对GB150《压力容器》有关内容的商榷——试验压力值的确定及相关问题VIP

第 5 O卷第 1 期 2 0 1 3 年 2月 I 匕 工设备与管道 P R OC E S S E Q UI P ME N T&P I P I N G 、 ， 0 1 5 0 No 1 F e b 2 01 3 压 力 容 器 对GB 1 5 O 压力容器有关 内容的商榷 试验压力值的确定及相关问题 丁 伯 民 ( 华东理工大学，上海2 0 0 2 3 7 ) 摘要：试验压力的温度补偿一直是我 国标准的一个问题 ，G B l 5 0 2 0 l 1 压力容器为完善压力试验中 的温度补偿方法，对试验压 力值 的确定进行 了补充，从而更引起 了问题。根据压力试验 目的和温度补偿 原理，分析 了问题所在 。 关键词：试验压力；温度补偿 ；GB 1 5 0 压力容器；AS ME V E 1 ；E N 1 3 4 4 5 中图分类号：T Q 0 5 0 2 ；T H 4 9 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 0 6 0 0 5 G B 1 5 0 2 0 1 1 u 对压力试验中的试验压力值又 作了修改。文 2 】 在介绍新版的修订原则及其主要变 化时指出：“ 试验压力的温度补偿一直是中国标准的 一 个问题。考虑到许用应力在不同温度下的控制失效 模式的参数不同，因此划定极限温度点，从而完善了 压力试验中的温度补偿方法。 ” 确如文 2 所述，试验压力的温度补偿一直是中 国标准的一个问题，不仅温度补偿，还有压力试验时 对受压元件的应力校核，也是我国标准的一个问题。 笔者多年来一直对这两个问题发表意见 p ，并用计 算实例表明，在某些需要进行温度补偿的高温条件 下的容器元件， 按照原 GB 1 5 0的规定进行压力试验， 并未达到压力试验是为了对完工容器投入运行前进 行超应力水平考验、以保证在操作时安全运行之 目 的，即：即使完成了压力试验过程 ，也形同走过场。 对于压力试验时规定对受压元件的应力校核问 题， 新版作了修改 而对于试验压力的温度补偿问题， 如按笔者所提建议 ，即温度补偿值的应力 比不应包 括螺栓在内的处理，G B 1 5 0 2 0 1 1 主编方认为会导 致在压力试验时螺栓应力超标而使法兰泄漏，故未 予听取；并为解决可能存在的试验压力过高，担心 密封件泄漏，所 以在 G B 1 5 0 1 ，4 6 2 2节中增加了 注 3 ： c r 】 不应低于材料受抗拉强度和屈服强度控制的 许用应力最小值。并相应在 G B 1 5 0 2 ，3 6 1 中表示 “ 许用应力表中粗线右侧的许用应力系由钢材 1 0 h 的高温持久强度极限所确定 ” 。由于这一补充，不仅 不能解决 因为包括紧固件在内而可能导致筒体或封 头等元件达不到超应力考验之 目的，反而造成在高温 容器中，甚至会导致筒体或封头以及紧固件等所有元 件都达不到超应力考验之 目的，试验时各元件应力水 平之低，使人担心，压力试验完全是形同虚设。 1 压力试验的目的和为达到目的所要求的试验 压力值 在材料、设计、制造、检验和验收各方面都按 照规范、标准建造的压力容器，应该说在使用中是能 够保证安全的。但是，实际上由于种种原因，在使用 中的安全事故还是时有发生，其原因大致是，在建造 过程中虽然都严格按照规范、标准并对焊缝等经过无 损检测且验收合格，只能说不再存在超标的缺陷，但 经评定认为合格的缺陷仍然存在 ；或结构不合理而形 成高的局部应力区、或设计计算的偶然疏忽造成了高 应力区等等，这种缺陷或高应力区在容器使用时有可 能因意外的超压等而发生事故。所以，完工容器在投 入运行前对之施以超压试验，把可能存在的缺陷或高 应力区排除，即如果缺陷或高应力区在超应力作用下 会开裂而造成事故，也让它在压力试验时发生，将容 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 1 - 0 2 作 者简 介 ：丁伯 民 ( 1 9 3 5 一 ) ，男 ，江苏 无锡 人，教授 。主要 从 事压力容器、化工设备的教学、设计和研究T作。 2 0 1 3年 2月 丁伯民 对 G B 1 5 0 压力容器有关内容的商榷试验压力值的确定及相关问题 器报废，以保证通过压力试验的容器在正常运行中绝 对安全。国外资料曾列举了多次容器在常温( 1 0 ,- 2 0) 试验时发生脆性断裂的事故，所以，完工容器在投入 运行前的压力试验，其 目的是考验容器的宏观强度、 焊缝的致密性和密封件密封性必不可少的手段 。 既然压力试验有上述 目的，所以内压容器试验 时应对各元件施以能达到超过其设计应力水平 ( 一般 为材料在设计温度下的许用应力 ) 某一百分数的 压力 以资考验。如果因标准规定得不妥，使容器某 些元件在所规定的试验压力时并未承受超过其设计 应力水平某一百分数应力的考验，则压力试验形同虚 设，这样的容器在投入运行后因为种种原因而偶有超 压，其危险眭当然是不言而喻的。 压力试验时各元件要超过其设计应力 的百分数 数值和标准对材料确定其许用应力时所引入的安全 系数、对无损检测规定的宽严程度，以及标准总体上 的技术政策有关。G B 1 5 0对液压试验则规定为 2 5 。 根据上述原则，试验时取容器设计压力或最大 许用工作压力的 1 2 5 倍就可以。但是涉及到容器的 设计温度可能较高，因材料的许用应力在高温时比常 温时为低， 已按高温条件设计好( 即取许用应力为 c r】 1) 的容器，按上述压力试验的目的，则要求在同样温 度下以 1 2 5 p进行压力试验，这实际上无法实施，只 能在常温条件下进行压力试验，为调整在高温下设计 的容器 ( 由较低许用应力得到较大的元件厚度 ) 在常 温下试验时也能达到各元件常温许用应力的 1 2 5 ， 所以应在 l ， 2 5 p的基础上乘以比值 ，以提高试 验压力值，其中 为材料在常温时的许用应力， 为材料在设计温度时的许用应力，即设计该元件厚度 时所采用的许用应力，不论该许用应力由抗拉强度、 屈服强度、持久强度或蠕变极限确定，都取材料表中 已经 由该 四个条件中确定 的最小值作为材料在设计 温度下的许用应力，并非材料受抗拉强度和屈服强度 控制的许用应力最小值。 以对圆筒的简单分析为例，在内压P作用下其 应力水平为 a = p D 2 ，其中壁厚 系由设计温度条件 下的许用应力 设计完成，即 fi = p D 2 a ，当在常 温下施加以 1 2 5 p c 的试验压力时，所引起的应 力水平为 垄 = 1 2 5 p a l r l D =1 2 5 ， 这样，对在高温下按 设计完成的容器元件，由常 温时以 1 2 5 p c 进行液压试验时，该元件相当于 在常温试验时经受 1 2 5 a 的应力水平，达到了考验 目的。显然， 为在设计温度下的许用应力，是按 材料许用应力表中在对应温度时的值，决不是经过什 么调整后的值。 因为容器中各元件材料的 棚 c 比值略有不同， 国外有关标准对此值都规定应取各元件 中的最小 比 值，而且指出，“ 各元件”并不包括螺栓在内。这样， 对于除螺栓外由不同材料元件所组成的容器，仅对 【 【 c 】 比值最小的那个元件，在常温时试验刚好达到 常温许用应力的 1 2 5 倍， 而对 值比最小 【 值为大的那些元件，在常温试验时则达不到常温许用 应力的 1 2 5 倍。对一般壳体用钢，其 【 盯 比值虽 略有不同，但相差不大，虽未达到 1 2 5 倍，但相差 不多，总是能超过常温应力水平的某一百分值，也起 到考验之目的。 在常温时，螺栓确定螺栓许用应力的安全系数 远较板材为大 ( 例如，以屈服强度为基准的安全系数 对板材取 1 5 ， 而对螺栓则取为 2 5 3 7 ) ， 而在高温时， 不论螺栓或板材，其许用应力都 由持久或蠕变强度 所控制，且螺栓或板材对此强度参数所引入的安全系 数相同。所以螺栓的 c r 】 【 比值一般都小于板材的 比值，如以各板材 c 的最小比值作为温度补偿 的基准，则在试验时螺栓的应力水平可能大于常温 许用应力的 1 2 5 倍，但因为螺栓以屈服强度为基准 的安全系数大，所以不必担心因超应力而引起屈服， A S ME 1 和原 AS ME 2 都明确地表示 ： 螺栓应 力可在设计应力值以上相当大的范围内变化，在规 范材料表 中的螺栓设计应力值是一个考虑 了防止屈 服因素的保守值。据此，国外有关标准对 “ 各元件 ” 都说明不包括螺栓的规定 ，所以就不用担心试验时螺 栓应力过高而引起屈服。 如果如 G B 1 5 0 所规定 “ 容器各元件 ”包括螺栓 在内，则 因为其 c r 】 值总小于板材的 c r 】 值， 所以应取螺栓的 c r 卅 值作为补偿系数，这样螺栓 在试验时总能达到 1 2 5 a 的应力水平，而其他元件 就达不到 1 2 5 a 的应力水平，压力试验形同虚设。 2 历版GB 1 5 0 及其前身 钢制石油化工压力 容器设计规定对试验压力值的规定以及引起 的问题 历版 G B 1 5 0 及其前身 钢制石油化工压力容器 设计规定一直担心在压力试验时螺栓应力的超标， 8 I 匕 工设备与管道 第 5 0 卷第 1 期 所以在引用 AS ME规范对试验压力值的规定中，先 是对 c r 比值未明确指哪些元件，意指和 AS ME 规范相同，不包括螺栓在内。但担心因试验压力较高 引起螺栓应力超标，在 1 9 8 5 年 钢制石油化工压力 容器设计规定 7 的编制说明中表示：“ 当容器的设 计温度很高， 需按持久限设计时， 卅 的比值太大， 可使试验压力高出很多。有些学者从断裂力学的观 点出发，认为试验压力过高，将使裂纹扩展，对容 器的安全性不利。为此提出了此系数最高值的限制 值。压力容器几种常用钢种当其温度即将进入持久限 的范围时，其比值约在 1 8 左右，即以此作为限值” 。 接着又表示：“ 由于有此限制，对持久限部分的设计， 其压力试验就达不到 超工作压力的条件，这一点 与国外规范是不一致的” 。 根据这些规定，标准还是担心试验时因压力过 高而对安全不利，尤其是螺栓应力超标的问题，所以 G B 1 5 0 在 1 9 9 8 年版中，对 “ 容器各元件所用材料不 同时，应取各元件材料的 比值中最小者”表 述中的“ 容器各元件” 就明确地表示为包括紧固件 ( 即 螺栓 )在 内。标准认为，一般螺栓的 c r 值总小 于板材的 c r 值，由螺栓的 卅 比值对试验压 力值的温度补偿起决定作用，在试压时螺栓总是达到 1 2 5 倍的 ，不会超标了。 GB 1 5 0 并未像 A S ME 1 那样，把确定螺栓 常温许用应力的安全系数和确定常温板材许用应力 的安全系数的不同，和是否要担心在试压时螺栓应力 的超标相联系，一直担心螺栓应力的超标，而不担心 按这些规定试压，对圆筒和封头等由板材建造的元件 达不到超应力考验、压力试验形同虚设的严重问题。 所以作出了和国外标准不同的规定。 现以G B 1 5 0( 1 9 9 8 ) 8 的规定及其所列的许用 应力，用在试验压力中最需要引入温度补偿系数的高 温容器计算实例说明问题所在。 某容器 t =- 4 5 0，圆筒 和封头 6 = 1 6 1 T i m，材料 1 6 Mn R ， = 1 7 0 MP a ， = 6 6 MP a ； 螺栓直径 2 4 mm， 材 料 3 5 C r Mo A， = 2 2 8 MP a ， , t = 1 5 0 MP a 。应按 螺栓确定试验压力。 P T = 1 2 = 1 2 5 p 2 2 8 1 5 0 = 1 9 p ，此时对螺 栓，试验时应力水平为 1 9 1 5 0 2 2 8 = 1 2 5 倍，达到 规定的考验 目的 ； 对圆筒和封头，试验时应力水平为 1 9 6 6 1 7 0= 0 7 4倍，连设计应力水平都未达到，谈 何压力试验时的超应力考验。 反 之，如 不 包 括 螺 栓， 则P T = 1 2 5 ,o 1 7 0 6 6 = 3 2 ，螺栓应力水平为 3 2 2 1 5 0 2 2 8 = 2 1 2 倍，因 螺 栓 ( 3 5 C r Mo A ) n 可 达 2 7 3 5 ( 但 可能 引起 泄 漏， AS ME 一 1 指出可在卸压后上紧螺栓 1 ， 故不会屈服， 圆筒和封头则为 1 2 5 倍，刚好达考验 目的。 3 本版G B 1 5 0 m 对试验压力值规定的补充以及 引起的问题 为使在试压时螺栓应力不致过高，所以本版 G B 1 5 0继续保 留了 1 9 9 8 年版对 【 卅 比值包括紧固件 在内的规定，同时为使圆筒、封头等由板材所制元 件在试压时应力不致过低，又对P = 1 2 5 p 卅 】 中的 仃 用注 3说明： 盯 不应低于材料受抗拉强度和屈 服强度控制的许用应力最小值。并相应在材料篇的 3 6 1 条说 明：许用应力表中粗线右侧的许用应力系 由 1 0 h的高温持久强度极限所确定。即对 的取 值并不是其在设计温度时的许用应力，而是经调整以 后的较高值 。 为说 明这些规定不仅仍然存在原标准对圆筒和 封头等压力试验形同虚设的问题，并且又引起了连螺 栓都达不到设计应力水平的新问题。现举在高温条件 下设计的容器，压力试验对各个元件都达不到设计应 力水平，压力试验更形同虚设的计算实例。 例 1 ，温度尚未达到许用应力由 1 0 h的高温持 久强度极限所确定时。某容器 t = 4 0 0，圆筒和封 头 6 = 6 2 I l m，材料 Q3 4 5 R，螺栓直径 2 4 mm，材料 3 5 Cr M o A。 例 2 ，温度超过许用应力 由 1 0 h的高温持久 强度极 限所确 定时。某容器 t = 4 7 5，圆筒 和封 头 3 = 6 2 mm，材料 Q 3 4 5 R，螺栓直径 2 4 mm，材料 3 5 Cr M o A。 举例所用的板材和螺栓的许用应力见表 1 。 对例 1 ，壳体为 = 1 8 1 MP a ， t _ l l 0 MP a ，螺 栓为 = 2 2 8 MP a ， = 1 7 0 MP a 。所以应按螺栓确 定试验压力。 P T = 1 2 5 p = 1 2 5 , o 2 2 8 1 7 0 = 1 6 8 p ，对螺栓， 试验时应力为设计应力的 1 6 8 1 7 0 2 2 8 = 1 2 5 倍 ，达 到规定的考验 目的 ； 对圆筒，试验时应力水平为设 计应力的 1 6 8 1 1 0 1 8 1 = 1 0 2 倍，略超过设计应力， 但未到要提高 2 5 考验之 目的。 反之， 如不包括螺栓， 则 P = 1 2 5 p 1 8 1 1 1 0= 2 0 6 p ，螺栓应力水平为设计 应力的 2 0 6 1 7 0 2 2 8 = 1 5 4倍，因螺栓 n 可达 2 5以 1 0 化工设置与誓讴 第 5 O卷第 1 期 在试压时螺栓应力的超标，所以在这几十年中，先是 把 卅 卅 值限制在不超过 1 8 ；后又干脆对此比值的 计算中列入了包括螺栓在内；又担心对相关元件超应 力考验的程度不足， 所以在本版中又补充了注 ( 3 ) “ 不应低于材料受抗拉强度和屈服强度控制的许用应 力最小值 ”的说明，也许是在补充这一点时并未考虑 到设计元件时所采用的许用应力值并非该值，也未 计算在此条件下各元件在试压时所经受的应力水平， 以致造成了压力试验形同虚设、走过场的现状。 毋庸讳言，G B 1 5 0总体上参照了 A S ME 1 ， 包括确定螺栓许用应力的总体思想以及试验压力值 的确定等等。A S ME 1 在这一问题上的相关规定 是相互协调的，它既要考虑在试压时螺栓不致因超应 力而屈服，又要考虑除螺栓以外的其他受压元件能够 达到规定的超应力程度，所以除对螺栓屈服强度所取 安全系数大于板材等外，还规定在 值中不包 括螺栓，对其他受压元件则规定取该 比值的最小值。 而 G B 1 5 0 则并未全面考虑这些，一直担心试压时螺 栓应力的超标，因而或取 a c r 值最高不超过 1 8 ， 或在该 比值中包括螺栓在内，明知对高温容器除螺栓 以外的其他受压元件可能达不到规定超应力程度的 问题，在 1 9 8 5 年版的编制说明中只是说了一句 “ 这 一 点与国外规范是不一致的” 。 固定式压力容器安全技术监察规程( 容规)【 】 已明确规定在试验压力的温度补偿系数中不包括螺 栓在内，但 G B 1 5 0却仍 旧包括螺栓在内。 AS ME规范在螺栓法兰连接件设计中， 1 通过 附录 s 对所需要考虑的事项都作了说明，例如是否要 担心螺栓会屈服，在使用中如发生泄漏该如何处理等 等，而且一 1 和 - 2 都通过文件AS ME - P C C 一 1 承压 边界螺栓法兰连接安装指南 】 指导用户如何装配等 一 系列配套措施，以保证螺栓法兰连接件的安全使用。 建议 G B 1 5 0 在 最小值中取消紧固件，同 时取消新版中对 “ 不应低于材料受抗拉强度和屈 服强度控制的许用应力最小值”的说明。 参 考 文 献 1 】 G B 1 5 0 1 -1 5 0 4 2 0 l 1 ，压力容器 【 S 【 2 】 寿比 南，谢铁军 G B 1 5 0 的修订原则及其主要变化 J 化工 设 备与管道 ， 2 0 1 2 ，4 9 ( 2 ) ： 1 7 3 】 丁伯民 对美国 “ 锅炉及压力容器规范v m一 1 ”的理解之二一 压力试验及其限制条件 J _ 化工设备设计 ， 1 9 8 9 ( 6 ) ： 1 5 4 】 丁伯民 对 G B 1 5 0 8 9 钢制压力容器的分析与评述一有 关压力试验的一些问题 J 化工设备设计 ， 1 9 9 1 ( 3 ) ： 1 8 2 3 5 丁伯民 对 G B 1 5 0 8 9 钢制压力容器 的分析与评述之四一 问题汇总及某些建议 J 化工设备设计 ， 1 9 9 3 ( 1 ) ： 1 一 l 1 【 6 】 丁伯民 压力试验及其有关的限制条件 J 】 化工设备设计 ， 1 9 9 8 ，1 8 7 ( 3 5 ) ： 9 - 1 5 7 】 全国压力容器标准化技术委员会 ， 钢制石油化工压力容器设 计规定 ( 包括编制说明) s 1 9 8 5 8 】 GB 1 5 O l 9 9 8 ， 钢制压力容器 S 【 9 】 A S ME锅炉及压力容器规范第卷第一册，压力容器建造 规则 【 s 】 2 0 1 0 1 0 AS ME锅炉及压力容器规范第卷第二册，压力容器建造 另一规则 【 S 2 0 1 0 【 1 l 】 BS E N 1 3 4 4 5 5 ，Un fi r e d p r e s s u r e V e s s e l s P a r t 5 ： I n s p e c t i o n a n d t e s t i n g S 2 0 0 9 【 1 2 】 T S G R 0 0 0 4 -2 0 0 9 ，固定式压力容器安全技术监察规程 S 1 3 】 AS ME P CC l ，Gu i d e l i n e s f o r P r e s s u r e B o u n d a r y Bo l t e d F l a n g e J o i n t As s e mb l y S 2 0 1 0 De l i b e r a t i o n o f S o me Co n t e n t s i n GB 1 5 0 “ P r e s s u r e Ve s s e l ” Dl NG Bo mi n ( E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 ， C h