耐压试验和泄漏试验

一、耐压试验

耐压试验是检验压力容器的重要手段之一。压力容器制成后，应当进行耐压试验。耐压试验分为液压试验、气压试验以及气液组合压力试验，是一种验证性的综合检验，用于压力容器的制造、安装、运行、定期检验修理、改造等各个环节的检验。但它不是压力容器检验的唯一手段，不能代替别的检验方法。

1. 目的和作用

耐压试验是用适宜的液体介质或气体介质，对压力容器的受压元件进行强度和密封性的综合检验。耐压试验的目的是检验受压元件在超负荷条件下的结构强度，验证其是否具备在设计压力下安全运行所必需的承压能力，同时检査压力容器的致密性及是否产生局部变形等，从而可以在压力容器投运之前及时发现材料、结构和制造工艺中存在的缺陷和问题。在压力容器使用中进行耐压试验时，受压零件的实际最高工作压力低于设计压力，则耐压试验可验证它是否具备在最高工作压力下安全运行所需的承压能力。进行耐压试验时，对于高压或小容量压力容器，还可进行残余变形测定，以判明受压元件材料是否已出现整体屈服。对中低压压力容器，不易准确测定残余变形值，可以从试验过程中升压异常及直接观测来考察是否出现屈服。压力容器如果存在潜在性缺陷或连接部件不严密问题，也可以在做耐压试验的同时发现其是否泄漏。

根据断裂力学理论，压力容器的线弹性断裂判据为：

式中 KIC——应力强度因子；

y——几何因子；

σ——周向应力，MPa：

αc——临界裂纹尺寸，mm。

在设计（工作）压力载荷下：

在水压试验载荷下：

式中 σ D——设计（工作）应力，MPa；

στ——水压试验应力，MPa；

α c D——设计（工作）应力下临界裂纹尺寸，mm；

α cτ——水压试验应力下可能存在的最大裂纹尺寸，mm。

则：

通常στ=1.25σD ，则：

或στ=1.5σD，则：

以上分析说明，安全通过耐压试验的压力容器受压元件，至少不存在大于0.64αc D或0.44αc D的裂纹。从这个意义上说，耐压试验也是一种特殊的无损检测。

耐压试验还可以改善缺陷处的应力状况，使裂纹产生闭合效应。较高的试验压力，可以使裂纹尖端产生较大的塑性变形，裂纹尖端的曲率半径将增大，从而使裂纹尖端处材料的应力集中系数减小，降低尖端附近的局部应力。在卸压后，裂纹尖端的塑性变形区会受到周围弹性材料收缩的影响，使此区域出现剩余压缩应力，从而可以部分抵消容器所承受的拉伸应力。因此容器存在的裂纹经受过载应力后，在恒定低载荷下，裂纹扩展速度可能明显延缓。

此外，耐压试验可以通过超压改变容器的应力分布。由于结构或工艺方面的原因，容器局部区域可能存在较大的剩余拉伸应力。试验时，它们与试验载荷应力相叠加，有可能使材料局部屈服而产生应力再分布，从而消除或减小原有的剩余拉伸应力，使应力分布均匀。压力容器中存在的某些缺陷经耐压试验可使其扩展导致泄漏，而将隐蔽缺陷暴露出来，从而避免恶性事故的发生。

当压力容器或其零件的强度难以准确地计算时，还可以采用耐压试验来确定最高许用工作压力。

2. 试验介质

压力容器耐压试验的压力要比容器实际工作压力高，因此，容器在试验压力下发生破裂的可能性也大。为了防止压力容器在耐压试验时发生破裂造成严重事故，除了采取其他防护措施外，最重要的是采用卸压释放能量较小的介质作为试验介质。

压力容器爆炸时释放出的能量与其试验介质的物性状态有很大的关系。由于一般液体（如水）的压缩性很小，因此爆炸时的膨胀功也很小。

水的等温压缩系数很小，而气体的压缩性要大得多。如果压力容器在进行耐压试验时，气压试验的爆破能量将比水大得多，可以认为容器破裂时瞬间泄压的过程为绝热膨胀过程，气体的状态参数应符合等熵指数。由此可以推导出压缩气体的膨胀倍数为：

式中 n——压缩气体介质容器破裂时的气体膨胀系数；

p——容器破裂前内压力，MPa；

κ——气体的等熵指数，对于空气，κ=1.4。

常温下有压力的水在容器破裂时的容积膨胀倍数为：

式中 n'——容器破裂时水的膨胀倍数；

V1——水在容器破裂后的比体积，m3/kg；

V2——水在耐压试验压力下的比体积，m3/kg。

比较式（10−5）和式（10−6）可以看出，在同样的试验压力下，气体的体积膨胀倍数比水大得多。因此，容器在耐压试验时一旦破裂，压缩气体的释放能量也大得多，气压试验的危险性很大。一般在相同的试验压力下，气体的爆炸能量比水大数百倍甚至数万倍，压力越高，其差值越大。所以，为了防止事故发生，进行压力容器耐压试验时通常采用液体作为试验介质，其中最易得到的和最适宜的液体就是水，通常将液体耐压试验称为水压试验。

以水为介质进行耐压试验时，其所用的水必须是符合设计图样或有关标准规定的洁净水。奥氏体不锈钢压力容器用水进行耐压试验后，应及时将水渍去除干净，控制水的氯离子含量不超过 25 mg/L，防止氯离子对奥氏体不锈钢造成晶间腐蚀。如无法达到这一要求，则应控制水中氯离子的含量。若水中氯离子的含量过高，则可加硝酸钠溶液进行处理。

如果由于某种特殊原因不能用水做耐压试验，则可采用不会导致危险的液体，在低于其沸点的温度下进行耐压试验。当采用可燃性液体进行耐压试验时，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，且应配备适用的消防器材。

当由于结构或支承原因，不能向压力容器内安全充灌液体进行耐压试验，以及运行条件是压力容器不允许残留试验液体时，可按设计图样规定采用气压试验。气压试验所用气体应为干燥洁净的空气、氮气或其他惰性气体。具有易燃介质的在用压力容器，必须进行彻底的清洗和置换，否则严禁用空气作为试验介质。

3. 试验温度

耐压试验温度的确定应考虑两个因素。一方面由于在压力容器上广泛使用的碳素钢、普通低合金钢等珠光体钢存在一个无延性转变温度，低于该温度，材料韧性急剧下降，因此必须保证耐压试验时器壁温度高于钢材的无延性转变温度。耐压试验时，试验温度（容器器壁金属温度）应当比容器器壁金属无延性转变温度高30 ℃。此温度对确定高温容器的耐压试验温度下限尤为重要，这是由于高温容器的材料一般多注意高温力学性能，而很少注意低温下的低应力脆性。低应力脆性破坏是结构存在一定的裂纹缺陷，并在一定的应力条件和温度下发生的，试验结果证明，当名义应力降低到一定程度后，无论在多低的温度下都不会发生脆性破坏。当温度升高到一定程度后，无论多大的裂纹都不再扩展，而是被阻止。无塑性转变温度是材料在破裂前没有变形（实际上是有少量变形）的最高温度，低于此温度，脆性裂缝很容易通过弹性载荷区域传播，即所谓的“全塑性破坏”。另一方面，耐压试验温度过高或过低都会影响观察。当温度值过低时，在容器外壁表面易结存空气中的水分（结露），甚至冻结，影响观察；温度过高，当少量液体泄漏时将会很快蒸发，不易被观察到。

为使耐压试验安全进行且保证试验的观察效果，耐压试验的温度按《固定式压力容器安全技术监察规程》和GB 150—2011《压力容器》的要求规定，Q345R、Q370R、07Mn Mo VR制容器进行液压试验时，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。其他材料制压力容器液压试验温度按设计图样规定。在进行铁素体钢制低温压力容器液压试验时，液体温度不得低于受压元件及焊接接头进行夏比冲击试验的温度，且需要再加20 ℃。当用可燃、易燃液体介质代替水进行耐压试验时，其试验温度上限不仅应低于该介质沸点的一定数值，还必须低于其闪点。

采用气体进行气压试验时，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符合设计图样的规定。

4. 试验压力

对于耐压试验的压力与压力容器最高工作压力（设计压力）的比值，各类标准中的规定不完全相同，这主要与它所采用的设计安全系数有关。《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，内压容器耐压试验压力应符合设计图样的要求，且不小于表10−7的规定。

表10−7 试验压力的确定

（1）钢制压力容器耐压试验压力取l.25 p和p+0.1 MPa两者中的较大值。

（2）对不是按内压强度计算公式决定壁厚的压力容器（如考虑稳定性等因素设计的），应适当提高耐压试验压力。

（3）对设计温度（壁温）大于或等于200 ℃的钢制压力容器，以及大于或等于50 ℃的有色金属制压力容器，耐压试验压力按下式计算，即：

式中 p——压力容器的设计压力（对在用压力容器来讲，最高为工作压力），MPa；

——设计温度下的耐压试验压力，MPa；

——试验温度下的耐压试验压力，MPa；

η——耐压试验压力系数；

[ ]σ ——试验温度下材料的许用应力（或者设计应力强度），MPa；

[ ]tσ ——设计温度下材料的许用应力（或者设计应力强度），MPa。

外压容器和真空容器进行液压试验时，耐压试验压力按下式确定。

式中 p——设计外压力，MPa。

外压容器和真空容器进行液压试验时，耐压试验压力按下式确定，即：

对于带夹套的压力容器，应在设计图样上分别注明内筒和夹套的试验压力。当内筒设计压力为正值时，按内压容器确定内筒的试验压力；当内筒设计压力为负值时，按外压容器规定进行内筒的液压试验。夹套内的试验压力按内压容器计算公式确定，确定试验压力后，必须校核内筒在该试验外压力作用下的稳定性。如不能满足稳定要求，则应规定做夹套的液压试验时，必须同时在内筒内保持一定压力，以使整个试验过程（包括升压、保压和卸压）中的任一时间内，夹套和内筒的压力差不超过设计压差。设计图样上应注明这一要求，以及试验压力和允许压差。

立式容器在进行液压试验时：其底部除承受液压试验时的压力载荷外，还要承受整个容器充满液体时的重量载荷，两者的共同作用有可能使容器底部所产生的应力超过应力校核的允许值，此时，则应适当增加底部的器壁厚度。如果立式容器采用卧式进行液压试验，为了与立置试验时底部承受的载荷相同，其试验压力值应为立置时的试验压力加上液柱静压力。

5. 耐压试验时的压力校核

耐压试验前，应当对压力容器进行应力校核，圆筒的环向薄膜应力按下式计算，即：

式中 στ——筒的环向薄膜应力，MPa；

i D——圆筒的内直径，mm；

τp——试验压力，MPa；

eδ——圆筒的有效厚度，mm；

ϕ——圆筒的焊缝系数。

环向薄膜应力值应当符合以下要求：

（1）液压试验时，不得超过试验温度下材料屈服强度的90%与焊缝系数的乘积。

（2）气压试验时，不得超过试验温度下材料屈服强度的80%与焊缝系数的乘积。

校核应力时，所取的壁厚为实测壁厚最小值扣除腐蚀量，液压试验所取压力还应当计入液柱静压力。对壳程压力低于管程压力的列管式热交换器，可以不扣除腐蚀量。

6. 试验程序

1）耐压试验前的准备工作

（1）查阅容器设备档案，在内外部检验的基础上确定耐压试验压力，如因腐蚀等原因使壁厚减薄，应对其进行强度核算。

（2）耐压试验前，压力容器各连接部位的紧固螺栓应当装配齐全，紧固妥当。

（3）进行耐压试验前，必须彻底清除容器内的残留物以及与试验介质接触后能引起器壁强烈腐蚀的物质。

（4）试验用压力表应至少采用两个量程相同并且经过校验的压力表，压力表的最大量程应为试验压力的1.5～3倍，最好选用2倍，表盘直径不应小于100 mm，精度等级应符合试验要求，低压容器使用的压力表精度不应低于2.5 级，中压及高压容器使用的压力表精度等级不应低于1.5级，试验用压力表应当安装在被试验压力容器顶部便于观察的位置。

（5）耐压试验时，压力容器上焊接的临时受压元件，应当采取适当的措施，保证其强度和安全性。

（6）耐压试验场地应当有可靠的安全防护设施，并且经过单位技术负责人和安全管理部门检査认可。

2）耐压试验通用要求

（1）保压期间不得采用连续加压来维持试验压力不变，耐压试验过程中不得带压紧固螺栓或者向受压元件施加外力。

（2）耐压试验过程中，不得进行与试验无关的工作，无关人员不得在试验现场停留。

（3）压力容器进行耐压试验时，监检人员应当到现场进行监督检验。

（4）耐压试验后，对于焊接接头或者接管泄漏时进行返修的，或者返修深度大于1/2厚度的压力容器，应当重新进行耐压试验。

7. 液压试验

1）液压试验要求

（1）压力容器中应当充满液体，排净滞留在压力容器内的气体，并使压力容器外表面保持干燥。

（2）当压力容器器壁金属温度与液体温度接近时，才能缓慢升压至设计压力，确认无泄漏后继续升压到规定的试验压力，保压30 min；然后降至设计压力，保压足够时间进行检査，检查期间压力应当保持不变，不得采用连续加压维持试验压力不变的做法。不得在压力下紧固螺栓或者向受压元件施加外力。

（3）液压试验完毕后，使用单位按其规定进行试验液体的处置以及对内表面进行专门的技术处理。新制造的压力容器液压试验完毕后，应当用压缩空气将其内部吹干。

（4）对内筒外表面仅部分被夹套覆盖的压力容器，分别进行内筒与夹套的液压试验；对内筒外表面大部分被夹套覆盖的压力容器，只进行夹套的液压试验。

（5）液压试验合格标准为：无渗漏，无可见的异常变形，试验过程中无异常的响声。

2）液压试验分析

压力容器耐压试验时如果受压部件已产生肉眼可见的塑性变形，表明器壁材料已整体屈服。表示材料产生微量塑性变形抗力的强度指标有比例极限Rp、弹性极限σe、屈服强度Re H和Re L。规定的残余变形率相应为Rp= 0.001 5%～0.01%、σe= 0.005 5%～0.05%、σs= 0.1%～0.5%。国内外有关压力容器规范习惯上以残余变形率不超过0.03%为合格。

在容器进行水压试验时测定其残余变形，然后按下式计算出容器的残余变形率。

式中 ε——水压试验容积残余变形率；

V′Δ ——容积的残余变形值，cm3；

ΔV——容积的全变形值，cm3。

容积的全变形值包括水压试验时容器器壁材料的弹性变形和残余变形使容器容积增长的数值。筒形容器水压试验径向残余变形率0.03%与容积变形率10%大致相对应，容积残余变形率的测定有两种方法，即直接测量法和计算法。直接测量法是直接测量径向残余变形值或容积残余变形值。但这种方法很少被采用，如直径为0.8 m的筒形容器，按残余变形率0.03%计算，允许径向残余变形的绝对值仅 0.24 mm，虽然可以用一般的千分卡尺测量得到数值，但由于受器壁表面情况、量具固定、测量时振动等因素的影响，测值误差很大。

水压试验容积残余变形多采用内测法测定，然后通过计算求出其残余变形率。内测法求取水压试验容积残余变形率的原理如图10−8所示。容器充水后停留一段时间让水中气体充分逸出，试压系统管路也不应留有气体，水温一般维持在5 ℃～40 ℃。然后调整量筒水位到零刻度，容器连接试压泵后按耐压试验程序升压到试验压力，试压泵将量筒中或计量系统中的水压入容器内。但试压时压入容器的水量与容器的全变形值是两个完全不同的概念。

图10−8 内测法求取水压试验容积残余变形率的原理

1—量筒；2—试压泵；3、4、5—容器

试压时压入容器的水量包括以下三部分：

① 打压前已注入容器内水的压缩量，大小为Vp Tβt。

② 容器在试验压力下容积增加，即容积全变形值 VΔ ，对一般高压容器，这部分水量占总压入水量的20%～30%。

③ 因容器容积变形需补充加水，该部分补充水受压的压缩量，大小为ΔVp Tβt，其数值较小。在水压试验检査后，将容器及试压系统压力卸到常压，但是筒中水位已回复不到零刻度，这部分水量差值就是水压试验时所产生的容积残余变形值，可直接由量筒读数求得。容器的全变形值可通过计算获得。

式中 A——试验时总压入水量实测值，cm3；

B——试验管路在水压试验温度和压力下压入的水量，cm3；

VΔ ——水压试验时容器的容积全变形值，cm3；

V——容器的实际容积，cm3；

Tp——水压试验压力，MPa；

tβ——试验温度和压力下水的等温压缩系数，Pa/cm2。

其中，管路压入水量B由试验求得，当管路行程确定后，在5 ℃～40 ℃的任意水温下加压实测均可，实测值扣除管路容积后即为B值。但如果同一管路用于不同试验压力，应按不同的水压试验压力分别测定。管路如果变动，也应重新测定。

容器的实际容积应在水压试验前实际测定。从设备档案中查得的容器容积是不可靠的，因为腐蚀及内件变更都将使容器的容积改变，水在不同温度和压力下的压缩系数也是不同的。

8. 气压试验

试验前必须对容器的主要焊缝进行无损检测，并且应全面核査容器的有关技术资料和检验报告，制定和落实试验时的安全防护措施，经批准和安全措施合格后方可进行试验。气压试验时，试验单位的安全部门应进行现场监督。

气压试验时试验温度（容器器壁金属温度）应当比容器器壁金属无延性转变温度高30 ℃；如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高试验温度。

做气压试验时，应先缓慢升压至规定试验压力的10%，保压5～10 min，并且对所有焊缝和连接部位用肥皂水进行初次检査；如无泄漏，可继续升压到规定试验压力的50%，如无异常现象，其后再按每级为规定试验压力的10%，逐级升压到试验压力，或根据容积大小保压10～30 min；然后降至设计压力，保压进行检查，其保压时间不少于30 min。检査期间压力应保持不变，不得采取连续加压维持试验压力不变的做法。不得在压力下紧固螺栓或者向受压元件室加外力。气压试验过程中，压力容器无异常响声，经过肥皂液或者其他检漏液检査无漏气，无可见的异常变形为合格。气压试验检査完毕后，开启放空阀，缓慢泄压至常压。

9. 气液组合压力试验

（1）对因承重等原因无法注满液体的压力容器，可根据承重能力先注入部分液体，然后注入气体，进行气液组合压力试验。

（2）试验用液体、气体应当分别符合上述液压试验与气压试验的有关要求。

二、泄漏试验

泄漏试验的目的是检査压力容器的焊缝质量和各连接部位的密封性。

1. 需要进行泄漏试验的条件

（1）耐压试验合格后，对于介质毒性程度为极度、高度危害或者设计上不允许有微量泄漏的压力容器，应当进行泄漏试验。

（2）设计图样要求做气压试验的压力容器，是否需要再做泄漏试验，应当在设计图样上写出规定。

2. 泄漏试验种类

泄漏试验根据试验介质的不同，分为气密性试验以及氨检漏试验、卤素检漏试验和氦检漏试验等。

1）气密性试验

（1）气密性试验的基本要求。

① 气密性试验应在液压试验合格后进行。对设计图样上要求进行气压试验的压力容器，是否需做气密性试验，应在设计图样上作出具体规定。

② 对碳素钢和低合金钢制压力容器，其试验用气体的温度不应低于5 ℃，其他材料制的压力容器按设计图样规定进行。

③ 气密性试验用气体应符合气压试验的规定。

④ 对压力容器进行气密性试验时，安全附件应安装齐全，各紧固螺栓必须装配齐全，紧固牢靠。可拆部件一般应拆卸。

⑤ 压力表应经计量检定合格并在有效期内。压力表的精度与刻度，必须与试验要求相匹配，并便于观察和记录。

⑥ 有衬里的压力容器进行气密性试验，应考虑气体介质对衬里材料的影响，如试验气体中氯、氟、硫元素的含量应满足衬里材料的要求。

（2）试验的检查方法。

① 在被检查部位涂（喷）肥皂水，检査肥皂水是否鼓泡。

② 检査试验系统和容器上装设的压力表，其指示值是否下降。

③ 小型容器可浸入水中检査，被检部位应在水压20～40 mm深处，检査是否有气体逸出。

④ 多层包扎压力容器进行气密性试验时，应对各层板的检漏孔进行检查。可采用在检漏孔接管上装设压力表的方法检查，或采用对试验介质气体会产生变色反应的变色剂检査各层板检漏孔的泄漏现象。

（3）试验升压程序。

① 首先应使试验系统压力保持平衡。

② 缓慢通入试验气体。当达到试验压力的1%（不小于1个表压）时应暂停进气，对连接密封部位及焊缝等进行检査，若无泄漏或异常现象则可继续升压。

③ 升压应按相同梯次逐级提高，每级一般为试验压力的10%～20%，每级之间应适当保压，以观察有无异常现象。

④ 在升压过程中，严禁工作人员在现场作业或进行检査工作。

⑤ 在达到试验压力后，首先观察有无异常现象，然后由专人进行检査和记录。保压时间一般不应小于10 min，保压过程中试验压力不得下降。禁止采用连续加压以维持试验压力不变的做法。

⑥ 试验过程带有压力时，不得紧固螺栓或进行修理工作。试验完毕后，应缓慢将试验气体排净。

⑦ 对盛装易燃介质的容器，在气密性试验前，必须进行彻底的蒸汽清洗、置换，并且经过取样分析合格，否则严禁用空气作为试验介质。如果以氮气进行气密性试验，试验后应保留0.05～0.1 MPa的余压，并保持密封。

⑧ 容器上开孔补强圈的气密性试验，必须在容器耐压试验之前进行，不允许先进行耐压试验然后再装焊补强圈的做法，以防因开孔削弱而使容器在耐压试验中过载损坏。补强圈气密性试验的压力为0.4～0.5 MPa。

2）氨检漏试验

氨具有较强的渗透性，并且易溶于水，因此，对有较高致密性要求的容器，如液氨蒸发器、带衬里的容器等，常常在压力容器中充入100%（体积分数，下同）、30%或1%的氨气为试验介质进行气密性试验，又称氨渗透试验。氨渗透试验属于比色法检漏，氨为示踪剂。

常用的氨渗透试验方法有以下三种：

（1）氨−空气法。在试验时，在空气中加入1%（体积分数）的氨气为试验介质，被检查的部位贴上用5%（质量分数）的硝酸亚汞或酚酞溶液浸过的纸带试纸。若有不致密的地方，氨气就会透过而使试纸的相应部位形成黑色的痕迹。对压力容器常用此方法进行检漏。

（2）氨−氮法。在试验时，先用氮气置换容器内的空气，达到规定的含氧量要求后抽真空，然后充入氨气与氮气的混合气体，将检漏试纸涂敷在待检部位进行检漏试验。该方法常用于管壳程压差较大的换热器和对泄漏要求较高的容器。

（3）100%氨气法。试验时先将容器抽真空至真空度93.7 k Pa，然后注入2～3 k Pa的纯氨进行检漏。试验后再将氨抽至水中。此方法多用于小容器的检漏。

3）卤素检漏试验

卤素检漏试验利用卤素化合物具有足够蒸发压力的特点，用氟利昂和其他卤素压缩空气作为示踪气体，在待检部位用铂离子吸气探针进行探测检漏。一般用于不锈钢及钛设备的气密性试验。

4）氦检漏试验

在试验介质中充入氦气，在不致密的地方，因氦气质量小，能穿过微小的空隙，就可以利用氦气检漏仪（氦质谱分析仪）检测出氦气。目前的氦气检漏仪可以发现气体中含有千万分之一的氦气存在，相当于在标准状态下漏气率为1 cm3/a，因此氦检漏试验是一种灵敏度极高的致密性试验方法。该方法对工件清洁度和试验环境要求较高，一般仅用在有特殊要求容器的检漏。