辛丹丹

（溫州亞光科技實業(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)計和制造上具有一些特殊的要求。為了避免制造過程中產(chǎn)生問題，對于需要進(jìn)行液壓試驗的壓力容器，設(shè)計者不僅要給出試驗壓力值，而且還要進(jìn)行液壓試驗應(yīng)力校核，并提出試驗時應(yīng)注意的事項。本文重點分析相對復(fù)雜的多腔壓力容器的液壓試驗應(yīng)力校核和設(shè)計要點。

1 設(shè)計參數(shù)

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

圖1 多腔壓力容器結(jié)構(gòu)

2 液壓試驗應(yīng)力校核

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

表1 某多腔壓力容器的設(shè)計參數(shù)

2.1 內(nèi)筒體液壓試驗應(yīng)力校核

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

其中，S30408材料試驗溫度下的屈服強度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》相關(guān)公式計算，選取內(nèi)外壓計算結(jié)果的較大值。

式中pT——液壓試驗壓力，MPa；

p——內(nèi)壓設(shè)計壓力，MPa；

[σ]T——壓力試驗筒體的許用應(yīng)力，MPa；

σT——試驗壓力下筒體的應(yīng)力，MPa；

σs——試驗溫度下材料的屈服強度，MPa；

[σ]——試驗溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——設(shè)計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)計壓力0.4 MPa進(jìn)行液壓試驗應(yīng)力校核，得出：

式中pc——外壓設(shè)計壓力，MPa；

其他符號同上。

經(jīng)計算得： 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試驗壓力進(jìn)行液壓試驗應(yīng)力校核，得出：

其中，夾套筒體壁厚δe=2.7 mm。

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

通過上述列舉的內(nèi)筒體及夾套圓筒體的液壓試驗應(yīng)力校核可以看出：對于受內(nèi)外壓的內(nèi)筒體液壓試驗應(yīng)力校核時，液壓試驗壓力值取按內(nèi)壓容器液壓試驗公式計算的壓力值0.25 MPa和按外壓容器液壓試驗公式計算的壓力值0.50 MPa中的較大值，這樣可以簡化校核計算過程。以SW6—2011軟件計算形成的計算書中對于內(nèi)筒體 （內(nèi)壓設(shè)計壓力為0.2 MPa）的液壓試驗壓力不是按0.25 MPa取值的，而是直接按內(nèi)外壓液壓試驗壓力的較大值0.50 MPa進(jìn)行液壓試驗應(yīng)力校核的。這樣內(nèi)筒體無論是按0.25 MPa還是按0.50 MPa為內(nèi)壓壓力值進(jìn)行液壓試驗，筒體的強度都能滿足要求。對于夾套圓筒體液壓試驗應(yīng)力校核時，液壓試驗壓力值按內(nèi)壓容器液壓試驗公式計算。以SW6-2011軟件計算形成的計算書還提示，當(dāng)夾套以0.7 MPa進(jìn)行液壓試驗時，內(nèi)筒體至少需保持一定的內(nèi)壓，以使整個試驗過程 （包括升壓、保壓、泄壓）中的任一時刻，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時，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)定的試驗壓力時 （例如本文所取的0.7 MPa），應(yīng)對各受壓元件進(jìn)行應(yīng)力校核，本文僅列舉了筒體的應(yīng)力校核，對于封頭、接管等受壓元件也要進(jìn)行應(yīng)力校核。

3 設(shè)計要點

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

（1）受內(nèi)外壓的殼體以內(nèi)壓進(jìn)行液壓試驗，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算應(yīng)按GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》中的要求進(jìn)行，即許用外壓 [p]≥計算外壓pc，如果不滿足此條件，就須重新計算。

許用外壓的計算公式為：

式中的外壓應(yīng)力系數(shù)B可通過查圖表求得，如圖2所示。由圖2可見，當(dāng)外壓應(yīng)變系數(shù)A值一定時（即L/Do、Do/δe不變，L表示外壓筒體計算長度，Do表示筒體外徑），設(shè)計溫度越高，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)計所形成的計算書中，對于內(nèi)殼體的外壓校核計算其設(shè)計溫度是按夾套的設(shè)計溫度100℃選取的。但在實際工況中，如果當(dāng)內(nèi)筒體承受外壓、夾套的設(shè)計溫度小于內(nèi)筒體中介質(zhì)的溫度時，那么設(shè)計者應(yīng)按最苛刻組合考慮，取溫度較高值作為設(shè)計溫度進(jìn)行內(nèi)筒的外壓校核計算，以避免操作過程中殼體出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖2 外壓應(yīng)力系數(shù)B曲線

（3）對內(nèi)筒體、內(nèi)筒體下封頭的外壓計算得出：在夾套0.7 MPa水壓試驗時，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)計圖樣上應(yīng)注明這一要求，以避免在壓力試驗過程中殼體出現(xiàn)失穩(wěn)。

在夾套進(jìn)行耐壓試驗時，內(nèi)筒體是否需要充壓，這是需要通過計算來確定的，即需要計算出殼體在試驗溫度下的許用外壓。可按外壓應(yīng)力系數(shù)B曲線圖查出試驗溫度下的B值，例如內(nèi)筒體液壓試驗溫度25℃，外壓應(yīng)變系數(shù)A=0.0006328，查得B=68 MPa，代入公式得試驗溫度下的許用外壓=0.53 MPa。夾套以0.7 MPa進(jìn)行水壓試驗時，已經(jīng)超出了筒體試驗溫度下的許用外壓，所以為保證內(nèi)筒體在液壓試驗時不失穩(wěn)，內(nèi)筒體需要充壓0.17 MPa壓力。若對于內(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，內(nèi)筒體和內(nèi)筒體下封頭試驗溫度下許用外壓大于0.50 MPa，這時不充壓也能滿足穩(wěn)定性要求。所以提高某腔試驗壓力時，內(nèi)殼體不僅要進(jìn)行液壓試驗應(yīng)力校核，而且試驗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題。當(dāng)最小成型厚度小于殼體有效厚度時，殼體最大允許工作壓力、許用外壓及試驗壓力下圓筒的應(yīng)力都發(fā)生了變化，設(shè)計者需要重新進(jìn)行應(yīng)力校核，以免液壓試驗時內(nèi)殼體失穩(wěn)。

（5）對于液壓試驗的液體，有特殊要求時需要提出。例如，對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25 mg/L，以避免氯離子含量過高對容器壁產(chǎn)生腐蝕。

（6）對于立式容器采用臥置進(jìn)行液壓試驗時，試驗壓力應(yīng)計入立置試驗時的液柱靜壓力。工作條件下內(nèi)裝介質(zhì)的液柱靜壓力大于液壓試驗的液柱靜壓力時，應(yīng)適當(dāng)考慮相應(yīng)增加試驗壓力。

4 結(jié)束語

上述分析是筆者在多腔壓力容器設(shè)計工作中的體會。對于多腔壓力容器的液壓試驗應(yīng)力校核和設(shè)計要點，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計者的足夠重視，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)計要點，導(dǎo)致壓力容器失效而無法使用，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].