球墨鑄鐵壓力容器爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)探析
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摘要:針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)鑄造壓力容器，按照常規(guī)設(shè)計(jì)往往無法完成結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確計(jì)算，通過模型轉(zhuǎn)換后的估算可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果過于保守，結(jié)構(gòu)過于笨重，造成不必要浪費(fèi)的問題，結(jié)合實(shí)踐探討了除有限元分析設(shè)計(jì)外的驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)過程，通過驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可得到安全經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料價(jià)值的最優(yōu)利用。
0引言
球墨鑄鐵以其優(yōu)良的性能，在使用中有時(shí)可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機(jī)械制造工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用;因其無需焊接的結(jié)構(gòu)，保證了容器的完整性與密封性能，在壓力容器行業(yè)逐漸得到重視與應(yīng)用;對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的球墨鑄鐵壓力容器，按常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算往往很難實(shí)現(xiàn)，鑒于此種情況，歐盟EN13445、ASMEⅧ－1以及GB/T150都提供了相應(yīng)的解決方案———按驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì);筆者主要就驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)的思路并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行討論，為后續(xù)工程師按照此特殊方法設(shè)計(jì)制造鑄鐵壓力容器或部件提供參考。
1適用范圍
各國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)運(yùn)用這種方法制造的壓力容器適用范圍都有規(guī)定，包括壓力，溫度限制(如:歐標(biāo)在Pb．V＞6000bar．L時(shí)適用，若Pb．V＜6000bar．L，無需計(jì)算，直接試壓，歐標(biāo)是以P．V乘積來限制，這與《容規(guī)》的劃類有相似之處，主要考慮其積聚能量大小造成的危害性;ASMEⅧ－1在UCD－1，2，3中針對(duì)此類材料提出:設(shè)計(jì)壓力不高于7MPa，設(shè)計(jì)溫度不高于345℃，以及致死受火等條件下的詳細(xì)規(guī)定;GB標(biāo)準(zhǔn)在HG/T20531中規(guī)定:可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵制壓力容器，設(shè)計(jì)壓力不大于1．6MPa，設(shè)計(jì)溫度為－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(附錄C)［3］;相比三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，國標(biāo)做法與ASME大致相似，即，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力計(jì)算預(yù)期爆破試驗(yàn)壓力，然后做實(shí)驗(yàn)得到實(shí)際爆破時(shí)的值，帶入公式算得設(shè)備最高允許工作壓力，以此為依據(jù)判斷合格與否;歐標(biāo)在材料許用應(yīng)力以及預(yù)期爆破試驗(yàn)壓力的計(jì)算上都引進(jìn)與檢測(cè)，溫度，壁厚等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，使得按其操作的容器更經(jīng)濟(jì)。本篇結(jié)合實(shí)例按照ASMEⅧ－1UG－101做詳細(xì)介紹。
2材料要求
球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度;正是基于其優(yōu)異的澆鑄性能，已成功地用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零部件。EN13445－6、EN1563、ASMESA－395以及GB/T1348、HG/T20531對(duì)球墨鑄鐵制造壓力容器的材料都做了相關(guān)要求，主要對(duì)其力學(xué)性能指標(biāo)、化學(xué)成分、硬度、金相組織以及延伸率做了限定，還對(duì)低溫操作的球墨鑄鐵材料提出相關(guān)沖擊要求;鑒于爆破試壓的危險(xiǎn)性以及試壓破損后不可重復(fù)性帶來的經(jīng)濟(jì)考量，材料復(fù)驗(yàn)必須嚴(yán)格按照相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。關(guān)于鑄鐵SA－395［4］:在ASMEⅡA篇中列出了兩個(gè)等級(jí):60－40－18和65－45－15的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，而ASMEⅧ－1表UCD－23只給了規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度414MPa(ⅡA中為415MPa，此處為單位轉(zhuǎn)換中的差異)，懷疑是漏將65－45－15的參數(shù)列入其中，這將很可能導(dǎo)致實(shí)際操作不得不統(tǒng)一取值為414MPa，從而導(dǎo)致以下介紹的設(shè)計(jì)結(jié)果過于保守，造成不必要的浪費(fèi)。
3設(shè)計(jì)分析
3．1EN13445－6設(shè)計(jì)思路
EN13445－6:2014中5．2．2．1．2．4條提出了水壓爆破試驗(yàn)驗(yàn)證方法，對(duì)該方法進(jìn)行了規(guī)定和解釋，其具體做法為:先按照(2)算得預(yù)期爆破壓力Pb，其中emin為圖紙指定最小厚度，PS為設(shè)備最大工作壓力，eact為特定位置實(shí)測(cè)厚度;參照此預(yù)期爆破試驗(yàn)壓力做爆破試驗(yàn)，直至容器或部件破裂，記錄此時(shí)的壓力Pb．a(chǎn)ct，將其代入式(3)求得容器的實(shí)際的PS，之后按下式計(jì)算ea;對(duì)比結(jié)果要滿足:Pd(設(shè)計(jì)壓力)≥PS(最大工作壓力);eact(特定位置實(shí)測(cè)厚度)＞emin≥ea+c(分析厚度與腐蝕裕量之和)。
3．2ASME設(shè)計(jì)思路
ASME關(guān)于球墨鑄鐵制造壓力容器爆破試驗(yàn)主要涉及ASMEⅧ－1:UG－24，UG－101，UCD－101，下面以SA－395材料為例，其具體思路如下。(1)先按照下列公式反推出預(yù)期爆破試驗(yàn)壓力B值(其中PR以設(shè)計(jì)壓力代替)，然后以預(yù)期爆破試驗(yàn)壓力為參照進(jìn)行有步驟(參照UG－101(h))爆破試驗(yàn)，直至容器破裂，記錄爆破時(shí)的壓力，然后代入下列公式，求得各個(gè)部件的最大允許工作壓力(MAWP)值PR(若考慮腐蝕余量，還應(yīng)該計(jì)入一個(gè)折算系數(shù)(t－c)n/tn);由下列公式可以看出此MAWP值只與材料的力學(xué)性能有關(guān)，因此由于一臺(tái)設(shè)備上有不同材料元件時(shí)，所求得的PR將有數(shù)個(gè)，取其中的最小值作為此設(shè)備的此設(shè)備的MAWP，然后與設(shè)計(jì)壓力作比較，判定是否合格;注:不允許試驗(yàn)后通過調(diào)整相關(guān)系數(shù)使得MAWP達(dá)到設(shè)計(jì)要求。除鑄鐵及球墨鑄鐵外的其他鑄造材料:式中:B為爆破試驗(yàn)壓力或液壓試驗(yàn)停止點(diǎn)壓力;Sμ為室溫最小抗拉強(qiáng)度;Sμavg為試樣平均抗拉強(qiáng)度;f為鑄造質(zhì)量系數(shù)，見UG－24。(2)按照上述步驟逆向思考:以容器或者部件的設(shè)計(jì)壓力作為其最大允許工作壓力，按照公式(4)～(6)分別算得不同部件的預(yù)期爆破壓力，以預(yù)期爆破壓力的最大值為參照進(jìn)行爆破試驗(yàn)，由于容器各個(gè)部件計(jì)算時(shí)的安全系數(shù)較大，所以爆破試驗(yàn)時(shí)的壓力一般可以達(dá)到要求，停止點(diǎn)可以是預(yù)期最大爆破壓力，或者實(shí)際破裂點(diǎn)的壓力。相比式(4)的方法，此方法有其優(yōu)點(diǎn)，亦有其缺陷;缺點(diǎn)是:方法公式(4)在爆破點(diǎn)壓力確定后推導(dǎo)出MAWPmin，可能會(huì)由于某一個(gè)元件的自身缺陷導(dǎo)致整臺(tái)容器求得的MAWP偏低，若以MAWP校核設(shè)計(jì)壓力，將很可能出現(xiàn)不合格，若是以MAWP來反推設(shè)計(jì)壓力，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)壓力偏低，造成材料不能有效地利用;但此方法操作連續(xù)性好，可一次完成驗(yàn)證試驗(yàn);方法式(5)試驗(yàn)可以分步進(jìn)行，即使容器某一元件破裂，若此爆破壓力大于此元件的預(yù)期爆破壓力，則可以優(yōu)化此元件結(jié)構(gòu)后繼續(xù)完成其他元件的校核，此方法操作連續(xù)性差，但經(jīng)過此方法驗(yàn)證優(yōu)化后的各個(gè)元件結(jié)構(gòu)可以在設(shè)計(jì)壓力下充分利用，可以根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)重新設(shè)定設(shè)計(jì)壓力或結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)于批量生產(chǎn)的元件或者設(shè)備，將節(jié)省大量材料。
3．3GB/T150設(shè)計(jì)思路
GB150．1－2011附錄C涉及到“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器的設(shè)計(jì)壓力”，其具體思路如下。按照150．1附錄C．3的要求對(duì)容器進(jìn)行加壓，直至容器爆破或者到設(shè)定的停止點(diǎn)，記錄此時(shí)的壓力，之后代入公式(7)算得試驗(yàn)溫度下的最高允許工作壓力，然后按式(8)進(jìn)行考慮腐蝕余量的折算，最后按式(9)進(jìn)行溫度校正，得到設(shè)計(jì)溫度下的最高允許工作壓力，以此為確定設(shè)計(jì)壓力的依據(jù)。當(dāng)然，也可以按照式(5)的思路進(jìn)行逆向推算來確定最高允許工作壓力。三種方法都是針對(duì)按常規(guī)計(jì)算無法完成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特殊的壓力容器，若按常規(guī)設(shè)計(jì)可完成設(shè)計(jì)計(jì)算而采用此方法是不允許且不經(jīng)濟(jì);在爆破試驗(yàn)實(shí)施之前一定要進(jìn)行相關(guān)估算校核，為壓力表的選取、施壓的步驟以及安全防護(hù)措施提供一個(gè)參照的依據(jù)。
3．4按ASME爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)備實(shí)例
對(duì)于1臺(tái)由數(shù)個(gè)腔體或部件組成的容器，只有對(duì)無法按照常規(guī)設(shè)計(jì)完成計(jì)算的部分進(jìn)行爆破驗(yàn)證，其他部分按照常規(guī)設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)以及驗(yàn)收;如圖1所示針對(duì)1臺(tái)換熱器，殼程由于結(jié)構(gòu)原因無法按常規(guī)設(shè)計(jì)，而管程結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，可以設(shè)計(jì)計(jì)算，針對(duì)此種情況，只需對(duì)殼程部分爆破驗(yàn)證，管程則按常規(guī)設(shè)計(jì)檢驗(yàn);若有特殊結(jié)構(gòu)共用件，此件按照最危險(xiǎn)工況考慮進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并制作適合試壓的合理工裝。對(duì)于其耐壓試驗(yàn):在首次驗(yàn)證試驗(yàn)合格后，之后制造的相同規(guī)格或相似件(UG－101(d))進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，EN13445－6通過相關(guān)因子規(guī)定不小于1．43·Pd/CT·CQ，ASME與《容規(guī)》則規(guī)定水壓試驗(yàn)壓力不小于兩倍的最大允許工作壓力;由此完成球墨鑄鐵壓力容器的驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)，之后便可以進(jìn)行相同件或相似件的批量生產(chǎn)。
3．5試壓前的準(zhǔn)備
由于此設(shè)備為筆者所在公司制做的第1臺(tái)爆破試驗(yàn)制造容器，為安全考慮，在試壓開始前，委托某高校進(jìn)行有限元分析，其受力狀況見圖2。由分析可知:最大應(yīng)力分布在三個(gè)區(qū)域，根據(jù)ASMEⅧ－2卷第5篇附錄5．A，對(duì)這三個(gè)區(qū)域進(jìn)行線性化處理，應(yīng)力線性化處理路徑劃分見圖3。滿足:薄膜應(yīng)力SⅡ＜1．5Sm，主應(yīng)力+二次應(yīng)力SⅣ＜3．0Sm，但應(yīng)力值接近極限值，故根據(jù)附圖應(yīng)力分布情況，要求鑄造單位加強(qiáng)圖示危險(xiǎn)點(diǎn)的質(zhì)量控制，并適當(dāng)加厚。后續(xù)類似產(chǎn)品未做有限元分析，試壓結(jié)果皆滿足要求，且由之前的數(shù)十臺(tái)鑄鐵設(shè)備到后續(xù)的數(shù)十臺(tái)鑄鋁(SB－26)設(shè)備，都按此方法成功設(shè)計(jì)制造，獲得了用戶與第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)好評(píng)。
4制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收
4．1結(jié)構(gòu)
由以上方法可以發(fā)現(xiàn):容器或者部件能夠承受的實(shí)際爆破壓力往往由最薄弱的某一元件或位置決定，所以:①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)鑄件各部分厚度差不宜過大，不同厚度之間應(yīng)圓滑過渡;②鑄件結(jié)構(gòu)要盡可能簡單，盡可能對(duì)稱布置，避免出現(xiàn)如內(nèi)凹等使造型發(fā)生困難的死角，單件鑄件尺寸不宜過長;③盡量避免厚大斷面，不同形狀壁的連接通常須有一定圓角，且盡量做到各個(gè)元件、各個(gè)位置應(yīng)力水平相當(dāng)，如此才能物盡其用，減少不必要的厚度附加。
4．2返修要求
按爆破試驗(yàn)制造的球墨鑄鐵壓力容器的焊接返修要求:ASMEⅧ－1UCD－78及SA－395提出了具體用塞子修補(bǔ)的限制條件，EN13445－6標(biāo)準(zhǔn)5．3．2指出按此規(guī)范制造的壓力容器，焊接操作是不允許的，國標(biāo)對(duì)其的規(guī)定亦規(guī)定不允許焊接，可通過塞子返修。
4．3加壓要求
按爆破試驗(yàn)制造的首臺(tái)球墨鑄鐵壓力容器壓力施加要求:ASMEⅧ－1UG101(h)指出容器或容器部件的水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)逐漸增加到預(yù)期工作壓力的一半，其后，試驗(yàn)壓力按預(yù)期最大許用工作壓力的1/10或更小的增量逐步增加，直到試驗(yàn)程序所需的壓力;每次增壓后，壓力應(yīng)維持足夠長的時(shí)間，以便進(jìn)行程序中規(guī)定的觀察檢查;GB/T150．1附錄C規(guī)定:首先緩慢加壓到預(yù)期設(shè)計(jì)壓力的0．5倍，保壓觀察后以1/10預(yù)期設(shè)計(jì)壓力的增量加壓至預(yù)期設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)行不少于10min的保壓觀察后繼續(xù)以1/10預(yù)期設(shè)計(jì)壓力的增量加壓至爆破或設(shè)定的停止點(diǎn);在此過程中，一定要保證壓力的施加足夠緩慢，以避免數(shù)據(jù)的記錄產(chǎn)生過大誤差;由于爆破試驗(yàn)壓力較大，墊片的密封往往會(huì)達(dá)不到要求，針對(duì)這一特殊情況，具體可以參照EN13445．6標(biāo)準(zhǔn)5．2．2．1．2．4(8)的做法，即:在爆破試驗(yàn)過程中，墊片的微量泄露是允許的，只要這種泄露不會(huì)影響爆破試驗(yàn)壓力的達(dá)到，為了滿足爆破試驗(yàn)而有意用其他特性緊固件也是可以接受的，畢竟爆破試驗(yàn)是一種非常特殊的工況。
4．4其他要求
按爆破試驗(yàn)制造的球墨鑄鐵壓力容器的熱處理要求:ASMESA－395中5．材料和制造提出熱處理(鐵素體化)要求;EN13445．6中5．3．1條提出空冷與相關(guān)消應(yīng)力熱處理的要求;我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:鑄造受壓元件必須進(jìn)行熱處理;如訂貨時(shí)無特殊要求，熱處理工藝可由制造單位決定。按爆破試驗(yàn)制造的球墨鑄鐵壓力容器的無損檢測(cè)要求:ASMEⅧ－1UG－24、EN13445－6中第7條、HG20531都做了詳細(xì)說明。
5結(jié)語
球墨鑄鐵在壓力容器制造行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)往往復(fù)雜奇特，不易用常規(guī)方法設(shè)計(jì)求解，針對(duì)這種情況，我們討論了除有限元分析設(shè)計(jì)外的驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)，通過驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)容器或部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)于批量生產(chǎn)的球墨鑄鐵制造壓力容器，其在成本方面的優(yōu)勢(shì)便可凸顯出來;隨著材料制造裝備以及相關(guān)工藝控制水平提升，可以考慮將材料范圍由球墨鑄鐵、鑄鋁向品種更加豐富的范圍拓展，驗(yàn)證方法亦可考慮在爆破試驗(yàn)(UG－101(m))，應(yīng)變測(cè)量(UG－101(n))以及位移測(cè)量(UG－101(o))方法向更加多樣化新型試驗(yàn)理論創(chuàng)新推進(jìn);由于鑄造材料可能存在的內(nèi)部缺陷問題，其安全系數(shù)都取值較大，隨著材料性能的逐步提高，對(duì)此，可以考慮適當(dāng)調(diào)整安全系數(shù)，借鑒國外成熟經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)材料價(jià)值的最優(yōu)利用。
作者:陳元杰 胡金磊 單位:上海齊達(dá)重型裝備有限公司