结合PV Elite谈ASME Ⅷ-1压力容器的水压试验

2020-09-15 06:57:22杨挺成

石油化工设备技术 2020年5期

杨挺成

(华油惠博普科技股份有限公司，北京 100088)

PV Elite是一款由美国INTERGRAPH公司开发的工程软件，基本包含了压力容器设计中的常用计算，主要用来进行按ASME Ⅷ-1规范设计的压力容器的计算。其要求输入的数据较多，参数设置也比较复杂，输入和设置之间的关联也很多，不同的输入和设置往往会带来不同甚至错误的结果，所以需要设计人员在全面、正确理解规范的基础上，正确地输入和设置。

本文主要结合PV Elite的输入和参数设置以及项目文件的不同要求，叙述内压容器以水为介质进行液压试验时如何确定试验压力，以便于大家正确理解规范和使用该软件。而由外压确定试验压力大小的液压试验和以其他介质进行的耐压试验与之基本相同，可参考本文确定试验压力。

1 术语和符号

DP——设计压力，design pressure，MPa；

CP——计算压力，calculated pressure，MPa；

pt——试验压力，test pressure，MPa；

MAWP——最大许用工作压力，maximum allowable working pressure，MPa；

MAP(MAPnc)——最大工作压力(未腐蚀)，maximum working pressure(uncorroded)，MPa；

LSR——最小应力比值，lowest stress ratio；

Head(Ope)——操作时介质的静压力，static head acting during the operation，MPa；

Head(Hyd)——试验时水的静压力，static head acting during the test，MPa；

MDMT——最低设计金属温度，minimum design metal temperature，℃；

St——设计温度下材料的许用应力，material allowable stress value at design temperature，MPa；

S——试验温度下材料的许用应力，material allowable stress value at test temperature，MPa；

SY——试验温度下材料的最小屈服强度，minimum material yield stress value at test temperature，MPa。

2 ASME Ⅷ-1规范规定的水压试验

按ASME Ⅷ-1规范进行设计的内压容器要求容器制造完成后应进行耐压试验，规范中规定了3种确定液压试验压力值的方法【1】：

1) 按UG-99(b)，以MAWP为基准，任一点的压力至少应等于最大许用工作压力的1.3倍再乘以制造容器材料的最小应力比值，写成公式即pt=1.3×MAWP×LSR。

2) 按UG-99(c)，以MAP为基准，经供需双方协议，可根据计算得到的压力进行液压试验。在容器顶部的液压试验压力应是各受压元件试验压力中的最低值，各受压元件的试验压力等于受压元件计算得到的最大工作压力乘以1.3再减去该元件的静压力，写成公式即pt=1.3×MAP-Head(Hyd)。

3)按UG-99(b) note 36，以设计压力为基准，当计算不是用来确定最大许用工作压力时，最大许用工作压力可假设等于设计压力，写成公式即pt=1.3×DP×LSR；本条区别于UG-99(b)的关键就是，UG-99(b)要求设计时计算出容器的MAWP来确定pt，而本条直接假设MAWP等于DP，以DP来确定pt。

规范中还表明：上述第1)条为规范对标准液压试验压力要求的最小值，第2)条的要求代表了根据计算进行的一种特殊试验，通常是计算上的最大值，而第3) 条是第1)条的简化情况。当项目文件没有要求时，以上3个公式确定的pt是可以任意选择的，还可以采用任何一个中间试验压力值。同时规范并不规定液压试验压力的上限，但当液压试验压力无论有意或无意地超过了由上述第2)条确定的数值、并使容器出现明显的塑性变形时，检验师有权拒绝接受该容器。这意味着我们可以采用的符合ASME Ⅷ-1规范的水压试验值是一个范围，具体水压试验值的确定还需要结合项目文件的要求。

3 不同要求的水压试验

1) 试验地点上，一般要求在制造厂和(或)现场进行水压试验；试验位置上，在制造厂进行水压试验时，立式容器可以选择立置水压(很少采用)或卧置水压，卧式容器只有卧置水压一种情况；试验时机上，容器在制造厂和(或)现场进行初始水压试验，服役一段时间后也可能再进行水压试验，此时容器厚度因为腐蚀已经有了减薄；此外每种情况的试验压力值的确定基准要求也可能不同，这些情况的组合见表1。

表1 不同要求水压试验的组合

2) 项目文件也可能会对试验压力的确定基准做出规定，如：是以MAWP、DP还是MAP为基准，MAWP允许由什么元件控制等等，需要查阅容器数据表[datasheet，含注(note)]、规格书(specification)等才能确定。以下举出一些例子：

a) 数据表中出现：CalculateMAWP(计算MAWP) □Yes(是) □No(否)

如果选“Yes”，以MAWP为基准；如果选“No”，则以DP为基准。

b) 数据表中出现：MAWPBasis(MAWP基准) □Calculated(计算) □Same as Design Pressure(与设计压力相同)

如果选“Calculated”，以MAWP为基准；如果选“Same as Design Pressure”，则以DP为基准。

c) 数据表中出现：Hydrostatic Test Pressure:(液压试验压力：) as per Code(按规范) 或 as per ASME Ⅷ-1 UG-99(b) note 36[按ASME Ⅷ-1 UG-99(b) 注36]

前者表示只要符合ASME Ⅷ-1规范即可，后者则表示以DP为基准。因为通常不希望进行大量的计算来确定MAWP，因此，这两种情况下，以及项目文件没有其他要求时，一般会以DP为基准。

d) 规格书中出现：The maximum allowable working pressure (MAWP) shall be limited by the shell or the head and not by smaller parts[最大许用工作压力(MAWP)应由筒体或封头来限制，不得由小的部件来限制]。

有这样的要求时，以MAWP为基准，且由筒体或封头(主要的大的部件)来限制MAWP，小的部件(如接管、管法兰)不得限制MAWP。

e) 规格书中出现：Nozzle reinforcement or the flange rating shall not limit the vessel'sMAWP(管口补强或法兰等级不得限制容器的MAWP)。

有这样的要求时，则以MAWP为基准，而且开孔补强和法兰压力等级不得限制MAWP(接管厚度可以限制)。

f) 规格书中出现：TheMAWPshall be determined from calculations based on the specified nominal component thickness(but reduced corrosion allowance), nozzle reinforcement or nozzle neck thickness shall not limitMAWP[MAWP应由基于指定部件的公称厚度(扣除腐蚀裕量)的计算来确定，管口补强或接管颈部厚度不得限制MAWP]。

有这样的要求时，以MAWP为基准，而且开孔补强和接管厚度不得限制MAWP(法兰压力等级可以限制)。

g) 规格书中出现：The maximum allowable working pressure (MAWP) shall be calculated for the "as-built" vessel and shall be limited by the lesser of the shell, head or flange pressure rating. (i.e., the nozzle and manhole reinforcing pads shall be designed so their pressure rating is at least equal to the lesser of the shell, head or flange pressure rating.) [对于“竣工”容器，应计算最大许用工作压力(MAWP), 并且其应由筒体、封头或法兰压力等级的低值控制。(例如，接管和人孔的补强板应如此设计，以使其压力等级至少等同于筒体、封头或法兰压力等级的低值。)]

有这样的要求时，以MAWP为基准，筒体、封头、法兰压力等级可以限制MAWP，但接管和开孔补强不得限制MAWP。

h) 规格书中出现：VENDOR shall calculate actual test pressure for provided thickness based on maximum allowable working pressure new and cold (MAP) at shop and field hydrotest pressure based on maximum allowable working pressure hot and corroded (MAWP).[供应商应基于最大工作压力(MAP)以及新的和室温状态，按提供的厚度计算实际的在制造厂进行的水压试验压力；基于最大许用工作压力(MAWP)以及腐蚀后的和操作状态计算在现场进行的水压试验压力。]

有这样的要求时，以MAP为基准，在制造厂进行水压试验；同时要求以MAWP为基准，在现场进行水压试验。

无论有什么样的要求，这些要求怎么进行组合，第一步都应先确定水压试验的基准，第二步确定初步的水压试验的压力值，第三步核算水压试验时元件的应力，计算通不过时，可以减小试验压力，或者调整元件厚度和结构，第四步确定最终采用的水压试验压力值，并与其试验要求一起对应体现在设计文件上。

4 几个定义及其理解

从上面的规范和项目文件要求来看，只要确定了水压试验的基准，即只要能确定DP、MAWP和MAP，确定水压试验压力值的问题就迎刃而解了。因此需要清楚以下几个定义、限制它们的参数及它们之间的关系。

4.1 设计压力DP

在ASME Ⅷ-1规范中，设计压力指用于设计处于金属设计温度下容器部件的压力，压力容器每一元件的设计至少应以容器在正常操作条件时预期的压力(包括在操作位置处共同作用的静压力)来进行，其目的是确定容器允许的最小厚度或不同区域的结构特征。为了便于区分，本文中的设计压力DP为输入条件中的设计压力，不包含操作时介质的静压力Head(Ope)。

4.2 计算压力CP

本文中的计算压力CP即ASME Ⅷ-1规范中的设计压力，即CP=DP+Head(Ope)。

4.3 最大许用工作压力MAWP

在ASME Ⅷ-1规范中，容器的最大许用工作压力指在此压力所标明的相应温度下、在正常操作位置时，成品容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是按规范的规则对任何受压范围的零件确定的内压或外压的最低值，对各零部件要计入所考虑的该部件与容器顶部之间的静压力。在计算时采用不包括腐蚀裕量的公称厚度，并考虑了在规定的相应温度下可能产生的列于UG-22中的各种载荷组合的影响。具体说明如下：

1)MAWP是对应标明温度的，可以是设计工况时的设计温度，也可以是MDMT；进行水压试验计算时的MAWP对应的是设计温度，同时也是标志在铭牌上的MAWP。

2)MAWP是正常操作状态(考虑放置方式)、内部有介质[考虑静压力Head(Ope)]、腐蚀之后(考虑任何时候允许承受的)的容器顶部的最大表压力。这些参数都会影响MAWP的确定，且其数值是可以确定的。

3) 容器的MAWP是所有受压元件(如壳体、封头、锥段、接管、管法兰、容器法兰等)单独计算的MAWP单中的最小值，这和Head(Hyd)无关。因为元件的MAWP取决于元件的有效厚度和与所在壳体的关系(如开孔补强)，实际取用不同的厚度和与所在壳体的关系(如不同的开孔补强计算的考虑、不允许开孔补强限制MAWP等)，容器的MAWP的值会不一样。可以通过调整限制MAWP的元件的裕量来调整整个容器的MAWP。比较好的做法是在设计文件上注明由哪个元件所限制。

4)MAWP的确定还需要考虑UG-22中所有可能存在的载荷组合，比如进行压力试验时水的静压力。也就是说，按UG-99(b)用各元件单独计算确定的MAWP单的最小值计算得到的水压试验值pt对于每个元件都是一样的，但是水压试验时每个元件的校核压力[pt+Head(Hyd)]是不一样的。只有所有元件校核通过的压力值才能作为最终容器的MAWP。

5) 这个MAWP的值一旦确定后，由它确定的pt就只有一个，无论是立试还是卧试【2】。那种立式容器立试和卧试都引用UG-99(b)且压力值不同的做法是不正确的，正确的做法是两值不同时，立试引用UG-99(b)，卧试 “按要求”。

6) 那么确定的MAWP和相应的水压试验值是不是越大越好呢？从水压试验的目的来看，是为了保证容器在正常操作条件下的安全，只要容器安全，不必过分追求大的MAWP值。比如在“不允许开孔补强限制MAWP”且不允许用补强圈时，如果筒体或封头的裕量很大，必然造成开孔补强需要的裕量更大，进而造成需要增加筒体或封头厚度的死循环。这个时候反而可以通过限制元件的厚度(如减小封头裕量)来使MAWP减小。

4.4 最大工作压力MAP(MAPnc)

ASME Ⅷ-1规范中，容器的最大工作压力指受压元件的最大许用压力。具体说明如下：

1)MAP不对应设计温度，而是对应室温，因为在室温下各受压元件许用应力最大。

2)MAP和是否为操作状态、内部是否有介质、是否腐蚀等要求无关，它是指室温、空罐、未腐蚀时计算得到的值；MAP和MAPnc是一回事。

3) 容器的MAP同样是所有受压元件单独计算的MAP单中的最小值。

4) 用MAP确定的pt和Head(Hyd)有关，水压试验时每个元件的校核压力为[pt+Head(Hyd)]。只有校核通过的压力值才能作为最终容器的MAP。

4.5 最小应力比值LSR

该应力比值为制造容器的每种材料在试验温度下的应力值S与设计温度下的应力值St之比。螺栓不参与LSR的确定，但是当1.3倍的应力比值LSR乘以螺栓在其设计温度下的许用应力超过了在试验温度下螺栓材料规定的最小屈服强度的90%时应予考虑。

1)LSR=S/St，这是所有受压元件的LSR的最小值，即壳体、封头、锥段、接管、管法兰、容器法兰等元件材料的LSR的最小值，可记为LSR初；

2) 当螺栓的1.3×LSR初×St>SY×90%时，由螺栓确定的LSR需要和上述LSR初进行比较，取二者中的小值作为整个容器的LSR。

4.6 操作时介质的静压力Head(Ope)

与操作时的介质密度、介质顶部到计算元件的高度有关，高度不同则该值不同，进而CP不同。立式容器无论立试还是卧试，该值都相同。

4.7 试验时水的静压力Head(Hyd)

在确定由MAP计算的水压试验压力值时，需要减去该值。无论是以DP、MAWP为基准，还是以MAP为基准进行水压试验，试验时的校核压力都应加上该值，并且立试和卧试时该值不同。

5 PV Elite中关于水压试验的输入和设置

理解了上面的定义，就可以对PV Elite中的相关输入和设置逐一进行整理、分析，看看怎么正确输入和设置。

在设计约束条件Design Constraints中有以下内容(见图1和图2)：

图1 Design Constraints内容1

图2 Design Constraints内容2

5.1 Hydrotest Type(液压类型)

选项有UG-99(b)、UG-99(c)、UG-99(b) Note 36、用户输入的压力(User Entered Pressure)等。这是最重要的选项，按照项目文件的要求进行选择，计算软件会以此处选择作为确定试验压力的基准。

5.2 Hydrotest Position(试压位置)

该项有Vertical和Horizontal两个选项。立式容器二者都可以选择；卧式容器选择Horizontal。此输入是必需的，以便水压试验类型选择UG-99(c)时，可以确定和减去总Head(Hyd)；在所有水压试验类型确定校核压力时，可以加上Head(Hyd)。

5.3 Projection from top(mm)和Projection from bottom(mm)[伸出顶部(mm)和伸出底部(mm)]

结合试验位置输入最高点或最低点的部件(如法兰密封面)距容器外壁的距离，这个值会加到容器高度(立式容器立试水压)或最大直径(卧试水压)上去，从而影响到用UG-99(c)计算确定的水压试验压力值。

立式容器进行立式水压试验时，Head(Hyd)=元件到容器顶部的距离+Projection from top；进行卧式水压试验时，Head(Hyd)=容器最大直径+Projection from top+Projection from bottom。

5.4 Projection from bottom Ope(mm)[操作状态伸出底部(mm)]

输入操作状态最低点的部件(如法兰密封面)距容器外壁的距离，这个值影响MAWP的确定，进而影响到用UG-99(b)或UG-99(b) note 36计算确定的水压试验压力值；当法兰控制MAWP时，该距离用于计算ANSI法兰的最大允许工作压力。如果使用ANSI法兰，则应从法兰的基本额定值中减去Head(Ope)。

5.5 Flange Distance to Top(mm)[法兰距顶部的距离(mm)]

输入从法兰中心线/密封面到容器顶部的距离。当法兰控制容器MAP时，使用该值。如果容器处于竖直位置，并且水压试验类型选择了UG-99(c)，则该值与Projection from top一起使用，以确定水压试验要减去的Head(Hyd)。

5.6 User defined MAWP(MPa)，User defined MAPnc(MPa)，User defined Hydro. Press(MPa)[用户自定义MAWP(MPa)，用户自定义MAPnc(MPa)，用户自定义液压试验压力(MPa)]

这是由用户自定义MAWP、MAPnc和水压试验压力值，如果输入，软件会以这些输入值来进行计算和核算，而不管按其他选项实际计算的MAWP、MAPnc和水压试验压力值的大小。

5.7 Additional Ope. Static Press(MPa)[操作状态时附加的液柱静压力(MPa)]

输入操作状态时附加的液柱静压力值，比如卧式容器上面有一个立式容器与之相连，那么立式容器中液柱静压力会作用到卧式容器的元件上；该值会影响到MAWP和元件的CP。

5.8 Corroded Hydrotest(腐蚀状态液压试验)

勾选后进行腐蚀状态下水压试验时各受压元件应力的校核。通常都要勾选，除非是按UG-99(c)计算水压试验压力。

5.9 Hyd. Allowable is 90% Yield(液压试验时许用应力值为材料屈服强度的90%)

由于ASME Ⅷ-1规范未给出水压试验时材料的许用应力值，所以勾选时以常温下材料屈服强度的90%、不勾选时以1.3倍常温下材料许用应力值来进行校核，元件计算应力值不得超过这个值。通常勾选此项，但当容器水压试验过程中出现明显的塑性变形时，检验师有权拒绝接受该容器。

5.10 Nozzle/Clip Design Pressure Options(管口设计压力选项)

在Loadcases/Nozzle Design Options(载荷工况/管口设计选项)有以下选项(见图3)：

图3 Load cases/Nozzle Design Options选项

其中Nozzle/Clip Design Pressure Options(管口设计压力选项)的选项包括“1.MAWP+Static Head to Element Bottom(MAWP+到元件底部的静压力)”、“2.DesignP+Static Head(DP+静压力)”、“3.OverallMAWP+Static Head(governing Element)[总体MAWP+静压力(控制元件)]”、“4.MAWP+Static Head to Nozzle(MAWP+到管口的静压力)”。这些选项都用于确定管口开孔补强时的CP。

1)MAWP+Static Head to Element Bottom：CP取容器的MAWP与该管口所在元件(如筒节)底部的静压力的和，与管口在本元件上的高度无关。

2) DesignP+Static Head：CP取容器的DP与该管口处静压力的和，与管口的高度有关。

3) OverallMAWP+Static Head(governing Element)：CP取容器的MAWP与控制MAWP的元件底部的静压力的和，与管口的高度无关。

4)MAWP+Static Head to Nozzle：CP取容器的MAWP与该管口处静压力的和，与管口的高度有关。

上述1)、3)、4)条都是用于要求开孔补强不限制MAWP的情况，第4)条与实际最一致，小于第1)条；第3)条有时候最大(当最底部元件控制MAWP时)，此时计算最保守，有时候最小(当最顶部元件控制MAWP时)；而第2)条就是应用DP的情况。

5.11 Tools/Set Configuration Parameters(工具/设置配置参数)

在“Tools/Set Configuration Parameters”有以下选项(见图4)：

图4 Tools/Set Configuration Parameters选项

5.11.1 NoMAWPCalculation(不计算MAWP)

勾选此项表示不计算MAWP。通常不勾选，即需要计算MAWP。当勾选时，软件在计算换热器时，不计算壳体的MAWP，而以管板、换热管、管板与换热管的接头确定的MAWP作为换热器管、壳程的MAWP。

5.11.2 Nozzle OpeningMAWPis not Restricted by the Shell(ASME)(管口开孔的MAWP不由壳体限制)

当使用ASMEⅧ-1 UG-37进行开孔补强计算时，是根据几个项目(包括UG-45、UG-37和其他考虑因素)迭代计算管口的MAWP。管口的MAWP是整个UG-37计算的最小值，也是连接管口所在壳体的MAWP。在某些情况下，可能希望了解开孔补强的MAWP，而不考虑所在壳体的MAWP。如果是这种情况，勾选此项。

5.11.3 Use theMAWPto Compute theMDMT(用MAWP计算MDMT)

勾选此项表示计算MDMT时用MAWP代入公式，不勾选表示用DP代入公式。如果想得到更低的MDMT，则不需要勾选此项。同时这也与铭牌上的数值相对应。