热气循环试验的分析与研究

摘要： 通过对设备热气循环试验的操作，对钛钢复合板复层焊缝在受到拉伸热应力产生裂纹等缺陷分析，试验步骤的详细介绍，检验设备在设计压力、设计温度下复层焊缝与密封原件是否存在缺陷，保证设备安全运行。

关键词：钛钢复合板 检验 压力容器

一般情况下钛钢复合板的压力容器要求做热气循环试验。本文以钛钢复合板的设备分离罐为例对热气循环试验分析讨论。设备复层纵、环焊缝较多，钛中碳的线膨胀系数又小于碳钢和低碳钢，如果设备处于工作状态被加热，钛复层处于受拉伸应力状态，复层上钛焊缝质量存在问题情况下，就会使钛焊缝开裂，造成渗漏。热情循环试验模拟工况，对设备升温升压至设计温度和设计压力后，保温保压一个小时。一个小时后，炉温以小于40℃/小时降至常温。在降温过程中，容器内应保持设计压力。当容器和炉冷却后，容器压力进行释放。重复过程一次。再对容器内进行氦检漏试验，检出钛复层焊缝是否存在问题。

1.热气循环试验的目的【1】

1.1.钛钢复合板基层与复层材料线膨胀系数的差异。以TA2和16MnR为例，25℃时TA2和16MnR的线膨胀系数分别为8.0×10-6/℃和10.9×10-6/℃，240℃时TA2和16MnR的线膨胀系数分别为8.6×10-6/℃和12.5×10-6/℃.通过与碳钢和其他低合金钢的比较可以看出，钛的线膨胀系数小于碳钢和低碳钢的，而且随着温度的升高，两者的差值也越大。故钛钢复合板设备升温时，钛复层及钛焊缝受到拉伸热应力，如果钛焊缝焊接质量较差，则很可能使该处焊缝产生裂纹。热气循环试验可以检验钛复层焊缝在受到拉伸热应力时是否会产生裂纹等缺陷。

1.2.钛钢复合板基层与复层材料弹性模量的差异。仍以TA

2和16MnR为例，25℃时TA2和16MnR的弹性模量分别为1.1x105/℃和2.06x105MPa，240℃时TA2和16MnR的弹性模量分别为0.97×105/℃和2.06×105 MPa，可见室温时的TA2与16MnR弹性模量的比值（0.533）大于240℃的TA2与16MnR弹性模量的比值（0.507），这说明在240℃时，TA2与16MnR的焊接变形差要比室温时大，且在240℃时同样的焊接应力下，TA2的焊接变形要比16MnR大1倍，碳钢和其他低合金钢也存在相似的情形。而热气循环试验，可以有效地检验钛及钛焊缝与基层材料之间由于存在焊接变形差而是否会产生裂纹等缺陷。

1.3.钛钢复合板设备热气循环试验时的应力与应变。①环向应力与应变从分离罐圆筒上截取一单元体，见图1

图1 分离罐热气循环试验时的应力与应变图

环向应力：σθ=

环向应变：εθ，= =

式中，pc为设备设计压力，MPa；Di 为管箱圆筒内径，δe为圆筒有效厚度，mm；Et 为设备圆筒材料在设计温度下的弹性模量，MPa。环向应变在单元体产生的横向变形如图1中虚线所示。②轴向应力与应变 轴向应力 ，轴向应变 = = 。

轴向应变 在单元体产生的竖向变形如图中虚线所示。因 =2 ，所以εθ， =2 。③由于泊松效应引起的环向应变与轴向应变由 产生，由产生的轴向应变 因泊松效应引起的环向应变为- 。④单元体在 与 两向应力作用下所产生的净应变 环向静应变 = - ，轴向净应变 = - εθ， 。环向净应变 与轴向净应变 如图中点划线所示。

2.热气循环试验

2.1. 技术参数

沈阳派司钛设备有限公司钛钢复合板设备分离罐进行了热气循环试验，其设计参数见表Ⅰ。

2.2.准备工作

2.2.1.准备足够的氮气。

2.2.2.容器根据设计压力安装0～6MPa的压力表2个、压力安全阀。容器应安装至少六个温度计，2个温度计置于容器内部。容器密封。

2.3.试验步骤

2.3.1.将设备吊入炉内推车，炉内顶部设置2个热电偶，其他3个均布在设备本身。连接设备与氮气瓶，推入关闭炉盖。炉盖间隙用保温石棉封闭。

2.3.2.加热炉内，温度达到40℃时开始抽真空，压力表数值为0.06～0.07MPa充氮，充氮0.1MPa时容器开始升温。温度升到120℃（升温速度≤40℃/h）用氮气升压，升压到3.1MPa。保温保压1小时后降温（降温速度≤40℃/h），待温度降至常温用洗发水等试剂检查各管口密封面。自然降压后放压。

2.3.3.重复过程一次。

3.试验检查及注意事项

3.1.热气循环后的检验 将人孔及各接口法兰拆下，在其容器外检漏孔处通入0.03MPa氦气，用洗发水检测容器内复层焊缝。氦检漏过程中，应保证通风，避免试验气体的聚集。在检测前，检测压力应至少保持30min，保压结束后，吸枪嘴应扫射整个检测表面，扫射时吸抢嘴与检测表面的距离保持在3mm以内。仪器的灵敏度设置为10-6cc/sec。

3.2.热气循环试验注意事项 试验前进行铁离子污染检测；对所有钛焊缝和热影响区进行100%渗透检测（PT），渗透时间大于2小时，显影时间大于2小时，做无损检测标记；对钛复层做一遍检漏试验后水压试验，P试=3.9MPa。

4.结语

压力容器热气循环试验模拟工况条件，对设备的一次运转。它分析和考核压力容器存在缺陷，偏重于检验复合板设备复层焊缝在设计温度及设计压力下是否产生缺陷及缺陷是否发生扩展等特征，在压力试验合格后进行，不能代替设计压力。

参考文献：

[1]王百宁. 关于压力容器试验压力的讨论【J】.压力容器，2004.07.

[2]桑如苞.关于压力容器试验的讨论【J】.压力容器，1997.16（6）：57-65.