我国压力容器标准和asme规范的比较分析

我国压力容器标准和ASME规范的比较分析 黄安庭 (杭州杭氧股份有限公司) 摘 要 主要从标准技术要求方面对我国压力容器标准和ASME规范进行了对比分析,详细描述和分 析了两个标准体系相关标准的主要差别和相互对应关系,旨在探讨如何深入理解和使用ASME规范。 关键词 压力容器 标准 ASME规范 比较分析 中图分类号 TQ05312 文献标识码 A 文章编号 025426094(2003)0520297205 符号说明 Di 内直径; E 焊接接头系数(ASME) ; K、M、Q 相关的形状系数; L 球形或碟形封头球面部分的内半径; p 设计内压力; pc 计算压力; Ri 计算的内半径; S 最大许用应力值; Sm 试验温度下材料的应力强度值; Stm 容器设计温度下材料的应力强度值; St 容器设计温度下材料的应力值; t 最小需要厚度; 锥壳半顶角; 计算厚度; t 设计温度下材料的许用应力; 焊接接头系数(中国)。 为了使我国的压力容器产品能顺利进入国 际市场,国内较有实力的压力容器制造厂陆续取 得ASME认证证书,现已有近百家企业通过 ASME认证。但从总体上看,我国只有极少数企 业真正制造过ASME钢印产品,绝大多数企业 仅仅处于证书阶段。杭氧公司自1992年开始已 制造数十台ASME钢印产品,并出口安装在美 国、 加拿大等国,同时也制造了大量的按ASME 设计、 制造及检验的压力容器产品(不打ASME 钢印)。经过近10年ASME产品的设计、 制造, 相关人员逐渐了解、 熟悉并掌握了ASME规范 的要求。根据杭氧公司的经验,现将我国的压力 容器标准与ASME规范的主要差异进行比较、 分析,并提出使用时的注意事项,以供有关人士 探讨。 1 主要压力容器标准的对应关系 我国的压力容器标准分类相对较细,基本上 是按压力容器类型及容器主体材料来分别制订 相应标准,如钢制压力容器、 铝制压力容器、 卧式 容器、 塔式容器和球形储罐等。而ASME规范 则是在设计中引用不同的载荷规范,如设计压力 小于20MPa的选用ASME规范第 卷第1分 册,设计压力小于70MPa的选用ASME规范第 卷第2分册,设计压力大于70MPa的选用 ASME规范第 卷第3分册。两者主要压力容 器标准的对应关系见表1。 表1 主要压力容器标准的对应关系 我国主要压力容器标准ASME规范 GB150钢制压力容器 JB4734铝制压力容器 JB4745钛制压力容器 第 卷第1分册 JB4732钢制压力容器2分析设计标准第 卷第2分册 JB4708钢制压力容器焊接工艺评定第 卷 JB4730压力容器无损检测第 卷 2 标准制订与修订 我国的压力容器国家标准是由全国压力容 器标准化技术委员会负责编制、 修订工作,经国 家质量技术监督局批准后颁发。标准实施后,由 792第30卷 第5期 化 工 机 械 黄安庭,男,1972年1月生,工程师,质量管理部部长。浙江省杭州市,310004。 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 各地安全监察部门根据国家质量技术监督局颁 发的 压力容器安全技术监察规程 和相关标准 的规定来控制、 监督压力容器的设计、 制造和检 验各环节,保证产品质量和安全使用。各标准化 委员会根据了解、 收集的标准使用意见和建议, 负责组织标准修订工作,并经原审批部门审批后 颁发、 实施。 ASME锅炉及压力容器委员会(BPVC)定 期召开会议,研究ASME规范的修订工作。修 订建议经规定的公开征询意见并经ASME最终 批准后,在每年7月31日出版的ASME规范增 补中予以公布。规范修订条款经ASME批准 后,可从 增补 所示出版日期起开始使用,除第 卷A、B两篇中的材料标准的修订外,次年的1 月1日成为强制性的要求日期,但在此之前签订 的合同除外。材料标准的修订由美国材料试验 学会(ASTM)和其他认可的国家/国际机构进 行,ASME通常采纳这些修订。但压力容器制造 厂家需要注意的是,凡使用相对于原要求有所放 宽的修订条款时,必须确信压力容器安装地的管 辖机关对它们已经认可,否则不得使用1。 3 设计思想和安全系数 压力容器的基本设计思想是一次薄膜应力 或最大直接应力不得超过许用应力。计算应力 依据的理论是最大应力理论,各国压力容器标准 中都应用了这一设计思想。标准中公布的许用 应力计入了安全系数,它比测定得到的性能值低 是考虑到:a.应力评估方法的复杂程度;b.一定 程度的应力集中及其类型;c.材料一定程度的 不均匀性;d.几何因素;e.焊接接头中存在的缺 陷。各国标准中规定的安全系数有所不同,主要 依据的是经验、 试验证据和理论评估,同时与其 规定的材料标准、 计算方法、 制造要求和检验要 求相适应。我国压力容器标准与ASME规范所 使用的安全系数差别见表2。 表2 安全系数对比 标准材料安全系数标准材料安全系数 GB150碳钢、 低合金钢、 高合金钢3. 0ASME规范第 卷碳钢、 低合金钢3. 5 第1分册高合金钢3. 0 JB/ T4734铝制压力容器4. 0铝及铝合金3. 5 JB4732碳钢、 低合金钢、 高合金钢2. 6 ASME规范 第 卷第二分册 碳钢、 低合 金钢、 高合金钢 3. 0 按照ASME标准设计、 制造的压力容器,若 最终安装在国内,则其安全系数取两者之中的较 高者;若最终安装在国外,则安全系数仅要求符 合ASME规范要求。 4 焊接接头系数 在ASME规范中焊接接头系数仅取决于该 焊接接头形式和无损检测程度。一台容器的不 同接头可以使用不同的焊接接头系数,对A、B、 C、D 4类焊接接头都规定了焊接接头系数,同时 允许采用降低焊接接头系数而免除无损检测要 求。而在我国GB150中,焊接接头系数特指A、 B类焊接接头,不允许采用降低焊接接头系数而 免除无损检测要求,产品制造完成后必须对A、B 类接头进行射线或超声检测。现以母材为钢和 铝的焊接接头为对象作以比较(表 3) 。 我国对钢制压力容器的无损检测以射线和 超声检测为准,对铝制压力容器以射线检测为 准;而ASME规范以射线检测为准,确实无法进 行射线检测时允许用超声检测代之。表3中所 列铝制压力容器焊接接头系数上限值指采用熔 化极惰性气体保护焊,下限值指非熔化极气体保 护焊。 ASME产品在设计时应考虑容器的安装地, 若安装在国内应同时符合两个标准的要求,即按 要求高者进行设计。 5 强度计算 在压力容器设计时,主要考虑了两种失效理 论:一是过量的弹性变形,包括基于弹性理论的 弹性失稳,另一个是由于过量的弹性变形和塑性 失稳,即增量跨塌,设计时通常假定弹性失效。 弹性失效是假定当材料已经达到弹性极限时发 生的失效,超过这一极限将会发生过量变形或断 裂破坏。 对于金属材料, 弹性 极 限 是 以 拉 伸 强 度 、 屈 服 强 度 892 化 工 机 械 2003年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 992第30卷 第5期 化 工 机 械 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 7 焊工考试和管理 焊接压力容器的焊工必须经焊接技能评定 或考试,取得焊工合格证后,才能在有效期内担 任合格项目范围内的焊接工作。最新出版的 锅 炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则 与 ASME规范第 卷在许多方面的要求是一致的, 但也存在一些差别(表 6) 。 表6 焊工考试和管理对比4 ,5 项 目 锅炉压力容器压力管道 焊工考试与管理规则 ASME规范第 卷 焊工 考 试(评 定)组织、 实施 单位 经所在地市级(及以上) 安全监察机构批准,报省 级安全监察机构备案的 焊工考试委员会 持有ASME认证证 书的压力容器制造 厂 考试(评定)内 容,焊工合格证 有效期 基本知识理论考试和焊 接操作技能3年,在合格 项目有效期满前3个月 由焊工考委会安排复考 或免考等事宜 (50 岁以 上焊工不能免考 ) , 中断 受监察设备焊接6个月 的需重考。 焊接操作技能考试 未规定有效期限,但 焊工或焊接操作工 某一焊接方法在6 个月或更长时间内 没有操作过,则他的 该项资格被中止。 评定方法和检 验项目 对试件进行外观检查、 射 线透照、 弯曲试验 对试件进行射线透 照,或对试件进行弯 曲试验,或对其首次 产品焊缝进行射线 透照 合格证有效使 用区域 有效期内的焊工合格证, 在全国各地同等有效 仅在负责考试(评 定)的压力容器制造 厂内有效 对于焊接安装在国内的ASME产品的焊工 应同时按 锅炉压力容器压力管道焊工考试与管 理规则 与ASME规范第 卷考试合格,取得证 书及钢印。 8 产品试板 为了检验产品焊接接头和其他受压元件的 力学性能和弯曲性能,我国 压力容器安全技术 监察规程 里明确规定压力容器纵焊缝应制作焊 接试板,制取试样进行拉伸、 冷弯和必要的冲击 试验的要求。 ASME规范第 卷第1分册对常规经焊接 工艺评定合格的不要求做产品焊接试板,而下述 情况则要求按规范规定制作产品焊接试板1: a.对于焊接接头系数不大于0. 8 ,以ASME 规范给定的任一压焊焊接方法(电阻焊除外)制 作的接头,在其容器或零件上此类焊缝应制作产 品焊接试板,试样可取自壳体本身或取自纵焊缝 的延长部位,容器无纵焊缝时可取自容器相同材 料、 相同厚度且按相同工艺焊制的试板,并裁取 一件小截面拉伸试样和两件侧弯试样进行试验。 b.若焊接工艺评定要求做焊缝及热影响区 冲击试验时,容器冲击试板应从用于单台或多台 容器几炉钢号中的某一炉钢板上制取,对于A 类接头,试板在可能时应成为产品接头端部的延 长部分,以使试板焊接件尽可能接近于容器焊接 接头的质量和形式。对于焊接工艺与A类接头 不同的B类接头,试板应在制造容器的相同焊 接条件下焊接,使用同样形式的设备,同样的位 置,同样的焊接工艺,且焊接应与产品的焊接同 时进行,或在即将开始焊接产品的时候进行。 9 无损检测 无损检测方法对缺陷的探测、 定位、 测量、 评 定和评价不会破坏其以后的有用性和可用性。 在压力容器制造过程中,无损检测主要用于探测 材料、 焊缝及制造零件和组件的表面与内部的物 理结构或外形的任何间断或缺陷。我国GB150 和ASME规范第 卷第1分册在对无损检测人 员资格、 焊缝透照比例、 评定要求等方面存在着 一定差异(表 7) 。 表7 无损检测对比1 ,3 项 目GB150 ASME规范第 卷 第1分册 人员资格要求必须经过技术培训,并按 照 “锅炉压力容器无损检 测人员资格鉴定考核规 则” 进行考试/考核合格, 获得 “锅炉压力容器无损 检测人员资格证” 。 由持有ASME认证 证书的压力容器制 造厂组织无损检测 人员的培训、 考试和 评定工作;或取得 ASNT无损检测人 员资格证。 产品焊缝透照 比例分类 1) 100 %射线或超声检 测。 2) 局部射线或超声检 测,探伤比例50 %(铁素 体钢制低温压力容器)。 3) 局部射线或超声检 测,探伤比例20 %。 1) 100 %射线检测。 2) 抽样射线检测, 每15. 2m焊缝做一 处抽样检测,一处抽 样射线底片最小长 度为150mm。 评定标准1) 100 %射线检测,不低 于 级为合格。 2) 局部射线检测,不低 于 级为合格。 3) 100 %超声检测,级 为合格。 4) 局部超声检测,不低 于 级为合格。 ASME规范不划分 、 级 片, 100 %射线检测和抽 样射线检测对气孔、 夹渣和圆形显示的 控制有所不同,总体 评定标准比我国的 要低。 为了使ASME无损检测人员具有扎实的理 论和实践基础,ASME无损检测人员应在取得国 内相应资格证书的基础上进行SNT2TC21A规 定的考试。 003 化 工 机 械 2003年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 10 压力试验 制造完工的压力容器应按图样要求进行压 力试验(液压试验或气压试验 ) , 压力试验必须用 两个量程相同并经过校验的压力表。压力表的 量程一般为试验压力的2倍左右,但不应低于 1. 5倍和高于4倍。表8给出了我国标准与 ASME规范对压力试验压力的对比。 表8 压力试验压力对比1 ,3 ,6 标 准液压试验气压试验 GB1501. 25p/ t1.15p/ t JB47321. 25pSm/Stm1. 15pSm/Stm ASME规范第 卷第1分册1. 3pS/ St1.1pS/ St ASME规范第 卷第2分册1. 25pSm/Stm1. 15pSm/S t m 11 结束语 我国的压力容器标准是在不断总结经验、 进 行科学研究和吸取国外先进经验的基础上发展 起来的,对保证我国压力容器的安全性起到了重 要的作用。由于我国压力容器标准体系和 ASME标准体系存在着差异,标准的内容也有较 大的差别,在实际使用时对两种标准体系的相关 标准进行比较分析,有助于深入理解和实施 ASME规范,也有助于理解我国压力容器标准的 发展变化。 参考文献 1 ASME锅炉压力容器规范 1 第 卷 1 第1分册 12001 2 压力容器安全技术监察规程 (99 版 ) . 北京:中国劳 动社会保障出版社,1999 3 GB15021998.钢制压力容器 4 国家质量监督检验检疫总局.锅炉压力容器压力管 道焊工考试与管理规则 5 ASME锅炉压力容器规范 1 第 卷 12001 6 ASME锅炉压力容器规范 1 第 卷 1 第2分册. 2001 (收稿日期:2003204210 ,修回日期:20032052 26) A Comparison Between the Pressure Vessel Standard of China and ASME Code HUANGAnting ( Hangzhou Hangyang Share Co Ltd , Hangzhou ,310004, Zhejiang , China ) Abstract A comparison was made between the pressure vessel standard of China and ASME Code in technique re