壓力容器制造中幾個常見問題述評

PAGEPAGE2壓力容器制造中幾個常見問題述評【關(guān)鍵詞】壓力容器【摘要】就壓力容器制造中常常遇到的幾個問題進行了討論，在綜合分析現(xiàn)行不同觀點的基礎(chǔ)上提出了個人觀點，目的在于達成共識,確保產(chǎn)品制造質(zhì)量。在壓力容器制造中,常常會遇到這樣一些問題，如旋壓近似橢圓封頭與標準橢圓封頭的替代,成型封頭最小厚度的取值,管子與管板脹焊結(jié)合時的施工順序及水壓試驗的有關(guān)問題等，這些問題表面看似乎很簡單，但在執(zhí)行中卻存在一些問題,甚至存在著一些截然不同的觀點。為此，筆者就上述問題進行了深入細致的分析，在評價現(xiàn)行各觀點基礎(chǔ)上，對上述問題作出筆者的結(jié)論，以便施工中掌握與執(zhí)行，確保產(chǎn)品質(zhì)量的安全可靠。?1旋壓近似橢圓封頭與標準橢圓封頭替代?隨著封頭大型化以及旋壓技術(shù)的推廣應(yīng)用,越來越多的旋壓封頭已開始在壓力容器上被采用.從旋壓成型的機理與過程來看，旋壓成型的封頭應(yīng)屬于碟形封頭范疇，從而在應(yīng)用中有人認為不能等效替代橢圓封頭，且持這一觀點的人還比較多。他們認為，既然封頭屬于碟形，就應(yīng)按照碟形封頭有關(guān)強度計算公式求得的壁厚來驗收,亦即封頭的壁厚應(yīng)比相應(yīng)規(guī)格標準橢圓封頭的壁厚增厚，而不管旋壓成型的橢圓封頭與標準橢圓封頭在實際形狀上的接近程度。與上述觀點截然不同的是,有人認為，無論封頭的成型方法如何，只要最終成型封頭的實際形狀在GB１50規(guī)定的標準橢圓封頭的允許偏差范圍內(nèi),那么該封頭都應(yīng)該屬于標準橢圓封頭，因此完全可以等效替代標準橢圓封頭而無需增加壁厚。有關(guān)文獻的研究表明，對R=０。8Ｄi，ｒ＝0．1５4Di以及R=０。9０4Dｉ,r=0．1７3Di等５種深碟形封頭，其形狀與標準橢圓封頭十分接近,理論曲線偏差皆未超過ＧB150規(guī)定的標準橢圓封頭的允許形狀偏差范圍，因此從規(guī)定本身的含義來看，這些碟形封頭也應(yīng)該屬于標準橢圓封頭的范疇，因此也就可以與標準橢圓封頭等效替代。再者,從應(yīng)力分析的角度出發(fā)，ASMEⅧ—2的有關(guān)圖表中明確指出，R＝0．9Ｄi，r=0。173Ｄi的標準碟形封頭計算曲線即是標準橢圓封頭的曲線,換句話說兩者是一回事.與此同時,對于Ｄi／2hi不等于2的橢圓封頭，文規(guī)定也應(yīng)按相當?shù)牡畏忸^或按附錄分析設(shè)計.由此可見,在文中碟形封頭與橢圓封頭的設(shè)計實屬同１種方法,并都是按碟形封頭曲線圖求得。因此，對形狀相近或相當?shù)牡闻c橢圓封頭，其設(shè)計總是一樣的。筆者對Ｒ/Ｄi=０。833，ｒ／Ｄi=0.15６的近似橢圓封頭和標準橢圓封頭的壁厚計算證明，當直徑及材料相同時，與文的結(jié)果十分接近。另外，筆者曾對AD［9]中的深碟形封頭（R=0。8Di，r＝０．１54Dｉ）的壁厚計算公式進行了分析,發(fā)現(xiàn)按AＤ規(guī)定的深碟形封頭的壁厚一般總是小于或等于按GB１5０求得的標準橢圓封頭的壁厚（因為ＡD中沒有橢圓封頭的概念，而只有深淺碟形封頭).由此也可以看出,在通常情況下用深碟形封頭代替同規(guī)格、材質(zhì)及板厚的標準橢圓封頭也是可行的。不能簡單地以封頭的類型來按各自的計算公式確定其壁厚,而更應(yīng)注重實際形狀與標準形狀的差異,并由此來判定其強度能否保證。而文和之所以得出不正確的結(jié)論,就在于他們只看到成型過程而未注意實際結(jié)果,并參照無力矩分析結(jié)果單純以各自強度計算公式進行計算對比。但在對比時又忽略了封頭類型不同其計算公式體系亦不同這個問題,以致于實為同一封頭,卻選用了不同公式而造成計算結(jié)果差異很大。這有點類似于在進行開孔補強計算時，同一結(jié)構(gòu)采用極限分析法與等面積法計算結(jié)果存在很大差異一樣。?綜上所述,筆者認為，對于采用旋壓成型的近似橢圓封頭,只要按照GＢ150采用標準橢圓封頭的樣板進行檢查，其偏差未超過ＧＢ150規(guī)定時，皆應(yīng)看作是標準橢圓封頭，因而可以完全等效替代標準橢圓封頭.當然，采用冷旋壓成型后,應(yīng)對封頭進行消除應(yīng)力熱處理,以避免封頭內(nèi)存在著過高的殘余應(yīng)力，必要時尚應(yīng)對過渡區(qū)作無損檢測。?２成型封頭最小厚度取值?自GB15０-89執(zhí)行以來，一些作者先后就GB1５0中關(guān)于成型封頭最小厚度取值規(guī)定進行了討論。其中文認為，成型封頭的最小厚度δmin≥δ（計算厚度)+C２（腐蝕裕度），而不應(yīng)是δmｉn≥δｎ（名義厚度）—C1（鋼板負偏差）,并且應(yīng)在圖上標注封頭的最小厚度或計算厚度而不是名義厚度δn.這些文章分析指出,按GB１5０的規(guī)定，在很多情況下不僅不能充分發(fā)揮企業(yè)的加工手段和技術(shù)優(yōu)勢,甚至出現(xiàn)不必要增加板厚來滿足或保證規(guī)定的最小厚度,從而造成了浪費。這些文章的分析思路是正確的，也符合ＧＢ1５0作出該規(guī)定時的初衷,但是他們都忽略了有些封頭上要開孔且需要補強這個事實.如果這時還按文取值,很顯然是欠妥的。因為在進行壓力容器強度計算時,往往都把封頭設(shè)計厚度以外增加或圓整部分計入了開孔補強計算,如果此時仍取δmiｎ=δ+C２，很顯然計算考慮的多余補強金屬就不能保證，因此，必須通過補強計算來確定封頭的最小厚度，文就是針對這一問題而進行的討論.該文以等面積法計算為基礎(chǔ),推導出了封頭最小厚度的計算公式:

（1）?式中各符號意義見ＧＢ150。從式（1)可以看出,對于有開孔補強要求的封頭，最小厚度比無孔封頭增加了一個厚度Δδ：?（２)?當Δδ＜０時，應(yīng)取Δδ＝0，即不需另加補強面積的情況，但這在文中并未提及。再者，文也未討論無孔封頭的情況，所以只考慮到問題的一個方面?；谶@些原因，筆者曾專門撰文對該問題進行更為深入全面的討論，根據(jù)強度和穩(wěn)定性要求,對無孔封頭以及開孔補強封頭的最小厚度進行了分析，得出更為準確可行的幾點意見:①對于無孔封頭，δmｉn≥δ＋C2。②對于開孔封頭,δｍiｎ應(yīng)按式（１）計算，且δｍiｎ≥δ+C2。③圖樣上應(yīng)給出最小厚度δｍｉn，而不宜給出名義厚度δn,以便制造廠在選用毛坯厚度時準確掌握真正的裕量，從而確定加工方法來保證這一最小厚度。按照這些觀點來確定成型封頭最小厚度,不僅可以保證沖壓后的封頭符合圖樣要求,而且也能讓企業(yè)有充分的自由選擇余地,制造出經(jīng)濟合理的封頭，這正是GB１50作出封頭最小厚度規(guī)定的真正含義。?3管板與管子脹焊結(jié)合時的施工順序?管子與管板的連接形式有以下幾種：脹接、焊接、強度脹+密封焊及強度焊+貼脹.

３。１先焊后脹

先焊后脹工序，焊前管板坡口容易清洗干凈，焊接時管子與管板間隙處的空氣可以從正、反兩側(cè)排除，對于防止焊縫產(chǎn)生氣孔及保證焊接接頭的質(zhì)量十分有益.同時，后脹可以使脹口脹后的殘余應(yīng)力不會松馳，避免了因焊接高溫的影響而發(fā)生松馳。但是對于焊接性較差的管子與管板接頭，脹接時焊道容易產(chǎn)生微裂紋，甚至于將焊道脹裂。對于這種情況,應(yīng)采用深度脹（即管口10～15mm左右不脹）,使脹接部位避開焊道，從而減小脹接對焊道的影響,這也是先焊后脹工藝的最大不足之處.文獻的試驗研究表明,采用先脹后焊工藝，管子與管板焊后的泄漏率比采用先焊后脹工藝要高出１０倍左右，而且檢驗結(jié)果表明，焊縫外觀均勻，有金屬光澤，成形美觀，著色檢查的氣孔與未熔合現(xiàn)象很少。因此，國外也多采用先焊后脹工序。?3.2先脹后焊?采用先脹后焊工序,由于脹接時在管端及坡口處將留下大量油污及鐵銹等雜物，盡管焊前要進行清洗，但由于管橋較窄，加之管子伸出管板等原因,難以保證坡口的徹底清洗。當焊接時,這些遺留雜物將發(fā)生巨烈的化學變化,水分和空氣因受熱而局部膨脹，并在管子與管孔的間隙內(nèi)形成壓力，由于脹后背面堵死,這些帶壓氣體只能從焊道一側(cè)排除，焊接時處于熔融狀態(tài)下的金屬無強度可言,氣體便很容易穿過焊道,尤其在收弧處更是如此。氣體沖出焊道使焊縫金屬呈沸騰狀，造成焊縫高低不平，甚至呈蜂窩狀。同時，還使焊縫表面氧化,造成未熔合等缺陷。在焊縫冷卻過程中,有的氣體未能及時逸出焊縫表面,從而在焊縫內(nèi)部形成氣孔。另外，焊接時產(chǎn)生的高溫會導致已脹接的部位變形,使脹接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和彈性變形有所消失，從而可能使脹緊力減小甚至消失。文獻的試驗研究結(jié)果表明，先脹后焊工藝泄漏率是先焊后脹的1０倍左右.我們長期的大量生產(chǎn)實踐也證明，先脹后焊確實存在著許多不足，尤其是在焊接工藝性能較差的情況下問題更為嚴重，如２0MnMo、15ＣrMｏ與奧氏體不銹鋼管的匹配就屬于這種情況。?綜合以上分析，盡管可以采用先脹后焊工序,但國內(nèi)外制造使用情況表明，采用先焊后脹工序更具有優(yōu)勢。因此，筆者以為，在設(shè)計和制造時,應(yīng)優(yōu)先考慮先焊后脹工序,對于管子材料可焊性較差的情況，可以將管口留出１０～15ｍm不脹的區(qū)域。?４材料代用?在制造中材料代用是不可避免的，盡管《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對材料代用作出了一些規(guī)定，但這只是原則性的，在實際中由于材料代用而引發(fā)的相關(guān)問題往往不易引起人們的注意。?４.1優(yōu)代劣與厚代薄

所謂優(yōu)代劣，是用較高級別或性能較好的材料代替較低級別或性能較差的材料；厚代薄則是用同樣鋼號較厚規(guī)格的材料代替較薄規(guī)格的材料.上述代用往往被認為是隨便可行的，從而忽視了一些相關(guān)問題的存在，有時甚至成為重大問題。?當厚板代薄板時，往往要引起連接結(jié)構(gòu)的變化,如加厚的封頭與筒體的連接，往往都必須對封頭進行外削邊處理.對于用管道做筒體的設(shè)備，當筒體壁加厚時,筒體與封頭的連接處有時也必須對筒體側(cè)作內(nèi)削邊處理。對于筒體與管板及平蓋的對焊連接結(jié)構(gòu)也同樣存在這些問題.當厚度增加較多時,常常還涉及到焊接結(jié)構(gòu)的變化，如接管與殼體焊縫及對接焊縫都有可能從原來的單V型改為X型坡口。厚代薄的另一個問題就是有可能導致強度不足,這是因為隨著板厚的增加，材料許用應(yīng)力呈下降趨勢,如１６MnＲ，由16mｍ增加到18mm，許用應(yīng)力由17０MPa下降到1６3MPa；２０R在10０℃下由1６mm增加到１8mｍ時，許用應(yīng)力由13２MPａ下降到1２6MPa。這在封頭制造時尤應(yīng)引起注意，因為在封頭下料時往往都要增加一定的毛坯厚度來保證沖壓后封頭的最小厚度，結(jié)果有可能導致沖壓后的封頭強度不足。因此，當處于這些臨界狀況下的厚代薄時,還必須對強度進行驗算。對于膨脹節(jié)、波紋管、撓性薄管板和薄管板等元件,原則上不應(yīng)采用厚代薄，因為隨著元件的加厚,其剛性相應(yīng)增大，從而削弱了補償變形效果。對于開孔補強板也不應(yīng)過多加厚，因為補強板過厚，在補強板與筒體連接的外周將會形成很高的應(yīng)力集中,以致引起焊趾部位開裂。由此可以看出,厚代薄并不總是有益的,所以在進行代用時對上述問題尤應(yīng)引起關(guān)注.?優(yōu)代劣對于一般情況而言總是有益的，它可以增加設(shè)備的強度儲備,提高設(shè)備的安全可靠性，但對于有些特殊工藝環(huán)境則不然。對于濕H2S環(huán)境，很顯然選用碳素鋼則比用1５MnVR、１６MnR和２0MnＭｏ等具有更好的抗H2ＳＳCC能力。對于液氨環(huán)境也同樣如此，因16MｎＲ在液氨環(huán)境下也存在SＣＣ,所以在這種環(huán)境用１６MnＲ等低合金鋼代替20Ｒ、２０g及Ｑ２３5系列鋼會更容易出現(xiàn)問題。其次，對于設(shè)計要求屈強比σs／σb較低的情況,用所謂優(yōu)代劣時也應(yīng)引起注意，如大開孔補強結(jié)構(gòu)、補強板結(jié)構(gòu)及采用極限法設(shè)計的補強結(jié)構(gòu)等.對于強度級別較高的材料代用時要注意的另外一個問題是可焊性,因為一般強度級別越高，其可焊性就越差,若此時再用更高級別的材料代用，將使焊接更為困難.還有,對于膨脹節(jié)、爆破片和撓性管板這類零件,原則上不允許以優(yōu)代劣，否則應(yīng)按代用材料重新計算，對其厚度適當減薄,否則將有可能導致這些元件及相鄰部位失效。?除了上述要考慮的問題外,代用者尚應(yīng)考慮到設(shè)備的經(jīng)濟性，因為這樣的結(jié)果無疑將使設(shè)備的成本增加，尤其是在代用設(shè)備主體材料時更應(yīng)權(quán)衡利弊.?4.２其它問題

①根據(jù)實際用材情況,焊接工藝應(yīng)作相應(yīng)修改。②對于用高級材料代用低級材料時,其試驗與驗收仍應(yīng)按低級材料執(zhí)行,而無須再提高驗收要求。③材料不同，其低溫韌度儲備也不同,相應(yīng)的最低水壓試驗溫度將可能有所變化，此時應(yīng)嚴格按照GB1５０的規(guī)定執(zhí)行.此外，如當板厚加厚超過了GB150規(guī)定的冷卷厚度時，必須對筒體作消除應(yīng)力熱處理.當鋼板達到一定厚度時還須超聲波探傷。必要時還應(yīng)適當提高水壓試驗壓力，有的甚至還將導致設(shè)備結(jié)構(gòu)上的重大改變。?5水壓試驗?水壓試驗作為設(shè)備制造的最后一道工序，除了對設(shè)備的強度進行檢驗外，還將對焊縫的致密性或密封結(jié)構(gòu)的嚴密性能進行檢驗.同時可降低或消除殘余應(yīng)力,并使缺陷（裂紋)尖端鈍化,從而防止在較低工作壓力下裂紋的擴展或減緩其擴展速度,提高其壽命。在合理的超載比下尤能提高其疲勞壽命,且能提高壓力容器的承載能力,爆破壓力將明顯提高?？梢?，壓力試驗的意義重大，對于壓力容器的安全使用有著重要作用。然而,由于GＢ1５０－89規(guī)定的不夠嚴謹,使得應(yīng)用中出現(xiàn)了一些理解上的混淆，以致于在有些情況下的試壓已失去意義。另外，對于夾套設(shè)備的試壓問題,標準規(guī)范的規(guī)定又顯得過于武斷,給制造帶來一些不必要的麻煩。再有,當殼體材料代用后，試驗壓力是否應(yīng)有所更改也是一個值得探討的問題。

5.1試驗壓力取值及試驗應(yīng)力限制?GB150-89規(guī)定水壓試驗應(yīng)力為:?p試=1．25ｐ設(shè)［σ］／［σ］ｔ(３)?當立式容器臥置試壓時，還應(yīng)計及試驗時的液柱靜壓力,即：?p試=1。25p設(shè)[σ］／［σ］t＋γH（4）?ＧＢ150-８9要求將試驗應(yīng)力提高到設(shè)計應(yīng)力的1.２５倍來檢驗設(shè)備的強度、密封結(jié)構(gòu)的致密性以及焊縫的致密性等。文的分析表明,按式（3)的計算值只是水壓試驗的最低要求,對于立式液氣共存或充滿液體的容器，式(3）就不可能滿足要求,此時應(yīng)用下式的計算壓力取代設(shè)計壓力：?p計＝ｐ設(shè)γ′h(5）?式中，γ為液體物料的密度；ｈ為液體物料的充裝高度。若此時容器臥置試壓，其試驗壓力應(yīng)為：?p試=1。2５ｐ計［σ］/[σ]t－γH?（6）?式中，γ為液壓試驗用介質(zhì)的密度；H為容器容空總高度。

顯然，式（6）比式(4)更合適，因為按式(４)計算試驗壓力就有可能為滿足液壓試驗而增加設(shè)備厚度,可見，以p計代替p設(shè)來計算試驗壓力較為合理，AＳME、BS5500、ＡD等也以ｐ計進行計算，盡管ASME也采用ｐ設(shè)進行計算，但它只用于立式未充液容器的情況，并不涉及液柱靜壓力的情況。從國外規(guī)范的情況來看,它們所規(guī)定的試驗壓力往往都很高,實際的試驗應(yīng)力倍數(shù)也都接近標準規(guī)定的倍數(shù)。如在BS５500中，其p試為：?(7)?式中，S為名義厚度，C為附加量。為使容器能真正接受考驗，把殼體設(shè)計時的富裕量用于承受提高的試驗應(yīng)力.?由此可見,各國規(guī)范都是將標準給出的試驗壓力作為下限進行規(guī)定的，基本上都以ｐ計代替p設(shè),且實際試驗壓力都很高，目的在于使試驗應(yīng)力高于設(shè)計應(yīng)力一定倍數(shù)以檢驗容器,即實際試驗壓力一般均大于等于p試。但GB150—89似乎不是很明確，以致于在執(zhí)行中有很多人認為不能超過GＢ１50-８９規(guī)定的計算值.而且GB１50-89規(guī)定的是用p設(shè)計算p試,在低壓高塔設(shè)備中常增加設(shè)備厚度來滿足試壓要求，很顯然這是不科學的。在已出版的GB15０－1998中已對上述部分問題進行了修改,但在立式容器臥置試壓的規(guī)定方面似乎仍有些問題。

關(guān)于試壓時的應(yīng)力控制問題，分析討論的文章比較多,普遍認為按GB1５0—８９計算試驗壓力可以不必進行應(yīng)力校核,因為試驗應(yīng)力不可能超過０．9σｓ或0。8σｓ。但是這些文章在分析時，僅僅是把試驗壓力取在GB150-89規(guī)定的計算值上討論的。隨著GB1５0－199８的執(zhí)行,實際的試驗壓力有提高的趨勢，因此在實際的試驗壓力下就有可能出現(xiàn)試驗應(yīng)力超過0．9σs或0。8σs的情況，從而影響到設(shè)備的安全。從國外規(guī)范的情況來看,它們也都作出了限制.ASＭEⅧ-1雖未作出直接限制，但它指出，若有意無意超過按其公式計算的試驗壓力進行試驗,使容器出現(xiàn)明顯的永久性變形（塑性變形）時，檢驗員有權(quán)拒絕驗收，所以實際上還是對試驗應(yīng)力作出了限制。因此筆者認為,試驗應(yīng)力仍應(yīng)按GＢ１50—19９8加以限制.為了提高試驗壓力,必要時可以按筆者推導的公式來計算液壓試驗壓力，以保證試驗應(yīng)力σT≤0。9σs，即:?（８)?式中符號意義見文。?5。2夾套設(shè)備試壓工序調(diào)整與改進?按GＢ1５０和《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，對于夾套設(shè)備，應(yīng)將內(nèi)筒組裝焊接并試壓合格后再組焊夾套并試壓,必要時夾套試壓還須對內(nèi)筒保壓（這由設(shè)計確定）。但是，由于實際結(jié)構(gòu)的限制,往往夾套組焊后內(nèi)筒仍需再次試壓,因此夾套設(shè)備通常都要試3次壓。然而，由于夾套設(shè)備的種類及結(jié)構(gòu)型式較多，對于有些結(jié)構(gòu)型式，完全沒有必要試3次壓.如圖1ａ和圖1b所示的夾套結(jié)構(gòu)，在試壓時可以對內(nèi)筒進行檢查，只要夾套壓力高于內(nèi)筒壓力且夾套試壓時內(nèi)筒不需保壓，則完全可以將內(nèi)筒及夾套一起組焊完畢后進行試壓。此時應(yīng)先對夾套試壓并對被夾套包圍的內(nèi)筒進行檢查，然后再對內(nèi)筒試壓并對夾套以外的部分進行檢查。當然,對于內(nèi)筒壓力低于夾套且夾套試壓時內(nèi)筒又需保壓的情況，原則上仍應(yīng)按ＧＢ150和