【原】国标压力容器水压试验（三）

压力容器设计圈 2022-09-30 发布于江苏

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本文特邀作者艾崔牛老师：12年国际工程公司经验，常年在B站上为广大机械工程师分享多年来的GB，ASME，API压力容器、大型储罐设计经验，答疑解惑。

1、1975年，美国人Burgreen在其编撰的手册中率先引入了对弹塑性材料制锅炉在高温下评定脆性断裂的准则。基于实验认为材料上任何一点的平均应力应有：

稍后美国ASME学会将其进一步改进为：

并在其后的实践中进一步扩展到了为0.95和0.8

注意，此处即出现0.9R_eL设计准则的来源。

许用应力S=Sy/1.5，带入公式后进一步演化为：

注意，此处即水压试验的试验压力为1.3倍MAWP的设计来源。

由于常用的第1强度准则，第3强度准则，第4强度准则均未评定平均应力的危害，而最大剪应变的第二强度理论并不适于弹塑性材料的失效评定。作为对韧性设计中缺少脆性失效评定的补充，ASME VIII-2和GB150-2011强制要求评定水压试验中材料最大等效应力小于95%Sy和90%Rel。

2、然而并不是所有标准，在水压试验中都需要考虑脆性断裂危险。ASME VIII-1卷不强制评定该90%Sy的原因即在于：ASMEVIII-1卷引用的材料屈服强度的安全系数为1.5，抗拉强度的安全系数为3.5。而ASME VIII-1标准中碳钢和低合金钢的“屈强比”大于1.5/3.5，A3温度以下，材料屈服强度控制的许用应力均高于抗拉强度，实际常温下许用应力由抗拉强度控制，因此水压试验中，不需要考虑第1条中，由平均应力引发的突发性脆性断裂失效。

3、相对比，ASME VIII-2卷和GB150由于分别采用了更低的抗拉强度安全系数：

标准	St抗拉强度对应的安全系数	压力试验校核
ASME VIII-1	3.5	不需要
ASME VIII-2	3.0 for Class 1 / 2.4 for Class 2	水压0.95 气压&气液组合0.8
GB150（大容规）	2.7	水压0.9 气压&气液组合0.8
JB4732	2.4

因此这两本标准中，在应力强度评定合格时（ASME VIII-2是第四强度理论的Von Mises等效应力，GB150是第一强度理论σ1最大主应力，JB4732是第三强度理论σ1-σ3），仍有平均应力突破屈服强度的风险。为了弥补设计漏洞，故此在水压试验前，需要校核最大薄膜应力（ASME VIII-2第4.1.6.2条，和表4.1.3，是水压试验<0.95Sy，气压实验和气液混合实验<0.8Sy，国标GB150是液压<0.9R_eL，气压和气液组合<0.8R_eL，JB4732直接就校核）。规则设计标准，并没有办法得出全部结构上任意点中最大的(——ASME VIII-2、VIII-3卷、JB4732则可以求出）.因此作为规则设计标准，GB150就直接对其中数值最大的即第一强度理论的最大主应力（注意可以是薄膜应力产生，也可以是弯曲应力产生）提出限制。

4、各家设计院实际设计中额外附加厚度的真实原因。

在98版GB150中，屈服强度安全系数是1.6，抗拉安全系数为3.0。屈强比安全线为0.533从屈服强度得出的该抗拉强度的依据就是几乎全部材料的屈强比下限，即便如此，实际上GB9948标准里的CrMo钢钢管拖了后腿：

12CrMo 抗拉410MPa，屈服205MPa，屈强比0.5

1Cr5Mo 抗拉390Mpa，屈服195MPa，屈强比0.5

因此98版标准就附加了水压试验校核要求。

但后来标准制定者开始奔放起来，将抗拉强度安全系数定为2.7，屈服强度仍安全系数为1.5。形式上做到了提高许用应力值，设计结果更薄了。但屈强比安全线进一步上升至0.556，在GB150这种规则设计标准中，一些材料新进到处于突发性脆性断裂失效风险中。该问题，行业内各家设计部门主要有两种方式加以弥补：

1、尽量避免采用屈强比小于0.556的材料进行设计。

2、酌情加厚——每20mm增加2mm。虽然标准有强制校核90%ReL的要求可以进行弥补。各家设计院的老专家们并不放心。一般上大家不明确说，但各家设计院均酌情在原计算厚度上加厚材料，根据行业内设计经验、和目前理论推演，本人建议加厚幅度可以按98版GB150抗拉安全系数3.0和现今16版大容规与2011版GB150的2.7的比值：3.0/2.7=1.11约富余10%来进行，即每20mm增加2mm厚度来实际操作。

5、结论：

主要结论有以下几点：

1、ASME VIII-1卷可不校核水压试验工况下的应力上限，ASME VIII-2卷和GB-150则应必须按各自标准校核。

2、09版和16版大容规降低抗拉强度安全系数的情况，可以采用上述选材或加厚这两种方法加以弥补和保障。

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