單層整鍛式超高壓容器液壓試驗壓力的分析

蘭清生 陳 穎

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院 南昌 330029）

單層整鍛式超高壓容器液壓試驗壓力的分析

蘭清生 陳 穎

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院 南昌 330029）

根據我國單層整段式超高壓容器的設計和材料的實際情況，從超高壓容器的安全性能出發，分析了超高壓容器液壓試驗壓力值的確定。本文認為超高壓液壓強度試驗壓力的確定應遵循以下原則：1）液壓試驗時應保證容器內壁不屈服，確保不出現過大的殘余變形量；2）液壓試驗時壓力容器的平均一次周向應力計算值不得超過所用材料在試驗溫度下90%的屈服強度；3）液壓試驗時超高壓容器的平均一次周向應力計算值不超過同類材料制作的薄壁容器的最大周向應力。

超高壓容器 液壓試驗 試驗壓力

超高壓容器的設計應力大于100MPa，目前乙烯聚合的超高壓反應裝置設計應力達到320～350MPa，根據國內外有關資料及制造超高壓容器的液壓試驗情況表明，試驗壓力大部分為設計壓力的1.10～1.25倍，試驗壓力按現有使用經驗選取，設計壓力高時取低值，低時取高值，造成這種情況是由于超高壓容器液壓試驗對筒體應力大小沒有具體控制要求，片面參照薄壁容器的試驗壓力取1.25倍設計壓力又偏高，所以一般取1.12〔1、2〕，即使如此，超高壓容器的液壓試驗時應力超高，危險性很大。進一步研究還發現，即使試驗壓力取設計壓力的1.10倍，容器內部也可能會屈服〔2〕，對于用彈性設計準則設計的超高壓容器，這樣進行液壓試驗顯然是不合理的。超高壓容器液壓試驗的目的是檢驗壓力容器的強度及緊密性，容器交付使用前必須進行液壓試驗，由于超高壓容器試驗時儲備了較高的能量，從安全角度出發，液壓試驗既要達到試驗目的又要確保試驗時容器安全可靠。因此對超高壓容器的液壓試驗壓力深入研究，特別是單層整鍛式超高壓容器，采用最早且應用最為廣泛，確定其液壓試驗的合理取值十分必要。

2 液壓試驗時應力分析和壓力確定

2.1 超高壓容器的設計壓力

20世紀60年代以前，超高壓容器多用彈性設計準則設計，初始屈服安全系數取ns=1.8～1.9。由于內壓為0.577σ時，按強度失效準則設計壁厚需要無窮大。所以，后來超高壓容器都采用爆破失效準則，按Faupel公式計算，設計壓力為：

式中：

nb——爆破安全系數；

K——外徑和內徑的比值。

日本高壓氣體協會《超高壓園筒容器設計指南》HPIS-C-103-1980規定 nb為2.5〔5〕，據我國《超高壓容器安全技術監察規程》，采用爆破失效準則設計時，爆破安全系數 nb取3.0。

2.2 液壓試驗壓力

超高壓容器內壁初始屈服時，按第四強度理論計算得容器初始屈服壓力：

假設液壓試驗壓力pL=ηp，則液壓試驗下筒體的一次平均周向應力為

確定液壓試驗壓力時考慮前面提到的兩個原則，液壓試驗壓力應滿足以下要求：

pL≤pS,σm≤0.9σs

代入pL、pS、σm的值，得

式中爆破安全系數 nb取3.0。

若能確定滿足上述條件的η的值，就可得到液壓試驗壓力。

●2.2.1 考慮滿足（4b）式時的η值

由(4b)式知η與材料的屈強比σs及容器的徑比K有關。這兩個影響因素的作用為：

2) 容器的徑比K越小，液壓試驗時平均一次應力越大。

即最大一次膜應力水平只達到0.9σs的57%，超高壓容器取此一次膜應力水平進行液壓試驗時可認為較安全可靠，因此超高壓力容器液壓試驗壓力可取：

pL=2.14p×57%=1.2p (5)

●2.2.2 考慮滿足4（a）式的η值

2.3 自增強容器和設計壓力下內壁屈服的容器

以上分析實際上假設容器未經增強處理，且在設計下內壁不發生屈服。據報道國外建議對徑比K＞1.3的厚壁容器即可考慮采用自增強，對靜液壓自增強容器，由于已進行了超壓處理，說明容器已滿足強度要求，因此可免做液壓試驗。

按爆破失效準則設計時，當K≥3.5時設計壓力將大于容器的初始屈服壓力。文獻[2]認為這類容器不要求液壓試驗，但是容器若不進行強度和密封性試驗直接投入使用是不妥當的。而若采用超過設計壓力的壓力進行液壓試驗，因塑性變形會產生較大的殘余變形量，也不合理。建議對此類容器用其設計壓力進行液壓試驗。

3 結論

由以上分析，根據我國單層整鍛式超高壓的設計和材料的實際情況，建議單層整鍛式超高壓容器的液壓試驗壓力按以下幾種情況決定：

1) 超高壓容器的徑比K≤2.35時，液壓試驗壓力取pL=1.2KTp，徑比K＞2.35時，液壓試驗壓力取容器的初始屈服壓力pS。

2） 當按爆破失效準則設計，超高壓容器的設計壓力大于容器的初始屈服壓力，液壓試驗壓力取容器的設計壓力。

3） 經靜壓自增強處理的超高壓容器，不需要進行液壓試驗。

1 TSGR0002-2005 《超高壓容器安全技術監察規程》[S].

2 邵國華等，超高壓容器[M]. 北京：化學工業出版社，2002.

3 sir. H. Ford,E. H.Watson,B.crossland,Thoughts on a Code of Practice for Forged High pressures Vessels of Monobloc Design,Journal of Pressure Vessel Technology,VOL,103,February 1981.PP,2～9.

4 GB150—2011 《鋼制壓力容器》[S].2011.

5日本高壓氣體協會，HPIS-C-103-1980《超高壓園筒容器設計指南》[S].

Analysis of Hydraulic Test Pressure for Monolayer Forged Super-highpressure Vessel

Lan Qingsheng Chen Ying
(Jiangxi Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Nanchang 330029)

According to the actual situation of design and the material of monolayer pressure vessel in our country and in the view of safety performance of super high pressure vessel, this paper analyzes the hydraulic test pressure values of super high pressure vessel .This paper argues that the determination of ultrahigh pressure hydraulic pressure strength test should follow the following principles: 1) when the hydraulic pressure test should guarantee the container wall does not yield, ensure don′t appear too much residual deformation; 2) when the hydraulic test pressure vessel, on average, a circumferential stress calculation value of the material in test temperature shall not exceed 90% of the yield strength; 3) hydraulic tests of ultrahigh pressure vessel during an average the circumferential stress calculation values are not more than a similar material to make the maximum circumferential stress of thin-walled vessels.

Super high pressure vessel Hydraulic test Test pressure

X933.2

：B

1673－257X(2014)11－13－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.004

蘭清生（1967～），男，碩士，高級工程師、特種設備高級檢驗師，主要從事鍋爐壓力容器檢驗檢測和研究和技術質量管理工作.

2014-08-08）