魏冬雪，徐儒庸，李小梅，程偉

（中國寰球工程有限公司，北京100012）

壓力容器制造完畢后應(yīng)進行耐壓試驗，目的是在超設(shè)計壓力下對容器進行直觀的綜合檢驗，包括：考察容器的整體強度、剛度和穩(wěn)定性（針對可能由內(nèi)壓引起局部失穩(wěn)的元件）；檢查焊接接頭的致密性；驗證密封結(jié)構(gòu)的密封功能；消除或降低焊接殘余應(yīng)力、局部不連續(xù)區(qū)的峰值應(yīng)力；對微裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，鈍化微裂紋尖端［1］。

不同的耐壓試驗的最低超壓程度不同，標準規(guī)定液壓試驗超壓25%，氣壓試驗超壓10%（以前15%）。耐壓試驗只能在常溫下進行，為了使容器達到高溫超壓時的相當應(yīng)力水平，確定耐壓試驗壓力時，必須考慮溫度修正系數(shù)。

筆者研究分析了國內(nèi)不同標準關(guān)于耐壓試驗的規(guī)定，針對各個標準的問題，給出合理建議，使耐壓試驗壓力取值更合理，從而保證壓力容器的安全可靠。

1 GB150.1耐壓試驗壓力取值相關(guān)問題和建議

1.1 液壓試驗

1.1.1 標準中的規(guī)定GB150.1-2011［2］中規(guī)定，液壓試驗壓力的最低值為1.25?立式容器進行臥式液壓試驗時，試驗壓力應(yīng)計入立試時的液柱靜壓力，操作介質(zhì)液柱靜壓力大于液壓試驗的液柱靜壓力時，應(yīng)適當考慮相應(yīng)增加試驗壓力。

當容器銘牌規(guī)定有最高允許工作壓力時，應(yīng)以最高允許工作壓力代替設(shè)計壓力是對溫度的修正系數(shù)，考慮容器的主要受壓元件，包括圓筒、封頭、接管、設(shè)備法蘭（或人手孔法蘭）及其緊固件等，取其中最低值不應(yīng)低于材料受抗拉強度和屈服強度控制的許用應(yīng)力最小值。

剛剛實施的新版《固容規(guī)》［5］試驗壓力確定方法與GB150.1相同，但取消了試驗應(yīng)力校核的強制規(guī)定，由協(xié)調(diào)標準或設(shè)計者決定如何處理。

1.1.2溫度修正系數(shù) 計算溫度修正系數(shù)[σ][σ]t時是否包括緊固件（螺柱），有專家提出了不同見解［3，4］，壓力容器相關(guān)設(shè)計標準［2，5～8］包括螺柱，但一般情況下，溫度修正系數(shù)不考慮螺柱，原因有4點。

（1）當螺柱的溫度修正系數(shù)最小，且設(shè)計的螺柱有一定裕量時，不考慮螺柱的影響就可以得到較高的最低試驗壓力，將螺柱在試驗工況下的總體薄膜應(yīng)力控制在安全范圍內(nèi)的前提下充分利用了螺柱的承載裕量，使容器經(jīng)受更苛刻的檢驗；

（2）螺柱置于壓力容器外部，一般螺柱的操作溫度低于容器的操作溫度，高溫超壓時，螺柱的安全裕度相對較大；

（3）試驗溫度下確定螺柱許用應(yīng)力的安全系數(shù)遠大于板材、鍛件和管材的安全系數(shù)，試壓時螺柱的安全裕度也相對較大；

（4）在壓力容器的使用過程中，管理者發(fā)現(xiàn)螺柱有任何問題或認為必要時可以及時更換，試壓時所考察的螺柱未必是容器操作中所使用的。

因此，筆者建議僅當螺柱的溫度修正系數(shù)最小、且1.25?[σ]/[σ]t?[σ]tb＞0.9ReL-b時，溫度修正系數(shù)應(yīng)考慮螺柱，以控制試壓時螺柱的應(yīng)力水平。式中[σ][σ]t為由板材、鍛件和管材所確定的溫度修正系數(shù)的最小值，[σ]tb為設(shè)計溫度下螺柱材料的許用應(yīng)力，ReL-b為試驗溫度下螺柱材料的最小屈服強度。

1.1.3 主要受壓元件 對于主要受壓元件，GB150.1中沒有給出明確的定義，《固容規(guī)》［5］1.6.1規(guī)定，壓力容器本體中的主要受壓元件，包括筒節(jié)（含變徑段）、球殼板、非圓形容器的殼板、封頭、平蓋、膨脹節(jié)、設(shè)備法蘭，熱交換器的管板和換熱管，M36以上（含M36）螺柱以及公稱直徑大于或者等于250 mm的接管和管法蘭。但《固容規(guī)》3.2.12.1確定試驗壓力時列舉的主要受壓元件與GB150.1相同，與1.6.1有些矛盾。

筆者認為，確定液壓試驗壓力的溫度修正系數(shù)時，應(yīng)考慮“所有受壓元件”更為合理，去掉“主要”2字，與列舉情況也不矛盾，其中緊固件（螺柱）按1.1.2節(jié)建議的方法進行考慮。

1.1.4 “黑線”右側(cè)的取值標準中規(guī)定，PT=1.25?P?[σ]/[σ]t中的[σ]t為不低于材料受抗拉強度和屈服強度控制的許用應(yīng)力最小值，也就是說，當設(shè)計溫度高于材料表中的“黑線”所對應(yīng)的溫度時，[σ]t取“黑線”左側(cè)的數(shù)值。有學(xué)者認為，應(yīng)該取“黑線”右側(cè)設(shè)計溫度下對應(yīng)的許用應(yīng)力，如果取“黑線”左側(cè)的數(shù)值，最終結(jié)果達不到設(shè)計應(yīng)力，水壓試驗起不到作用［3］。

筆者認為，該處[σ]t的取值應(yīng)該以耐壓試驗的目的為根本出發(fā)點，即檢驗設(shè)備承受高溫超壓的能力。耐壓試驗就是設(shè)備在設(shè)計溫度下、壓力放大為PTt=λ?P的作用下，使設(shè)備的應(yīng)力達到σT t=λ?σt，從而實現(xiàn)對設(shè)備的綜合檢驗(水壓試驗時λ=1.25，氣壓試驗時λ=1.1)。

如果相對應(yīng)力水平相同，則認為應(yīng)力對設(shè)備的影響程度相同，即σ/[σ]=σt/[σ]t，表示σ與σt對設(shè)備影響程度相同，故σ=σt?[σ]/[σ]t，也即設(shè)備在設(shè)計溫度、設(shè)計壓力P作用下的應(yīng)力σt與設(shè)備在常溫下、壓力P0=P?[σ]/[σ]t作用下的應(yīng)力σ=σt?[σ]/[σ]t相當。

耐壓試驗一般是在常溫下進行的，為了能夠達到檢驗設(shè)備的目的，試驗應(yīng)力達到σT=σTt?[σ]/[σ]t即可。因此，σT=λσt?[σ]/[σ]t，這就要求 試 驗 壓 力PT=λP0=λP?[σ]/[σ]t=PTt?[σ]/[σ]t，PT=λP?[σ]/[σ]t即為耐壓試驗壓力公式的來源。

在蠕變范圍內(nèi)，即“黑線”右側(cè)，[σ]t由設(shè)計溫度下的持久強度極限和蠕變極限確定，此時的[σ]t比由抗拉強度和屈服強度控制的許用應(yīng)力[σ]t0明顯減小，比“黑線”左側(cè)的許用應(yīng)力[σ]t1更小。設(shè)備在設(shè)計溫度、設(shè)計壓力P作用下，實際相對應(yīng)力 水 平 為σt[σ]t，而 不 是σt/[σ]t0，更 不 是σt/[σ]t1，前者比后2者高很多。

如 果 試 驗 壓 力 取λP?σt/[σ]t0或 者λP?σt/[σ]t1，則試驗應(yīng)力的相對應(yīng)力水平遠低于要求達到的設(shè)計溫度下的試驗應(yīng)力的相對應(yīng)力水平，λσt?[σ]/[σ]t＞λσt?[σ]/[σ]t0＞λσt?[σ]/[σ]t1

因此，GB150.1中“注3：[σ]t不應(yīng)低于材料受抗拉強度和屈服強度控制的許用應(yīng)力最小值”中的[σ]t，無論取[σ]t0還是[σ]t1都是不正確的。筆者建議取消“注3”，該處的[σ]t直接取材料表中設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。

經(jīng)筆者核算，部分材料黑線位置有誤，例如：所有S30408，S30409，S31008，S32168板、管、鍛允許產(chǎn)生微量永久變形的高許用應(yīng)力欄，黑線應(yīng)該在525～550℃之間；35CrMo鍛件黑線應(yīng)該在400～425℃之間。

這些錯誤可能對試驗壓力取值產(chǎn)生很大影響，但如果按筆者的建議直接取設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力確定試驗壓力，這些錯誤沒有影響。

1.1.5 液壓試驗校核 標準中規(guī)定要校核各受壓元件在液壓試驗下的應(yīng)力水平，僅列舉了殼體元件如何校核，其它受壓元件未給出具體的校核方法；標準釋義中規(guī)定除殼體外的其它受壓元件應(yīng)按GB150.3中的相應(yīng)公式計算，但是并沒有給出評定準則，同時也沒有局部結(jié)構(gòu)的計算方法，不同的單位或者設(shè)計人對標準的理解不同，評定方法不同，產(chǎn)生的結(jié)果當然也不同。

例如，壓力容器設(shè)計計算軟件SW-6中，關(guān)于橢圓形封頭的液壓試驗校核，給出的評定方法是：采用封頭厚度計算公式推算出液壓試驗工況下封頭上的應(yīng)力，并對該應(yīng)力進行評定。

筆者認為該應(yīng)力包括了2次應(yīng)力，而不是最大總體薄膜應(yīng)力，但是由于該方法更為保守，所以一直被廣泛使用。筆者建議，液壓試驗時標準應(yīng)給出具體需要校核的受壓元件，并明確各受壓元件的校核方法和評定準則，否則無法校核，因為不同類型的元件應(yīng)力性質(zhì)和分布情況各異，校核方法和評定準則也應(yīng)該是不同的。

標準規(guī)定，試驗壓力大于1.25?P?[σ]/[σ]t時，就應(yīng)校核液壓試驗工況下的應(yīng)力。筆者認為，當液柱靜壓力較小時，沒有必要進行液壓試驗工況的應(yīng)力校核，只有當液壓試驗壓力達到一定程度時，才需校核，而且應(yīng)以元件來判定，否則，例如低壓較高立式容器立試時，下部元件的校核就可能遺漏（塔器標準對塔器已彌補）。

建議參考JB4732，規(guī)定試驗時容器各受壓元件任何點上的壓力（包括靜壓頭）大于1.06×1.25?P?[σ]/[σ]t時對液壓試驗工況下的該元件進行校核。此處“1.06”僅為參考值，筆者建議應(yīng)定義具體數(shù)值。

當容器的液柱靜壓力比較大時，液壓試驗時元件承受壓力也比較大，液壓試驗工況下的元件應(yīng)力校核可能不合格，這時，筆者建議采用氣壓試驗或者氣液組合試驗，或者降低試驗壓力，而不應(yīng)該增加壁厚，因為這違背了耐壓試驗的初衷。例如，立式容器進行臥置液壓試驗時，若應(yīng)力不合格，可降低試驗壓力，即只考慮部分液柱靜壓力。

1.2 氣壓試驗或氣液組合試驗

1.2.1 介質(zhì)液柱靜壓力GB150.1中規(guī)定，氣壓試驗壓力的最低值為PT=1.1?P?[σ]/[σ]t，沒有考慮操作時存在介質(zhì)的情況，若設(shè)備在操作中有很高的液柱靜壓力，那么按照該公式給出的試驗壓力就很難考察容器超壓承載能力，達不到耐壓試驗的目的。建議設(shè)計者考慮相應(yīng)增加試驗壓力。

1.2.2 溫度修正系數(shù) 溫度修正系數(shù)一般不考慮螺柱，僅 當1.1?[σ]/[σ]t?[σ]tb＞0.8ReL時 考 慮 螺柱。其原因說明同文中第1.1.2條。

1.2.3 其它 其它問題和建議同文中第1.1節(jié)。

2 JB4732中耐壓試驗壓力取值相關(guān)問題和建議

2.1 液壓試驗

2.1.1 標準中的規(guī)定JB4732—1995（2005年確認）［6］中規(guī)定了水壓試驗壓力值PT為：

其中Sm/Smt為容器各元件材料（筒體、封頭、接管、法蘭及緊固件等）的最低值。

第3.7.1.2節(jié)規(guī)定，試驗時容器任何點上壓力（包括靜壓頭）超過按1.25?P?Sm/Smt規(guī)定試驗壓力的6%時，需根據(jù)下列規(guī)定確定試驗壓力上限：

任何情況都需要對水壓試驗工況進行評定，載荷組合系數(shù)：

K=1.25。

2.1.2 溫度修正系數(shù) 溫度修正系數(shù)的有關(guān)問題和建議同文中第1.1.2條。

2.1.3 文字與符號標準第3.7.1.2節(jié)的敘述“試驗時容器任何點上的壓力（包括靜壓頭）超過式（3-2）、式（3-3）規(guī)定的試驗壓力的6%時，需要根據(jù)下列規(guī)定確定試驗壓力上限”的說法不嚴謹。

筆者建議改為：“試驗時容器各受壓元件任何點上的壓力（包括靜壓頭）大于式（3-2）、式（3-3）規(guī)定的試驗壓力的1.06倍時，應(yīng)校核該受壓元件在試驗工況下的應(yīng)力”。

按元件校核而并非校核容器整體，按照標準原來的敘述，要校核容器的所有受壓元件，并且要確定液壓試驗的上限值，修改后，只需校核液柱靜壓力高的元件，也不必計算試驗壓力的上限。例如，低壓高塔，“上部”元件可以免于校核，僅需校核“下部”元件。

另外，標準中還存在文字與符號不對應(yīng)的情況，表達的也不夠清楚。

建議將“一次總體薄膜應(yīng)力強度SI”改為一次總體薄膜應(yīng)力Pm，“一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度SII”的“SII”并非一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度，而是一次局部薄膜應(yīng)力強度，此處建議修改為一次總體薄膜加一次彎曲應(yīng)力Pm+Pb。標準中的表達式建議改為：

2.1.4 載荷組合系數(shù) 標準中提出了載荷組合系數(shù)的概念，液壓試驗的載荷組合系數(shù)為K=1.25，即在液壓試驗工況下，將設(shè)計應(yīng)力強度提高1.25倍。

對于液柱靜壓力較低的情況，這樣的校核并沒有實際意義，即計算壓力提高1.25倍，許用值也提高1.25倍；而對于液柱靜壓力較高的情況而言，需要對液壓試驗工況進行評定，也就意味著設(shè)備安全可靠了。

綜上所述，筆者認為可取消液壓試驗的載荷組合系數(shù)K值，液壓試驗工況只校核總體應(yīng)力，并按照標準中的3.7.1.2節(jié)進行評定。建議將標準中3.7.1.1中的“試驗載荷”刪除，改為“容器及其支座按表3-3所列的設(shè)計載荷各組合條件進行設(shè)計時，1次應(yīng)力強度的許用極限應(yīng)滿足5.3.1～5.3.3的規(guī)定”，同時刪除表3-3“試驗載荷”1行。

2.1.5 介質(zhì)液柱靜壓力建議參考GB150，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)適當考慮相應(yīng)增加試驗壓力。

2.2 氣壓試驗

2.2.1 標準中的規(guī)定 標準規(guī)定了氣壓試驗壓力值PT為：1.1?P?Sm/Smt，其中Sm/Smt為容器各元件材料（筒體、封頭、接管、法蘭及緊固件等）的最低值。（原標準中放大系數(shù)為1.15，固容規(guī)已經(jīng)修改為1.1，但是JB4732并未修改，也沒有修改單）。

第3.7.1.2節(jié)規(guī)定，液壓試驗時對1次薄膜應(yīng)力加1次彎曲應(yīng)力值應(yīng)力強度的限制亦適用于氣壓試驗；僅計算求得的1次薄膜應(yīng)力強度SI應(yīng)不超過試驗溫度下材料的ReL(RP0.2)屈服強度的80%。用公式表達，即為：

2.2.2 評定準則氣壓試驗的評定準則，僅將a）條進行了修改，b）條與液壓試驗時相同，明顯是不合理的，氣壓試驗與液壓試驗的取值不同，應(yīng)采用不同的評定標準，建議參照ASME VIII-2［9］修改為：

同時建議增加氣液組合試驗，按氣壓試驗要求執(zhí)行。

2.2.3 介質(zhì)液柱靜壓力 標準中沒有考慮操作時存在介質(zhì)的情況，如果設(shè)備在操作中有很高的液柱靜壓力，那么按照標準中的公式給出的氣壓試驗壓力就很難考察容器超壓承載能力，達不到耐壓試驗的目的。建議設(shè)計者適當考慮相應(yīng)增加氣壓試驗壓力。

3 GB12337耐壓試驗壓力取值相關(guān)問題和建議

3.1 常規(guī)設(shè)計部分

GB12337—2014［7］常規(guī)設(shè)計部分中，溫度修正系數(shù)[σ][σ]t僅考慮球殼材料，未考慮鍛件和管材。筆者認為，溫度修正系數(shù)應(yīng)考慮板材、鍛件和管材。這里不考慮緊固件（螺柱）的主要原因是，球罐的設(shè)計溫度比較低，溫度修正系數(shù)接近于1，不會出現(xiàn)1.25?[σ]/[σ]t?[σ]tb＞0.9ReL-b情況。

氣壓試驗時，未考慮操作時的液柱靜壓力，建議同GB150。

標準規(guī)定在耐壓試驗前，應(yīng)校核各受壓元件在試驗條件下的應(yīng)力水平。但僅對球殼元件進行了說明，沒有提及其它元件如何校核，建議標準給出各受壓元件在耐壓試驗工況下的校核方法和評定準則。

筆者同時建議，規(guī)定試驗時容器各受壓元件任何點上的壓力（包括靜壓頭）大于1.06×1.25?P?[σ]/[σ]t時對液壓試驗工況下的應(yīng)力進行校核。此處“1.06”僅為參考值，筆者建議標準定義具體數(shù)值。

3.2 分析設(shè)計部分GB12337分析設(shè)計部分中，“溫度修正系數(shù)”的問題和建議同文中第3.1節(jié)，“文字與符號”和“氣壓試驗”的問題和建議同文中第2.1.3節(jié)和第2.2節(jié)。

4 NB/T47041耐壓試驗壓力取值相關(guān)問題和建議

NB/T47041—2014［8］中第4.5.3條規(guī)定，如果采用液壓、氣液組合壓力試驗，或者采用大于4.5.2.2 b）、4.5.2.3 b）所規(guī)定的氣壓試驗壓力，在耐壓試驗前，應(yīng)校核各受壓元件在試驗條件下的應(yīng)力水平，例如對殼體元件應(yīng)校核最大總體薄膜應(yīng)力。

筆者認為，在液柱靜壓力較小的情況下，可不必校核耐壓試驗工況。建議規(guī)定試驗時塔器各受壓元件任何點上的壓力（包括靜壓頭）大于1.06×1.25?P?[σ]/[σ]t時對液壓試驗工況下的應(yīng)力進行校核（氣壓試驗為1.06×1.1?P?[σ]/[σ]t）。此處“1.06”僅為參考值，建議標準定義具體數(shù)值。

標準中規(guī)定，在耐壓試驗前，應(yīng)校核各受壓元件在試驗條件下的應(yīng)力水平，并舉例校核“殼體元件最大總體薄膜應(yīng)力”，但是校核的公式僅適用于筒體，建議此處的舉例修改為“筒體元件最大總體薄膜應(yīng)力”，并給出其它元件的校核方法和評定準則。其它問題和建議同GB150。

5 結(jié)束語

通過對國內(nèi)壓力容器相關(guān)設(shè)計標準的分析和比較可以發(fā)現(xiàn)，不同的標準，針對耐壓試驗有不同的要求。當然，各個標準中還存在著一些問題，設(shè)計者在設(shè)計壓力容器的過程中，要具體情況具體分析，在不違反標準規(guī)范的前提下，從耐壓試驗的根本目的出發(fā)，提出合理的耐壓試驗壓力，保證壓力容器在設(shè)計壽命內(nèi)安全穩(wěn)定的運行。