特种设备管理：压力容器耐压试验

1.耐压试验

耐压试验是压力容器进行超过最高工作压力的液压试验或者气压试验，每两次全面检验期间内，原则上应当进行一次耐压试验，具体内容如下所示。

1）全面检验合格后方允许进行耐压试验。耐压试验前，压力容器各连接部位的紧固螺栓必须装配齐全，紧固妥当。耐压试验场地应当有可靠的安全防护设施，并且经过使用单位技术负责人和安全部门检查认可。

2）耐压试验时至少采用两个量程相同的并且经过检定合格的压力表，压力表安装在压力容器顶部便于观察的部位。压力表的选用应当符合如下要求：①低压容器使用的压力表精度不低于2.5级，中压及高压容器使用的压力表精度不低于1.6级。②压力表的量程应当为试验压力的1.5～3.0倍，表盘直径不小于100mm。

3）耐压试验的压力应当符合设计图样要求，并且不小于下式计算值：

式中 p——本次检验时核定的最高工作压力（MPa）；

p_T——耐压试验压力（MPa）；

η——耐压试验的压力系数，按表3-59选用；

［σ］——试验温度下材料的许用应力（MPa）；

［σ］_t——设计温度下材料的许用应力（MPa）。

4）耐压试验优先选择液压试验，其试验介质应当符合如下要求：①凡在试验时不会导致发生危险的液体，在低于其沸点的温度下，都可以用作液压试验介质。一般采用水，当采用可燃性液体进行液压试验时，试验温度必须低于可燃性液体的闪点，试验场地附近不得有火源，并且配备适用的消防器材。②以水为介质进行液压试验，所用的水必须是洁净的。奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验时，控制水的氯离子含量不超过25mg/L。

表3-59 耐压试验的压力系数η

5）液压试验时，试验介质的温度应当符合如下要求：碳素钢、16MnR、15MnNbR和正火15MnVR钢制压力容器在液压试验时，液体温度不得低于5℃；其他低合金钢制压力容器，液体温度不得低于15℃；如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高液体温度。

6）压力容器液压试验后，符合以下条件为合格：①无渗漏。②无可见的变形。③试验过程中无异常的响声。④标准抗拉强度下限σ_b≥540MPa钢制压力容器，试验后经过表面无损检测未发现裂纹。

7）压力容器气压试验应当符合下列规定要求：①由于结构或者支撑原因，压力容器内不能充灌液体的，以及运行条件不允许残留试验液体的压力容器，可以按设计图样规定采用气压试验。②盛装易燃介质的压力容器，在气压试验前，必须采用蒸汽或者其他有效的手段进行彻底的清洗、置换并且取样分析合格，否则严禁用空气作为试验介质。③试验所用气体为干燥洁净的空气、氮气或者其他惰性气体。④碳素钢和低合金钢制压力容器的试验用气体温度不得低于15℃。其他材料制压力容器，其试验用气体温度应当符合设计图样规定。⑤气压试验过程中，符合压力容器无异常响声、经过肥皂液或者其他检漏液检查无漏气、无可见的变形条件为合格。

8）对盛装易燃介质的压力容器，如果以氮气或者其他惰性气体进行气压试验，试验后，应当保留0.05～0.1MPa的余压，保持密封。

2.水压试验工艺

（1）压力容器水压试验存在的问题

1）缺乏水压试验专用工艺文件，导致水压试验的符合程度下降。

2）缺乏规定试验部件的摆放高度、摆放方位、摆放角度。

3）缺乏对水压试验辅助工具的规定要求。

4）缺乏对试验场地、环境规定要求。

（2）常用水压试验工艺

1）简易的进水、排气方法。如图3-34所示，设备最高点的压力表连接管旁边，接一个支管和阀门，作为设备充水时的排气口。空气排放完了就会有水流出，通过一段软管将水引到排水地点而不会打湿试验设备，让水流一段时间后关闭排气阀门，就完成了充水排气工作。

2）利用分气缸进行水压试验。分气缸的管座较多，每个管座分别进行充水排气比较麻烦，而且往往不能将空气排净。如果将分气缸翻过来放置，情况就不一样了。如图3-35所示，由于下部排水管是插入式内平齐（或是骑座式）的，正好可以朝上作为排气口，而原来朝上的数个管座向下放置自然存不了空气。工艺文件中应该规定放置高度的范围，以便于试验检查。

图3-34 最高点压力表连接管旁边接支管和阀门

图3-35 分气缸翻过来放置

3）有夹套压力容器进行水压试验。常见夹层锅的1＃角焊缝部位是很难排净空气的，如图3-36所示。如果可能的话，翻过来放置进行试验就解决问题了。如果由于产品过大、过重或稳定性等因素不能翻过来放置，则有必要在水压试验完成后，对1＃焊缝部位参照气压试验的方式涂肥皂水进行检查。

4）管板式换热压力容器进行水压试验。有些管板式换热器某个回程的最上方没有可以排气的管口（或管口不在最上方），使得水压试验时不能排净空气，如图3-37所示。如果有可能将产品部件竖起来，把可以用来排气的管口朝上放置，问题就可以得到解决。如果不能够竖立放置，则要考虑其他的排气方式，例如采用垂直充水法（竖置充水，水平试验）、插管排气法等方法，保证满足水压试验工艺文件规定要求。

图3-36 常见夹层锅的1＃角焊缝部位

图3-37 最上方没有可以排气的管口

（3）加强水压试验工艺管理

1）进一步规范水压试验操作及试验记录。

2）加强水压试验缺陷管理，对水压试验不合格部件或产品必须认真查找原因。元件材料渗漏，必须检查作出判断原因。焊缝渗漏应该准确标出缺陷部位、检查缺陷程度、分析缺陷原因。水压试验发现有残余变形，必须进一步检查、分析原因。采用焊接方法修理时，严禁带水、带压进行焊接。

3）做好水压试验善后处理。水压试验结束后，应按工艺规定的降压速度进行降压。检查试验辅助工具是否完好，分别放回原规定的存放处。在水压试验产品或部件上标识合格的标记。及时进行水压试验后的干燥防腐等处理。

3.【案例3-13】 制冷装置中压力容器的耐压试验

1）某单位一台冷凝器，设计压力为2.10MPa，温度为120℃，介质为R22。该设备工作压力为1.50MPa，管系为0.8MPa，工作温度为50℃，冷凝器规格φ860mm×13mm×3600mm，对该容器进行常规检验、内外部检验、几何尺寸检查（见图3-38）、超声测厚（结果见表3-60）、安全附件检查，结果均符合要求。

2）压力容器的定期检验分为外部检查、内外部检验、耐压试验。耐压试验又分为液压耐压试验、气压耐压试验，而液压耐压试验所采用的介质大部分为水。对于大部分的压力容器来说，采用水作为耐压试验的介质既安全又经济；而对于某些不能进水的压力容器，诸如中央空调装置中的冷凝器、蒸发器，就不能直接采用水作为耐压试验的介质。

图3-38 几何尺寸检查图(www.chuimin.cn)

注：①～④为测点

表3-60 超声测厚结果表

3）对该冷凝器必须采用R22作为耐压试验的介质，即可以满足有关规程要求，操作又比较安全。R22是中温（中压）制冷剂，化学名称为二氟一氯甲烷，分子式CHF₂Cl，标准蒸发温度为－40.8℃，凝固温度为－160.0℃，冷凝压力为0.3～2MPa，R22难溶于水，对几乎所有金属都没有腐蚀作用，但当R22中含有水分时，就会发生水解作用而生成酸性物质，对金属产生腐蚀作用。

4）耐压试验操作工序：①检查空调冷水机组工况，主要检查冷凝压力、蒸发压力、进水温度、出水温度，并切断受检容器所属总电源。②拆除无关的管线和安全阀，并建议加装截止阀，以便日后安全阀定期检验。③容器进出口用盲板隔离，容器装上排气阀、试验介质进出阀、压力表。④在介质进出阀装上试压管、灌入试验介质，加压至1.88MPa，保压30min，降压至1.50MPa进行检查。⑤耐压试验合格后，在排气管接上氮气，用氮气（压力小于0.30MPa）将试验介质排出。⑥排清试压介质后，拆除盲板和试验介质进出阀，各管线复位，装上安全阀。⑦充入1.00MPa氮气，用肥皂水对复位后的管口接头进行检漏，接上真空泵抽真空大于720mmHg（1mmHg＝133.322Pa），并保持20min，真空度不下降为合格。⑧同时对所有复位接口用卤素灯进行检漏，火焰颜色不变为合格。

5）耐压试验应注意事项：①由于R22无色、无味，即使泄漏也很难觉察，而中央空调多数都安装在室内，容易对人体造成窒息性伤害，所以试验现场应配备检漏仪。②R22虽然不燃烧、不爆炸，毒性程度属5a级（有一定危害），但其蒸气遇明火时会分解出剧毒光气，所以试验现场应严禁明火。③回收与加装R22时，应避免与润滑油、水和空气接触，防止其热稳定性变坏。

4.【案例3-14】 水冷却器水压试验爆炸原因分析

高压水冷却器是化肥生产装置中的关键设备，由于其管程压力高（31.4MPa）、介质复杂（N₂、H₂、CH₄、NH₃等），使用过程中极易产生腐蚀等使用新生缺陷。过去制造这类设备的球形封头一直使用16MnR与管板20MnMo（锻）对焊连接，随着冶金技术和压力容器制造技术的进步，高强度的13MnNiMoNbR得到应用，虽然此材料强度高，可使设计厚度降低，但制造焊接难度却进一步加大，工艺控制极严格，否则极易产生焊接裂纹等危险性缺陷。某厂制造的高压水冷却器在水压试验时突然爆炸，封头与管板连接的焊缝发生断裂并将封头撕成3块碎片，破坏断口如图3-39所示，现就其爆炸原因进行分析。

（1）检验试验结果

1）对封头13MnNiMoNbR和管板20MnMo分别取样进行化学分析，结果见表3-61、表3-62。

图3-39 宏观断口形貌

表3-61 封头13MnNiMoNbR钢化学成分分析结果（单位：Wt％）

表3-62 管板20MnMo（锻）化学成分分析结果（单位：Wt％）

2）对破坏后的球形封头、管板保留完整的对接焊缝、热影响区分别取样进行力学性能检验，结果见表3-63～表3-65。

表3-63 13MnNiMoNbR钢力学性能试验结果（正火＋回火）

表3-64 20MnMo（锻）力学性能试验结果（淬火＋回火）

表3-65 焊接接头力学性能试验结果

图3-40 断口附近的显微组织（铁素体呈连续的沿晶网状分布）

a）300× b）500×

3）宏观形貌检查。水冷却器焊接采用焊条电弧焊，焊接材料J507，在破坏过程中裂成3块（2块较大，1块较小），从破裂的断口来看，在焊缝处存在较多的气孔、夹渣、未焊透、裂纹等焊接缺陷，其中最大的裂纹长度200mm，深23mm。

4）金相分析。宏观金相发现焊接接头区域存在气孔、夹渣、层间未焊透、裂纹等缺陷，微观检验发现断口附近的显微组织为珠光体＋铁素体，其中铁素体呈网状连续分布于晶界，如图3-40所示。

5）断口扫描电镜分析。经扫描电镜分析，在启裂区断口上发现了大量的气孔、夹渣，其断口形貌有沿晶撕裂、穿晶塑性韧窝，这是冷裂纹的典型形貌特征。

6）有限元分析。对水冷却器的有限元分析结果表明，在封头与管板连接的焊缝处，由于边缘应力的作用，存在较高的不均匀的应力分布，其最高应力达301MPa，这对其断裂破坏起了一定的作用。根据《含缺陷压力容器安全评定规程》，对水冷却器进行断裂分析和安全评定，评定结果表明，评定点落在失效评定点曲线（FAC）与坐标轴所包含的安全区之外，并且位于K_r/S_r＞1.8的范围，如图3-41所示，这表明其为脆性断裂。

（2）结果分析 焊接结构的脆性断裂主要取决于环境（介质）温度、缺陷的尺寸、应力水平、材料的韧性储备以及焊接缺陷等影响因素。

1）材料组织性能的影响。由于封头厚度大（90mm）、强度高，在焊接和热处理过程中，不可避免地造成性能发生差异，尤其是塑性、韧性，如表面与心部、封头的不同部位等一定程度上影响其抗断裂性能。

2）焊接接头的脆化和工艺影响。根据国际焊接学会碳当量（CE）公式：

图3-41 失效评定图

计算得到13MnNiMoNbR的碳当量CE≈0.573％，说明该钢焊接时有较大的淬硬倾向，易产生冷裂纹。钢中的Mo、Ni、Si、Cr等元素对焊接区域的脆化倾向和裂纹的产生有重要影响，随着合金元素量的增加，降低了焊接区域的韧性，使转变温度升高，进一步促使焊接区域的脆化，尤其是焊接热影响区的脆化倾向增加。

防止产生冷裂纹的有效途径是焊前预热，焊后及时消氢并整体消除应力退火。焊前充分预热可以降低焊接接头的冷却速度，适当延长铁素体等组织的析出。焊后进行后热处理（消氢），使焊接接头的扩散氢及时逸出；整体消除应力是使焊接接头的残余应力、组装产生的内应力等得到改善和消除。由于该容器球形封头厚度90mm，与管板（20MnMo）对接采用焊条电弧焊，选用低匹配的J507焊条，在正常工艺下，对改善焊接接头区域的韧性和减少根部裂纹是有利的，但同时由于焊条烘烤制度不严，使用保管不当易造成焊接接头的扩散氢含量增加，因此，焊前预热、保持层间温度、焊后及时后热的温度和加热时间、焊条的烘烤、使用等必须严格控制。但从记录资料中发现，焊接时预热温度显得不足，记录只有150℃，后热（消氢）处理未记录。

3）断口分析。爆炸事故发生后，对断口进行宏观金相检查，并对其选择性地进行扫描电镜分析，结果发现所有断口的断面无明显收缩或减薄，也就是说，断裂前未产生明显塑性变形，断裂是完全脆性的，每个断口表面放射纹清晰。

4）该台容器在冬季试压，当时水温只有13℃，这是造成水压试验时发生脆性断裂的诱因之一（该种材料制造的锅炉锅筒水压试验时发生脆性破坏有相关报道），容器卧置水压试验，腔内空气难以完全排尽，这使得爆炸过程中释放的能量增大。

（3）结论

1）在封头与管板连接的对接焊缝上（内侧）存在气孔、夹渣、未焊透、裂纹等焊接缺陷，最大裂纹尺寸长200mm，深23mm，其失稳扩展是导致水压试验断裂的主要原因。

2）焊接工艺不当，预热不充分，不进行后热消氢是产生冷裂纹的主要原因，合金元素含量的增加是促使焊接接头脆化和焊接性能恶化而产生冷裂纹的诱因。

3）材料塑性储备不足，存在不均匀的应力分布最大达301.3MPa，环境和水温偏低是引发材料发生解理和准解理脆性破坏的重要原因。