杨 雷
（纳尔科（中国）环保技术服务有限公司，上海，200062）
【摘 要】本文系统探讨了特厚壁特殊用途的核电主管道水压试验封头的选择设计及液压试压技术要求；通过详细的封头形式选择和材料选用、力学强度计算、试压过程技术要点详述，全面介绍了特殊厚壁管道液压试验封头的设计选用及试压规定；该设计达到了安全、经济、实用的要求。
【关键词】主管道；椭圆形封头；设计计算；液压试验；相关规定
1．引言
随着工程项目中中高压大口径、特殊工况管道的增多，以往凭工程经验、查设计手册等确定水压试验封头的方法难以满足现场施工的需要，尤其是采用气体介质试压时，由于危险因素的增加，甚至会出现因封头选用设计不当而发生安全事故。本文以现行的压力容器、金属管道设计规范及焊接规范、水压试验规范标准为依据，讨论中高压大口径、特殊工况管道试压封头选用及设计计算，并对试压过程中的注意要点进行了探讨，并在巴基斯坦恰西玛二期核电工程主管道水压试验中得到了验证，这些方法安全、可靠、经济。
2．管道水压试验封头的结构形式及选择
常用受内压的封头结构形式包括椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头、半球形封头、平盖板式封头（承插焊平盖封头、带加强筋平盖封头）、盲板法兰和法兰盖[1]。按其与管道的连接形式有：与管道成一体或与管道对接、与管道角焊或其他焊接、螺栓连接等。
本文探讨的是核电主管道用水压试验封头；巴基斯坦恰西玛二期核电工程项目主管道概述如下:主管道的设计压力为17.16MPa，设计温度为350℃；系统运行压力为15.2MPa，系统运行温度为315℃（冷段工作温度为288.5℃，热段工作温度为315.5℃）；系统工作介质为带有放射性的高温含硼水。主管道的核安全分级为核安全1级，质保等级为QA1级，抗震等级为SSE级。主管道由制造厂制成组合件提供，总计延长米为41.6m，重63.0495T。材质为316型奥氏体不锈钢，其直管部分材质为ASME SA-451.CPF8M，规格为φ840×72.5，采用离心铸造成形工艺；弯头材质为ASME SA-351.CF8M，规格为φ893×99，采用砂箱铸造工艺成形；各支接管接管座材质ASME SA-182.F316，采用锻制成形工艺。
我需要对规格为φ840×72.5的管道进行水压试验封头设计研究，根据设计院提供的项目主管道预制图纸和预制技术文件，对选择封头的设计计算形式进行了研究，从受力情况来看，半球形封头最好，椭圆形、蝶形次之，球冠形、锥形更次之，而平板最差。从制造角度来看，平板最容易，球冠形、锥形其次，蝶形、椭圆形更次，而半球形最难。因此其各有最合适的适用范围。通过与厂家生产能力（调研）相结合，综合考虑整体设计、生产费用、水压试验工艺要求，根据设计技术文件要求，参考GB150-2011《压力容器》设计资料，我选择了椭圆形封头进行设计、制造。
3．主管道液压试验椭圆形封头材料选用与设计
3.1 椭圆形封头材料的选用
根据设计院提供的项目主管道预制图纸和技术文件，为了保证水压试验过程中不污染奥氏体不锈钢、降低水压试验的成本、保证强度要求，封头的材料选用：16MnR (Q345R)；
许用应力：在最低5℃最高50℃时，181 Mpa（查GB150.2—2011表2）
封头反腐的条件: WEH-88系列耐高温防腐涂料
焊接无损检测类别：当单面焊对接接头，局部无损检测.
设计标准：GB150-2011《压力容器》
3.2 椭圆形封头的设计计算
椭圆形封头是由半个椭圆面和一圆柱直边段组成，它吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点。由于椭圆部分经线由率平滑连续，故封头中的应力分布比较均匀。对于a/b=2的标准形封头，封头与直边连接处的不连续应力较小，可不予考虑，所以它的结构特性介于半球形和碟形封头之间。
椭圆形封头计算过程：
对于标准椭圆形封头（a/b=2）此时K=1,
δ =ΡC Di/（2 [б]tφ-0.5ΡC）
椭圆形封头厚度计算
δ =ΡC Di/（2 [б]tφ-0.5ΡC）
由技术文件可知：ΡC = 17.16 Mpa； Di = 695 mm ；
由GB150.1—2011 4.5.2节可查焊接接头系数取：φ= 0.8 ；（当单面焊对接接头，局部无损检测时）
由于封头材料选用的是16MnR(Q345R),由GB150.2—2011表2 碳素钢和低合金钢钢板许用应力,查得设计最低5℃最高50℃时，许用应力为：[б]t = 181 Mpa ；
厚度附加量按下式确定：
C= C1+ C2
式中：C—厚度附加量，mm ；
C1—钢材厚度负偏差，mm ；
C2—腐蚀裕量，mm ；
由GB 709-2006 钢板的厚度允许偏差标准 表1钢板厚度允许偏差（N类）查得：C1= 0.9mm ；
由《压力容器》GB150.1—2011 4.3.6.2节取得：腐蚀裕度C2= 1 mm ；（因是水压试验，腐蚀量很少，故取C2 = 1 mm）
则标准椭圆形封头
①计算厚度：
δ =ΡC Di/（2 [б]tφ-0.5ΡC）
=（17.16×695）/（2×181×0.8-0.5×17.16）
≈ 42.44mm
② 应力计算
计算厚度:δn≥δ+ C1+ C2 =42.44+ 0.9+1=44.34mm
若封头钢板壁厚选用46 mm，即δn=46 mm，则由以上数据可知封头有效厚度为：
δe = δn- C1- C2
= 46–1-0.9
= 44.10 mm
③椭圆形封头最大允许工作压力
[Ρw] = 2δeh[б]tφ/（ KDi+0.5δeh）
=（2×44.10×181×0.8）/（695+22.05）
≈ 17.81 Mpa > 17.16 Mpa
从以上设计计算所得结论：
水压试验用椭圆形封头壁厚选用46mm完全满足水压试验21.5Mpa压力下的工作要求。
3.3椭圆形封头的制造图设计
3.3.1 主管道水压试验椭圆形封头组装三维立体图
水压试验共计8个管段，一个管段2个封头，我们将分为2个管段为一组进行水压试验，这样封头加工4个可满足所有主管道水压试验的使用要求。
水压试验用封头焊接4次、切割3次，以满足8个管段水压试验的要求。
3.3.2 椭圆形封头设计图（见图1）
图1 椭圆形封头设计图 图中直段H≥40，考虑焊接时的热影响区（10 mm）（满足3次切割、4次使用的要求）的问题。
3.3.3 椭圆形封头与主管道对焊焊接坡口形式图（见图2）
图2椭圆形封头与主管道对焊焊接坡口形式图
4 主管道液压试验相关规定
（1）水压试验注水时，必须打开高点排气阀，以排尽管段内的空气；待管段注满水后高点排气阀处无气泡排出时，关闭排气阀。
（2）试验时，环境温度不宜低于5℃；如环境温度低于5℃时，应采取防冻措施[3]。
（3）水压试验时，升压应缓慢，以每次升压1.96MPa保压2分钟的升压步骤缓慢升至17.16MPa，稳压10分钟。之后继续分步升压至21.5MPa。
（4）达到试验压力后，保压30分钟，以压力表不降压、目测管道无变形为合格。
（5）然后以同样的压差和保压时间降压至17.16MPa，保压30分钟。同时进行检查，预制管段各部位（包括螺纹堵头密封）不允许有渗漏、冒汗等异常现象。压力表读数不应有由于泄漏引起的读数下降。检查完毕后，仍以相同的压差和保压时间卸压。
（6）在试验过程中，如发现泄漏，不得带压修理；应泄压后处理，待缺陷消除后重新试验，直至合格。
（7）水压试验合格后，应缓慢降压，在合适的地点排放液体，排放时应考虑反冲力作用及环保要求。
（8）拆除试压用仪器、仪表，妥善保管。
（9）拆除试压用临时设施及设备。
（10）拆除试压用临时封头、临时短管，拆除临时封头处的标志牌。
（11）试验后清洁:主管道各组装段完成水压试验合格后，应用清洁的干布擦干或热空气吹干。
5 结束语
本文从本人的实际工作经验角度对中高压、大口径特殊用途的核电主管道水压试验封头的选用做了全面的分析，通过不同形式封头优缺点的对比、满足工程实际水压试验工艺的要求、满足项目成本的要求，选用实用的材料，通过严格的设计计算，制定合理的试压工艺和安全措施，最后保证了水压试验的顺利完成，为类似项目大口径管道水压试验封头的选用和水压试验实施提供了一些借鉴。
参考文献：
[1]GB 150.1~150.4 -2011压力容器.中国标准出版社.2012，155066?1-44090H
[2]GB_T709-2006热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差.中华人民共和国国家标准.2006，ICS77.140.50 H46
[3]GB50235-97《工业金属管道工程施工及验收规范》[S]
论文作者:杨雷
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：封头论文; 水压论文; 管道论文; 厚度论文; 核电论文; 应力论文; 液压论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;