呂洪玉 張 弛，2 卞學(xué)詢(xún)

(1. 天津科技大學(xué)，天津，300222;2. 焦作市崇義輕工機(jī)械有限公司，河南沁陽(yáng)，454550)

鑄鐵烘缸是一種壓力容器，而且由脆性材料制造，故其安全使用至關(guān)重要。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)各種不同的事故［1-2］，后果極其嚴(yán)重，輕的造成泄漏，嚴(yán)重的發(fā)生爆炸，造成機(jī)臺(tái)破壞或人員傷亡。我國(guó)國(guó)家質(zhì)檢總局TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新容規(guī)”)［3］中的鑄造壓力容器中規(guī)定:“首次試制產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)進(jìn)行液壓破壞性試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性……”。如何理解與實(shí)施這項(xiàng)規(guī)定，至關(guān)重要。

烘缸的檢測(cè)主要有兩大方面，即非破壞性檢測(cè)與破壞性檢測(cè)，非破壞性檢測(cè)如超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、水壓試驗(yàn)等。破壞性檢測(cè)即水壓破壞性試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)與制造加工的可靠性。我國(guó)是烘缸生產(chǎn)大國(guó)，每年有上千只烘缸的產(chǎn)量，多年來(lái)從未做過(guò)水壓破壞性試驗(yàn)，“新容規(guī)”做出水壓破壞性試驗(yàn)的規(guī)定是有其必要性的，但是如何實(shí)施這項(xiàng)規(guī)定則需要研究。

關(guān)于破壞性試驗(yàn)如何理解，有些人認(rèn)為破壞性試驗(yàn)水壓超過(guò)設(shè)計(jì)壓力即可，但筆者認(rèn)為這樣理解是不全面的，新設(shè)計(jì)制造的烘缸破壞性試驗(yàn)應(yīng)將水壓增大至烘缸泄漏為止，這樣才能找到設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)而加以改進(jìn)。對(duì)舊烘缸也可通過(guò)破壞性試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其最大承壓能力。

筆者深入研究分析了國(guó)內(nèi)外有關(guān)壓力容器的設(shè)計(jì)與制造的有關(guān)規(guī)定，對(duì)鑄鐵烘缸破壞性試驗(yàn)問(wèn)題有如下的見(jiàn)解。

1 我國(guó)規(guī)范中鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定

國(guó)內(nèi)關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)規(guī)定，只是在“新容規(guī)”中要求鑄造壓力容器首次試制的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行液壓破壞性試驗(yàn)，并在“新容規(guī)”釋義一書(shū)中要求試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)報(bào)省級(jí)監(jiān)察機(jī)構(gòu)備案。但是沒(méi)有給出關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的最高允許壓力的計(jì)算方法。

可以借鑒的規(guī)范只有鋼制壓力容器規(guī)范GB150—2011 關(guān)于“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力”的強(qiáng)制性附錄［4］，是全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在新的壓力容器規(guī)范中首次對(duì)破壞性試驗(yàn)做出的規(guī)定，其主要試驗(yàn)最高允許工作壓力的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)或式(2)。

或

式中 P″——試驗(yàn)溫度下的最高允許工作壓力，MPa

Pb——爆破試驗(yàn)壓力或試驗(yàn)停止點(diǎn)壓力，MPa

φ——焊接接頭系數(shù)

Rm——材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa

Rmave——室溫下試樣的平均抗拉強(qiáng)度，MPa

Rmh——材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度上限值，MPa

通過(guò)爆破試驗(yàn)壓力或試驗(yàn)停止點(diǎn)壓力Pb，來(lái)確定試驗(yàn)溫度下的最高允許工作壓力P″。另外還有腐蝕裕度與溫度影響的規(guī)定。

2 歐洲規(guī)范中關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定

歐洲規(guī)范中關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定當(dāng)以BS EN 13445［5-6］為主，其規(guī)定如下。

規(guī)定壓力的增加一定要在可控的狀態(tài)下達(dá)到破壞壓力:

式中:Pb——最小破壞壓力，MPa

PS——最大允許工作壓力，bar (注1 bar =0.1 MPa)

Rm(3)——同一批同一溫度，3 個(gè)拉伸試件拉伸強(qiáng)度的平均值，MPa

f——名義設(shè)計(jì)應(yīng)力，MPa

eact——實(shí)際厚度，mm

emin——圖紙上確定的最小厚度，mm

c——腐蝕裕度，mm

n——依賴(lài)于殼體形狀的因子(n 的選取，根據(jù)BS EN 13445-6 規(guī)定，對(duì)于柱殼和球殼:n=1，其他殼:n=2)

厚度相互關(guān)系定義如圖1 所示［6］。

圖1 中 e——需要厚度，mm

ea——分析厚度，mm

emin——包含腐蝕裕度的最小厚度，mm

圖1 歐洲規(guī)范(BS EN 13445-6)中厚度定義圖

c——腐蝕裕度，mm

ε——鑄造過(guò)程中外加厚度，mm

δ——鑄造余量，mm

可以反推出來(lái)允許工作壓力表達(dá)式見(jiàn)式(4)。

式中 Pbact——實(shí)際爆破壓力，MPa

應(yīng)注意到名義設(shè)計(jì)應(yīng)力f，其意義是在壓力元件計(jì)算式中的應(yīng)力值。

當(dāng)使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行烘缸破壞性試驗(yàn)時(shí)，就應(yīng)該計(jì)算烘缸有關(guān)部位的最大應(yīng)力值。

3 美國(guó)規(guī)范中關(guān)于鑄鐵壓力容器破壞性試驗(yàn)的規(guī)定

目前國(guó)際上較公認(rèn)的壓力容器規(guī)范即美國(guó)的ASME 規(guī)范［7］，它有關(guān)鑄鐵壓力容器的UCI 篇鑄鐵建造壓力容器的要求中，UC-101 液壓破壞性試驗(yàn)規(guī)定:“按UG101 (m)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)決定它們的最大許用工作壓力(注:假定破壞是由于彎曲造成的)”，其試驗(yàn)方法規(guī)定為(見(jiàn)式(5)):

式中 PR——表UCI-32 所列操作溫度下最大需用工作壓力

PB——破壞性試驗(yàn)壓力

4 上述國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓力容器破壞性試驗(yàn)的各種方法評(píng)述

我國(guó)GB150—2011 的規(guī)范是對(duì)鋼制壓力容器制定的，體現(xiàn)在分母上的系數(shù)4，其計(jì)算方法與美國(guó)ASME 鋼制壓力容器的算法相同，且對(duì)于腐蝕裕度及溫度影響等均進(jìn)行了規(guī)定，而對(duì)鑄造的鑄鐵壓力容器不能使用。

歐洲規(guī)范BS EN 13445 對(duì)于破壞壓力的規(guī)定，其式(3)可解出最大允許工作壓力，因?qū)嶋H測(cè)試時(shí)，對(duì)已完工的鑄鐵壓力容器烘缸來(lái)說(shuō)，圖1 上的某些尺寸已不復(fù)存在。實(shí)際計(jì)算時(shí)，要計(jì)算f 值，這就要將鑄鐵烘缸一些關(guān)鍵部位或危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值計(jì)算出來(lái)，再代入式(3)或式(4)求得允許工作壓力。

美國(guó)ASME 規(guī)范破壞性試驗(yàn)規(guī)定的最根本的假設(shè)是:彎曲應(yīng)力而引起的破壞，其安全系數(shù)在國(guó)際上均選為10，這是因?yàn)殍T鐵破壞未知因素太多。由于彎曲應(yīng)力破壞許用應(yīng)力為拉伸破壞許用應(yīng)力的1.5 倍，由于假定破壞是由彎曲應(yīng)力引起的，因此式(5)中的系數(shù)6.67 是由10/1.5 =6.67 而來(lái)，而實(shí)際上，作為烘缸這一產(chǎn)品來(lái)講，對(duì)其破壞因素進(jìn)行詳細(xì)分析如下:

缸體主要應(yīng)力是膜應(yīng)力，而不是彎曲應(yīng)力，設(shè)計(jì)計(jì)算公式即是膜應(yīng)力，見(jiàn)式(6)。

式中 σ—— 環(huán)向應(yīng)力(即膜應(yīng)力)，MPa

p——內(nèi)壓，MPa

D——內(nèi)徑，mm

t——缸體厚度，mm

對(duì)烘缸殼體進(jìn)行有限元分析時(shí)，其結(jié)果也說(shuō)明主要是膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力很低［8］。由此可看出按照彎曲應(yīng)力理論進(jìn)行破壞分析是不對(duì)的，缸體的破壞是拉伸破壞。

5 關(guān)于ASME 規(guī)范應(yīng)用于鑄鐵烘缸破壞性試驗(yàn)的原理研究

大量計(jì)算分析說(shuō)明，鑄鐵烘缸法蘭處應(yīng)力是應(yīng)力峰值所在，實(shí)際大量破壞是在端蓋與缸體連接的法蘭處，這里的應(yīng)力狀態(tài)有一軸向的拉力，與一個(gè)彎矩［9-10］，此彎矩之值非常大，軸向拉力值較低。法蘭處的彎矩如圖2 所示，其引起的變形的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖2 法蘭處的彎矩(凸型端蓋)

現(xiàn)以簡(jiǎn)單算例予以說(shuō)明:

算例:直徑φ1804 mm，內(nèi)壓p =0.5 MPa，壁厚t=38 mm

以平蓋計(jì)算，端蓋承受壓力 F=1.17 MN

對(duì)邊緣的彎矩 M=0.179 MN

圖3 由法蘭處巨大彎矩引起的變形

彎曲應(yīng)力 σ= ±308.53 MPa (當(dāng)法蘭與缸體間無(wú)過(guò)度弧時(shí))

軸向拉伸應(yīng)力 σ=5.38 MPa

缸體部分環(huán)向應(yīng)力 σ=11.87 MPa

這一算例表明鑄鐵烘缸破壞危險(xiǎn)處在法蘭與缸體連接處，采用凸型端蓋形式導(dǎo)致局部彎矩下降［9］，也足以證明使用ASME 壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行水壓破壞性試驗(yàn)方法是可行的，但烘缸作為鑄鐵壓力容器系鑄鐵材料制作，當(dāng)中有許多未知因素，如片狀石墨的不同分布、不同級(jí)別，均會(huì)導(dǎo)致烘缸在某一部位因水壓破壞而破裂。另外，鑄鐵烘缸的主要荷載為內(nèi)壓、熱荷載、托輥線(xiàn)荷載等，熱荷載即占總荷載的40%以上［11］，所以即使做水壓破壞性試驗(yàn)，也不意味著得到需用最大壓力而完全安全，只能給一個(gè)參考值。

作為水壓破壞性試驗(yàn)的案例［11］，一個(gè)安全運(yùn)行的揚(yáng)克缸，在進(jìn)行水壓破壞性試驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有達(dá)到ASME 規(guī)定壓力即發(fā)生破壞。其水壓破壞性試驗(yàn)條件如下:烘缸直徑5 m，幅寬4.85 m，工作壓力0.9 MPa，水壓達(dá)到3.75 MPa 時(shí)發(fā)生泄漏，也即在工作壓力4.2 倍時(shí)發(fā)生泄漏。此烘缸未能達(dá)到ASME 規(guī)范規(guī)定允許的工作壓力要求。

6 建議水壓破壞性試驗(yàn)的方法

參考ASME 規(guī)范中的規(guī)定，應(yīng)用式(5):

進(jìn)行計(jì)算，但需要考慮腐蝕裕度余量時(shí)，試驗(yàn)溫度下最大允許工作壓力為:

式中 PR'——考慮腐蝕裕量后試驗(yàn)溫度下最高允許工作壓力，MPa

t——強(qiáng)度薄弱處材料厚度，mm

C——材料腐蝕裕度，mm

n——結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)(圓柱殼和球殼n =1，其他殼n=2)設(shè)計(jì)溫度下的最高允許工作壓力:

式中 PR″——設(shè)計(jì)溫度下最高允許工作壓力，MPa

［σ］t——材料設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，MPa

［σ］——材料試驗(yàn)溫度下許用應(yīng)力，MPa

7 破壞性試驗(yàn)中的若干問(wèn)題

(1)必要說(shuō)明;鑄鐵壓力容器水壓破壞性試驗(yàn)并非通過(guò)水壓破壞試驗(yàn)?zāi)M真正的烘缸工作狀態(tài)下的破壞，因?yàn)楹娓缀奢d最主要的為內(nèi)壓、溫度荷載、托輥線(xiàn)荷載，最大的溫度荷載要占總荷載的的40%以上［8］，因此，水壓破壞性試驗(yàn)只能模擬壓力荷載一種工況。

(2)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)是“新容規(guī)”要求對(duì)鑄造壓力容器進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的要求，建議新設(shè)計(jì)的鑄鐵烘缸必須要進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，對(duì)于在用烘缸進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，可適當(dāng)選擇壓力點(diǎn)即可停止。

(3)試驗(yàn)應(yīng)有完整的方案和可靠的安全措施，雖然是水壓試驗(yàn)，破壞時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏而泄壓，但也應(yīng)做好防護(hù)，以免發(fā)生意外。

(4)試驗(yàn)前要確定試驗(yàn)容器與圖紙相符，確認(rèn)加工部件尺寸相同。

(5)要確認(rèn)材料與圖紙規(guī)定的相同，對(duì)每一個(gè)破壞試驗(yàn)鑄件，必須有3 個(gè)做拉伸的試驗(yàn)試件，試件的選取應(yīng)于缸體的上下側(cè)選取。

(6)試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)缸體厚度進(jìn)行測(cè)量。

(7)試驗(yàn)用壓力表的壓力范圍應(yīng)該達(dá)到預(yù)期破壞壓力的4/3。

(8)試驗(yàn)壓力應(yīng)在可控狀態(tài)下上升，直至斷裂發(fā)生，記錄下斷裂壓力PB、測(cè)試日期、部件號(hào)等。

(9)如果某一部件在試驗(yàn)過(guò)程中未能達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，可更換該部件，當(dāng)?shù)诙€(gè)更換部件還未達(dá)到要求時(shí)，既要考慮該部件是否符合設(shè)計(jì)要求。

(10)試驗(yàn)過(guò)程中，若PR由于法蘭泄漏而未能達(dá)到ASME 規(guī)范中UCI-32［7］所列操作溫度下的最大需用工作壓力PB值時(shí)，就要改進(jìn)連接主螺栓間隙與法蘭墊片設(shè)計(jì)，或考慮螺栓間距過(guò)大問(wèn)題。

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