ASME压力容器建造规范研讨会设计部分问题解答
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第四部分压力试验及其限制条件


Reply to the Questions about Design Arose from the Seminar for ASME BPVC Section VIII
Part 4. Pressure Test and It’s Limitations.


丁伯民Ding Bomin
华东理工大学East China University of Science and Technology

本文就2009年在上海举行的ASME压力容器建造规范研讨会中学员所提的与设计有关的问题进行汇总答复。
In this Paper, reply to the trainee’ questions about design disquisition in Shanghai seminar for ASME BPVC Section Ⅷ briefly in 2009.

液压试验,气压试验,试验压力,试验温度,真空容器,组合容器
Hydrostatic test, Pneumatic test, Test pressure,Test temperature, Vacuum vessel, Combination units

在CACI于2009年4月所组织的ASME规范第Ⅷ卷研讨会期间,与会者在会前和研讨中提出了不少问题,CACI要求归纳整理后公布。初步考虑,拟对研讨会中以书面或口头提及的与设计有关的低温操作和防脆断措施,焊接接头分类和焊接接头系数,压力试验及其限制条件,开孔及其补强,元件的形状和尺寸允差,換热器设计,全部改写ASME Ⅷ-2的背景和主要修改内容等几个方面陆续整理,在整理中不拟以和讨论者一问一答的方式简单处理,而是根据规范的具体规定,从原理并规范的条文上系统说明。本文是其中的第四篇。

1 压力试验的目的

按理说,选材正确、结构合理、计算可靠、按规范的无损检测合格、各项形状误差都在允许值以内的完工容器,加上在设计中已引入了足够的安全系数,在使用中不致发生意外破坏事故。但是,在压力试验甚至在正常操作时出现泄漏或破裂的事故偶有发生。其主要原因是,尽管已作了100%无损检测,也只是排除了规范规定的超标缺陷,但仍然留下了未超标的小尺寸缺陷甚至是小尺寸的穿透性缺陷,何况有些容器仅进行了部分无损检测,虽然在计算时已引入了较低的焊接接头系数、即增加了元件厚度或降低了其应力水平,但在偶然性的超载使用中就有可能发生事故。为此,完工容器在出厂前、或运行中停修再次投用之前,超过设计应力水平的压力试验是考验容器的宏观强度、检查焊缝的致密性、密封件密封性的最终并极为有效的、必不可少的检验手段。

2 试验方式和试验压力值

根据压力试验目的,所做试验总是在超过容器设计压力(如在铭牌上标出最大许用工作压力MAWP,则在超过容器最大许用工作压力)下进行,其危险性是不言而喻的。所以ASME Ⅷ-1[1]规定,凡容器的结构和/或支撑在充水不安全时,或容器内部不易干燥,使用中又不允许残留试压液体,且容器各部分(如有可能)已经过规定的液压试验时,才允许用气压试验代替液压试验,否则,都采用液压试验。规范也提及采用部分充液的液气混合试验来代替气压试验。

气压试验时一旦发生事故,其后果不堪设想,所以ASME Ⅷ-1在UW-50中规定,应对围绕开孔的全部焊缝、包括非受压件与受压件连接时其角焊缝厚度大于6mm的所有连接焊缝,对其全长进行检测。对规范的这一规定,不能因为它用上角标表示对铁磁性材料采用MT或PT,对非铁磁性材料采用PT而理解为仅指MT和PT,而应理解为包括对接焊缝和角焊缝所要求的检测,当然也包括RT和UT在内,否则,仅MT或PT则对非铁磁性材料的非表面缺陷无法测出,进行气压试验是很危险的。

试验压力值代表试验时超过设计应力水平的程度,和规范对材料许用应力所取的安全系数和该标准的技术政策有关。ASME Ⅷ-1原取以STSY为基础的安全系数分别为4.0和1.5,相应的液压试验压力为设计压力的1.5倍,气压试验压力为设计压力的1.25倍;从1999年版开始安全系数降为3.5和1.5,相应的液压试验压力降为设计压力的1.3倍,气压试验压力降低为设计压力的1.1倍。

2.1 独立容器的液压试验

2.1.1内压容器

按控制强度原理设计的内压容器,为达到压力试验目的,ASME Ⅷ-1[1]要求元件在试验时的应力水平为设计状态应力水平的130%,为此,所规定要求的试验压力为:

其中,为标在容器铭牌上的最大许用工作压力,为试验温度下材料的许用应力,为设计温度下材料的许用应力。

之所以要乘以值是因为设计温度和试验温度不同,相应地许用应力值也不同,是要把容器元

件在试验时所承受的应力达到试验时材料许用应力的130%、以考验容器的宏观强度而为之,规范规定该比值应取制造容器各材料的最小值,一是应理解各材料不包括螺栓在内,因在其附录S中提及:螺栓应力可以在设计应力值以上相当大的范围内变化,螺栓设计应力值是考虑了防止屈服因素的保守值,即绝不担心在其它元件屈服前螺栓先行屈服。二是除螺栓以外的其它各种材料,温度改变对其许用应力值变化的关系出入不大,即使略有不同,则在该压力下试验吋,当该比值为最小值的元件超应力刚好达30%时,其余各元件的超应力只是略小于30%,还是能达到足够考验目的,而不致出入很多。

2.1.2真空容器

按控制刚度原理设计的真空容器或外压元件,为达到压力试验目的,要求元件在试验时的变形水平为设计状态变形水平的130%,而且为方便而应按内压方式试验。由于变形水平和试验温度无关,所以不需因温度不同而进行调整,规定要求的试验压力为:

2.2 组合容器的液压试验

由于一般工程中并无真正意义上的外压容器,所以ASME规范并无外压容器的压力试验一说而只有组合容器的压力试验,见图1。ASME Ⅷ-1在UG-99(e)节规定了组合容器的液压试验要求,如用试验压力式表示,则如下。

图1组合容器

2.2.1按独立容器设计时

当各受压室按独立容器设计时,则各按单独的容器对各室进行液压试验,试验时其相邻各室都无压力。

2.2.2按组合容器设计时

如组合容器的共有元件按相邻受压室的压差设计,且压差大于各受压室的最大许用工作压力的较高者(意指相邻受压式的压力异号),则液压试验时应使共有元件至少承受设计压差(并进行温度校正),且每个独立受压室应符合该受压室作为独立容器的试验要求。见图1,取P1为负压,P2为正压时,则

在较低压力侧受压室(内容器),试验压力值为:

,即按真空容器规定,不需进行温度校正。

在较高压力侧受压室(夹套),试验压力值为:

,即按内压容器规定,需要进行温度校正。

按较低和较高侧受压室进行压力试验,就满足了规范关于共有元件至少承受设计压差(并进行温度校正),且每个独立受压室应符合该受压室作为独立容器的试验要求的规定。

3 试验温度

为防止在超应力且低温下发生脆性断裂,规范规定在液压或气压试验时容器的金属温度应保持在标在铭牌上最低设计金属温度以上(30℉)17℃。

4 和GB150的主要区别

GB 150[2]主要引自ASME Ⅷ-1,但由于政策性区别和某些误引而造成了二者之间的不同。

参考文献

[1]ASME锅炉及压力容器规范Ⅷ第一册压力容器建造规则,2007版
[2]GB 150-1998,钢制压力容器
[3]丁伯民,压力试验及其有关的限制条件,化工设备设计,1998 N0.4.
[4]TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程
[5]丁伯民,ASME压力容器建造规范研讨会设计部分问题解答——第一部分低温操作和防脆断措施,ASME在中国,2009 No.3.

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