对压力容器有关标准的一些看法VIP

第 4 5卷第 2期 2 0 0 8年 4月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T& P I P I N G Vo 1 4 5 No 2 Apr 20 08 综 述 对压 力容器 有关标准 的一些看 法 丁 伯 民 ( 华东理工大学 ， 上海2 0 0 2 3 7 ) 摘要：对国内压力容器有关标准的体 系、 适时更新以及和国外标准的技术差距提 出看法。 关键词 ：压力容 器： 标准体 系； 技术差距 ； 按规 则设计 ； 按分析设计 中图分类号 ： T Q 0 5 3 文献标识 码：A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 0 1 - 0 3 So me Opi ni o n s o n Pr e s s ur e Ve s s e l S t a n da r d s Di n g Bo m i n ( E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 ) Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ，t h e o p i n i o n s o n t h e s y s t e m a n d t h e u p d a t i n g o f p r e s s u r e v e s s e l s t a n d a r d s a n d t h e s h o s c o mp a r e d wi t h f o r e i g n s t a n d a r d s w e r e p r e s e n t e d Ke y wo r d s p r e s s u r e v e s s e l ；s t a n d a r d s y s t e m；t e c h n i c a l s h o rt；d e s i g n b a s e d o n r u l e ；d e s i g n b a s e d o n a n a l y s i s 在 固定式 压力容 器分 技术 委员会 ( 固容 分委 会) 一届二次会议期 间( 2 0 0 7年 1 2月) ， 有幸聆 听了 全国锅炉压力容器标准化技术委 员会 ( 锅容标会 ) 领导关于我国法规标准动向的报告 ， 并向锅容标委 、 固容分委会领导详细反映了对国内压力容器有关标 准的一些看法。锅容标委领导鼓励我将此看法书面 列出， 以听取同行专家的意见 、 建议。 1 容器标准 ( 不 包括产 品标 准 ) 的体 系以及 由此引起的 问题 涉及容器的标准太分散 ， 如 G B 1 5 o 钢制压力 容器 ， G B 1 5 1 钢制管壳式换热器 ， G B 1 6 7 4 9 压 力容器波形膨胀 节， G B 1 2 3 3 7 钢制球 形储 罐， J B 4 7 3 2 钢 制 压 力 容 器分 析 设 计 标 准 ， J B T 4 7 1 0 钢制塔式容器， J B T 4 7 3 1 钢制卧式容 器 ， J B T 4 7 3 5 钢制焊接常压容器， J B T 4 7 4 5 钛 制焊 接容 器 ， J B T 4 7 3 4 铝 制 焊 接 容器 ， J B T 4 7 5 5 铜制压力容器 ， J B T 4 7 5 6 镍 及镍合金制压 力容器 ， J B T 4 7 5 0 制冷装 置用压力容 器 ， 固体 料仓等等。每标 准都是 “ 麻雀虽小 ， 五脏俱全 ” ， 都有适用范围 、 引用标准 、 资格 与职责 ， 以及 和设计 有关的定义或术语等。这些 内容大 同小异 ， 但 由于 各标准分别来 自各个不 同部 门， 所 以出现了同一 内 容或相互重复、 或不相一致 ， 导致用户在设计某一设 备时， 要 同时根据多个标准 ， 在某些问题上又不知照 哪个 设 计 为好 。例 如 ， 对 ( 液 压 ) 试验 压 力 P = 1 2 5 p 中 的 值 ， G B 1 5 0根 据 A S ME一 1 所述容器各元 件所用材料 不同时， 应取 各元件材料 中的最小值 ， 并对各元件用括 号具体说明了是指圆筒 、 封头 、 接管 、 法兰及紧 固件 等。业 内对各元件中是否应包括紧固件在内颇有争 议 ， 于是 J B T 4 7 3 1 -2 0 0 5则取消 了括号 中的具体 说 明， 保持和 A S ME 1 所述 内容一致 ， 不再提及是 否应包括紧固件材料在 内， 造成业 内执行时的无所适 从 。再如， 对于碟形封头的转角过渡半径 ， G B 1 5 0规 定 r 。 i0 1 D ， 且i3 6 ； J B 4 7 3 2 规定 r 1 i0 0 6 D j ； 与之 相配套的封头标准J B T 4 7 4 6 却只有 r 1 =0 1 D 的碟 形封头。G B 1 5 0规定对 1 3 4的碟形封头， 其有 效厚度应不小于 0 1 5 D ， ； M1 3 4碟形封头的有 效厚度应不小于 0 3 0 D ， ， 而 J B T 4 7 4 6 ( 修订 ) 的 封头标准并未列入 M1 3 4的碟形封头。都是 = 1 5 4的碟形封头 ， 且相当一部分封头厚度满足不 了 G B 1 5 0应 不小于0 3 0 D ； 的规定 。又如 J B T 收稿 日期： 2 0 0 7 1 2 1 9 作者简 介： Ti ff民( 1 9 3 5 一 ) ， 男 ， 教授。长期从事化工设备 和压力容 器设计 的教学 和研究 工作 。 维普资讯 2 化工设备与管道 第 4 5卷第2期 4 7 3 1钢制卧式容器在圆筒周 向应力计算 中， 要求鞍 座上的垫板宽度不小于圆筒有效宽度、 垫板包角不 小于( 0 +1 2 。 ) 时 ， 在计算 圆筒周向应力时才认 为垫 板能起加强作用而把垫板厚度计入 ； 不满足此两条 件之一时， 即使存在垫板， 在计算圆筒周向应力时也 不能把垫板厚度计入， 即不能看作垫板可起加强作 用。与之配套的产品标准 J B T 4 7 1 2 1 鞍式支座 对 D N在 1 0 0 0 4 0 0 0 m m鞍座的垫板宽度却都未 达到J B T 4 7 3 1 要求的b + 1 5 6 。 6 ， 所以选用了 标准鞍座如按 J B T 4 7 3 1验算 ， 所有这些垫板都 因 宽度达不到要求而不能起加强作用 ， 垫板 的存在形 同虚设 。 拟订 中的固体料仓标准 ， 最多只是需要氮封 时 承受 1 0 一1 0 。 最多是 1 0 P a的压力， 却列入了各有 关标准所引用的、 包括化肥设备用高压无缝钢管 在 内的六十余个引用标准。等等。 毋庸讳 言， G B 1 5 0主要 参 照 A S ME 1 ， 而 A S ME一 1实际上 已包括 了上 面所列 的各类容器 、 各类材料和制造方法 ， 对所涉及 的总的要求 ， 一律列 在各种建造方法和各种材料的通用要求 中， 这样就 不致引起各种结构 、 材料 、 制造方法之间的相互不协 调甚至矛盾。其他国家( 特别是欧洲的) 有关标准 也大致如此。建议在总体规划时， 可以参考这一思 想 。 2 关于按规则设计和按分析设计 上世纪 6 0 年代， A S M E针对所考虑的各种失效 模式， 提出了应力分类及其评定的思想， 并公布了 A S ME 2 压力容器建造 另一规则 。对此 ， 国 内外( 包括笔者在撰文时 ) 都将 A S ME- 1称为按 规则设计 ， 而将 - 2称 为按分析设计 。现在看来 ， 这是不符合 A S M E原意的。随着 2 0 0 7版- 2的公 布 ， 再把 2称为 按分析 设计 更会 引起一 系列 误 解。 A S ME 2相对 于 1 ， 称为压力容器建造 另 一 规则仅是因为它采用 了不同的强度理论 、 安全系 数、 结构和检验要求、 焊接接头系数 ， 以及所用材料 要求高于 1 ， 因而所用材料种类少于- 1 ， 等等。 从本世纪初开始 ， 已陆续在- 1中引进 了应力 分类及其评定的思想 ； 2 0 0 7版- 2则把设计部分划 分成第 4篇按规则设计和第 5篇按分析设计。第 4 篇的按规则设计 内容除强度理论 、 材料 的安全系数 、 检验要求和焊接接头系数等外， 其结构类型、 所考虑 的失效模式和计算公式与 1大致相 同( 少数 内容 例如外压元件设计仅是先于 1 作了修改) ， 对于 按板壳理论计算的元件 ， 因第三主应力为零 ， 所 以按 第一或第三强度理论所得结果相 同。第 5篇的按分 析设计 内容则采用了第 四强度理论 ， 主要针对结构 和载荷相对复杂的元件 ， 一般都要采用数值解或实 验应力分析 ， 并删除了原 2由板壳理论分析和边 缘 问题求解的全部 内容。此外 ， 对于按规则设计部 分 ， 如不能免除疲劳分析 ， 也可按照第 5篇的要求进 行疲劳评定 。 虽然 G B 1 5 0和 J B 4 7 3 2主要参 照 A S ME 1 和- 2 ， 但 J B 4 7 3 2明确地称之为分析设计标准 ， 而 G B 1 5 0明确规定不适用于要求作疲劳分析的容器 ， 意指凡不能免除疲 劳分析者 ， 必须按照 J B 4 7 3 2进 行分析。而在按 照 J B 4 7 3 2进行应力分析 时， 如采 用解析解 ， 则在众多的复杂公式面前 ， 包括笔者在内 的绝大多数设计人员 只能是望而却步 ； 如采用数值 解( 有限元) ， 则对 J B 4 7 3 2有关应力分解和分类问 题上 ， 从讨论 稿起就一直存在争议 ( 这些争议 实际 上也是国外一直在研究 的问题 ， 最终 E N 1 3 4 4 5采取 了设法舍去峰值应力 的结构应力方法 ， A S ME- 2 的 2 0 0 7版则全部改写 ) 。在这次会议 上听到将把 J B 4 7 3 2补充各修改单 的内容后 以确认版 的形式公 布 ， 这意指近期 内仍将保持原 J B 4 7 3 2的总体格局。 综观 E N 1 3 4 4 5的方法， A S ME 1 不断引入应 力分类及其评定、 并补 充过去并未计及 的失效模式 的方法， 以及新版 A S ME 2的改写 ， 无疑 ， 针对各 种失效模式对应力进行分类并用不同的值予以限制 的思想 ， 国内外都一致接受 ， 但 由于这些思想主要地 是以板壳理论进行应力分析 的 ， 采用数值解 ( 特别 是三维) 存在一个不匹配的问题 ， 所 以 A S ME- 1 、 2的按规则设计部分都引入 了这一思想 ， 但采用 已得的研究或实验应力分析成果 ， 将规范以最简化 形式的公式 、 系数表示 ， 便于设计人员简便操作。只 有对那些结 构 、 载荷甚 为复杂 的元 件 ， 才在 - 2的 第 5篇 中列入数值解及其相应的评 定方法 ， 这些方 法实 际上一般都要采用 弹 塑性数值解 ， 费用 、 时间 消耗甚大 ， 恐只适用于少数疑难设计或研究 、 开发性 的元件 。对一般量大面广的工程设计 ， 都可以按 照 1 或- 2的按规则设计解决。 这一思想 ， 可在作 总体规划时参考。免得一提 起 J B 4 7 3 2 ， 就是复杂 的微分方程或是存在颇多争议 的由有限元所得总应力的分解和分类难题 。 维普资讯 丁伯民对压力容器有关标准的一些看法 3 3 GB 1 5 0中的某些争议 问题 G B 1 5 0主要 地引 自 A S ME v m 一 1 ， 由于种 种原 因， 包括 A S ME v m 1的译 文 问题 ， 以及有关 编者对 v m 1的理解等原 因， 在引用时引起 了种种问题 ， 笔者 在这一 、 二十年问已陆续提出。三年前应锅容标委之 约， 写了 G B 1 5 0和 A S M E v m 1 共计 1 0 0余条的差异 对照及相应的评述， 其中对因引用时不妥而引起 问题 的原因作了详细分析并交锅容标委， 此处从略。 4和 国外相关标 准的差异 首先是更新 、 改版 的节 奏 ， 以 G B 1 5 0 、 J B 4 7 3 2 的主要参照者 A S ME v m 1 、 v m - 2而言， 它们是每年一 个增补 ， 三年一 次改 版 ， 近 三、 四十年来从 未脱期。 回想 当初订 1 9 8 9年版时， 也作过要三年一个版本 的 承诺 ， 但到 1 9 9 8年版是 9年 ； 1 9 9 8年 版至今 又是 9 年了， 还未见动作。其次是对差错 的改正 ， A S ME规 范的认真值得我们好好学习， 他们一旦发现差错 ， 即 使仅是字母的小写还是大写， 或倒行 的分割 ， 立即发 出修改通知， 逐一详细列出。 在技术 内容上 ， G B 1 5 0和国外 的差距更大。例 如 ， 对于“ 低温容器” 的规定 ， 基本上还是参照 A S M E 规范上世纪六 、 七十年代的内容 ， 而这些都是上世纪 四、 五十年代的研究水平。 目前 A S ME v m 1 、 v m 一 2和 E N 1 3 4 4 5都不再统一划分低温容器 ， 而是根据设计 温度 、 材料类别 、 厚度 、 元件应力水平及某些制造要 求( 如焊后热处理 ) 来判定要否采取 防脆断措施 ； 对 于碟形 、 椭 圆形封头的设计 ， 基本上也是 上世 纪五、 六十年代的水平 ， A S ME v m 一 1 、 v m - 2已于本世纪初对 薄壁封头规定对转角过渡区的屈服和失稳进行计算 并作 了补充规定 ， 而且早就提 出某些尺寸的碟形和 椭圆形封头 的当量使用 ； 近几年更通过研究公报和 规范案例对 v m 1和v m 2的外压元件设计提出建议 ， 计及 了除外压以外的其它载荷 ， 更接近于工程实际 ， 新的- 2已全部采用 ； 根据应力分类及其评定 的思 想 ， 允许壳体存在一定程度 、 一定 范围的局部减薄 ； 对固定管板式换热器可能发生 的危 险工况 ， 不论是 原 T E MA标准和 C O D A P标准 、 E N 1 3 4 4 5 ， 以及近几 年补充完成 的v m 一 1和新版- 2 ， 都取 P 、 P 和 相 互组合所形成的7个可能危险工况， 而 G B 1 5 1 却坚 持认为只有 4个可能危险工况等等。 5 结束语 据固容分委会简讯报导 ， 有关部 门在一年半前 组织 了“ 安全系数” 课题组 ， 着手研究降低容器标准 的安全系数 。安全系数是和材料 、 设计 、 制造 、 检验 、 试验各方面相关连 的综合系数 ， 所 以应对钢材质量 保持稳定 ， 对各有关技术 问题进行研究 、 修正 、 提高 的基础上同步考虑。据悉 ， A S ME规范案例 2 5 0 6号 表示有条件地接受 1 6 Mn R用于建造v m 一 1 容器 ， 但这 些条件不仅大大限制 了其使用条件 ， 又将其许用应 力降低 1