壓力容器安全系數對耐壓試驗的影響

崔之彪

(華陸工程科技有限責任公司)

壓力容器安全系數對耐壓試驗的影響

崔之彪

(華陸工程科技有限責任公司)

對TSG 21-2016和GB/T 150-2011中的耐壓試驗壓力與耐壓試驗應力校核進行了分析。闡述了彈性失效準則下的內壓厚壁圓筒強度計算公式和耐壓試驗計算，并給出了壓力容器試驗壓力的可靠性理論。

壓力容器 耐壓試驗 安全系數 強度理論 彈性失效準則 可靠性分析

在壓力容器制造過程中，經過熱處理和無損檢測合格后的壓力容器需要進行耐壓試驗(液壓試驗或氣壓試驗)。文獻[1]認為內壓容器耐壓試驗的目的是：針對可能由內壓引起局部失穩的元件，考核容器的整體強度、剛度和穩定性；檢查焊接接頭的致密性；驗證密封結構的密封性能；消除或降低焊接接頭殘余應力、局部不連續區的峰值應力；對微裂紋產生閉合效應，鈍化微裂紋尖端。外壓容器以內壓進行耐壓試驗的目的是：檢查焊接接頭的致密性，驗證密封結構的密封性能，不考察容器的外壓穩定性。由于耐壓試驗屬于超壓試驗，試驗壓力大于設計壓力，因此耐壓試驗存在一定的危險性。TSG 21-2016[2](以下簡稱《固容規》)對試驗壓力的取值和試驗過程進行了詳細介紹。在此，筆者針對文獻[2,3]中關于耐壓試驗的取值及其應力校核進行討論。

1 耐壓試驗壓力與耐壓試驗應力校核

1.1 耐壓試驗壓力

《固容規》中規定，耐壓試驗壓力pT的計算式為：

(1)

式中p′——壓力容器設計壓力或者壓力容器銘牌上規定的最大允許工作壓力，MPa；

η——耐壓試驗壓力系數，參照表1進行選??；

[σ]——容器元件材料在耐壓試驗溫度下的許用應力，MPa；

[σ]t——容器元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。

表1 耐壓試驗壓力系數η

1.2 耐壓試驗應力校核

與JB 4732-1995[4]不同，GB/T 150-2011[3]和《固容規》不要求耐壓試驗前一定要進行強度校核。GB/T 150-2011和《固容規》規定只有在采用高于式(1)計算得出的試驗壓力時，在耐壓試驗前才需要校核各受壓元件在試驗條件下的應力水平。如對于殼體元件，試驗壓力下的應力σT為：

液壓試驗σT≤0.9ReLΦ

氣壓試驗或氣液組合試驗σT≤0.8ReLΦ

式中ReL——材料在標準室溫下的屈服強度，MPa；

Φ——焊接接頭系數。

ASME BPVC.Ⅷ.1-2015[5]不要求在耐壓試驗中進行應力校核，但當耐壓試驗壓力超過標準計算值，并使容器出現明顯的塑性變形時，檢驗師有權拒絕接收該容器。ASME BPVC.Ⅷ.2-2015[6](采用應力分類和應力評定原理)規定，當試驗壓力超過規定值時，要分別對一次總體薄膜應力Pm、一次彎曲應力Pb及二者的組合進行校核。

2 壓力容器標準下的耐壓試驗探討

2.1 彈性失效準則下的內壓厚壁圓筒強度計算

僅受內壓作用時，將厚壁圓筒內壁處的三向應力分量計算式(拉美公式)分別代入彈性失效設計準則中的第一強度理論(最大拉應力準則)、第三強度理論(最大切應力準則)、第四強度理論(形狀改變比能準則)和中徑公式[3]中，可求得相應設計準則下的應力強度、徑比和圓筒厚度計算式，結果見表2。

表2 彈性失效準則下的內壓厚壁圓筒強度計算式

注：σeqi中的下角i為第一強度理論、第二強度理論和第四強度理論的序號；p為設計壓力；Ri為圓筒內半徑。

當表2中的應力強度等于材料屈服點σs時，所對應的壓力為內壁初始屈服壓力psi。psi/σs表示圓筒的彈性承載能力，它和徑比K的關系如圖1所示?？梢钥闯?，當壓力容器厚度較薄(K值較小)時，各設計準則差別不大；在同一承載能力下，第三強度理論計算出的厚度最厚，中徑公式計算出的厚度最薄；第四強度理論計算出的內壁初始屈服壓力和實測值最為接近。

圖1 徑比與彈性承載能力的關系曲線

2.2 彈性失效準則下的耐壓試驗計算

GB/T 150-2011中圓筒厚度計算公式由第一強度理論導出，因此只能用于一定的厚度范圍，如果厚度過大，則由于實際應力情況與應力沿厚度均布假設相差太大而無法使用。按照薄殼理論，圓筒厚度計算公式僅能在δ/D≤0.1(即K≤1.2)范圍內使用。但作為工程設計，在確定許用應力時引入了材料安全系數，故在實際使用中可以將使用范圍略加擴大。GB/T 150-2011中規定的圓筒厚度計算公式適用范圍為：

p≤0.4[σ]tΦ

(2)

則相應K值的許用范圍擴大到K≤1.5。

由于按第四強度理論計算出的內壁初始屈服壓力和實測值最為接近，所以與第四強度理論所對應的應力強度σeq4能較好地反映厚壁圓筒的實際應力水平。則有：

m=σeq4/σeqm

(3)

其中，σeqm為中徑公式得出的應力強度；m為第四強度理論計算出的內壁應力強度與中徑公式計算得出的應力強度之比。

由圖1可知，m隨徑比K的增大而增大，當K=1.5時，根據表2中應力強度計算式與式(3)，可以求得m≈1.25。因此可以近似認為，當K=1.5時內壁實際應力強度是按中徑公式計算的應力強度的1.25倍。則有：

y=η×m

(4)

其中，y為耐壓試驗時圓筒內表面的實際應力強度與中徑公式計算得出的應力強度之比。

式(4)中，η取1.25(液壓試驗)，按徑比K=1.5的極限情況計算，則y=η×m=1.25×1.25=1.56<1.6(JB 4732-1995中碳鋼和低合金鋼屈服強度的安全系數ns)，說明筒體內表面金屬未達到屈服點，處于彈性狀態。

GB/T 150-2011中ns=1.5。由上述可知，在K=1.5的情況下，y=1.56>1.5。若考慮ns=1.5，令第四強度理論計算得出的內壓圓筒內壁達到剛好屈服的極限情況，此時y=η×m=1.25×m=1.5，求得m=1.2。

2.3 壓力容器試驗壓力的可靠性理論

在彈性失效準則下，當K>1.43時，按照式(1)計算得出的試驗壓力，壓力容器耐壓試驗時的圓筒內壁金屬將達到屈服點，處于塑性狀態，彈性失效準則以危險點的應力強度達到許用應力即視為失效。但實際上，由于壓力容器所用材料為塑性韌性較好的材料，特別對于內壓厚壁圓筒，當危險點發生屈服時，其余各點仍處于彈性狀態，不會導致整個截面的屈服，因此構件仍能承載。應用可靠性數學的基本知識，基于鋼制內壓容器靜強度(內壓容器的屈服強度和爆破強度)在壓力試驗時的可靠性分析，劉小寧等建立了鋼制壓力容器試驗壓力的可靠性理論[7]。他們認為，除超高壓厚壁圓筒外，其余結構容器的試驗壓力系數上限均由屈服失效準則決定：當ns=1.5時，η的取值上限為1.2(氣壓試驗)或1.35(液壓試驗)；當超高壓厚壁圓筒的抗拉安全系數nb=2.55時，η的取值上限為1.662(液壓試驗)。相較于表1中η的取值，我國標準對內壓容器試驗壓力系數的取值是保守的。

3 結束語

綜上所述，為了提高我國壓力容器標準的技術水平、競爭力，適應國際市場需求，在GB/T 150-2011和《固容規》中修訂了碳鋼和低合金鋼屈服強度的安全系數。筆者認為，按照GB/T 150-2011和《固容規》中的耐壓試驗公式進行計算雖然會引起在彈性失效準則下厚壁容器(K>1.43)內壁產生屈服，但是在屈服失效和爆破失效設計準則下可知，容器整體并不會產生失效。因此，我國壓力容器標準將安全系數ns由1.6調整到1.5是有一定的理論和實踐基礎的。

[1] 壽比南,楊國義,徐鋒,等.GB/T 150-2011《壓力容器》標準釋義[M].北京:新華出版社,2012.

[2] TSG 21-2016,固定式壓力容器安全技術檢察規程[S].北京:新華出版社,2016.

[3] GB/T 150.1～150.4-2011,壓力容器[S].北京:中國標準出版社,2011.

[4] JB 4732-1995,鋼制壓力容器——分析設計標準[S].北京:中國標準出版社,1995.

[5] ASME BPVC.Ⅷ.1-2015,ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 1[S].New York:ASME International, 2015.

[6] ASME BPVC.Ⅷ.2-2015,ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 2[S].New York:ASME International, 2015.

[7] 劉小寧,潘傳九,劉岑,等.鋼制內壓容器安全系數與試驗壓力系數研究[J].河北科技大學學報,2011,32(4):321～325.

TheInfluenceofPressureVessel’sSafetyCoefficientonthePressureTest

CUI Zhi-biao
(HualuEngineering&TechnologyCo.,Ltd.)

The test pressure and stress checking stipulated in TSG 21-2016 Specification and GB/T 150-2011 Standard were analyzed and both strength calculation formula and pressure test for the thick walled cylinder were expounded, including the reliability theory on test pressure of the pressure vessels.

pressure vessel, pressure test, safety coefficient, strength theory, elastic failure criterion, reliability analysis

崔之彪(1985-)，工程師，從事化工設備設計工作，czb2154@chinahualueng.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)03-0276-03

2016-06-03，

2017-05-09)