压力容器制造中几个常见问题述评.docx

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压力容器制造中几个常见问题述评

（情绪管理）压力容器制造中几个常见问题述评

压力容器制造中几个常见问题述评

于压力容器制造中，常常会遇到这样壹些问题，如旋压近似椭圆封头和标准椭圆封头的替代，成型封头最小厚度的取值，管子和管板胀焊结合时的施工顺序及水压试验的有关问题等，这些问题表面见似乎很简单，但于执行中却存于壹些问题，甚至存于着壹些截然不同的观点。

为此，笔者就上述问题进行了深入细致的分析，于评价现行各观点基础上，对上述问题作出笔者的结论，以便施工中掌握和执行，确保产品质量的安全可靠。

1旋压近似椭圆封头和标准椭圆封头替代

随着封头大型化以及旋压技术的推广应用，越来越多的旋压封头已开始于压力容器上被采用。

从旋压成型的机理和过程来见，旋压成型的封头应属于碟形封头范畴，从而于应用中有人认为不能等效替代椭圆封头［1，2］，且持这壹观点的人仍比较多。

他们认为，既然封头属于碟形，就应按照碟形封头有关强度计算公式求得的壁厚来验收，亦即封头的壁厚应比相应规格标准椭圆封头的壁厚增厚，而不管旋压成型的椭圆封头和标准椭圆封头于实际形状上的接近程度。

和上述观点截然不同的是，有人认为［3～5］，无论封头的成型方法如何，只要最终成型封头的实际形状于GB150规定的标准椭圆封头的允许偏差范围内，那么该封头均应该属于标准椭圆封头，因此完全能够等效替代标准椭圆封头而无需增加壁厚。

有关文献的研究表明［5，6］，对R=0.8Di,r=0.154Di以及R=0.904Di,r=0.173Di等5种深碟形封头，其形状和标准椭圆封头十分接近，理论曲线偏差皆未超过GB150规定的标准椭圆封头的允许形状偏差范围，因此从规定本身的含义来见，这些碟形封头也应该属于标准椭圆封头的范畴，因此也就能够和标准椭圆封头等效替代。

再者，从应力分析的角度出发，ASMEⅧ-2的有关图表中明确指出［7］，R=0.9Di,r=0.173Di的标准碟形封头计算曲线即是标准椭圆封头的曲线，换句话说俩者是壹回事［8］。

和此同时，对于Di/2hi不等于2的椭圆封头，文［7］规定也应按相当的碟形封头或按附录分析设计。

由此可见，于文［7］中碟形封头和椭圆封头的设计实属同1种方法，且均是按碟形封头曲线图求得。

因此，对形状相近或相当的碟形和椭圆封头，其设计总是壹样的［8］。

笔者对R/Di=0.833,r/Di=0.156的近似椭圆封头和标准椭圆封头的壁厚计算证明，当直径及材料相同时，和文［7］的结果十分接近。

另外，笔者曾对AD［9］中的深碟形封头（R=0.8Di,r=0.154Di）的壁厚计算公式进行了分析，发现按AD规定的深碟形封头的壁厚壹般总是小于或等于按GB150求得的标准椭圆封头的壁厚（因为AD中没有椭圆封头的概念，而只有深浅碟形封头）。

由此也能够见出，于通常情况下用深碟形封头代替同规格、材质及板厚的标准椭圆封头也是可行的。

不能简单地以封头的类型来按各自的计算公式确定其壁厚，而更应注重实际形状和标准形状的差异，且由此来判定其强度能否保证。

而文［1］和［2］之所以得出不正确的结论，就于于他们只见到成型过程而未注意实际结果，且参照无力矩分析结果单纯以各自强度计算公式进行计算对比。

但于对比时又忽略了封头类型不同其计算公式体系亦不同这个问题，以致于实为同壹封头，却选用了不同公式而造成计算结果差异很大。

这有点类似于于进行开孔补强计算时，同壹结构采用极限分析法和等面积法计算结果存于很大差异壹样。

综上所述，笔者认为，对于采用旋压成型的近似椭圆封头，只要按照GB150采用标准椭圆封头的样板进行检查，其偏差未超过GB150规定时，皆应见作是标准椭圆封头，因而能够完全等效替代标准椭圆封头。

当然，采用冷旋压成型后，应对封头进行消除应力热处理，以避免封头内存于着过高的残余应力，必要时尚应对过渡区作无损检测［3，10］。

2成型封头最小厚度取值

自GB150-89执行以来，壹些作者先后就GB150中关于成型封头最小厚度取值规定进行了讨论［11～13］。

其中文［11］～［12］认为，成型封头的最小厚度δmin≥δ（计算厚度）+C2（腐蚀裕度），而不应是δmin≥δn（名义厚度）-C1（钢板负偏差），且且应于图上标注封头的最小厚度或计算厚度而不是名义厚度δn。

这些文章分析指出，按GB150的规定，于很多情况下不仅不能充分发挥企业的加工手段和技术优势，甚至出现不必要增加板厚来满足或保证规定的最小厚度，从而造成了浪费。

这些文章的分析思路是正确的，也符合GB150作出该规定时的初衷，可是他们均忽略了有些封头上要开孔且需要补强这个事实。

如果这时仍按文［11］～［12］取值，很显然是欠妥的。

因为于进行压力容器强度计算时，往往均把封头设计厚度以外增加或圆整部分计入了开孔补强计算，如果此时仍取δmin=δ+C2，很显然计算考虑的多余补强金属就不能保证，因此，必须通过补强计算来确定封头的最小厚度，文［13］就是针对这壹问题而进行的讨论。

该文以等面积法计算为基础，推导出了封头最小厚度的计算公式：

（1）

式中各符号意义见GB150。

从式

（1）能够见出，对于有开孔补强要求的封头，最小厚度比无孔封头增加了壹个厚度Δδ：

（2）

当Δδ＜0时，应取Δδ=0，即不需另加补强面积的情况，但这于文［13］中且未提及。

再者，文［13］也未讨论无孔封头的情况，所以只考虑到问题的壹个方面。

基于这些原因，笔者曾专门撰文对该问题进行更为深入全面的讨论［14］，根据强度和稳定性要求，对无孔封头以及开孔补强封头的最小厚度进行了分析，得出更为准确可行的几点意见：

①对于无孔封头，δmin≥δ+C2。

②对于开孔封头，δmin应按式

（1）计算，且δmin≥δ+C2。

③图样上应给出最小厚度δmin,而不宜给出名义厚度δn，以便制造厂于选用毛坯厚度时准确掌握真正的裕量，从而确定加工方法来保证这壹最小厚度。

按照这些观点来确定成型封头最小厚度，不仅能够保证冲压后的封头符合图样要求，而且也能让企业有充分的自由选择余地，制造出经济合理的封头，这正是GB150作出封头最小厚度规定的真正含义。

3管板和管子胀焊结合时的施工顺序

管子和管板的连接形式有以下几种：

胀接、焊接、强度胀+密封焊及强度焊+贴胀。

3.1先焊后胀［15，16］

先焊后胀工序，焊前管板坡口容易清洗干净，焊接时管子和管板间隙处的空气能够从正、反俩侧排除，对于防止焊缝产生气孔及保证焊接接头的质量十分有益。

同时，后胀能够使胀口胀后的残余应力不会松驰，避免了因焊接高温的影响而发生松驰。

可是对于焊接性较差的管子和管板接头，胀接时焊道容易产生微裂纹，甚至于将焊道胀裂。

对于这种情况，应采用深度胀（即管口10～15mm左右不胀），使胀接部位避开焊道，从而减小胀接对焊道的影响，这也是先焊后胀工艺的最大不足之处。

文献［15］的试验研究表明，采用先胀后焊工艺，管子和管板焊后的泄漏率比采用先焊后胀工艺要高出10倍左右，而且检验结果表明，焊缝外观均匀，有金属光泽，成形美观，着色检查的气孔和未熔合现象很少。

因此，国外也多采用先焊后胀工序。

3.2先胀后焊［15］

采用先胀后焊工序，由于胀接时于管端及坡口处将留下大量油污及铁锈等杂物，尽管焊前要进行清洗，但由于管桥较窄，加之管子伸出管板等原因，难以保证坡口的彻底清洗。

当焊接时，这些遗留杂物将发生巨烈的化学变化，水分和空气因受热而局部膨胀，且于管子和管孔的间隙内形成压力，由于胀后背面堵死，这些带压气体只能从焊道壹侧排除，焊接时处于熔融状态下的金属无强度可言，气体便很容易穿过焊道，尤其于收弧处更是如此。

气体冲出焊道使焊缝金属呈沸腾状，造成焊缝高低不平，甚至呈蜂窝状。

同时，仍使焊缝表面氧化，造成未熔合等缺陷。

于焊缝冷却过程中，有的气体未能及时逸出焊缝表面，从而于焊缝内部形成气孔。

另外，焊接时产生的高温会导致已胀接的部位变形，使胀接过程中产生的残余应力和弹性变形有所消失，从而可能使胀紧力减小甚至消失。

文献［15］的试验研究结果表明，先胀后焊工艺泄漏率是先焊后胀的10倍左右。

我们长期的大量生产实践也证明，先胀后焊确实存于着许多不足，尤其是于焊接工艺性能较差的情况下问题更为严重，如20MnMo、15CrMo和奥氏体不锈钢管的匹配就属于这种情况。

综合之上分析，尽管能够采用先胀后焊工序，但国内外制造使用情况表明，采用先焊后胀工序更具有优势。

因此，笔者以为，于设计和制造时，应优先考虑先焊后胀工序，对于管子材料可焊性较差的情况，能够将管口留出10～15mm不胀的区域。

4材料代用

于制造中材料代用是不可避免的，尽管《压力容器安全技术监察规程》对材料代用作出了壹些规定，但这只是原则性的，于实际中由于材料代用而引发的关联问题往往不易引起人们的注意。

4.1优代劣和厚代薄

所谓优代劣，是用较高级别或性能较好的材料代替较低级别或性能较差的材料；厚代薄则是用同样钢号较厚规格的材料代替较薄规格的材料。

上述代用往往被认为是随便可行的，从而忽视了壹些关联问题的存于，有时甚至成为重大问题。

当厚板代薄板时，往往要引起连接结构的变化，如加厚的封头和筒体的连接，往往均必须对封头进行外削边处理。

对于用管道做筒体的设备，当筒体壁加厚时，筒体和封头的连接处有时也必须对筒体侧作内削边处理。

对于筒体和管板及平盖的对焊连接结构也同样存于这些问题。

当厚度增加较多时，常常仍涉及到焊接结构的变化，如接管和壳体焊缝及对接焊缝均有可能从原来的单V型改为X型坡口。

厚代薄的另壹个问题就是有可能导致强度不足［17］，这是因为随着板厚的增加，材料许用应力呈下降趋势，如16MnR，由16mm增加到18mm，许用应力由170MPa下降到163MPa；20R于100℃下由16mm增加到18mm时，许用应力由132MPa下降到126MPa。

这于封头制造时尤应引起注意，因为于封头下料时往往均要增加壹定的毛坯厚度来保证冲压后封头的最小厚度，结果有可能导致冲压后的封头强度不足［17］。

因此，当处于这些临界情况下的厚代薄时，仍必须对强度进行验算。

对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等元件，原则上不应采用厚代薄，因为随着元件的加厚，其刚性相应增大，从而削弱了补偿变形效果。

对于开孔补强板也不应过多加厚，因为补强板过厚，于补强板和筒体连接的外周将会形成很高的应力集中，以致引起焊趾部位开裂。

由此能够见出，厚代薄且不总是有益的，所以于进行代用时对上述问题尤应引起关注。

优代劣对于壹般情况而言总是有益的，它能够增加设备的强度储备，提高设备的安全可靠性，但对于有些特殊工艺环境则不然。

对于湿H2S环境，很显然选用碳素钢则比用15MnVR、16MnR和20MnMo等具有更好的抗H2SSCC能力［18］。

对于液氨环境也同样如此，因16MnR于液氨环境下也存于SCC，所以于这种环境用16MnR等低合金钢代替20R、20g及Q235系列钢会更容易出现问题。

其次，对于设计要求屈强比σs/σb较低的情况，用所谓优代劣时也应引起注意，如大开孔补强结构、补强板结构及采用极限法设计的补强结构等。

对于强度级别较高的材料代用时要注意的另外壹个问题是可焊性，因为壹般强度级别越高，其可焊性就越差，若此时再用更高级别的材料代用，将使焊接更为困难。

仍有，对于膨胀节、爆破片和挠性管板这类零件，原则上不允许以优代劣，否则应按代用材料重新计算，对其厚度适当减薄，否则将有可能导致这些元件及相邻部位失效。

除了上述要考虑的问题外，代用者尚应考虑到设备的经济性，因为这样的结果无疑将使设备的成本增加，尤其是于代用设备主体材料时更应权衡利弊。

4.2其它问题

①根据实际用材情况，焊接工艺应作相应修改。

②对于用高级材料代用低级材料时，其试验和验收仍应按低级材料执行，而无须再提高验收要求。

③材料不同，其低温韧度储备也不同，相应的最低水压试验温度将可能有所变化，此时应严格按照GB150的规定执行。

此外，如当板厚加厚超过了GB150规定的冷卷厚度时，必须对筒体作消除应力热处理。

当钢板达到壹定厚度时仍须超声波探伤。

必要时仍应适当提高水压试验压力，有的甚至仍将导致设备结构上的重大改变。

5水压试验

水压试验作为设备制造的最后壹道工序，除了对设备的强度进行检验外，仍将对焊缝的致密性或密封结构的严密性能进行检验。

同时可降低或消除残余应力，且使缺陷（裂纹）尖端钝化，从而防止于较低工作压力下裂纹的扩展或减缓其扩展速度，提高其寿命。

于合理的超载比下尤能提高其疲劳寿命，且能提高压力容器的承载能力，爆破压力将明显提高［19～21］。

可见，压力试验的意义重大，对于压力容器的安全使用有着重要作用。

然而，由于GB150-89规定的不够严谨，使得应用中出现了壹些理解上的混淆，以致于于有些情况下的试压已失去意义。

另外，对于夹套设备的试压问题，标准规范的规定又显得过于武断，给制造带来壹些不必要的麻烦。

再有，当壳体材料代用后，试验压力是否应有所更改也是壹个值得探讨的问题。

5.1试验压力取值及试验应力限制［22］

GB150-89规定水压试验应力为：

p试=1.25p设［σ］／［σ］t（3）

当立式容器卧置试压时，仍应计及试验时的液柱静压力，即：

p试=1.25p设［σ］／［σ］t+γH（4）

GB150-89要求将试验应力提高到设计应力的1.25倍来检验设备的强度、密封结构的致密性以及焊缝的致密性等。

文［22］的分析表明，按式（3）的计算值只是水压试验的最低要求，对于立式液气共存或充满液体的容器，式（3）就不可能满足要求，此时应用下式的计算压力取代设计压力：

p计=p设γ′h（5）

式中，γ为液体物料的密度；h为液体物料的充装高度。

若此时容器卧置试压，其试验压力应为［22］：

p试=1.25p计［σ］／［σ］t-γH

（6）

式中，γ为液压试验用介质的密度；H为容器容空总高度［22］。

显然，式（6）比式（4）更合适，因为按式（4）计算试验压力就有可能为满足液压试验而增加设备厚度，可见，以p计代替p设来计算试验压力较为合理，ASME［23］、BS5500［24］、AD［7］等也以p计进行计算，尽管ASME也采用p设进行计算，但它只用于立式未充液容器的情况，且不涉及液柱静压力的情况。

从国外规范的情况来见，它们所规定的试验压力往往均很高，实际的试验应力倍数也均接近标准规定的倍数。

如于BS5500中，其p试为：

（7）

式中，S为名义厚度，C为附加量。

为使容器能真正接受考验，把壳体设计时的富裕量用于承受提高的试验应力。

由此可见，各国规范均是将标准给出的试验压力作为下限进行规定的，基本上均以p计代替p设，且实际试验压力均很高，目的于于使试验应力高于设计应力壹定倍数以检验容器，即实际试验压力壹般均大于等于p试。

但GB150-89似乎不是很明确，以致于于执行中有很多人认为不能超过GB150-89规定的计算值。

而且GB150-89规定的是用p设计算p试，于低压高塔设备中常增加设备厚度来满足试压要求，很显然这是不科学的。

于已出版的GB150-1998［25］中已对上述部分问题进行了修改，但于立式容器卧置试压的规定方面似乎仍有些问题。

关于试压时的应力控制问题，分析讨论的文章比较多，普遍认为按GB150-89计算试验压力能够不必进行应力校核，因为试验应力不可能超过0.9σs或0.8σs。

可是这些文章于分析时，仅仅是把试验压力取于GB150-89规定的计算值上讨论的。

随着GB150-1998的执行，实际的试验压力有提高的趋势，因此于实际的试验压力下就有可能出现试验应力超过0.9σs或0.8σs的情况，从而影响到设备的安全。

从国外规范的情况来见，它们也均作出了限制。

ASMEⅧ-1虽未作出直接限制［23］，但它指出，若有意无意超过按其公式计算的试验压力进行试验，使容器出现明显的永久性变形（塑性变形）时，检验员有权拒绝验收，所以实际上仍是对试验应力作出了限制。

因此笔者认为，试验应力仍应按GB150-1998加以限制。

为了提高试验压力，必要时能够按笔者推导的公式来计算液压试验压力［19］，以保证试验应力σT≤0.9σs，即：

（8）

式中符号意义见文［19］。

5.2夹套设备试压工序调整和改进［26］

按GB150和《压力容器安全技术监察规程》，对于夹套设备，应将内筒组装焊接且试压合格后再组焊夹套且试压，必要时夹套试压仍须对内筒保压（这由设计确定）。

可是，由于实际结构的限制，往往夹套组焊后内筒仍需再次试压，因此夹套设备通常均要试3次压。

然而，由于夹套设备的种类及结构型式较多，对于有些结构型式，完全没有必要试3次压。

如图1a和图1b所示的夹套结构，于试压时能够对内筒进行检查，只要夹套压力高于内筒压力且夹套试压时内筒不需保压，则完全能够将内筒及夹套壹起组焊完毕后进行试压。

此时应先对夹套试压且对被夹套包围的内筒进行检查，然后再对内筒试压且对夹套以外的部分进行检查。

当然，对于内筒压力低于夹套且夹套试压时内筒又需保压的情况，原则上仍应按GB150和《压力容器安全技术监察规程》执行（除了内部加试压用撑圈以满足稳定性要求的情况外）。

当对图1所示结构按笔者于文中的介绍安排组装，且实施试压工序时，不仅能够缩短制造周期，而且仍减少了壹次试压，既降低制造成本，又能达到试压目的，因此应当是可行和允许的，建议压力容器监检部门予以认可。

图1夹套结构

5.3主体材料代用后试验压力值的变更

制造中经常会遇到主体材料代用的情况，当用高级别代用低级别材料以及厚板代薄板时，笔者认为应对试验压力作出相应修改：

①提高试验压力后，能够真正达到检验考核容器的目的。

②对设备制造过程中的残余应力消除程度可高达70%～80%［21］。

③能够提高爆破极限及疲劳寿命等［19～21］。

相反，有些设备因选材或材料代用等原因，试验压力下的实际应力水平很低，甚至远远低于许用应力，对于这些情况，如不提高试验压力，则根本达不到试压的目的，也就失去了试压的意义。

这从前面叙述的ASME、BS5500的某些规定不难见出，于计算试验压力时甚至引入了板厚富裕量，即将试验压力提高S/（S-C）倍。

对于低压小直径设备，有时K值可高达2～3，因此实际试验压力可能是设计压力的3～4倍，以保证试压的真正目的。

笔者于文［19］中的计算实例结果也证实了这壹点。

因此建议，对于主体材料优代劣、厚代薄以及壹些小直径低压设备，能够考虑许用应力及板厚变化因素，将试验压力适当提高（控制试验应力不大于0.9σs或0.8σs），这对设备的安全使用是有益的。

6结语

笔者对压力容器制造中几个常见问题从理论到实际作了深层的分析叙述，于对问题正反俩方面分析的基础上，本着安全、经济和合理的原则，对上述问题进行了归纳，提出了自己的见法和建议。

目的于于使有关工程技术人员能从更宽的角度来见待、理解和处理这些问题，取得认识上的统壹。

也许文中有偏颇之处，恳请读者谅解和指正。