來就不一定導致開裂的缺陷更難開裂。?因此筆者認為?,所謂“檢查容器的宏觀強度”應是指檢查容器缺陷(包括材料初始缺陷及焊縫缺陷)?是否會在超設計壓力狀態下開裂進而造成容器泄漏或破裂。



對外壓容器來說?,由于其在正常操作情況下?,器壁承受壓縮應力?,容器缺陷在壓縮應力作用下并不會開裂而是趨于閉合?,除某些缺陷(例如穿透性砂眼)?在外壓作用下可能會導致滲漏外?,不可能使外壓容器產生“低應力失穩”,這是與內壓容器的不同之處。?所以對于制造完畢投入使用之前的外壓容器?,壓力試驗的目的只是檢查那些可能會導致容器滲漏的缺陷及密封元件的密封性能?,無需檢查容器的穩定性?,更談不到宏觀強度。?為了達到上述目的?,可以通過外壓試驗?,也可以通過內壓試驗?,由于內壓試驗方便易行?,且可以使那些可能在拉伸應力作用下引起開裂的缺陷在壓力試驗時提前開裂以消除隱患?,所以外壓容器通常以內壓試驗方式進行壓力試驗。



2關于試驗壓力如何確定的問題



試驗壓力大小的確定?,既要保證壓力試驗時器壁應力超過設計狀態下器壁的應力水平?,又要保證壓力試驗時存在缺陷的容器不致爆破或試驗后留下較大的殘余變形。



GB150?―1998?第?3.?8.?1?條規定?:液壓試驗時試驗壓力的最低值為?:對內壓容器P?T?=?1。



25?p?t;對外壓和真空容器P?T?=?1。



25?p。



氣壓試驗時試驗壓力的最低值為:對內壓容器P?T?=?1。



15?p?t;對外壓和真空容器P?T?=?1。



15?p。



試驗壓力的上限應滿足下式的限制:σT?=?P?T(?D?i?+δe)2δe≤



0。



9φσs(σ0。



2)?(液壓試驗時)0。



8φσs(σ0。



2)(氣壓試驗時)式中符號見文獻〔1〕。



試驗壓力取設計壓力的某一倍數是為了超載以使缺陷張開而達到試驗目的。?倍數的大小與容器設計時所取的安全系數有關?,由于?GB150?―?1998?取?n?b?=?3.?0?,n?s?=?1.?6?,故對液壓試驗取?1.?25倍?,對氣壓試驗取?1.?15?倍。?對于內壓容器?,由于高溫容器不可能在高溫下進行壓力試驗?,而是在常溫下進行?,因此?,為了維持設計時預期達到的應力水平?,試驗壓力還應乘以溫度修正系數〔σ〕/〔σ〕t。



對外壓容器,設計時的控制點是臨界壓力值,實質上是失穩時的周向應變值,而失穩時的周向應變值與圓筒尺寸D、δ、L有關,與材料性能無關,所以與溫度也無關,因此試驗壓力不必乘以溫度修正系數〔σ〕/〔σ〕t。



各國規范對試驗壓力取值的規定大多如此,且已使用了幾十年。



但近年來業內人士對這一規定提出了不同的觀點,認為在常溫進行水壓試驗的壓力P?T應等于設計溫度下的試驗壓力?1.?25P乘以“溫度修正系數”E/?E?t,指出壓力試驗的實質是將“缺陷”置于一定的“應變場”中考驗其是否擴展開裂。?若以〔σ〕/〔σ〕t對試驗壓力進行修正?,則是圍繞圓筒常溫靜力強度概念的?,試壓目的是考核容器的常溫靜力強度?,而不是考核容器缺陷在設計溫度下?,在“超設計壓力”(1.?25P)?狀態下是否會發生擴展開裂?,對容器的靜力強度考核是不必要的。?可見?,現行標準仍沿用幾十年前的公式是落后的?,沒有跟上人們對壓力試驗的目的的新的認識。



人對事物的認識是隨著時間的推移逐步加深的?,既然人們已認識到過去的結論是不準確的?,那么完全有必要糾正和補充?,絕不能以先入為主來否定正確的認識?,只有這樣?,科學才能進步?,社會才能發展。



3關于是否對試驗時器壁薄膜應力予以限制的問題



GB150?-?1998?第?3.?8.?2?條規定?,壓力試驗前?,應按下式校核圓筒應力?:σT?=?P?T(?D?i?+δe)2δe≤



0。



9φσs(σ0。



2)?(液壓試驗時)0。



8φσs(σ0。



2)(氣壓試驗時)有一種觀點〔3〕認為?,在極大多數條件下這一條件是滿足的?,即使在個別情況下略有超過?,按ASME?Ⅷ―1?的規定?,只要不出現明顯的永久變形也是可以接受的?,因此沒有必要做此規定。



筆者也曾對液壓試驗作過如下計算?:當P?t?=?1。



25?P〔σ〕t時σT?=?P?T(?D?i?+δe)2δe?>?1。



25?P〔σ〕t?D?i?2δe由于PD?i?2δe?


25〔σ〕φ在常溫下,大多數材料的σb?n?b?<σs?n?s,即其〔σ〕都是由σb?n?b確定的,即使按較大值σs?n?s來確定〔σ〕,那么σT≈?1。



25σs?1。



6φ=?0.?78σsφ同理可導出,對氣壓試驗當P?T?=?1。



15?P〔σ〕t時σT?=?0。



72σsφ顯然?,在這種情況下?,滿足校核條件是不成問題的?,而且有一種觀點認為?,在極大多數條件下這一條件是能滿足的?,即使在個別情況下略有超過?,按?ASME?Ⅷ―1?的規定?,只要不出現明顯的永久變形也是可以接受的?,因此沒有必要作此規定〔2〕。



但筆者以為不妥?,所謂“明顯的永久變形”用什么指標來衡量呢??使人感到無所適從?,而且假如真的發生了“明顯的永久變形”,那么容器也就廢了?,會造成很大的經濟損失。?所以?,既然有這種可能性?,那么為什么不防患于未然呢??且?GB150?明確規定P?T?=?1。



25?P〔σ〕/〔σ〕t只是試驗壓力的最低值?,實際操作中?,試驗壓力是完全有可能高于這個下限的。?因此?,筆者以為由于試驗壓力高于設計壓力?,為了保證安全?,不使容器發生不必要的變形和破裂?,若試驗壓力不是按照最低值確定的?,那么在壓力試驗前校核一下器壁應力是否在安全允許范圍內是完全必要的。



但?GB150?―1998?中僅對圓筒薄膜應力提出了校核要求?,而對封頭等其他受壓元件并未提出校核要求。?針對這一問題?,有觀點解釋為?:其原因是由于圓筒中存在著“量大面廣”的一次總體薄膜應力?,應力水平高且遍及整個殼體。?對這種應力由于性質最重要?,必須嚴格加以控制?,故需校核。?而對橢圓封頭、碟形封頭雖也存在薄膜應力?,但并不象在圓筒上那樣“量大面廣”。?其次?,總體薄膜應力水平并不很高?,或并非整體都很高?,故無校核的必要?,因而得出“?GB150?對圓筒所作應力校核的要求是合理的”之結論。



筆者以為?GB150?―1998?規定對筒體進行壓力試驗前的應力校核?,其最終目的是防止由于試驗時應力過高而導致容器產生過大的變形或破壞?,并不是為了限制薄膜應力而限制薄膜應力?,只是由于在設計圓筒壁厚時是以將圓筒最大薄膜應力限制在許用應力水平為前提的。?而對于封頭來說?,盡管一次總體薄膜應力并非量大面廣?,但在強度計算中起決定作用的總應力?(比如凸形封頭過渡區的總應力?,錐形封頭大端的總應力等)?同樣是限制在材料的許用應力水平的?,如果圓筒在壓力試驗時薄膜應力會升高而可能導致過大的變形或破壞的話?,那么封頭在壓力試驗時的總應力同樣會升高而可能導致過大的變形或破壞。?因此?,需要校核的應力不應僅僅是圓筒的薄膜應力?,還應包括封頭及其他受壓元件上在強度計算中起決定作用的最大總應力。?當然?,這些校核計算會很麻煩?,而且在一般情況下(比如?P?T取下限時)?不需要?,但對重要設備或特殊情況?,是必不可少的。?況且在規范中規定進行這些校核計算不會給容器的設計、制造和檢驗帶來任何壞的影響。?GB150?―1998?中只對圓筒作出校核規定?,而不對其他受壓元件作出校核規定很容易使人們在使用中產生誤解。

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