关于压力容器耐压试验压力的探讨

杜付军 ， 韩志威 ， 姜凤银

(惠生工程(中国)有限公司 ， 河南 郑州 450018)

关于压力容器耐压试验压力的探讨

杜付军 ， 韩志威 ， 姜凤银

(惠生工程(中国)有限公司 ， 河南 郑州 450018)

针对压力容器耐压试验目的、试验压力合理取值以及校核耐压试验时各主要受压元件强度及结构等问题进行了分析讨论，最终总结得出耐压试验前除校核壳体最大总体薄膜应力外，其他受压元件也需通过不同的方法进行强度及结构的校核。

压力容器 ； 耐压试验 ； 试验压力 ； 应力校核

0 引言

压力容器制成投入使用(或检修后再使用)前都应进行压力试验。它是对压力容器出厂前的一种验证性综合检查，用以确保设备能长久安全运行。但在具体操作时，涉及到水压试验压力的合理取值，以及如何验证所取试验压力是否能对所有受压元件达到耐压试验目的，标准中都没有统一定论。本文通过实例对水压试验取值及校核进行探讨。

1 耐压试验目的

耐压试验，是使用高于设计压力的试验介质对压力容器进行的充压试验，其作用是检验容器的宏观强度、焊接部位组织的严密性及密封元件的刚度。也是对设计、材料、制造等方面的综合考察。同时，耐压试验还可以消除制造上的形状误差，缓解应力集中，提高压力容器的疲劳寿命。所以，耐压试验是保证设备安全性的重要措施，对检验设备的材料性能和焊接性能具有重要意义。

2 水压试验压力取值

因国内标准没有对压力容器水压试验压力取值做详细的规定和限制，所以在实际设计和试验操作过程中，业内都根据自己的考虑和经验选取试验压力数值。以一台U形管式换热器为例详细说明。管壳介质工况如表1所示。

表1 管壳程介质工况

各受压元件按GB 150.1-2011[1]第4.6.2.2内压容器液压试验压力计算公式

pT=1.25p[σ]/[σ]t

式中：pT，试验压力最低值，MPa；p，设计压力，MPa；[σ]，容器元件材料在耐压试验温度下的许用应力，MPa；[σ]t，容器元件材料在设计试验温度下的许用应力，MPa。

得水压试验压力pT如下：壳程受压元件，3.21板材，20管材3.66，20锻件3.87，16Mn设备法兰3.76，35CrMoA螺栓3.14；管程受压元件，板材6.23，不锈钢管材7.08；不锈钢锻件6.08，16Mn+SS堆焊设备法兰6.60，35CrMoA螺栓6.66。

由于管板接触两侧介质，为检查换热管与管板连接的致密性，按苛刻工况(设计压力4.6 MPa，设计温度300 ℃)得到管板水压试验压力8.32 MPa。按照GB150.1-2011第4.6.2.2注2规定，则壳程和管程水压试验压力分别取3.14 MPa和6.08 MPa[1]。此时壳程水压试验压力对螺栓起到了经受1.25p[σ]/[σ]t的考验，而对其他元件，如20锻件仅受到1.01p[σ]/[σ]t的考验，管板更是达不到0.5p[σ]/[σ]t的考验。

综上，除壳程螺栓及管程不锈钢锻件外，其他主要受压元件都无法达到水压试验的考验目的，从而就失去了压力试验的本意。

虽然，通常螺柱的金属温度比壳体金属温度低很多，直接取壳体的设计温度作为螺柱的设计温度是偏保守的。但本例即便不取紧固件试验压力，根据GB150取较小值也仍无法校核其他受压元件。

所以，笔者认为GB150.1-2011第4.6.2.2条注2：“容器各主要受压元件，如圆筒、封头、接管、设备法兰(或人手孔法兰)及其紧固件等所用材料不同时，应取各元件材料的[σ]/[σ]t比值中最小者”有待商榷，建议不包括紧固件。

那么，若为了校核所有受压元件，取最大值是否合适呢？文献[2]指出，过高的试验压力会带来不必要的浪费，也会促使裂纹发生扩展，从而造成危害或形成损伤造成隐患。另外，过高试验压力可能会使壳体强度不满足要求，从而增加壁厚，造成制造成本大大提高。所以，选择合适的水压试验压力对提高设备安全性及经济合理性很有意义。本文将结合水压试验应力校核选取合理试验压力。

3 水压试验应力校核

GB150.1-2011仅规定了如何校核壳体元件的应力水平，GB151-1999[3]中给出了圆筒和椭圆形封头的应力校核方法，其他如接管等元件的校核却都没有提到。虽然长期实践证明这些部件是安全的，但却不能肯定不存在安全隐患[3]。所以说，必须考虑所取试验压力是否安全可靠。

还以上述换热器为例。现取管壳程各元件水压试验压力最大值，即壳程3.87 MPa，管程8.32 MPa。此时通过软件SW6-2011校核壳程筒体壁厚符合要求，而管箱筒体试验压力下的圆筒应力σT为160.76 MPa，压力试验允许通过的应力[σ]T为162 MPa。此时需增加管箱筒体壁厚，以满足安全余量要求。若调整管程试验压力为7.08 MPa，校核筒体、封头都能通过。此时管板压力试验压力为1.06[σ]，接管法兰压力等级也都满足水压试验要求，能起到试验目的。

其次，校核接管。我们可将接管看做筒体，校核其最大总体薄膜应力来校核接管。结果合格。其中，开孔补强可借鉴文献[4]计算开口处圆筒计算厚度δ=pTDi/2×0.9×Φ-pT，最后得出接管校核合格。

同理，我们可参考校核开孔补强，用水压试验压力反推设计压力来校核设备法兰是否合格。壳程16 Mn设备法兰反推得设计压力p=pT[σ]t/1.25[σ]=2.14 MPa，管程16Mn设备法兰反推得设计压力为p=pT[σ]t/1.25[σ]=4.94 MPa。将两者分别作为设备法兰的设计压力计算，设备法兰也都能安全通过检核。综上，管壳程水压试验压力分别取7.08 MPa和3.87 MPa是安全合理的。

4 总结

本文针对压力容器水压试验压力取值及校核等结合实例进行了探讨及总结。主要由以下几点结论：①GB150.1-2011中容器各主要受压元件所用材料不同时，应取各元件材料的[σ]/[σ]t比值中最小者建议不包括螺栓等紧固件。②水压试验压力的取值要考虑能否检验到各个受压元件，同时还要兼顾到是否经济等因素，切实最终取到合理安全的水压试验压力。③总结提出了设备法兰等主要受压元件的几种校核试验压力方法。

[1] GB150.1～150.4-2011 压力容器[S].北京:中国标准出版社,2011.

[2] 桑如苞.关于压力容器试验压力的讨论[J].压力容器.1997(6).

[3] GB151-1999 管壳式换热器[S].北京:中国标准出版社,2000.

[4] 宋 凯.固定管板式换热器水压试验压力的探讨[J].辽宁化工,2012(11)：40-41.

2015-10-09

杜付军(1987-)，男，助理工程师，从事石油化工压力容器设计工作，电话：15038294485。

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