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1、按爆破试验设计制造的球墨铸铁压力容器陈元杰(上海齐达重型装备有限公司，上海 201411)摘要：铸铁制造压力容器，因其材料与结构上的独特优势，逐渐受到行业的关注； 对于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，造成不必要的浪费； 基于此特殊性，可以通过有限元设计计算或者采取验证试验的方法得到安全经济 的结构；本文就球墨铸铁压力容器或部件按照爆破试验设计制造提出自己的一些 认识。关键词：爆破试验；球墨铸铁压力容器Pressure Vessels Constructed from Spheroidal Graphite
2、CastIronDesign byBurst TestCHEN Yuan-jie(Shanghai QIDEK Heavy Equipment CO., LTD.，Shanghai 201411， China)Abstract：Because of its unique advantages on material and structure, cast iron pressure vessels have gained the recognition gradually; Generally, the structure of pressure vessels constructed by
3、cast is difficult to calculate accurately according tothe conventional formula, and may lead to a conservative result, cumbersome structure and unnecessary waste; based on this particularity, it can be calculated by the finite element method (FEM) to geta safety and economic structure or tested as p
4、er this article.This article put forward some personal views for Pressure Vessels and Pressure Parts Constructed from Spheroidal Graphite Cast IronDesign by Burst Test.Key words：Burst Test;Spheroidal Graphite Cast Iron Pressure Vessels0. 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
5、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、ASMEW-1以及 GB150 都提供了相应的解决方案按验证试验设计；本文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P .V6000bar.L时适用，若P .VV6000bar.L，无需计算， bb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
6、其积聚能量大小造成的危害性；ASMEW-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345C，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-10C345C）;涉及到的篇幅主要有ASME训1-1 （UG-24, UG-101，UCD-101） ,EN13445-6（5.2.2.1.5与5.2.2.1.6）,GB150.1（附录C）；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
7、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ASME W-1UG-101做详细介绍。2. 材料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。EN 13445-6、EN1563、ASME SA-395 以及 GB/T1348、HG/T 20531 对球墨铸 铁制造压力容器的材料都做了相关要求，主要对
8、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：在ASMEH A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ASME W-1表UCD-23只给了规定的最小抗拉强度 414MPa （HA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）
9、。3. 设计3.1. EN 134456设计思路EN 134456：2009中5.2.2.1.5与5.2.2.1.6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：先按照下面3-2式算得预期爆 破压力Pb其中e i为图纸指定最小厚度，PS为设备最大工作压力，e t为特定位置b ，minact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 ，将其代入3-3式求得容器的实际的PS,之后按下式计算e ；对比b.acta结果要满足：Pd （设计压力）三PS （最大工作压力）；e t （特定位置实测厚度）acte i三e +c （分析厚度与腐蚀裕
10、量之和）。min a( S - PS - Ra actI P - R - C - Cb.actp.0.2Q T3-1式3-2式e e + cmin aRP PSm(3) bfminf f e - c n亠b.act Rem（3） act 丿3.2. ASME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ASME训I-l:UG-24 ,UG-101, UCD-101，下面以SA-395材料为例，其具体思路是：3.2.1.先按照下列公式反推出预期爆破试验压力B值（其中P以设计压力代R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
11、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（皿人闻卩）值此（若考虑腐蚀余量，还R应该计入一个折算系数 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P将有数个，取其中的最小值作为此设备的此设备的MAWP，R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。B fs可锻铸铁 P = X 395 （ 卩395 ） 3.2.1式R1 5 Spavg395B x E x S、非铸铁材料P =2 匚3.2.2式R2 4 x Spavg2除铸铁及球墨铸铁外的其他铸造材料P
12、=（二士 ）323式R3 5 Spavg3B爆破试验压力或液压试验停止点压力；S 室温最小抗拉强度，S试样平均抗拉强度；avgf铸造质量系数，见U G-24；3.2.2. 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，按照上面3.2.1,3.2.2,3.2.3式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3.2.1的方法，此方法有其优点，亦有其缺陷；缺点是：方法3.2.1 在爆破点压力确定后推导出MA
13、WPmin,可能会由于某一个元件的自身缺 陷导致整台容器求得的M AWP偏低，若以M AWP校核设计压力，将很可能 出现不合格，若是以M AWP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3.2.2.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。3.3. GB 150设
14、计思路GB 150.1-2011附录C涉及到“以验证性爆破试验确定容器的设计压力”，其 具体思路为：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，之后代入下面3.2.4式算得试验温度下的最高允许工作 压力，然后按3.2.5进行考虑腐蚀余量的折算，最后按3.2.6式进行温度校正，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 按照以上（3.2.2）的思路进行逆向推算来确定最高允许工作压力。PR b m4Rmavg或pPR b m4Rmh3.2.4式p=ptn3.2.5式t np = p f 十.3.2.6maxt三种方
15、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 规设计可以完成设计计算而采用此方法是不允许的，且不经济；在爆破试验 实施之前一定要进行相关的估算校核，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一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；例 如（下图实物）针对一台换热器，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。管程：常观设计1111111111111111IIIIII I I I II I I I IIIIIIiii壳程；验证试验设计验证试验设备简图对于其耐压试验：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 - P d/C - C，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 TQ力；由此完成球
