楊科,張亞鴿,張旭,田惠蘭

(中船重工電機科技股份有限公司,山西太原 030027)

0 引言

電機承壓部件耐壓試驗,也就是壓力試驗,一般情況下壓力試驗分為氣壓試驗和水壓試驗,目的是檢驗承壓部件實物的強度和嚴密性。在試驗過程中,通過觀察承壓部件有無泄漏、測量配合尺寸確定有無變形,來驗證承壓部件是否具有設(shè)計壓力下安全運行所必需的嚴密性和承壓能力。

相同體積、相同壓力的氣體泄漏時所釋放出的能量要比液體大很多,為降低承壓部件在耐壓試驗時泄漏所造成的傷害,通常情況下試驗介質(zhì)優(yōu)先用液體-水。水的來源和使用都非常方便,又具有作耐壓試驗所需介質(zhì)的各種性能,所以常用水作為壓力試驗的液體介質(zhì)。

為保證電機承壓部件壓力試驗過程安全可控,將風險降低為0,本文特針對電機類產(chǎn)品壓力試驗全過程進行機理和風險分析。

1 電機承壓部件壓力試驗機理分析

1.1 壓力單位換算

105Pa=10N/cm2=0.1MPa=1kg/cm2

=10m水柱

1.2 名詞解釋

電機承壓部件在同容器內(nèi),各處靜壓強相等。稱之為靜水壓強;靜水壓力的方向垂直于作用面,壓力等于壓強乘以受力面積;抗拉強度是抵抗最大變形的能力;屈服強度是抵抗起始塑性變形的能力。

1.3 某型電機壓力試驗要求

對水道進行靜水壓試驗,在壓強為7MPa±0.1MPa,保壓不小于20min的條件下,壓強降落不大于0.05MPa,無冷卻水滲漏現(xiàn)象;對水道進行0.5MPa的氣密性試驗,5min不得有泄漏現(xiàn)象。

1.4 承壓工件危險面校核計算

1.4.1 危險面尺寸及受力圖見圖1

圖1 受力分析圖

1.4.2 對危險面B-B面進行受力計算

F=PSB-B

(1)

式中,P—壓強,7MPa(壓力要求);SB-B—B-B面表面積,1237.8mm2;SA-A—B-A截面單面面積,201mm2;F—B-B面所承受的壓力。

F=PSB-B=700N/cm2×12.378cm2

=8664.6N

σA-A=F/(2×SA-A)=21.5MPa

(2)

該承壓工件所選用的材料為TC4,TC4力學參數(shù)見表1。

表1 TC4力學參數(shù)

通過理論計算,σs/σA-A=38.3,危險截面所需承受的壓力遠遠小于承壓工件所選材料的屈服強度,并在彈性變形范圍內(nèi)。該型電機水壓為7MPa±0.1MPa、氣壓為0.5MPa的承壓工件壓力試驗要求,理論設(shè)計無危險。

1.4.3 對安裝進出水/氣管的螺栓進行受力計算

該型電機安裝進出水管的螺栓為2×M4(GB70.1-8.8)。

螺栓機械性能等級=8.8

螺栓屈服強度σs=640MPa

螺栓小徑:D1小徑=D-1.0825×P

=4-1.0825×0.7

=3.242mm

螺栓截面積:S螺栓=8.255mm2;

進水孔的截面積:S進水孔φ2=3.142mm2

擰緊力矩:T擰緊力矩=3.0 N·m (對于A級-鋼、鑄鐵部件螺栓連接擰緊)

螺栓的預(yù)緊力:F預(yù)緊力= 0.04kN

在7MPa水壓試驗時,螺栓的受力

F螺栓=PS進水孔φ2=0.022kN

螺栓承受的總載荷:F總= 0.062kN

螺栓許用應(yīng)力[σ]=213.33MPa(按安全系數(shù)3計算)

螺栓計算應(yīng)力σ=7.5MPa

校核計算結(jié)果:σ遠遠小于[σ]

通過理論計算,在水壓為7MPa±0.1MPa、氣壓為0.5MPa的試驗中,按照圖紙要求以及工藝要求安裝螺栓,壓力試驗時無危險。

1.5 機理分析結(jié)論

通過理論計算,該承壓工件危險截面以及安裝進出水/氣管的螺栓均滿足壓力試驗的要求,安全可行。

2 電機承壓部件壓力試驗風險分析

壓力試驗過程中,承壓工件、進出水接頭螺栓、氣壓水壓裝置等可能存在的缺陷,在試驗過程防護不當時,會出現(xiàn)危險事故,對人體安全造成一定程度的傷害。以實際案例的方式對壓力試驗風險進行分析,并總結(jié)出壓力試驗風險控制的相關(guān)措施。

2.1 氣壓試驗事故案例

壓力試驗:0.098MPa的氣壓試驗

事故描述:直徑為1m左右的半球面鋼件,通過螺栓安裝于工件上,對該半球面進行氣密性試驗,試驗壓力為0.098MPa,氣壓設(shè)備為空壓機,可提供的最大壓力為2MPa,耐壓試驗時壓力表損壞,導(dǎo)致壓力急劇上升,按0.098MPa計算,安裝該工件螺栓應(yīng)承受的壓力F=PS=76969N,安裝螺栓的安全強度按氣壓0.098MPa計算,安全系數(shù)為3,但是在壓力沒有控制的情況下,超出理論設(shè)計的安全范圍,并因承壓面積大、容積大,爆破力大,導(dǎo)致螺栓拉斷,工件帶螺栓飛出,造成有人員死亡的嚴重事故。

2.2 水壓試驗事故案例

壓力試驗: 32MPa的水壓試驗

事故描述:直徑380mm ,高1000mm的柱狀承壓部件,該部件上的堵頭設(shè)計為10mm厚不銹鋼蓋子,實際錯用成5mm厚鋁件蓋子,鋁σb=124MPa、σs=55.2MPa,不銹鋼σb=485MPa、σs=170MPa。通過理論計算,在該水壓下,蓋子需要承受的壓力大于5mm厚鋁蓋可承受的壓力,因此,在水壓試驗過程中,造成鋁蓋沖出工房的嚴重事故。

2.3 風險分析

以上2個壓力試驗事故均屬于試驗前對壓力裝置、承壓部件沒做好檢查,并且無出現(xiàn)危險時防護措施,超出理論設(shè)計安全范圍,造成人員和物的傷害。

通過查閱資料得知,人體皮膚可承受的壓力為0.5MPa～1.6MPa,試驗過程中的意外對人體的皮膚可造成傷害,而人體眼睛的抗沖擊能力很差,所以在整個試驗過程中,試驗操作人員必須佩戴PVC抗沖擊透明護目鏡。在沖擊負荷下,3mm厚的塑料罩子以及護目鏡可承受的壓力最小值為0.6MPa,在試驗過程中防護罩子以及護目鏡的防護可減緩沖擊物體或氣體對人體的傷害。

通過對案例以及人體可承受的壓力分析,對試驗裝置、壓力試驗過程明確要求,制定風險控制的相關(guān)措施,將風險降低為0,保證電機承壓部件壓力試驗過程安全可控。

2.4 風險控制的相關(guān)措施

承壓部件壓力試驗的風險分別從以下兩點進行控制,具體如下。

2.4.1 對試驗裝置要做明確要求

(1)水壓試驗時,保壓過程無高壓供給能量,保壓過程必須關(guān)閉閥門(確保非高液位儲能罐持續(xù)供給高壓液體),且明確最大壓力。

(2)氣壓試驗時無持續(xù)壓力,保壓過程必須關(guān)閉閥門(確保非大型儲氣罐持續(xù)供給壓力的氣體),且明確最大壓力。

(3)參試人員在試驗前,務(wù)必熟練掌握打壓設(shè)備操作要領(lǐng)和操作順序,牢記由機械操作主導(dǎo)電氣操作的原則,確保人身安全。杜絕誤操作。

2.4.2 壓力試驗過程的要求

(1)操作人員必須佩帶PVC抗沖擊透明護目鏡;

(2)被試件上所有焊縫應(yīng)先經(jīng)過磁粉探傷檢驗合格后進行壓力試驗;

(3)整個試驗系統(tǒng)應(yīng)定置在相對封閉和半封閉的區(qū)域,并劃定禁區(qū),無關(guān)人員不得入內(nèi);

(4)試驗時,環(huán)境溫度不應(yīng)低于5℃,以避免引起薄弱件的低溫脆性;低于5℃時,應(yīng)采取防凍措施;

(5)試驗前,務(wù)必確認液壓泵水箱補水閥處于開啟狀態(tài),且水箱加滿水,防止加壓泵因缺水而損壞,試驗結(jié)束后務(wù)必關(guān)閉液壓泵補水閥,防止水箱溢水;

(6)加壓前,系統(tǒng)充水時務(wù)必通過泄壓閥將系統(tǒng)內(nèi)的空氣排盡,充水完畢后,不要急于升壓,應(yīng)先檢查一下系統(tǒng)有無滲水漏水現(xiàn)象;

(7)升壓或降壓過程應(yīng)緩慢、平穩(wěn),觀察壓力表指針移動應(yīng)平穩(wěn)均勻;嚴禁突然升壓或降壓的操作;

(8)升壓時,先升至1/2試驗壓力,檢查系統(tǒng)正常,再升至3/4試驗壓力無異常,最后升至試驗壓力,按規(guī)定的穩(wěn)壓時間進行保壓,以壓力不降、無滲漏為合格;

(9)升壓、保壓過程中不得用硬物敲擊焊縫、鉚接處、連接處。

(10)保壓過程中,操作人員必須在安全區(qū)內(nèi)觀察,不可靠近;

(11)系統(tǒng)在試驗過程中,萬一出現(xiàn)故障,應(yīng)立即進行系統(tǒng)泄壓,務(wù)必在系統(tǒng)完全泄壓的前提下,方可進入試驗場地進行故障處理。決不允許帶壓操作。

3 結(jié)語

通過對電機承壓部件壓力試驗的機理分析和壓力試驗的風險分析,總結(jié)了壓力試驗風險控制的相關(guān)措施,對于加強安全生產(chǎn)的監(jiān)督管理、保障人民群眾生命和財產(chǎn)安全有著普遍的現(xiàn)實意義。

同時,通過本文的研究也將加深業(yè)界對壓力試驗風險的認識,在防止和減少壓力試驗事故方面具有一定的警示作用。