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球墨铸铁压力容器爆破试验设计探析

摘要:针对特殊结构铸造压力容器,按照常规设计往往无法完成结构准确计算,通过模型转换后的估算可能会导致结果过于保守,结构过于笨重,造成不必要浪费的问题,结合实践探讨了除有限元分析设计外的验证性爆破试验过程,通过验证试验实现结构优化,可得到安全经济的结构,实现材料价值的最优利用。

关键词:爆破试验;球墨铸铁压力容器

0引言

球墨铸铁以其优良的性能,在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢,在机械制造工业中得到广泛应用;因其无需焊接的结构,保证了容器的完整性与密封性能,在压力容器行业逐渐得到重视与应用;对于特殊结构的球墨铸铁压力容器,按常规设计计算往往很难实现,鉴于此种情况,欧盟EN13445、ASMEⅧ-1以及GB/T150都提供了相应的解决方案———按验证试验设计;笔者主要就验证性爆破试验的思路并结合实例进行讨论,为后续工程师按照此特殊方法设计制造铸铁压力容器或部件提供参考。

1适用范围

各国标准对运用这种方法制造的压力容器适用范围都有规定,包括压力,温度限制(如:欧标在Pb.V>6000bar.L时适用,若Pb.V<6000bar.L,无需计算,直接试压,欧标是以P.V乘积来限制,这与《容规》的划类有相似之处,主要考虑其积聚能量大小造成的危害性;ASMEⅧ-1在UCD-1,2,3中针对此类材料提出:设计压力不高于7MPa,设计温度不高于345℃,以及致死受火等条件下的详细规定;GB标准在HG/T20531中规定:可锻铸铁和球墨铸铁制压力容器,设计压力不大于1.6MPa,设计温度为-10~345℃);涉及到的篇幅主要有ASMEⅧ-1(UG-24,UG-101,UCD-101)[1],EN13445-6(5.2.2.1.2.4)[2],GB/T150.1(附录C)[3];相比三个标准,国标做法与ASME大致相似,即,根据设计压力计算预期爆破试验压力,然后做实验得到实际爆破时的值,带入公式算得设备最高允许工作压力,以此为依据判断合格与否;欧标在材料许用应力以及预期爆破试验压力的计算上都引进与检测,温度,壁厚等参数有关的系数,使得按其操作的容器更经济。本篇结合实例按照ASMEⅧ-1UG-101做详细介绍。

2材料要求

球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨,有效地提高了铸铁的机械性能,特别是提高了塑性和韧性,从而得到比碳钢还高的强度;正是基于其优异的浇铸性能,已成功地用于铸造一些受力复杂,强度、韧性、耐磨性要求较高的零部件。EN13445-6、EN1563、ASMESA-395以及GB/T1348、HG/T20531对球墨铸铁制造压力容器的材料都做了相关要求,主要对其力学性能指标、化学成分、硬度、金相组织以及延伸率做了限定,还对低温操作的球墨铸铁材料提出相关冲击要求;鉴于爆破试压的危险性以及试压破损后不可重复性带来的经济考量,材料复验必须严格按照相应材料标准的要求。关于铸铁SA-395[4]:在ASMEⅡA篇中列出了两个等级:60-40-18和65-45-15的相关力学性能参数,而ASMEⅧ-1表UCD-23只给了规定的最小抗拉强度414MPa(ⅡA中为415MPa,此处为单位转换中的差异),怀疑是漏将65-45-15的参数列入其中,这将很可能导致实际操作不得不统一取值为414MPa,从而导致以下介绍的设计结果过于保守,造成不必要的浪费。

3设计分析

3.1EN13445-6设计思路

EN13445-6:2014中5.2.2.1.2.4条提出了水压爆破试验验证方法,对该方法进行了规定和解释,其具体做法为:先按照(2)算得预期爆破压力Pb,其中emin为图纸指定最小厚度,PS为设备最大工作压力,eact为特定位置实测厚度;参照此预期爆破试验压力做爆破试验,直至容器或部件破裂,记录此时的压力Pb.act,将其代入式(3)求得容器的实际的PS,之后按下式计算ea;对比结果要满足:Pd(设计压力)≥PS(最大工作压力);eact(特定位置实测厚度)>emin≥ea+c(分析厚度与腐蚀裕量之和)。

3.2ASME设计思路

ASME关于球墨铸铁制造压力容器爆破试验主要涉及ASMEⅧ-1:UG-24,UG-101,UCD-101,下面以SA-395材料为例,其具体思路如下。(1)先按照下列公式反推出预期爆破试验压力B值(其中PR以设计压力代替),然后以预期爆破试验压力为参照进行有步骤(参照UG-101(h))爆破试验,直至容器破裂,记录爆破时的压力,然后代入下列公式,求得各个部件的最大允许工作压力(MAWP)值PR(若考虑腐蚀余量,还应该计入一个折算系数(t-c)n/tn);由下列公式可以看出此MAWP值只与材料的力学性能有关,因此由于一台设备上有不同材料元件时,所求得的PR将有数个,取其中的最小值作为此设备的此设备的MAWP,然后与设计压力作比较,判定是否合格;注:不允许试验后通过调整相关系数使得MAWP达到设计要求。除铸铁及球墨铸铁外的其他铸造材料:式中:B为爆破试验压力或液压试验停止点压力;Sμ为室温最小抗拉强度;Sμavg为试样平均抗拉强度;f为铸造质量系数,见UG-24。(2)按照上述步骤逆向思考:以容器或者部件的设计压力作为其最大允许工作压力,按照公式(4)~(6)分别算得不同部件的预期爆破压力,以预期爆破压力的最大值为参照进行爆破试验,由于容器各个部件计算时的安全系数较大,所以爆破试验时的压力一般可以达到要求,停止点可以是预期最大爆破压力,或者实际破裂点的压力。相比式(4)的方法,此方法有其优点,亦有其缺陷;缺点是:方法公式(4)在爆破点压力确定后推导出MAWPmin,可能会由于某一个元件的自身缺陷导致整台容器求得的MAWP偏低,若以MAWP校核设计压力,将很可能出现不合格,若是以MAWP来反推设计压力,则会导致设计压力偏低,造成材料不能有效地利用;但此方法操作连续性好,可一次完成验证试验;方法式(5)试验可以分步进行,即使容器某一元件破裂,若此爆破压力大于此元件的预期爆破压力,则可以优化此元件结构后继续完成其他元件的校核,此方法操作连续性差,但经过此方法验证优化后的各个元件结构可以在设计压力下充分利用,可以根据使用经验重新设定设计压力或结构优化改进,对于批量生产的元件或者设备,将节省大量材料。

3.3GB/T150设计思路

GB150.1-2011附录C涉及到“以验证性爆破试验确定容器的设计压力”,其具体思路如下。按照150.1附录C.3的要求对容器进行加压,直至容器爆破或者到设定的停止点,记录此时的压力,之后代入公式(7)算得试验温度下的最高允许工作压力,然后按式(8)进行考虑腐蚀余量的折算,最后按式(9)进行温度校正,得到设计温度下的最高允许工作压力,以此为确定设计压力的依据。当然,也可以按照式(5)的思路进行逆向推算来确定最高允许工作压力。三种方法都是针对按常规计算无法完成设计的结构特殊的压力容器,若按常规设计可完成设计计算而采用此方法是不允许且不经济;在爆破试验实施之前一定要进行相关估算校核,为压力表的选取、施压的步骤以及安全防护措施提供一个参照的依据。

3.4按ASME爆破试验设计的设备实例

对于1台由数个腔体或部件组成的容器,只有对无法按照常规设计完成计算的部分进行爆破验证,其他部分按照常规设计、制造检验以及验收;如图1所示针对1台换热器,壳程由于结构原因无法按常规设计,而管程结构形状规则,可以设计计算,针对此种情况,只需对壳程部分爆破验证,管程则按常规设计检验;若有特殊结构共用件,此件按照最危险工况考虑进行验证试验,并制作适合试压的合理工装。对于其耐压试验:在首次验证试验合格后,之后制造的相同规格或相似件(UG-101(d))进行的实验,EN13445-6通过相关因子规定不小于1.43·Pd/CT·CQ,ASME与《容规》则规定水压试验压力不小于两倍的最大允许工作压力;由此完成球墨铸铁压力容器的验证性爆破试验,之后便可以进行相同件或相似件的批量生产。

3.5试压前的准备

由于此设备为笔者所在公司制做的第1台爆破试验制造容器,为安全考虑,在试压开始前,委托某高校进行有限元分析,其受力状况见图2。由分析可知:最大应力分布在三个区域,根据ASMEⅧ-2卷第5篇附录5.A,对这三个区域进行线性化处理,应力线性化处理路径划分见图3。满足:薄膜应力SⅡ<1.5Sm,主应力+二次应力SⅣ<3.0Sm,但应力值接近极限值,故根据附图应力分布情况,要求铸造单位加强图示危险点的质量控制,并适当加厚。后续类似产品未做有限元分析,试压结果皆满足要求,且由之前的数十台铸铁设备到后续的数十台铸铝(SB-26)设备,都按此方法成功设计制造,获得了用户与第三方检验机构好评。

4制造、检验与验收

4.1结构

由以上方法可以发现:容器或者部件能够承受的实际爆破压力往往由最薄弱的某一元件或位置决定,所以:①结构设计时铸件各部分厚度差不宜过大,不同厚度之间应圆滑过渡;②铸件结构要尽可能简单,尽可能对称布置,避免出现如内凹等使造型发生困难的死角,单件铸件尺寸不宜过长;③尽量避免厚大断面,不同形状壁的连接通常须有一定圆角,且尽量做到各个元件、各个位置应力水平相当,如此才能物尽其用,减少不必要的厚度附加。

4.2返修要求

按爆破试验制造的球墨铸铁压力容器的焊接返修要求:ASMEⅧ-1UCD-78及SA-395提出了具体用塞子修补的限制条件,EN13445-6标准5.3.2指出按此规范制造的压力容器,焊接操作是不允许的,国标对其的规定亦规定不允许焊接,可通过塞子返修。

4.3加压要求

按爆破试验制造的首台球墨铸铁压力容器压力施加要求:ASMEⅧ-1UG101(h)指出容器或容器部件的水压试验压力应逐渐增加到预期工作压力的一半,其后,试验压力按预期最大许用工作压力的1/10或更小的增量逐步增加,直到试验程序所需的压力;每次增压后,压力应维持足够长的时间,以便进行程序中规定的观察检查;GB/T150.1附录C规定:首先缓慢加压到预期设计压力的0.5倍,保压观察后以1/10预期设计压力的增量加压至预期设计压力,进行不少于10min的保压观察后继续以1/10预期设计压力的增量加压至爆破或设定的停止点;在此过程中,一定要保证压力的施加足够缓慢,以避免数据的记录产生过大误差;由于爆破试验压力较大,垫片的密封往往会达不到要求,针对这一特殊情况,具体可以参照EN13445.6标准5.2.2.1.2.4(8)的做法,即:在爆破试验过程中,垫片的微量泄露是允许的,只要这种泄露不会影响爆破试验压力的达到,为了满足爆破试验而有意用其他特性紧固件也是可以接受的,毕竟爆破试验是一种非常特殊的工况。

4.4其他要求

按爆破试验制造的球墨铸铁压力容器的热处理要求:ASMESA-395中5.材料和制造提出热处理(铁素体化)要求;EN13445.6中5.3.1条提出空冷与相关消应力热处理的要求;我国标准规定:铸造受压元件必须进行热处理;如订货时无特殊要求,热处理工艺可由制造单位决定。按爆破试验制造的球墨铸铁压力容器的无损检测要求:ASMEⅧ-1UG-24、EN13445-6中第7条、HG20531都做了详细说明。

5结语

球墨铸铁在压力容器制造行业得到了越来越广泛的应用,其结构往往复杂奇特,不易用常规方法设计求解,针对这种情况,我们讨论了除有限元分析设计外的验证性爆破试验,通过验证试验实现容器或部件结构的优化,对于批量生产的球墨铸铁制造压力容器,其在成本方面的优势便可凸显出来;随着材料制造装备以及相关工艺控制水平提升,可以考虑将材料范围由球墨铸铁、铸铝向品种更加丰富的范围拓展,验证方法亦可考虑在爆破试验(UG-101(m)),应变测量(UG-101(n))以及位移测量(UG-101(o))方法向更加多样化新型试验理论创新推进;由于铸造材料可能存在的内部缺陷问题,其安全系数都取值较大,随着材料性能的逐步提高,对此,可以考虑适当调整安全系数,借鉴国外成熟经验,实现材料价值的最优利用。

作者:陈元杰 胡金磊 单位:上海齐达重型装备有限公司

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