我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系VIP

我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系 郑津洋 (浙江大学化工机械研究所) 李初排 (浙江省劳动厅) 摘要 介绍了G B1501998钢制压力容器 、JB47321995钢制压力容器 应力分析法设计 标准 和JB/ T47351997钢制焊接常压容器 我国三个钢制压力容器标准的适用范围和主要区别。 详细论述了超高压容器、快速开关盖式容器等超出G B150适用范围容器的设计原则,指出应根 据设计压力、设计温度和工作条件等选用合适的压力容器设计标准。对凸形封头和热卷圆筒的成 型厚度、压力容器最大允许工作压力和试验压力的确定方法作了详细介绍。 主题词 压力容器 中国标准 关系 设计原则 自1959年颁布 多层高压容器设计与检验规 程 以来,经过近40年的发展,我国已基本形成了 以G B150钢制压力容器 为核心,由材料、焊接、 无损检测、产品和零部件标准组成的钢制压力容器 标准体系。除设计压力超过100MPa的超高压容器 外,我国压力容器标准基本上可以覆盖所有的钢制 压力容器。 笔者 拟 以G B1501998钢 制 压 力 容 器 、 JB47321995钢制压力容器 应力分析法设计标 准 和JB/ T47351997钢制焊接常压容器(以下分 别简称为G B150、JB4732和JB/ T4735)的适用范围和 总论为重点,结合笔者的学习体会,介绍这三个标 准的适用范围及主要区别、超出G B150适用范围 的容器的设计原则、压力容器设计标准的选用,以 及凸形封头和热卷圆筒的成型厚度、压力容器最大 允许工作压力和试验压力的确定方法。 适用范围及概况 为便于对比分析,表1列出了G B150、JB4732 和JB/ T4735的适用范围和主要区别1 ,2。 G B150和JB/ T4735属于按规则设计规范,都 采用第一强度理论和弹性失效设计准则,将最大主 应力限制在材料许用应力以内。对于局部结构不连 续处的局部应力,则是通过JB4732中的有关规定 和思想,确定元件结构的某些相关尺寸范围,或引 入各种系数来限制的,如锥壳与圆筒连接处的设计 要求;在椭圆形封头和碟形封头厚度计算式中引入 的形状系数K和M,以及无折边锥形封头的半顶 角不得超过30 等。设计实践表明,按规则设计的 绝大多数压力容器是安全可靠的,因而在世界各国 得到广泛应用。 但是,随着生产的发展和科学技术的进步,压 力容器向大型化和高参数化发展,出现了许多使用 条件相当苛刻的压力容器,如需要疲劳分析的压力 容器和大型热壁容器等。这些容器无法按规则设计 标准进行设计,促使了分析设计规范的出现。 JB4732是应力分析法设计标准,需要采用应力数 值计算法、实验应力分析法或解析法对容器进行详细 的应力分析,并根据应力对容器失效所构成的危害程 度,将应力进行分类,对各类应力用不同的限制值进 行控制。由于对容器进行了详细的应力分析,且对材 料、 制造、检验和验收等提出了更高的要求,因而 JB4732采用了比G B150小的安全系数。 第27卷 第2期石 油 机 械 1999年 郑津洋,教授,博士生导师,生于1964年, 1992年在浙江大学获博士学位,现从事压力容器的教学和科研工作。地址: (310027)浙江 省杭州市。电话:(0571)7970951。 (收稿日期: 1998 - 10 - 20;修改稿收到日期: 1998 - 12 - 10) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表1 G B150、JB4732和JB/ T4735的适用范围和主要区别 项 目G B150JB4732JB/ T4735 设计压力 011MPapd35MPa ,真空度不 低于0102MPa 011MPapd 100MPa ,真空度 不低于0102MPa - 0102MPa pd 011MPa 设计温度 按钢材允许的使用温度确定(最 高为700,最低为- 196) 低于以钢材蠕变控制其设计应 力强度的相应温度(最高475) 大于- 20至350(奥氏体高 合金钢制容器和设计温度低于 - 20,但满足低温低应力工 况,且调整后的设计温度高于- 20 的容器不受此限制) 基本安全系数 碳素钢、低合金钢:nb310, ns=nts116,nD115,nn 110;高合金钢: nb310,ns= nts115,nD115,nn110 碳素钢、低合金钢、铁素体高 合金钢:nb216,ns=nts 115;奥氏体高合金钢:ns=nts 115 碳素钢、低合金钢、铁素体高 合金钢:nb215,ns=nts 115;奥氏体高合金钢:ns=nts 115 对介质的限制不限不限 不适用于盛装高度毒性或极度 危害介质的容器 设计准则弹性失效设计准则 塑性失效设计准则和疲劳失效 设计准则,局部应力用极限分 析和安定性分析结果来评定 一般为弹性失效设计准则和失 稳失效设计准则 应力分析方法 以材料力学、板壳理论公式为 基础,并引入应力增大系数和 形状系数 弹性有限元法;塑性分析;塑 性理论和板壳理论公式;实验 应力分析 以材料力学、板壳理论公式为 基础,并引入应力增大系数和 形状系数 强度理论最大主应力理论最大切应力理论 最大主应力理论,但大多数容 器的设计厚度由最小厚度决定 容器壳体无 损检测要求 按钢种、厚度、介质特性和耐 压试验类型确定无损检测要求; 局部无损检测要求长度不小于 各条焊缝长度的20 % ,且不小 于250mm 所有A类或B类焊接接头;筒 体或封头名义厚度大于65mm的 C类焊接接头(多层包扎筒体中 的C类除外 ) ; 开孔直径大于 100mm且筒体或封头名义厚度 大于65mm的D类焊接接头都 要做100 %无损检测 按容器的公称容积、 厚度、 设计 温度、 介质毒性程度和可燃性、 耐压试验种类和钢种确定是否 需要无损检测,检测长度不小于 各条焊缝长度的10 % 是否需要 应力分析 不需要,但超出本标准规定时, 需要应力分析 需要,但按本标准设计的球壳、 筒体、 封头等不需要应力分析 不需要 是否需要 疲劳分析 不适用于需要疲劳分析的容器 需要,但有免除条件(按载荷循 环次数或应力幅提供疲劳分析 免除条件) 不适用于需要疲劳分析的容器 资格要求 设计单位和制造单位应有相应 的设计批准书或制造许可证; 焊接必须由持有相应类别资格 的焊工担任;无损检测必须由 有相应类别资格的人员担任 设计单位需取得应力分析设计 资格证书,设计文件必须由三 名具有资格证书的分析设计人 员签名;制造单位必须具有三 类容器的制造许可证;焊接必 须由持有相应类别资格的焊工 担任;无损检测必须由 级或 级人员担任 设计、制造都无资格要求;需 无损检测的容器,应由有无损 检测资格的人员担任;有的容 器需由有考试合格证的焊工担 任 综合经济性一般结构的容器综合经济性好 大型复杂结构的容器综合经济 性好 在相应范围内的容器综合经济 性好 超出G B150适用范围的容器设计 1.G B150中给出的处理方法 对不能用G B150来确定结构尺寸的受压元件, G B150允许采用以下方法来确定结构尺寸:有限元 法在内的应力分析;验证性实验分析;用可比的已 投入使用的结构进行对比经验设计。但需经全国压 力容器标准化技术委员会评定和认可。 按G B150制造的压力容器,当结构参数或载 荷条件超出G B150规定的范围时,可以对局部结 构进行应力分析,以确定结构参数,而不要按 JB4732进行容器整体的应力分析设计。 对局部结构进行应力分析和强度校核时,应以 G B150中的许用应力作为其设计应力强度,按 JB4732中的规定进行应力分类和评定。因为只有 当材料、设计、制造、检验和验收等均满足JB4732 的要求时,才可取JB4732中提供的设计应力强度。 验证性实验分析包括实验应力分析和验证性液 压试验。对那些结构复杂或边界条件不易确定的部 位,一般应做验证性实验分析,以判断应力数值解 45 石 油 机 械1999年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 或解析解的精度。 对比经验设计要求由有相应压力容器设计资格 的单位承担。设计时应向全国压力容器标准化技术 委员会提供的文件包括:容器的设计条件、技术参 数和材料;具有使用经验的在用压力容器和对比经 验设计的压力容器的全套图纸及使用情况说明;使 用单位对在用容器的技术鉴定文件及上级主管部门 的鉴证意见等。 2.对于G B150不适用的容器 对于设计压力大于35MPa但小于100MPa的容 器和需进行疲劳分析的容器,可按JB4732进行设 计。介质毒性程度为轻度或低度危害的常压容器按 JB/ T4735设计。现对几种特殊容器说明如下。 (1)超高压容器 设计压力大于等于100MPa 的超高压容器,目前我国尚无设计标准,应按照 超高压容器安全监察规程(试行) 的有关规定设 计。可供参考的国外标准有: ASME锅炉压力容器 规范第 篇第3分篇3和日本HPIS C1031989 超高压圆筒容器设计规则 4 。 (2)搪玻璃容器 搪玻璃容器具有特殊的制造 工艺,如耐压试验的压力为设计压力, G B150中没 有包括这些特殊要求,所以应相对于G B150另行 制订标准。 (3)快速开关盖式容器 快速开关盖式容器 是指将端盖旋转某一角度或锁紧件移动一定的距 离,就可完成启闭的压力容器,广泛地应用于化 工、建材、食品、航天、医疗、造纸等领域,如消 毒锅、空气炮(压缩空气清堵装置)、蒸压釜、硫化 罐、蒸煮罐、萃取釜等,是一类典型的承受频繁间 隙载荷作用的压力容器。这类容器不但要求抗疲劳 性能好,而且要采用快速开关盖装置(如卡箍式快 速开关盖装置、 齿啮式快速开关盖装置、 剖分环式快 速开关盖装置等)、安全连锁装置和报警装置,确 保容器启闭迅速,在泄压未尽前不能打开端盖,端 盖未完全闭合前不能升压5。 G B150只包含适用于高压快开场合的卡箍紧固 结构,没有涉及到广泛应用的齿啮式快速开关盖装 置、压紧式快速开关盖装置和移动式快速开关盖装 置等的材料、设计、制造、检验和验收要求。然 而,目前仍有单位按G B150设计和制造快速开关 盖式容器,既没有对容器进行疲劳分析,又没有采 用合理的结构(如齿啮式法兰与啮合齿之间采用焊 接结构;封头、 筒体与法兰之间采用角接焊接结构; 主要焊接接头未经100 %无损检测等 ) , 留下了疲 劳破坏的隐患。 浙江大学化工机械研究所对齿啮式快速开关盖 装置的受力特点和设计方法进行了深入的理论分析 和试验研究,结果表明:在齿啮式快速开关盖装置 中,沿圆周方向均布的啮合齿存在明显的受力不均 匀性,啮合齿根部有很高的应力峰值,若不能充分 考虑这种承载的不均匀性和应力峰值,就很难计算 容器的疲劳寿命。所建立的齿啮式快速开关盖装置 工程设计方法已通过浙江省科学技术委员会组织的 技术鉴定,可用于工程设计。 在国家正式颁布快速开关盖式容器标准之前, 笔者认为该型容器宜按JB4732和原劳动部 快开端 盖式压力容器安全管理规定 与 关于加强新制造的 快开门式压力容器安全检察的通知 等的要求进行 设计、制造、检验和验收。 (4)已有其它行业标准的容器 制冷、制糖、造 纸、饮料等行业中的某些专用容器需满足相应的标准 要求,如JB/ T69171993制冷装置用压力容器 。 标准选用注意事项 JB/ T4735与G B150和JB4732没有相互覆盖的范 围,选用比较方便,但G B150与JB4732相互覆盖范 围较广,在选用时应综合考虑容器设计压力、设计 温度、操作特性、设计资格和制造资格等因素。 与G B150相比, JB4732允许采用较高的设计 应力强度,在相同设计条件下,容器的厚度可以减 薄,重量可以减轻10 %20 %。但是由于设计计 算工作量大(目前还没有完整的设计计算软件 ) , 以 及对设计、制造、检验等的要求更严,其综合经济 效益不一定高,一般只是对符合下列条件之一的容 器才按JB4732设计。 (1)壳体名义厚度大于25mm的高压容器; (2)设计压力与壳体内径单位的乘积(MPaxmm) 10000的容器; (3)公称容积大于650m3,且设计压力大于 116MPa的球形储罐; (4)G B150不适用的容器; (5)使用G B150难于确定结构尺寸的受压元件; (6)用户要求按JB4732设计的容器。 55第27卷 第2期郑津洋等:我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 厚 度 1.成型厚度 按照G B150的规定,由于在开孔补强计算中 已经将设计时的厚度圆整量用掉了,对凸形封头和 热卷圆筒的成型厚度要求不得小于该部件名义厚度 减去钢板负偏差。为满足这一要求,制造厂往往在 名义厚度的基础上,加上加工减薄量,并按钢材规 格进行制造时的厚度圆整,以确定投料的钢板厚 度。为避免两次圆整所造成的材料浪费,建议在图 样上同时注明凸形封头和热卷圆筒的名义厚度和最 小成型厚度,由制造厂根据制造工艺和设计时的厚 度圆整量决定是否再加加工减薄量。这种标注方法 是目前国际压力容器界流行的方法,较为合 理6 ,7。现就最小成型厚度的确定讨论如下。 若凸形封头和热卷圆筒上没有开孔,则成型后 所需保证的最小成型厚度为设计厚度。如果加工减 薄量不超过设计时的厚度圆整量,则可按名义厚度 投料;反之,如果加工减薄量超过设计时的厚度圆 整量,则应先在名义厚度上增加两者之差,然后按 圆整后的钢板厚度投料。 若凸形封头和热卷圆筒上有开孔,则设计时的 厚度圆整量已有部分甚至全部被用作补强材料。若 仍以设计厚度为最小成型厚度,会导致开孔处的强 度不足。在这种情况下,应根据补强所需面积、接 管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积、补强区 焊缝金属面积和补强圈面积,求出筒体或封头用于 开孔补强部分的厚度(最大为有效厚度和计算厚度 之差 ) , 该厚度与设计厚度之和就是所需保证的最 小成型厚度。 2.最小厚度 参照国外有关标准及实践经验,为满足制造、 运输、安装时的刚度需要,应规定压力容器的最小 厚度。G B150、JB4732和JB/ T4735中,压力容器最 小厚度的取值见表2。 表2 压力容器最小厚度的取值 材 料G B150JB4732JB/ T4735 碳素钢、低合金钢(mm)263 高合金钢(mm) 332 最小厚度不包括腐蚀裕量,设计厚度应为计算 厚度与最小厚度两者中的较大值与腐蚀裕量之和。 压 力 1.计算压力 G B150中增加了计算压力的定义,它是指在相 应设计温度下,用以确定元件厚度的压力,包括液 柱静压力。所有厚度计算公式中都采用计算压力。 这样更加明确了计算厚度和元件所在处计算压力间 的关系,允许同一容器不同部位的受压元件采用不 同的计算压力,即有不同的计算厚度,也与JB4732 和JB/ T4735协调一致。 G B150将载荷分为基本载荷和选择性载荷。出 现在元件厚度计算公式中的载荷为基本载荷,如内 压、外压、压力差和液柱静压力;在元件厚度计算 公式中不出现,但必要时需要考虑的载荷为选择性 载荷,如容器自重、容器附属设备重量、风载荷、 地震力、支座反力、管道推力、热变形不同引起的 力、冲击反力、运输或吊装时的作用力等。 当需要考虑选择性载荷时,还应引用其它标准 中的计算方法(如JB4710钢制塔式容器 中有关风 载荷、 地震力、 雪载荷、 偏心质量引起的应力计算公 式;G B151钢制管壳式换热器 中关于管内介质流 动引起的振动的预防措施等)或采用有限元法等进 行应力分析和评定。 2.最大允许工作压力 由于钢板厚度的圆整,容器壳体的有效厚度不 小于计算厚度,因而在相应的设计温度和设计压力 下,容器壳体中的应力还未达到材料在设计温度下 的许用应力,即容器可承受比设计压力更高的压 力。当压力增大到某一值时,容器壳体中的应力达 到材料在设计温度下的许用应力,将这个压力减去 液柱静压力(即换算成容器顶部的压力)就得到壳体 的最大允许工作压力。 若壳体各部位或元件的有效厚度或材料不同, 按上述方法可以求得其最大允许工作压力,最小的 最大允许工作压力为壳体的最大允许工作压力。 因此,容器铭牌中规定的最大允许工作压力是 指设计温度下,容器顶部所允许承受的最大表压力。 压 力 试 验 1.压力试验的目的 对于内压容器,压力试验的目的是考核容器中 65 石 油 机 械1999年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 存在的缺陷(指材料中存在的原始缺陷和制造中产 生的缺陷)是否会在超过设计压力的试验压力下发 生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏,并能考核容 器的密封性能。 对于外压容器,由于其临界失稳压力主要和容 器的几何尺寸、制造偏差有关,与容器中的缺陷无 关(在外压作用下,缺陷处于闭合状态)故外压容器 一般不需要做外压试验,而代之以内压试验以考核 容器的密封性能,并检查是否有穿透性缺陷8 ,9, 若有将会引起泄漏。 2.试验压力 G B150、JB4732和JB/ T4735三个标准中规定的 试验压力取值见表3。 表3 G B150、JB4732和JB/ T4735三标准的试验压力取值 试验类型G B150JB4732JB/ T4735 内压 容器 液压 试验 pT=1125p t pT=1125p Sm Stm pT=max(1125p t , 01 1) 气压 试验 pT=1115p t pT=1115p Sm Stm pT= max (1125p t , 01 1) 外压 容器 液压 试验 pT=1125ppT=1125p Sm Stm 气压 试验 pT=1115ppT=1115p Sm Stm 气密性试验 由设计者在 图样上注明 pT=ppT=p t (1)与G B15089相比,对于内压容器的液 压试验和气压试验, G B150取消了试验压力不得小 于p+ 011(MPa)要求;气密封性能试验压力由原规 定的1105p(1991版 压力容器安全技术检察规程 中为110p)改为由设计者在图样上注明。气密封性 能试验时,由于试验介质的不同,其泄漏检测的灵 敏程度是不同的,如用氦、氨检测泄漏的灵敏度高 于空气,因此检测泄漏试验所需压力随所用介质的 不同而不同,灵敏度高的介质可以在较低的压力下 试验。压力容器氨渗漏试验方法可参见HG J1889 钢制化工容器结构设计规定 附录A。 (2)对于操作时容器内介质的毒性程度为极度 或高度危害的容器, JB4732和G B150都明确规定 必须做气密封性能试验。 (3)对于没法按规定做耐压试验的容器,如现 场组装的大型容器, G B150允许由设计单位提出确 保容器安全运行的措施,并在图中注明。 (4)由于设计压力是指容器顶部的压力,对于 操作介质为气体或密度远小于水的液体的压力容 器、卧着进行液压试验的塔类容器(试验压力为表 3中的计算值加液柱静压力)和现场组装的大型容 器,在水压试验时,某些部位所受的压力会超过表 3中的计算值。 当容器上任一点的压力超过表3中的计算值的 6 %时, JB4732允许按以下方法确定试验压力上限。 在试验温度下计算求得的一次总体薄膜应力S1 不超过试验温度下材料屈服点的90 %; 计算求得 的一次薄膜加一次弯曲应力的应力强度S2应不超 过下列两式给出的限制值。 当S10167s时,S21135s; 当0167sS10190s时,S22115s- 112S1。 JB/T4735规定,当容器需做液压试验,但试 验所需的充液高度高于容器所规定的储液高度,且 设计不允许时,可采用液压和气压组合试验,试验 压力取气压试验压力。 (5)当容器各元件(圆筒、 封头、 接管、 法兰及紧 固件等)所用材料不同时,应取各元件材料许用应 力之比中的最小值。 (6)容器铭牌上规定有最大允许工作压力时, 表3中应以最大允许工作压力代替设计压力。 参 考 文 献 1 全国压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器标准释 义.北京:石油工业出版社, 1998: 45 2 贺匡国.压力容器分析设计基础.北京:机械工业出版 社, 1995: 19 3 ASME Boiler and Pressure Vessel Code.SectionRules for Construction of Pressure Vessels , Division 3 - Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels , 1997 4 HPIS C1031989.超高压圆筒容器设计规则. 5 郑津洋,陈志平.特殊压力容器.北京:化学工业出版 社, 1997: 206237 6 寿比南.G B150 - 1998钢制压力容器修订要点综述.压 力容器, 1998 , 15(3) : 15 7 孙建华,张芝亭,冯志猛.我国封头标准中存在的问题 分析和建议.压力容器, 1998 , 15(1) : 1013 8 桑如苞.关于压力容器试验压力的讨论.压力容器, 1997 , 14(6) : 5765 9 丁伯民.钢制压力容器设计、制造和检验.上海:华东 化工学院出版社, 1992: 121126 (本文编辑 赵连禄) 75第27卷 第2期郑津洋等:我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. test results prove the theoretical model to be correct : the model result agrees quite satisfactory with test data for 1175 (44 145mm) OD , 01175 (4 1445mm) wall thickness CT. This new model shall provide an effective tool both in under2 standing the mechanism of the CT ballooning and for accurately predicting the CT diametral growth. Subject Concept Terms coiled tubing diametral growth theoretical model softening test Gao Lianxin(Research Center of Tubular Goods , CNPC , Xi an) , Zhao Kefeng , Song Zhi. G as tightness evalua2 tion and leakage cause analysis of heat insulated tubing.CPM, 1999 , 27(2) : 3840 , 47 By means of full2scale test , the gas tightness of heat insulated tubing for steam injection is investigated. Under the simulated working conditions of thermal recovery wells , the heat insulated tubing has poor gas tightness leading to serious leakage. It is pointed out that the inherent reason of the leakage is that the buttress thread is adopted , and the outer rea2 sons of the leakage lie in poor quality sealing ring being used , the design of sealing groove being unreasonable , and the thread sealing compound failing at 350. Thereby it is suggested that premium connection casing be selected as the outer pipe of the heat insulated tubing , high quality sealing ring be used , the design of sealing groove be improved , and high temperature proof thread sealer be developed. Subject Concept Terms heat insulated tubing sealing property leakage reason evaluation measure Liu Weizhen(Oil Production Engineering Department of Shengli Petroleum Administration , Dongying City , Shan2 dong Province) , Liao Chengrui. Application and development of w ater injection pumps in Shengli Oilfield.CPM, 1999 , 27(2) : 4143 This article gives a brief description of the application and development of water injection pumps in Shengli Oilfield in the past 30 years and more. Low2efficiency centrifugal pumps were used in the early period of water injection , which were then modified and upgraded. At present , high2efficiency pumps are employed and modern management method are adopted. The mean operating efficiency of the centrifugal pumps is 75186 %. Practice shows that the systematized man2 agement of water injection pumps can bring about a reduction of oil production cost and an increase of economic benefits. Subject Concept Terms Shengli Oilfield water injection pump application management Li Yue(Technique Monitoring Center, Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau , Puyang City , Henan Province ) . Integrated monitoring and maintenance of oilfield equipment.CPM, 1999 , 27(2) : 48 , 52 This article gives an introduction to the method of integrated monitoring and maintenance of oilfield equipment. Co2 operating with the machine repair plant , the user keeps monitoring the equipment all over the servicing period , carriesout in