压力容器压力试验计算公式的修改和应用

压力容器压力试验计算公式的修改和应用 张奎凤 于广彦(大庆油田工程有限公司) 11 提出的问题 一台容器带有夹套,内压圆筒的设计数据为: 设计压力p= 01564MPa ;设计温度t= 150;圆 筒内直径Di= 2000mm ;材料Q235 - B ;设计寿 命10年;腐蚀裕量C2= 5mm (内表面3mm、外 表面2mm) ;焊接接头系数= 1100mm ;钢材厚 度负偏差C1= 0mm。 按GB 150式(5 - 1)算出内压圆筒的计算厚 度= 510 mm , 不再外加设计裕量,取有效厚度 等于计算厚度,e= 510mm ,加上腐蚀裕量 5mm ,取名义厚度n= 10mm。 按GB 150式(3 - 3)算出水压试验压力pT = 01705MPa ;按GB150式(3 - 7)算出水压试验 应力值T= 14114MPa ; 算出019 S= 21115MPa ; T 019 S,计算通过。 而实际上在水压试验时,腐蚀裕量5mm并没 有被腐蚀掉,仍然与有效厚度的5mm共同参与了 水压试验,共同承受着水压试验压力。在水压试验 压力的作用下,圆筒的实际内应力只与圆筒的实际 厚度有关,而与圆筒的有效厚度无关。将名义厚度 减去厚度负偏差(n-C1)所得到的实际厚度替代 GB150式(3 - 7)中的有效厚度e,则GB 150式 (3 - 7)改为本文式(1) : T= pT Di + ( n- C1 ) 2(n- C1) (1) 由于实际厚度大于有效厚度,由式(1)计算 出的水压试验实际内应力值只有70185MPa ,比按 GB 150式(3 - 7)计算出的14114MPa要小得多。 这就是说,通过水压试验,只有在圆筒内应力不大 于70185 MPa的前提下才能保证圆筒是安全的。 同理,圆筒设计温度下的计算应力值也只与圆 筒的实际厚度有关,而与圆筒的有效厚度无关。将 名义厚度减去厚度负偏差所得到的实际厚度替代 GB 150式(5 - 2)中的有效厚度e,则GB 150 式(5 - 2)改为本文式 (2) : t = pc Di + ( n- C1 ) 2(n- C1) (2) 用以上设计数据带入式(1)计算出不同实际 厚度圆筒的水压试验应力,并带入式(2)计算出 不同实际厚度圆筒设计温度下的计算应力,由计算 结果发现: (1)圆筒实际厚度因逐年腐蚀而减薄,计算应 力也相应提高,当圆筒使用5年后,实际厚度剩余 715mm ,计算应力达到7515MPa ,已经超过了制 造厂水压试验时的应力值70185MPa。由此可见, 圆筒经水压试验合格并不能保证5年以后圆筒操作 的安全性。 (2)圆筒使用10年后,腐蚀裕量全部被腐蚀 掉,如果设备还要继续使用(设备超期服役的现象 大量存在 ) , 这时按照GB 150式(3 - 3)算出的 试验压力进行水压试验,试验应力达到最大值 14114MPa ,几 乎 是 制 造 厂 水 压 试 验 应 力 70185MPa的2倍,即使当初制造厂水压试验合 格,此时试验应力几乎提高了100 % ,是否能够合 格就很成问题。因此按照GB 150式(3 - 3)算出 的试验压力进行制造厂水压试验,不能保证后期水 压试验的安全性。 GB 150式(3 - 3)没有考虑腐蚀裕量的影响, 带有全部腐蚀裕量的新制设备和腐蚀裕量全部被腐 蚀掉的旧设备,按照GB 150式(3 - 3)计算出的 水压试验压力值是相同的,这是由于设备腐蚀减 薄,后期设备水压试验的内应力必然均大于制造厂 的水压试验内应力,越往后则大得越多。设备后期 进行水压试验是难免的,试验压力又不能降低,制 造厂水压试验合格并不能保证后期水压试验也能够 合格,不做水压试验不行,做了又怕打不住压的难 题一直困扰着设备后期的水压试验。 综上所述,在压力容器设计腐蚀裕量较大的情 况下,按GB 150式(3 - 3)计算出的试验压力既 不能保证设备操作的安全性又不能保证后期水压试 验的安全性,由此提出了完善GB 150式(3 - 3) 的必要性。 21 试验压力计算公式 分析GB 150式(3 - 3)可以看出,试验压力 等于设计压力乘上两个系数,一个系数是强度削弱 系数(设计温度下材料许用应力与试验温度下材料 许用应力之比 ) , 另一个系数 (1 1 25) 是安全系数, 公式在考虑强度削弱系数的基础上,令试验压力比 3 油气田地面工程第25卷第5期(20061 5) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 设计压力大25 % ,即公式的安全裕量是25 %。当 圆筒厚度一定,圆筒的内应力与圆筒所受的内压力 成正比,试验压力比设计压力提高25 % ,其目的 是令压力试验时圆筒的内应力比操作状态下圆筒的 内应力提高25 % ,以此来保证设备操作状态的安 全。如果圆筒材料不腐蚀,腐蚀裕量等于零,公式 的使用是安全的。只要圆筒材料有腐蚀裕量,使用 过程中圆筒的厚度必然会因腐蚀而减薄,安全系数 就会降低,公式的安全性也会随之降低。 为了保证GB 150式(3 - 3)不因腐蚀裕量的 存在而降低其安全性,可以在原公式的基础上再乘 一个腐蚀裕量系数,完善后的公式见本文式 (3) : pT=1125p n- C1 t e (3) 式中:(n- C1 ) / e 腐蚀裕量系数; (n- C1) 实际厚度; n 名义厚度, mm ; C1 厚度负偏差, mm ; e 有效厚度, mm。 腐蚀裕量系数是计算实际厚度是有效厚度的倍 数。如果没有腐蚀裕量,实际厚度等于有效厚度, 腐蚀裕量系数等于1 ,则按式(3)计算的数值与 按GB 150式(3 - 3)计算的数值相同。如果设计 存在腐蚀裕量,实际厚度大于有效厚度,腐蚀裕量 系数大于1 ,则按式(3)计算的水压试验压力按 比例增加。 仍然取上述设计数据,分别带入式(1)、式 (2)和式(3)。 由计算结果看出: (1)按式(2)计算出的圆筒设计温度下的计 算应力 t 随实际厚度的减薄而增大,当实际厚度 降到最小值时计算应力升到最大值。 (2)按式(3)计算出圆筒的水压试验压力pT 随实际厚度的减薄而降低,当实际厚度降到最小值 时,按式(3)计算出的水压试验压力也降到最小 值,该值与按GB 150式(3 - 3)计算出的水压试 验压力值相同。 (3)按式(1)计算出圆筒的水压试验应力T 随实际厚度的减薄略有下降,只要制造厂水压试验 合格,后期水压试验一般是可以通过的。当实际厚 度降到最低值,圆筒设计温度下的计算应力升到最 大值,而水压试验应力降到最小值时,水压试验应 力仍然是操作状态下计算应力的1125倍。 由此可见,按照式(1)、式(2)和式(3)计 算,无论是在全过程操作状态或是后期任何时候进 行水压试验,设备都是安全的。 圆筒有腐蚀裕量的情况下,按照式(3)计算 出圆筒的水压试验压力比按照GB 150式(3 - 3) 计算出的水压试验压力要大,无疑是增加了设备的 安全性。 压力试验安全系数(水压试验11 25) 是设备 安全性的基本保障,不能因为有没有腐蚀裕量而有 所不同,认为圆筒有腐蚀裕量就降低了压力试验安 全系数的做法是不可取的。式(3)搭建了一个平 台,令有设计腐蚀裕量的设备与没有设计腐蚀裕量 的设备具有相同的安全系数,具有相同的安全 保障。 GB 150式(3 - 3)和GB 150式(3 - 7)适用 于圆筒没有设计腐蚀裕量的情况,也适用于设计腐 蚀裕量全部被腐蚀掉的情况。当圆筒的设计腐蚀裕 量没有完全被腐蚀掉时,计算试验压力和试验应力 是不适用的。 同时需要指出,虽然按照式(3)的计算提高 了试验压力,但是并不需要增加圆筒的厚度,因为 按照式(3)提高的倍数,在式(1)圆筒水压试验 应力计算中又按同样的倍数降了下来。计入腐蚀裕 量系数的最大水压试验压力值 (141 17MPa)仅比 不考虑腐蚀裕量系数的最大水压试验压力值 (1411 4MPa)大了012 % , 一般不会增加圆筒 厚度。 31 公式的应用 式(2)是对GB 150式(5 - 2)的修改,是 为了方便进行相关公式的研究,由试验压力计入腐 蚀裕量系数的计算结果看出,实际厚度降到最小值 时计算应力达到最大值,工程设计最关心的就是最 大值,按式(2)计算出的最大值和按GB 150式 (5 - 2)计算出数值是相同的,用于工程设计时, 可以直接使用GB 150式(5 - 2)。 后期水压试验可以使用式(3)计算水压试验 压力,但应注意用实际厚度替代公式中的(n- C1)。如果实际厚度难以测定,可以按照设计寿命 和腐蚀裕量计算理论上剩余的实际厚度,带入公式 进行计算。腐蚀裕量系数(n- C1 ) /