[从业资格考试]对新版GB150和ASME Ⅷ-1对照的解读.ppt

对新版GB 150(和ASME -1对照) 的解读 (和设计相关的内容),华东理工大学 丁伯民 2012.5.12-13 兰州,前言(1),本班称为解读班，是在大家熟悉原GB 150以及对ASME -1也有一定熟悉的基础上对新GB 150的解读，包括主要修改(因旧版有误或因故所作的调整)、主要补充、某些和容规不符内容的分析以及对某些问题的分析和讨论。并非培训，更不是宣贯。 毋庸讳言，从1967年版的钢制化工容器设计规定，到各版的钢制石油化工压力容器设计规定、1989和1998年版的钢制压力容器到本版，都主要参照相应年代的ASME -1和-2，其中所参照内容和ASME规范有所出入者，系由于技术政策的不同、或漏引或误引所致。 本人对征求意见稿、报审稿和报批稿以邮件和向容标委会领导当面讨论的方式提了多条意见，大部分已吸取，但仍留下一些可予商榷的内容。,前言(2),本人在向容标委会提出书面意见时表示:标准存在一些问题，并不是对某一元件一定会出事故，但可能出现事故和潜在事故的机率肯定増大，我也听到了一些反映，且在国际同行交流中也会引起一些影响。 据此，可能涉及对标准某些内容的商榷，但这些可商榷之处都以其基本原理和参所照规范ASME -1相应内容为依据，望大家对照查阅，但仅作为业内参考，在执行时则应以GB 150为准。 本班仅对涉及新版GB 150和ASME -1相关的修改或可商榷内容联系ASME -1或其它标准进行解读，并非对GB 150和ASME -1的系统讲解。,前言(3),本版GB 150压力容器，总体上要求按照新容规，其编排方式和国际接轨，分为通用要求，材料，设计，制造、检验与验收要求等4篇，每篇都有相应的附录。 本版在通用要求中增添了“以验证性爆破试验确定容器设计压力的规定”、“对比经验设计的原则要求”、 “局部结构应力分析计算和评定的原则要求”、 “风险评估报告”等内容。,徐工并寿、杨二位秘书长: 对GB 150所存在的问题，多年来我通过各种途径提出意见并建议，现趁此修订之机，再次提出。 毋庸讳言，GB 150主要引自ASME -1，之所以存在些问题，主要是并未仔细学习、理解ASME -1所致。8年前我应你们所约，详细整理了GB 150和ASME -1的对照，其中列了不少在下面意见表中所列的问题，但由于种种原因，此件并未约请有关专家讨论，也一直未见下文，在本标准中也无反映。 我也清楚，标准存在一些问题，并不是对某一元件一定会出事故，但可能出现事故的机率肯定増大，我也听到了一些反映，且在国际同行交流中也会引起一些影响。所以应予重视。 十余年前寿秘书长曾通知我要整理一些关于低温容器设计方面国内外标准的对照(因我已写了这方面的文章并即将发表，所以我告知寿秘书长不再另写，可参见拙文) ，我本以为领导对低温容器设计方面已予重视，会努力趕上国际水平。十多年过去了，本标准稿对此不仅不动，反因为某些内容的移动而更引起不协调(详见以下意见) 。 至于开孔补强章所引起的种种问题，我也多次提出，此次修改稿也无反映。开孔补强设计应用甚广，如存在问题其影响甚大，请予重视。将带夹套的容器称为外压容器也引起了诸多问题。 新容規已实施，GB150要及时更新这一点是大家都理解的。但不要因时间紧迫而草率走过场，影响到下一个若干年。 这几年国内对ASME等国外标准日益关心，我经常应约介绍，接触了不少同行，并和他们讨论，我也直言GB 150和ASME-1、JB 4732和ASME -2的关系、区别，以及引起区别的原因，大家都只能表示感慨而已。 由于固定式压力容器分技术委员会未发文要我提意见，我只是作为业内一员提出，也未及详细阅读推敲。对以下意见，如有不妥，请予包涵。如有未说清楚之处，请通过各种途径和我联系。 匆匆，即致 近安 丁伯民 2010.4.28 国家标准固定式压力容器(GB 150.1GB 150.4) 征求意见表 标准征求意见 总第 号标准号和标准名称GB 150固定式压力容器单位华东理工大学邮政地址邮编200237姓名丁伯民电真/E-MAIL,适用范围 (ASME规范),ASME -1是压力容器建造规范，包括各种材料和制造方法在内的强制性要求，特殊的禁止要求和非强制性的指导。 ASME -1除膨胀节外并未涉及疲劳设计，但条款解释07-47号明确表示，如元件要作疲劳设计，可按-2实施。 ASME -2第4篇为按规则设计，第5篇为按分析设计，但在第4篇中说明，如要进行疲劳分析，可按第5篇实施。 EN 13445仅一册，包括了疲劳分析的内容。 原GB 150为钢制压力容器，新GB 150虽改为压力容器，但实际上对非铁材料，还要见其它标准。,ASME规范对“建造”一词的解释,本版GB 150对ASME规范的引用部分,适用范围 (GB 150),本版在通用要求篇中补充了本标准的适用温度范围: -269C 900C，并在材料篇中补充了本标准所列钢材的适用温度范围:-253 C800C。 原GB 150规定:要求作疲劳分析的容器不属于本标准的范围(而不是“本标准未包括疲劳设计的规定，如要求疲劳分析，可按JB 4732进行”)，使设计员为难。 新GB 150改为:“对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，经设计单位技术负责人批准，可按本标准设计，并按JB 4732附录C补充疲劳分析和评定，同时满足其相关制造要求(.1，4.3.1)”，“对于按JB 4732的两种方法判别要求作疲劳分析的容器进行由.1附录D的对比经验设计时，说明书中应补充疲劳分析的内容”，使设计单位技术负责人为难。 (.1，D.6.3),98版GB 150的规定,2011版GB 150的规定,设计参数和有关的问题 (ASME -1)(1),设计压力(独立容器:内压容器，真空容器，组合容器独用元件、公用元件，按独立容器设计，按压差设计) UG-21，UG-99，UG-19,附录3-2 设计温度(最高、最低 MDMT) UG-20，UCS-66 压力试验(目的:检查并考验宏观强度、焊缝的致密性和密封件的密封性。试验压力，试验温度，试验压力上限)(内压容器，真空容器，独立容器，组合容器其公用元件按独立容器设计、按压差设计) UG-99，UG-100，气压试验时的注意点(UW-50) 液压试验温度，建议为尽量減小脆断的危险，液压试验时金属温度至少保持在(铭牌上允许的)最低设计金属温度以上17，但无需超过48。,设计参数和有关的问题 (ASME -1)(2),气压试验时的危险性是不言而喻的，所以规范在UW-50中规定，在试验前应对围绕开孔的全部焊缝(应理解为包括对接和角接焊缝)、以及包括角焊缝厚度大于6mm的非受压件与受压件在内的所有全部焊缝(当然也应理解为包括对接和角接焊缝)的全长应予检测，并通过加注说明，对于角接焊缝，如为铁磁性材料时用磁粉或液体渗透检测，非铁磁性材料时用液体渗透检测。并通过UG-100规定了和液压试验时同样的温度限定。,设计参数和有关的问题 (ASME -1)(3),设计压力，最大允许工作压力，由计算求得的试验压力，后二者都指成品容器，区别仅在于前者扣除、后者未扣除腐蚀裕量、所用许用应力的对应温度以及所涉及除压力以外的载荷(如风、地震和液柱静压等)(UG-99)。 最大许用工作压力:成品容器顶部所允许承受的最大表压力，是按规范的规则对任何受压范围内的元件确定的内压或外压的最低值，包括静压头。采用不包括腐蚀裕量的公称厚度，并考虑了在相应温度下可能发生的各种载荷组合影响(UG-98，附录3-2)。 试验压力的上限:本册并不规定液压试验压力的上限，但当液压试验压力无论有意或无意地超过规定值，并使容器出现明显的塑性变形时，检验师有权拒收UG-99(d)。,设计参数和有关的问题 (ASME -1)(4),独立容器:内压 PT=1.3PS/ST (原理分析) 真空 PT=1.3P (原理分析)(11a允许真空试验) 组合容器:组合容器的独用元件或组合容器按独立容器设计时：和独立容器压力试验相同,设计参数和有关的问题 (ASME -1)(5),比值S/ST为构成该容器各元件中的最小值 ASME -1(附录S，UG-99):螺栓安全系数很大，不必担心屈服，即使在压力试验时因超压而引起泄漏，也只要在卸压后再次上紧螺栓。2010年版已明确除非确定螺栓许用应力的安全系数小于1.44(经換算而得)，否则不包括螺栓。ASME -2(8.2.1节)已明确不包括螺栓。EN 13445也明确不包括螺栓(Part 5，节),设计参数和有关的问题 (ASME -1)(6),组合容器(不按独立容器设计时)的公用元件： Pmax(P1，P2)，即P1、P2同号时UG-99(e)(2): 先内筒或夹套(应是较高压力受压室)PT=1.3(P2-P1)S/ST 再两侧同时 P1侧:PT=1.3P1S/ST P2侧:PT=1.3P2S/ST 此时要控制两室压差不超过内筒或夹套的试验压力值 Pmax(P1，P2)，即P1、P2异号时UG-99(e)(1): 先内筒 PT=1.3P1 (按真空容器，内压方式) 再夹套 PT=max1.3P2S/ST，(P2-P1)S/ST,设计参数和有关的问题 本版调整的内容,安全系数的调低 据容规，以Rm为基础的安全系数由3.0调低为2.7，以ReL为基础的安全系数由1.6调低为1.5，相应提高了许用应力和常用钢材的夏比V冲击功。,设计参数和有关的问题 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(1),对外压容器的阐述以及组合容器的压力试验 原标准一直认为带夹套的容器为外压容器(从77版到85版的设计规定都这样称，至89和98版GB 150则迴避，但容标委所编压力容器设计工程师培训教程P.169明确带夹套容器即为外压容器)，并引用了ASME -1中关于“真空容器以内压进行液压试验” 的规定而改为“外压容器和真空容器以内压进行液压试验”从而导致如前图所示带夹套的容器在进行液压试验时引起了问题。内容器常压，夹套(0.8MPa)，把内容器视为外压容器，按PT=1.25P2试验，则按常压设计的封头和法兰承受不了，如封头和法兰按P2(0.8MPa)设计，则增加了成本;如按多腔容器试验，则在夹套中试压时内筒壁受不了外压，如两侧同时充压，又无法检漏。,设计参数和有关的问题 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(2),如内容器为真空，夹套为0.2MPa，则内容器带夹套部分设计压力为0.3MPa。内容器如按真空(或多腔)容器PT=1.25P1试内压，为0.125MPa，夹套按内压容器试压，为0.25MPa，试压结果尚达不到0.3MPa的设计压力，压力试验走过场。 在压力容器行业中实际上并无真正意义上的外压容器。新GB 150改为“外压容器(例如真空容器、液下容器和埋地容器)以内压进行液压试验”即不再把外压容器和真空容器看作不同的两种容器.1,4.3.3 c)。 对于两个或两个以上压力室组成的多腔容器，每个压力室的试验压力按其设计压力确定，各压力室分别进行耐压试验。(未明确设计压力是容器还是公用元件的，且从未提及公用元件的设计和试验压力) (.1，),设计参数和有关的问题 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(3),压力试验前的应力校核 原GB 150规定:压力试验前，应校核圆筒应力，并以不大于0.9s为满足(液压) 。此规定实际上由原ASME -2引来(新ASME -2在节已改为0.95倍)。问题是: (1)-2和-1不一样，前者是由应力分类及其评定原理得出，所以试验压力如超过规定值要对Pm和Pb和二者的组合进行校核;后者并非如此，所以对液压试验压力值的规定是规范的最低要求，试验压力如超过规定值，只要不出现明显的永久变形，它并不规定试验压力的上限(UG-99)。(2) -2规定如试验压力如超过规定值才要校核 ，并未规定按试验压力时也要校核。 (3)为何只对圆筒进行应力校核，对封头等元件则不必校核？如也规定，对某些封头如何确定其Pm ？,才,ASME -1.UG-99的规定,设计参数和有关的问题 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(4),由矩形截面梁受拉伸和弯曲导出,设计参数和有关的问题 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(5),新GB 150参照ASME -2改为:如采用大于标准所规定的试验压力，在试验前应校核各元件的应力水平，例如对壳体元件应校核最大总体薄膜应力T。即对按标准规定的压力进行试验时，不再要求进行应力校核(.1，4.6.3)。 容器上装有泄放装置时，该装置能防止容器的超压不大于设计压力的10%、12%、16%因误引而修改为10%、16%、21%(.1，B.3.2),设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(1),容规已对试验压力式中应力比值取消了包括紧固件在内的内容，但新版GB 150则仍然保留，这点和.1附录A的符合性声明也不相符。不包括和保留的原因都可商榷，保留的原因是，例如在试压时密封件的泄漏，此点其实可见附录S、ASME PCC-1)(ASME -1和2、EN 13445等都不包括螺栓) 新版GB 150不仅仍然保留了包括紧固件在内的内容，而且为处理所提意见而作了修改:(1)对试验压力值中的比值/t加注3说明，t不应低于材料受抗拉强度和屈服强度控制的许用应力最小值;(2)在材料许用应力表中用粗线划出，其右侧的许用应力系由钢材10万小时的高温持久强度极限所确定，说明确定试验压力时应采用粗线左边的值。更引起了比原GB 150远为严重的问题(.1，),设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(2),PT=1.25P/t中的/t包括螺栓所引起的问题: =常温下许用应力 t=t1=求取元件厚度时的许用应力 t2=按新GB 150确定试验压力时的许用应力 (1)按原GB 150(1998) 某容器t=450，圆筒和封头=16mm，材料Q345R，=170MPa， t=66MPa;螺栓直径24mm，材料35CrMoA， =228MPa，t=150MPa。应按螺栓确定试验压力。,设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(3),PT=1.25P/t=1.25P228/150=1.9P，此时对螺栓，试验时应力水平为1.9150/228=1.25倍，达到规定的考验目的;对圆筒，试验时应力水平为1.966/170 =0.74倍，连设计应力水平都未达到，谈何压力试验时的超应力考验。 反之，如不包括螺栓，则PT=1.25P170/66 =3.22P，螺栓应力水平为3.22150/228=2.12倍，因螺栓ns可达2.5以上(但可能引起泄漏，可上紧螺栓)，故不会屈服，圆筒为1.25倍，刚好达考验目的。,设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(4),(2) 按现 GB150(2011)(t2未超过屈服控制线) 容器t=400，壳体=62mm，Q345R，=181MPa， t1=t2=110MPa;螺栓直径24mm，材料35CrMoA， =228MPa，t1=t2=170MPa。应按螺栓确定试验压力。 PT=1.25P/t=1.25P228/170=1.68P，对螺栓，试验时应力为设计应力的1.68170/228=1.25倍，达到规定的考验目的;对圆筒，试验时应力水平为设计应力的1.68110/181 =1.02倍，略超过设计应力，但未到要提高25%考验之目的。反之，如不包括螺栓，则PT=1.25P181/110 =2.06P，螺栓应力水平为设计应力的2.06170/228=1.54倍，因螺栓ns可达2.5以上(但可能引起泄漏，可上紧螺栓)，故不会屈服，圆筒为1.25倍，刚好达考验目的,设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(5),(3) 按现 GB150(2011)(t2已超过屈服控制线) 容器t=475，壳体=62mm，Q345R，=181MPa， t1=43MPa, t2=110MPa;螺栓直径24mm，材料35CrMoA， =228MPa，t1=111MPa, t2162MPa 。应按螺栓确定试验压力。 PT=1.25P/ t2=1.25P228/162=1.76P，对螺栓，试验时应力为设计应力的1.76111/228=0.86倍，达不到设计应力;对圆筒，试验时应力水平为设计应力的1.7643/181 =0.42倍，远达不到设计应力，二者的压力试验都形同虚设,容标委会主要负责人近日撰文指出:试验压力的温度补偿一直是中国标准的一个问题。考虑到许用应力在不同温度下的控制失效模式的参数不同，因此划定极限温度点，从而完善了压力试验中的温度补偿方法。 对试验压力的“温度补偿”理由和原理其实很简单。它只和元件在设计温度时所采用的许用应力和常温下的许用应力值有关，标准所给出设计温度时的许用应力，不论它在不同温度下控制失效模式的参数是多少，或决定于哪个失效模式，在设计时就用该值，在试验压力“温度补偿”中所用的t也就是该唯一值。,国外各相关标准对该系数规定“应取所建造容器中各受压件的最小比值”，是基于各材料的该比值可能略有不同，这一规定使该比值最小的元件，试压时刚好达到设计应力水平的1.25倍，而该比值不是最小的元件，试压时略低于设计应力水平的1.25倍，由于各材料的该比值可能不同但不致差别较大，所以这样规定就保证了试压时各元件都能达到或所差不多地达到设计应力水平的1.25倍。但如果取“最大比值” ，则该比值最大的元件，试压时刚好达到设计应力水平的1.25倍，而该比值不是最大的元件，试压时略高于设计应力水平的1.25倍，而他们认为，一是确定螺栓许用应力以屈服强度为基准的安全系数都大为超过板材，不必担心屈服;二是即使因超应力而导致泄漏，则只要在卸压后再上紧螺栓即可，所以对“各受压件”表示为不包括螺栓。,GB 150一直担心试验压力过高(即取“最大或较大比值”时)会使“较最小比值”的元件超应力，特别是如螺栓超应力就会引起屈服或泄漏，所以从77年版“设计规定”起，就规定了此比值不超过1.8;至98版就干脆列入了包括螺栓在内的规定;2011版则更补充了该t值“不应低于材料受抗拉强度和屈服强度控制的许用应力最小值”，并在材料表中表示该值应是粗线以左的值。当设计温度位于粗线以右时，不论/t中是否包括螺栓在内，对各受压元件，压力试验都属“走过场” 。 从各版标准的几经修改看，GB 150对试验压力要乘以/t值的原理恐并未理解，而出发点一直着眼于螺栓应力的超标，并未注意ASME规范所指的螺栓的设计应力是考虑了防止屈服的保守值，且和不包括螺栓配套。,设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(6),容规多处提及设计图样和铭牌上的最高允许工作压力(3.9.2，8.3.2和8.3.3等)，GB 150则未明确是成品容器，似可商榷。 容规要求按照介质组别、设计压力、容积进行分类。 介质分组 分为以下两组，包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体(兰色表示第1号修改单已删除): 第一组，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体(红色表示1号修改单增加) 第二组，除第一组以外的介质(毒性程度为中度危害、非易爆的液化气体也属第一组？对介质的分组可能会引起歧义),设计参数和有关的问题 对本版可予讨论的内容(7),第二组介质的容器分类,焊接接头分类、系数及其检测 (ASME -1)(1),分类的出发点:按接头所在位置，即接头所承受的最大应力，不是按接头结构型式(UW-3) 焊接接头类别 (A、B、C、D类)。按连接处能否由板壳理论简单地求出应力而划为A、B类(承受第一主应力者为A类，第二主应力者为B类)和C、D类(凡两连接件都为壳者为D类，有一件为板者为C类，但非圆形截面容器各侧板视为壳体) 焊缝结构型式 (18型，包括搭接接头)(表UW-12),焊接接头分类、系数及其检测 (ASME -1)(2),A类:圆筒、锥壳的纵向和螺旋形接头，球壳、成型封头或平板(包括矩形截面容器各侧板)上任意方向的拼接接头，连接球壳和圆筒等壳体的环向接头（即承受最大主应力的接头） B类:壳体或变径段上的环向接头，连接各成型封头(球壳除外)至壳体的环向接头(即承受第二主应力的接头(并据半顶角是否小于30而属对接或角接接头，但都属B类) C类:连接法兰、管板或平盖至壳体的接头，连接矩形截面容器各侧板的接头，可以是对接或角接（有一件涉及平板时）(矩形容器各侧板视为壳体) D类:连接接管与壳体或矩形截面容器侧板的接头，可以是对接或角接(都是壳体或矩形截面容器侧板时),焊接接头分类、系数及其检测 (ASME -1)(3),分为100%、抽样和不检测三挡，抽样检测也可以在完成一段焊接工作之后立即进行，并非都在容器所有焊接工作全部完成之后进行， 以随时跟踪焊接工艺，保证焊缝质量(UW-52)，并在表UW-12中根据结构类型列出了焊接接头系数。 对气压试验的容器，除受压件对非受压件的连接、且其角焊缝厚度小于6mm者，都要求100%检测(对接和角接)(UW-50),焊接接头分类、系数及其检测 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(1),89年版起参照A、B、C、D名词，但不同(实际上按对接或角接划分，并经调整)。(.1，4.5) RT、UT者为A、B类，A为受第一主应力，B为第二主应力。 MT、PT者(即角接者)为C、D类，C为二连接件中有板者，D为二连接件都为壳者。 但:嵌入式接管与壳体的对接因要RT、UT检测，所以不划为D类而改划为A类;多层包扎容器层板的纵向接头因不能RT、UT，所以不划为A类而改划为C类。 对平板或管板的拼接接头，平板或管板对圆筒的对接接头，矩形截面容器侧板的接头，球冠形封头接头等漏划(除矩形截面容器侧板外新版已补充)。 新版增加E类接头，未提及倾角错绕板容器的接头分类。,焊接接头分类、系数及其检测 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(2),ASME -1的分类，有注,GB 150的分类,GB 150未加注，并未视半顶角是否大于30而看为角接，一律划为B类，也就是已是角接也还是用射线或超声检测。此外，板和壳连接时不论对接或角接，都划为C类接头,焊接接头分类、系数及其检测 因旧版有误而使本版修改的内容及其分析(3),一般情况不允许不作检测，根据检测要求和焊缝结构列出了焊接接头系数。但在制造篇规定焊接接头系数为1.0容器的所有A和B类接头应100%射线或超声检测。(.4，10.3.1) (B类接头也要100%射线或超声检测？)=0.9的单面焊接接头就不要100%射线或超声检测？采用气压或气液组合耐压试验的容器，要求100%射线或超声检测(指A、B类，即对接接头)，但在磁粉或渗透检测等表面检测规定中，却对采用气压或气液组合耐压试验容器的包括角接接头在内的各种接头，未提出任何检测要求(.4，10.4)。,设计系数和有关的问题 ASME -1,各设计参数的相互关系:以理论意义为主，辅以技术政策。 安全系数值和试验压力、试验压力的上限、允许超压额度、冲击试验要求等都有关。 ASME -1nb由4调为3.5以后对试验压力由1.5调为1.3，防脆断措施(如低应力时判别温度的调整曲线由0.4调低为0.35等) ASME-2由nb=3.0调为nb=2.4，所以其试验压力、试验压力的上限、无损检测要求以及低应力时判别温度的调整曲线等都相应调整。但因允许的超压额度都在试验压力以下，所以都不调整，二者都取最大许用工作压力的12%、16%和21%。,设计系数和有关的问题 GB 150(1),新GB 150对安全系数调整后未对试验压力及试验压力上限以及无损检测要求、低温低应力时的判别条件进行调整，但对允许的超压额度(原GB 150出自误解所致，取为10%、12%和16%，现改正为12%、16%和21%)和冲击功合格要求(仅指容器用钢总要求，非低温容器特有要求)作了调整。(.1，B.3.2),设计系数和有关的问题 GB 150(2),原GB 150的冲击功合格值,现GB 150的冲击功合格值,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(1),进展及总体思想: 对所有ASME规范用材，其性能要求都列在第卷中，由钢厂通过试验保证，在第卷中仅列出了本卷允许用材的牌号，对于低温操作，则应根据第卷材料篇的相应规定，必要时由容器制造厂另作冲击试验并满足相应的规定值。UG-84(d)(1)，(d)(2) 89年前根据使用经验定义统一划定-30为低温容器，凡不低于-30时，满足材料标准所规定夏比V冲击功后由实际经验证实不致发生低应力脆断，可不作为低温容器，否则，应作为低温容器而由容器制造厂另加在MDMT下的冲击试验并满足其评定要求。,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(2),经验法的不合理处:夏比V冲击功只说明断裂后断口是脆断还是延性断裂，未和元件所受应力水平以及低应力脆断相联系，未计及元件可能存在的缺陷及其大小，和压力容器元件通常所承受的静载应力有区别。 89年起采用断裂力学原理判断，以元件所受应力水平(取为材料的许用应力)、裂纹尺寸a(以元件厚度t表示)、设计条件给定的MDMT和不同的材料类别进行是否有可能发生断裂(包括脆断)的判别，不是简单地划定在某一温度下才是低温容器(-2在1968年第一版就列入)，需要时采取防脆断措施，形式上仍作V夏比冲击试验并作为判别指标。(以下主要介绍碳钢和低合金钢),材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(3),冲击功的示意,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(4),采取防脆断措施的界定(MDMT) UCS-66，UCS-67 由设计条件的MDMT，材料类别，元件控制厚度，应力水平， 进行判别，已作成判别图形，如MDMT、控制厚度t的组合位于相应材料线下方，说明即使满足了材料标准所要求的CVN值在低温下仍有可能脆断而必须采取防脆断措施(图UCS-66)。可见，对碳钢和低合金钢，有些厚材在48已有可能发生脆断，有些薄材在-48还不致发生脆断。 螺柱和螺母直接由材料和直径列出免除冲击试验的温度 UG-20(f)节的免除(低强度钢对经验法的部分保留)。 焊缝和热影响区的判别要求较元件为严。(UCS-67),材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(5),所有材料划分为A、B、C、D四根曲线,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(6),防脆断措施和冲击试验温度，如经判别需冲击，则在该MDMT下冲击，如不需冲击，则不存在冲击试验温度。 KC值和CVN值的数量关系(可见ASME -3附录D-600)，形式上仍用在MDMT时的CVN值。 判别温度的调整低应力状态的调低(图UCS-66.1)，规范规定以外的焊后热处理的调低UCS-68(c)，某些中低強度钢在一定条件下按经验法的免除 UG-20(f) MDMT低于-48且并非低应力工况者，所有碳钢和低合金钢都应作冲击试验，如MDMT不低于-105，且应力比为0.35及以下者，无须作冲击试验。 冲击试验温度的调整可以做标准尺寸试样而做了小尺寸试样时温度的调低（表UG-84.2)，静载荷和动载荷对低强度钢因KC值区别，温度的调高(表UG-84.4),材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(7),低应力状态判别温度的调低,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(8),故意作小试样时冲击试验温度的调低,某些中低强度钢冲击试验温度的调高,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(9),控制厚度(UCS-66)，为判别要否作冲击试验以及验收CVN合格与否的厚度，对于壳体的对接接头，为最厚焊接接头的公称厚度，对于角接接头，为相焊件中的较薄者，对于非焊接连接的平板或管板，为板厚的1/4。(图UCS-66.3) 冲击功(CVN)的合格值(标准尺寸试样)(图UG-84.1)，元件厚度只允许用小试样时(包括元件厚度足够制作标准试样而做了小试样时)其合格值按尺寸比例缩减。 对高强度UCS和UHT材料，虽然CVN值较高，但其中断裂前弹性变形功所占比例较大，为保证防止裂纹产生及扩展的塑性变形功和撕裂功，应按UHT-6进行试验，其合格指标并非CVN而为缺口对面的侧向膨胀值。(图UHT-6.1),材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(10),对各MDMT有不同含义 (1)设计条件给定的MDMT(即供判别要否冲击用试验的，包括低应力和经额外焊后热处理时的调低)。 如经调整或未调整的判别要求作冲击试验，则都在设计条件给定的MDMT的温度下冲击，但使用温度可予降低。 (2)冲击试验的MDMT指对上述(1)给定的经判别要求作冲击试验的，包括故意用小尺寸试样的调低和对低强度钢的调高，如经判别或调整判别不需冲击，也就不存在冲击试验的MDMT。 (3)各元件上述(1)MDMT(经调低或未调低的)中的最高值，为打在容器铭牌上和MAWP共存的MDMT，此值一般低于(1)由设计条件给定的MDMT，但不可能高于它。,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(11),UCS材料的CVN合格值(和厚度、材料有关),材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(12),高强度UCS材料和UHT材料缺口对面的侧向膨胀量合格值,材料及低温时的防脆断措施 ASME -1(13),高强度钢的侧向膨胀值,材料及低温时的防脆断措施 EN 13445(1),EN 13445对低温防脆断所规定的措施有以下三种: (1)基于对规范实践的方法，即取在操作温度下其冲击功达27J为满足，此法实际上是由方法(2)对屈服强度小于460MPa的碳钢和碳锰钢由断裂力学原理导得。 (2)以断裂力学分析并结合实际操作经验的方法，此法比方法(1) 更为灵活，在材料厚度和温度可用得更宽，且并不拘泥于在操作温度下其冲击功达27J为满足。 (3)直接采用断裂力学分析的方法，此法适用于前两种方法都不适用时，但必须得到相关各方的认可。,材料及低温时的防脆断措施 EN 13445(2),第(2)种方法的原理和ASME规范基本相同，它并非以容器的最低设计温度统一划定低温容器，而是由材料类别(用材料的屈服强度表示)、元件厚度(规范用表列的各种详细结构逐一表示)、区分焊接件(并将经或未经焊后热处理予以区别) 或非焊接件(和经焊后热处理的焊接件相当)，根据容器的设计参考温度TR由规范所列的线图，由图查取相应的冲击试验温度TKV，在该温度下作冲击试验并满足规定的合格值。,材料及低温时的防脆断措施 EN 13445(3),判定冲击试验温度的设计参考温度TR由元件的设计金属 温度TM并计及元件可能处于低应力状态而予以调高而得，即TR=TM+TS，其中温度的调整值TS由元件所处的应力水平并根据非焊接件或焊接件(当作了焊后热处理时，则相当于非焊接件)由下表查取,材料及低温时的防脆断措施 EN 13445(4),非焊接件或经焊后热处理焊接件的设计参考温度TR和冲击试验温度TKV,焊态元件的设计参考温度TR和冲击试验温度TKV,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(1),低温容器的钢材要求划归在材料篇，这是本版修改最大的、也是和国外标准差别最大的内容。 GB 150从1989年版开始以附录形式列出了低温容器的内容，引自ASME -1上世纪中期的经验判断法，凡属低温容器时（参考早期的ASME -1并略偏保守，以-20划界）都要求在等于或低于最低设计温度下另作冲击试验，并为避免和钢材标准允许的使用温度相混，故1998版针对1989年版中表达含糊的问题，在C.2.1.1特意指出：钢材的使用温度下限可不同于钢材标准中规定的最低试验温度;钢材的冲击试验温度应低于或等于壳体或其受压元件的最低设计温度，并列出了合格值。,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(2),但当满足规范规定的低应力工况时(低温低应力工况:元件虽低于-20但其环向应力屈服强度的1/6，且不大于50MPa，其MDMT+50后高于-20者，和材料厚度无关，但Rm值大于540MPa者不适用此免除条件)，若设计温度加50后高于-20，则不属于低温容器，可不必另作冲击试验；如仍等于低于-20，则虽属于低温低应力，还是低温容器，但其冲击试验温度应调整为最低设计温度加50（89版和98版C.2.1.7规定）。,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(3),原GB 150的按经验法规定虽远落后于目前的国际先进标准，但基本原理和当时的-1相符，也可操作。在使用中尚不致引起歧义，例如，在C2.1.1中提及，低温容器钢材的使用温度下限可不同于钢材标准中规定的最低试验温度。本版标准之所以引起一系列问题，恐主要是将原GB 150附录C中低温容器的材料要求列入作为压力容器材料通用要求中所引起。以致把通用（非低温特有）要求和低温容器的特有要求相混，引起了一系列问题。 本版对低温低应力工况的修改:元件温度虽低于-20但其实际承受的最大一次薄膜和弯曲应力屈服强度的1/6，且不大于50MPa，其MDMT+50后不低于-20者，和材料厚度无关，不属低温容器，不必另作冲击试验。,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(4),新GB 150的征求意见稿、报审稿和报批稿对低温容器用钢要求和材料篇中所规定的钢材允许使用温度下限之间的关系几经周折，最后改为现状，即对碳钢和低合金钢，其允许使用温度下限一般都为-20，而编制者认定，凡碳钢和低合金钢都不能用于低温容器(标准规定的低应力工况则可按设计温度加 50后选用材料)，所以把原GB 150对低温容器的界定温度由原等于或低于-20改为低于-20。这样，凡属低温容器，则一律要求用低温用钢或奧氏体不锈钢建造，这是本版标准最大的修改，也是和各国外标准差距最大的内容。,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(5),材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(6),材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(7),恐是和国外标准差距最大的内容，也是难以在短期内难以赶上的内容(不是对国外标准一抄就能了事的，必须要做大量的冲击甚至是KIC试验)。包括总体思想(经验法还是断裂力学评定法综合考虑材料、温度、裂纹尺寸和应力水平)，低应力的调整，冲击试验和合格值基本上与厚度无关，统一划定低温容器(也就是脆断只和温度相关，和各元件材料种类、厚度都无关)。,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(8),液压试验温度:对Q345R等，液体温度不低于5，其它碳钢和低合金钢，液体温度不低于15，低温容器的液体温度不低于壳体材料和焊接接头的冲击试验温度(取其高者)加20，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(.4，)。对厚度大的Q345R等材料，试验时可能意外脆断;标准并未规定低温容器焊接接头的冲击试验温度;由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高而需相应提高试验温度的规定缺乏可操作性。 在铭牌上规定只列出设计温度和设计压力(或最高允许工作压力)，而不要求、也不可能列出最低允许工作温度。ASME的试验温度是据整个容器(可能由多种材料组成)的MDMT规定的，GB 150是根据材料的种类确定的,材料及低温时的防脆断措施 对本版可予讨论的内容(9),ASME -1已通过规范案例2506、2642接受了我国的Q345R，并已列入ASME ，但对其质量大大贬低，即使这样，经细晶化和正火处理时，不经过另加的低温冲击试验，厚度为10mm及以下的板材也可用至-28，至12mm者则可用至-21而不需冲击，即使未经细晶化和正火处理，只要在最低设计金属温度下进行冲击试验并满足20J，不大于35mm厚的板材即可用至该最低设计金属温度。而对未经细晶化和正火处理的150mm厚材，即使在48也有可能发生脆断; 经细晶化和正火处理时，在40也有可能发生脆断，远高于GB 150规定的5 。,内压元件设计 ASME -1(1),圆筒、球壳和锥壳注意UG-53(i) 经调整的中径公式，所用的焊接接头系数应是A类的系数，当有D类对接接头时，应是A类和D类中的较小者。 内压球形封头设计中的E值要取其拼接接头和对壳体相连接头(即A类接头)以及其上D类对接接头(如有)中的较小者。 成型(碟形或椭圆形)封头 一般由转角区最大应力确定壁厚，薄壁封头(ts/L0.002)还应由转角区弹性失稳和屈服压力确定封头最大许用压力。,内压元件设计 ASME -1(2),折边锥形封头的折边段和碟形封头的联系,内压元件设计 ASME -1(3),碟形和椭圆形封头:决定于过渡转角区的最大应力(引入系数M和K)，开孔补强时要考虑开孔所在地区的所需壁厚，二者在薄壁时(ts/L0.002)都要按附录1-4（f）计及转角区的屈服和失稳(-2还提及两种封头在此处如有接管最易疲劳破坏)。 碟形和椭圆形封头的当量使用:r=0.17D，L=0.9D的碟形封头，可相当于2:1的椭圆形封头(旋压封头的使用)。 因过渡转角区的应力复杂，所以对高强度材料应特别注意。标准加注说明:对Sb大于482MPa材料的K大于1.0的椭圆形和所有碟形封头，在室温时应采用Sm=138MPa设计，在高温时应按最大许用应力值降低的比例降低。,内压元件设计 ASME -1(4),内压锥壳并未限制半顶角，但半顶角30时，是否带折边是任意的，如超过30，则必须带折边。二者的锥壳用同一厚度计算式，但对连接部分应分别考虑加强或另行计算折边和锥壳厚度。 由内压锥壳的周向应力确定锥壳壁厚: 和内压圆筒由其周向应力确定壁厚相似: 可见，随着的增加，所需壁厚也增加，并无按平盖设计的说法。,内压元件设计 ASME -1(5),锥壳无折边时连接处的加强设计:仅无折边时才有需要，大、小端连接处所要求的加强截面积ArL和Ars以及能起加强作用的截面积AeL和Aes的计算(附录1-5，f1和f2中包括了附加轴向载荷，但不适用于出现净压缩)。 带折边时，不论大端或小端，都按规范公式确定折边和与之相连锥壳的厚度折边段按1-4(d)式(3)，即碟形封头公式，式中L为球冠区半径，由锥壳几何结构，按UG-32，L=Di/2cos;锥段由与折边段相连处的锥壳直径Di=D-2r(1-cos)按锥壳公式确定。,内压元件设计 ASME -1(6),ASME -1对内压锥壳的规定,内压元件设计 对本版可予讨论的内容(1),内压球形封头设计 规定内压球形封头按内压球壳设计，即仅考虑球壳拼接接头的接头系数，未计入和筒体连接的接头系数。 (.3，5.1节) GB 150无某些尺寸的碟形封头和标准椭圆形封头当量替代的规定，使业内对旋压椭圆形封头的使用产生疑虑。 内压锥壳设计 原和现GB 150实际上都沿用ASME -1，但因误解而把ASME -1对外压锥壳限制用于60、当超过60时应按照平盖设计的规定搬到内压锥壳;且当无折边时在连接处的加强设计套用原ASME -2方法，并误解而改为小端的加强设计可用到45。,内压元件设计 对本版可予讨论的内容(2),内压和外压锥壳都用此表，即内压时如60也按平盖设计,并误解了原ASME -2而把小端无折边时的加强设计无前提地扩大到45,内压元件设计 对本版可予讨论的内容(3),内压无折边锥壳的加强设计原设计规定(1982)等和原GB 150(1989)引用原ASME -2(该规范规定仅可用于30，仅指可作为开孔处的锥壳小端，开孔直径满足d/D0.5时才可用于60，且新版-2已不用此法)，但所引用的大端算图按 ASME -2仍为 30，对小端算图扩大至 45，1998年版将算图横坐标轴的0.0010.002范围删除，导致用户无法设计。为此，新GB 150对此范围内补充了计算式，即按横坐标为0.002时查找Q值，并修改了加厚值的计算式，后又补充了ASME -1在附录1-5中内压和附加轴向载荷时的加强方法，并说明此法只能用于30。(.3，),内压元件设计 对本版可予讨论的内容(4),ASME -1的ArL和 值， ArL=,GB 150的ArL和值， ArL=,内压元件设计 对本版可予讨论的内容(5),GB 150对大端折边段和锥壳厚度都参照ASME -1的设计原理，但形式不同，对折边段厚度用圆筒公式和系数K表示，实际上K=Mf，式中M即用于设计碟形封头的系数;f为按R2=fDi确定和折边相连处锥壳的第二曲率半径R2的系数，Di为和折边相连处锥壳的直径，可由锥壳半顶角、折边半径r和壳体内径Di确定，Di=D-2r(1-cos)，见前面二者关系的示意图。K和f都用表格列出。此外，ASME -1允许二者各自计算并取不同厚度，GB 150则要求二者取其较大者的同一厚度。(.3，5.6.5),内压元件设计 对本版可予讨论的内容(6),对锥壳的小端折边，和ASME -1也按碟形封头原理的设计方法不同，系按无折边时的加厚方法计算，但据半顶角的大小对其Q值另作线算图，据其以前的标准释义，系由理论解并经有限元证实，并参考JIS B8270-B8285所得。 对成型封头，未定量计算过