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壓力容器制造中幾個常見問題述評(二)

點擊:1629 日期:[ 2014-04-26 22:55:14 ]
作者:唐超  【論文摘要】就壓力容器制造中常常遇到的幾個問題進行了討論,在綜合分析現行不同觀點的基礎上提出了個人觀點,目的在于達成共識,確保產品制造質量。4.2 其它問題  ①根據實際用材情況,焊接工藝應作相應修改。②對于用高級材料代用低級材料時,其試驗與驗收仍應按低級材料執行,而無須再提高驗收要求。③材料不同,其低溫韌度儲備也不同,相應的最低水壓試驗溫度將可能有所變化,此時應嚴格按照GB 150的規定執行。此外,如當板厚加厚超過了GB 150規定的冷卷厚度時,必須對筒體作消除應力熱處理。當鋼板達到一定厚度時還須超聲波探傷。必要時還應適當提高水壓試驗壓力,有的甚至還將導致設備結構上的重大改變。5 水壓試驗  水壓試驗作為設備制造的最后一道工序,除了對設備的強度進行檢驗外,還將對焊縫的致密性或密封結構的嚴密性能進行檢驗。同時可降低或消除殘余應力,并使缺陷(裂紋)尖端鈍化,從而防止在較低工作壓力下裂紋的擴展或減緩其擴展速度,提高其壽命。在合理的超載比下尤能提高其疲勞壽命,且能提高壓力容器的承載能力,爆破壓力將明顯提高[19~21]。可見,壓力試驗的意義重大,對于壓力容器的安全使用有著重要作用。然而,由于GB 150-89規定的不夠嚴謹,使得應用中出現了一些理解上的混淆,以致于在有些情況下的試壓已失去意義。另外,對于夾套設備的試壓問題,標準規范的規定又顯得過于武斷,給制造帶來一些不必要的麻煩。再有,當殼體材料代用后,試驗壓力是否應有所更改也是一個值得探討的問題。5.1 試驗壓力取值及試驗應力限制[22]  GB 150-89規定水壓試驗應力為: p試=1.25p設[σ]/[σ]t (3)   當立式容器臥置試壓時,還應計及試驗時的液柱靜壓力,即: p試=1.25p設[σ]/[σ]t+γH (4)   GB 150-89要求將試驗應力提高到設計應力的1.25倍來檢驗設備的強度、密封結構的致密性以及焊縫的致密性等。文[22]的分析表明,按式(3)的計算值只是水壓試驗的最低要求,對于立式液氣共存或充滿液體的容器,式(3)就不可能滿足要求,此時應用下式的計算壓力取代設計壓力: p計=p設γ′h (5) 式中,γ為液體物料的密度;h為液體物料的充裝高度。若此時容器臥置試壓,其試驗壓力應為[22]: p試=1.25p計[σ]/[σ]t-γH (6) 式中,γ為液壓試驗用介質的密度;H為容器容空總高度[22]。  顯然,式(6)比式(4)更合適,因為按式(4)計算試驗壓力就有可能為滿足液壓試驗而增加設備厚度,可見,以p計代替p設來計算試驗壓力較為合理,ASME[23]、BS 5500[24]、AD[7]等也以p計進行計算,盡管ASME也采用p設進行計算,但它只用于立式未充液容器的情況,并不涉及液柱靜壓力的情況。從國外規范的情況來看,它們所規定的試驗壓力往往都很高,實際的試驗應力倍數也都接近標準規定的倍數。 如在BS 5500中, 其p試為: (7) 式中,S為名義厚度,C為附加量。為使容器能真正接受考驗,把殼體設計時的富裕量用于承受提高的試驗應力。  由此可見,各國規范都是將標準給出的試驗壓力作為下限進行規定的,基本上都以p計代替p設,且實際試驗壓力都很高,目的在于使試驗應力高于設計應力一定倍數以檢驗容器,即實際試驗壓力一般均大于等于p試。但GB 150-89似乎不是很明確,以致于在執行中有很多人認為不能超過GB 150-89規定的計算值。而且GB 150-89規定的是用p設計算p試,在低壓高塔設備中常增加設備厚度來滿足試壓要求,很顯然這是不科學的。在已出版的GB 150-1998[25]中已對上述部分問題進行了修改,但在立式容器臥置試壓的規定方面似乎仍有些問題。  關于試壓時的應力控制問題,分析討論的文章比較多,普遍認為按GB 150-89計算試驗壓力可以不必進行應力校核,因為試驗應力不可能超過0.9σs或0.8σs。但是這些文章在分析時,僅僅是把試驗壓力取在GB 150-89規定的計算值上討論的。隨著GB 150-1998的執行,實際的試驗壓力有提高的趨勢,因此在實際的試驗壓力下就有可能出現試驗應力超過0.9σs或0.8σs的情況,從而影響到設備的安全。從國外規范的情況來看,它們也都作出了限制。ASME Ⅷ-1雖未作出直接限制[23],但它指出,若有意無意超過按其公式計算的試驗壓力進行試驗,使容器出現明顯的永久性變形(塑性變形)時,檢驗員有權拒絕驗收,所以實際上還是對試驗應力作出了限制。因此筆者認為,試驗應力仍應按GB 150-1998加以限制。為了提高試驗壓力,必要時可以按筆者推導的公式來計算液壓試驗壓力[19],以保證試驗應力σT≤0.9σs,即: (8) 式中符號意義見文[19]。5.2 夾套設備試壓工序調整與改進[26]  按GB 150和《壓力容器安全技術監察規程》,對于夾套設備,應將內筒組裝焊接并試壓合格后再組焊夾套并試壓,必要時夾套試壓還須對內筒保壓(這由設計確定)。但是,由于實際結構的限制,往往夾套組焊后內筒仍需再次試壓,因此夾套設備通常都要試3次壓。然而,由于夾套設備的種類及結構型式較多,對于有些結構型式,完全沒有必要試3次壓。如圖1a和圖1b所示的夾套結構,在試壓時可以對內筒進行檢查,只要夾套壓力高于內筒壓力且夾套試壓時內筒不需保壓,則完全可以將內筒及夾套一起組焊完畢后進行試壓。此時應先對夾套試壓并對被夾套包圍的內筒進行檢查,然后再對內筒試壓并對夾套以外的部分進行檢查。當然,對于內筒壓力低于夾套且夾套試壓時內筒又需保壓的情況,原則上仍應按GB 150和《壓力容器安全技術監察規程》執行(除了內部加試壓用撐圈以滿足穩定性要求的情況外)。當對圖1所示結構按筆者在文中的介紹安排組裝,并實施試壓工序時,不僅可以縮短制造周期,而且還減少了一次試壓,既降低制造成本,又能達到試壓目的,因此應當是可行和允許的,建議壓力容器監檢部門予以認可。圖1 夾套結構5.3 主體材料代用后試驗壓力值的變更  制造中經常會遇到主體材料代用的情況,當用高級別代用低級別材料以及厚板代薄板時,筆者認為應對試驗壓力作出相應修改:①提高試驗壓力后,能夠真正達到檢驗考核容器的目的。②對設備制造過程中的殘余應力消除程度可高達70%~80%[21]。③能夠提高爆破極限及疲勞壽命等[19~21]。相反,有些設備因選材或材料代用等原因,試驗壓力下的實際應力水平很低,甚至遠遠低于許用應力,對于這些情況,如不提高試驗壓力,則根本達不到試壓的目的,也就失去了試壓的意義。這從前面敘述的ASME、BS 5500的某些規定不難看出,在計算試驗壓力時甚至引入了板厚富裕量,即將試驗壓力提高S/(S-C)倍。對于低壓小直徑設備,有時K值可高達2~3,因此實際試驗壓力可能是設計壓力的3~4倍,以保證試壓的真正目的。筆者在文[19]中的計算實例結果也證實了這一點。因此建議,對于主體材料優代劣、厚代薄以及一些小直徑低壓設備,可以考慮許用應力及板厚變化因素,將試驗壓力適當提高(控制試驗應力不大于0.9σs或0.8σs),這對設備的安全使用是有益的。6 結語  筆者對壓力容器制造中幾個常見問題從理論到實際作了深層的分析敘述,在對問題正反兩方面分析的基礎上,本著安全、經濟和合理的原則,對上述問題進行了歸納,提出了自己的看法與建議。目的在于使有關工程技術人員能從更寬的角度來看待、理解和處理這些問題,取得認識上的統一。也許文中有偏頗之處,懇請讀者諒解與指正。作者單位:唐 超(成都化工壓力容器廠(大邑 611330) 工程師)參考文獻 [1] 李之義.冷近似旋壓封頭與標準橢圓封頭的比較.壓力容器,1992,9(1):60~63 [2] 李 健.標準橢圓封頭與旋壓橢圓封頭的區別.石油化工設備,1998,27(1):35~38 [3] 丁伯民.近似橢圓封頭等效替代標準橢圓封頭的可能性與條件.化工設備設計,1992,(6):1~7 [4] 丁伯民.對冷旋壓近似橢圓封頭代替標準橢圓封頭的分析.壓力容器,1994,11(1):64~67 [5] 夏淑秋,朱軍,朱日照等.特大型不銹鋼橢圓封頭的制造工藝.石油化工設備,1996,25(5):43~46 [6] 潘建堯.標準橢圓封頭允許最大形狀偏差值討論.化工設備設計,1992,(3):26~29 [7] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, SectionⅧ, Division 2,1986 Edition. [8] 唐 超.幾種碟形封頭與標準橢圓封頭替代的合理性探討.化工設計,1995,5(3):20~23 [9] 西德AD受壓容器規范(1982版).上海:化學工業部設備設計技術中心站,1985. [10] 唐 超.冷旋壓封頭制造與應用中應注意的問題.石油化工設備技術,1996,17(4):13~14 [11] 戴自強.凸形封頭圖樣厚度標準方法的探討.化工設備設計,1991,(3):35~36 [12] 詹尚賢,楊以華,袁曉峰.對GB 150-89部分條文的探討.化工設備設計,1991,(3):27~28 [13] 高宏坤.成型封頭最小厚度的確定.石油化工設備,1998,27(1):33~34 [14] 唐 超.成型封頭最小厚度探討.化工設備設計,1998,(5):14~15 [15] 孫祥升.換熱器管子與管板接頭連接方法的試驗研究.石油化工設備,1996,25(6):38~40 [16] 王鴻昌.大型加熱器的設計與制造.石油化工設備,1991,20(2):42 [17] 劉溢恩.壓力容器設計時厚度附加量C的討論.壓力容器,1994,11(1):60~64 [18] 唐 超.干濕H2S環境下設備的選材與設計制造探討.化肥設計,1998,(4):31~34 [19] 唐 超.關于液壓試驗壓力值的討論.化工設備檢驗,1992,(4):36~39 [20] 唐 超.如何從制造上提高壓力容器的安全可靠性.石油化工設備技術,1997,18(6):31~35 [21] 唐 超.壓力容器消除應力技術評述〈二〉.化工裝備技術,1995,16(2):46~50 [22] 方子鳳.關于水壓試驗問題的分析與比較.石油化工設備,1992,21(4):10~14 [23] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section Ⅷ, Division 1, 1986 Edition. [24] 于書田,林羨芝,鄭天孫譯.BS 5500-1984非直接火壓力容器.北京:中國寰球化學工程公司化工設計標準出版組,1987. [25] GB 150-1998鋼制壓力容器.北京:中國標準出版社,1998.7~8 [26] 唐 超.壓力容器制造與成本.化工裝備技術,1998,19(4):35~39
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