标准规范 欧盟标准 EN13445 简介 及其与我国压力.pdf

标 准 规 范 欧盟标准EN13445简介 及其与我国压力容器标准的比较 郑津洋1 开方明1 陈西南1 石 平2 11 浙江大学 浙江 杭州310027 21 浙江省特种设备检验中心 浙江 杭州310020 摘 要 2002年5月颁布的EN13445欧盟 非直接接触火焰压力容器 标准满足承压设备法规的要 求 该标准引入了许多新的设计理念和方法 本文简要介绍EN13445的主要内容及其与我国压力 容器标准在设计方面的主要区别 关键词 EN13445 压力容器 设计方法 中图分类号 T65 TH49 文献标识码 A 文章编号 1001 4837 2003 05 0006 06 DifferenceBetweenEuropeanStandardEN13445 withPressureVesselStandardsInChina ZHENGJin yang1 KAIFang ming1 CHENXi nan1 SHIPing 2 1 1ZhejiangUniversity Hangzhou310027 China 21ZhejiangInspectionCenterof SpecialEquipment Hangzhou310020 China Abstract TheEuropeanharmonizedstandardEN13445 UnfiredPressureVessels whichwasreleasedin May2002 providesthemeansbywhichamanufacturecanclaimpresumptionofconformitytotheessential safetyrequirementsofthePressureEquipmentDirective Newconceptsanddesignmethodswerepresentedin thisstandard ThemaincontentsofEN13445wereillustratedandthemaindifferencesindesignmethodbe2 tweenEN13445withpressurevesselstandardsinChinawerehighlighted Keywords EN13445 pressurevessels designmethods 随着欧洲统一市场的建立和欧元的使用 为促 进承压设备在欧盟成员国内的自由贸易 尽可能在 最广泛的工业领域内实施统一的产品技术法规 欧 盟于1997年通过了97 23 EC 承压设备法规 以下 简称PED PED适用于压力 表压 超过0105MPa 的压力容器 包括非直接接触火焰加热压力容器和 直接接触火焰加热压力容器 管道 安全附件 安全 阀 爆破片等 承压附件 阀门等 呼吸用气瓶 高 压锅 手提式灭火器等承压设备 从2002年5月29 日起 承压设备的设计 制造和符合性评价都必须满 足PED要求 满足PED要求的承压设备带有CE标 志 没有CE标志的承压设备不得进入欧盟市场 为充分吸收压力容器标准的优点 同时反映最新的 研究成果 欧盟标准化委员会用了9年时间 起草了 欧盟非直接接触火焰压力容器标准草案 该草案于 1999年提交各成员国评议 2002年3月为欧盟成 员国正式表决通过了修改后的标准EN13445 并于 同年5月30日颁布了该标准第一版 1 EN13445的主要内容 111 适用范围 EN13445适用于设计压力大于0105MPa 材料为 6 铁素体或奥氏体钢的非直接接触火焰压力容器 设 计温度低于钢材蠕变控制其许用应力的相应温度 当然 其设计压力可以进一步降低 甚至是真空容 器 该标准不适用于以下承压设备 移动式压力容 器 失效后导致辐射影响的核设施上的压力容器 能 产生110 以上过热水蒸气的压力容器 采用铆接 结构的压力容器 灰口铸铁和其他EN13445 2 EN13445 6中没有包括的材料制造的压力容器 多 层容器和经自增强处理 包括内表面挤压处理 的容 器 长输管道和工业管道 112 主要内容和目录 标准 分 为 七 个 部 分 EN13445 1总 则 EN13445 2材料 EN13445 3设计 EN13445 4 制造 EN13445 5检测与试验 EN13445 6球墨 铸铁压力容器及部件的设计 制造要求 EN13445 7标准使用指南 1 EN13445 1总则 介绍整个标准应用的主要基本原理 并提出适 用于整个标准的一些定义 物理量 符号以及单位 在这一部分中还要求制造厂商编制完备的设计说明 书和相关技术文件 EN13445 1目录 前言 介绍 第一章 范围 第 二章 引用标准 第三章 术语和定义 第四章 物理 量 符号和单位 附录ZA 非强制性 EN13445中基 本安全要求和EU法规 EUDirectives 提供的条款 参考文献 2 EN13445 2材料 详细说明了标准支持的用于非直接接触火焰压 力容器的金属材料种类以及材料的选择 审查 检测 和标志 EN13445 2目录 前言 第一章 范围 第二章 引用标准 第三章 术语 定义 符号和单位 第四章 承压部件材料要求 第五章 非承压部件材料要求 附录A 强制性 承压设备用金属材料 分类系统 和欧洲标准化钢铁 附录B 强制性 防止脆断要求 附录C 非强制性 压力容器用复合钢板交货的技术 要求 附录D 非强制性 压力容器用钢和钢制零部 件的欧洲标准 附录ZA 非强制性 EN13445中基本 安全要求和EU法规提供的条款 参考文献 3 EN13445 3设计 提供了内 外压容器和承压元件的设计原理与 计算方法 主要包括各种形状的壳体 矩形截面容 器 换热器管板以及开孔补强等的设计方法 同时 也给出受局部载荷或非压力载荷作用下容器各个部 件的设计方法 EN13445 5的附录C还详细给出 了进出管和检测孔 开启和特殊锁紧装置等的设计 方法 EN13445 3目录 前言 第一章范围 第二章 引用标准 第三章 术语和定义 第四章符号和缩写 第五章 基本设计准则 第六章 承压元件许用应力 第七章 内压筒体 第八章 外压筒体 第九章 开孔 第十章 平封头 第十一章 法兰 第十二章 螺栓连接 球形封头 第十三章 换热器管板 第十四章 膨胀 节 第十五章 矩形截面压力容器 第十六章 非压力 载荷 第十七章 简单疲劳寿命评定 第十八章 详细 疲劳寿命评定 附录A 强制性 承压焊接接头设计 要求 附录B 非强制性 分析设计 直接法 Di 2 rectroute 附录C 非强制性 分析设计 基于应 力分类 附录D 非强制性 外压容器的形状检查 附 录E 强制性 圆柱和圆锥不圆度计算程序 附录F 强制性 超出圆度公差容器许用外压 附录G 强制 性 法兰和法兰密封连接的另一设计准则 附录H 非强制性 表格H 1垫片系数m和y 附录I 非 强制性 换热器管板设计的补充说明 附录J 强制 性 换热器管板的另一设计准则 附录K 非强制性 膨胀节设计的补充说明 附录L 非强制性 与非压 力载荷相关设计准则的原理 附录M 非强制性 在 役使用检测 附录N 非强制性 第十八章参考文献 附录O 非强制性 常用钢材物理性质 附录 P 强制 性 用主应力评定的焊接接头分类方法 附录 Q 强 制性 非焊缝区域的简单疲劳寿命评定 附录 ZA 非 强制性 EN13445中基本安全要求和EU法规提供的 条款 参考文献 4 EN13445 4制造 详细说明了各个部件制造过程中的要求 即材 料的制造和分包 加工过程中监测 加工公差 焊接 要求 成形加工要求 产品试验 热处理 修理和最后 完成的工序 finishingoperation 等 这一部分的要求 不适用采用分析设计 直接法的压力容器 EN13445 4目录 前言 第一章 范围 第二章 引用标准 第三章 制造和转包要求 第四章 材料 第五章 制造公差 第六章 焊接细则 第七章 焊接 第八章 焊缝的加工和检测要求 产品测试 第九 章 承压元件成形加工 第十章 焊后热处理 第十一 章 修理 第十二章 最后完成工序 附录A 非强制 性 制造公差 附录B 非强制性 转包表格式样 附 7 第20卷第5期 压 力 容 器 总第126期 录ZA 非强制性 EN13445中基本安全要求和EU法 规提供的条款 参考书目 5 EN13445 5检测与试验 按照该标准对压力容器的要求 介绍了各种检 测和试验程序 其中包括对设计资料和技术文件的 审查 无损检测是这一部分的主要内容 包括检测 文件 材料跟踪报告 焊缝两侧的修整以及焊缝检测 程序等 不同容器的测试要求各不相同 如附录A 给出了系列化制造压力容器的要求 EN13445 5目录 第一章 范围 第二章 引用标 准 第三章 术语和定义 第四章 检测试验的执行 第五章 技术文件的编制 第六章 制造过程中的检 测试验 第七章 分包细则 第八章 其他试验 第九 章 校准 第十章 最终评估 第十一章 标识和服从标 准的声明 第十二章 记录 第十三章 装运 附录A 强制性 系列化生产的压力容器检测试验的合格模 型 附录B 强制性 压力容器尺寸的具体要求 附录 C 强制性 进料口和观测孔 闭合机构和特殊锁紧 装置的制造要求 附录D 非强制性 泄漏检测 附录 E 非强制性 超声检测 附录F 强制性 在役和试验 中的标准静水压力试验 附录G 强制性 受循环载 荷作用压力容器的检测试验 附录H 非强制性 服 从标准的声明 附录ZA 非强制性 EN13445中基本 安全要求和EU法规提供的条款 参考书目 6 EN13445 6球墨铸铁材料压力容器及部件 的设计 制造要求 球墨铸铁压力容器的设计与检测方法都有其特 殊要求 如最大许用压力 壁厚和无损检测 外观检 测等都需要有其专门的规定 EN13445 6目录 第一章 范围 第二章 引用标 准 第三章 术语 定义 单位和符号 第四章 工况 第五章 具体要求 第六章 铸铁的检测试验 第七章 试验和最终评估 第八章 多种材料组合制造压力容 器 第九章 标识和技术文件 附录A 强制性 抗拉 强度 屈服强度 断后伸长率和冲击功要求 附录B 非强制性 韧性材料 附录C 非强制性 局部最小 厚度和最小爆破试验压力要求 附录ZA 非强制性 EN13445中基本安全要求和EU法规提供的条款 参考书目 7 EN13445 7标准使用指南 按照该指南的方法 使EN13445的评估模式 危 险性指标和容器分类都符合PED的安全性要求 113 特点 1 材料 EN13445的重点在第二部分材料 第三部分设 计 这两个部分中都包含了对材料的一些规定 第 二部分主要涉及材料的供应 运输与检测 而第三部 分涉及材料的使用 我国压力容器常规设计标准 GB 150 1998采用表格列出不同温度下材料的许用 应力 而EN13445没有直接给出材料的力学性能 只 是提出指导性意见 使材料满足PED EN10028 EN10272等统一标准以及欧盟材料认证 European ApprovalofMaterials 特殊材料评估 ParticularMate2 rialAppraisals 等的要求 EN13445中还特别提到 采用试验方法确定许用应力时 还应采取防止脆性 断裂的措施 2 概述 各章节的起始部分都安排一定的篇幅进行概 述 用以明确本章节中涉及到的术语 定义 物理量 及其使用规则与条件 下面以EN13445 3中的内 容为例 简要分析EN13445 3概述部分的内容 第3节 定义 区分设计压力和计算压力 设计 温度和计算温度 计算厚度和有效厚度 第5节 基本设计准则 设计时既不考虑材料 和焊缝的局部腐蚀 又不考虑蠕变 第512节 腐蚀 提供处理腐蚀影响的指导性 意见 包括腐蚀裕量的确定方法 由于腐蚀机理的 不同 腐蚀有多种形式 规定最小腐蚀裕量并不合 适 所以取消了1999初稿中的最小腐蚀裕量规定 第513节 载荷 列出设计所要考虑的各项载 荷 一般容器设计需要考虑的载荷为 1 内 外压 力 2 工作条件下最大液体静压力 3 容器自重 4 工作条件下最大盛装物料重量 5 液压试验的最大 液压 6 风 雪 冰载荷 7 地震载荷 8 运输和安装 容器时作用其上的载荷 特殊情况下 还要考虑以 下载荷 9 凸缘 垫圈 槽 鞍座 内部支撑或相连管 道以及偏心安装的附件产生的载荷 10 容器中液体 受激产生波动时的冲击载荷 11 压力引起的轴向力 在容器横截面上偏离容器轴线而导致的弯矩 12 在 约束状态下 瞬态温度变化产生的热应力和热膨胀 系数改变时产生的热应力 13 压力和温度的波动 第51312节 载荷分类 按照性质将载荷分为 三类 正常操作载荷 意外载荷 如冲击 和试验载 荷 这种分类充分考虑了载荷作用的时间和概率的 影响 不同的载荷采用不同的许用应力 GB 150 1998对载荷没有做如此明确的分类 8 CPVT 欧盟标准EN13445简介及其与我国压力容器标准的比较 Vol20 No52003 第51313节 失效模式 失效模式分为五类 1 总体塑性变形 GPD 2 塑性失稳 脆断 3 弹塑性 失稳 屈曲 4 渐增塑性变形 PD 5 疲劳失效 一般来说 大部分的压力容器标准都包含了这些失 效模式 3 其他特点 第514节 设计方法 介绍了主要的设计方法 但是没有介绍常规设计 DBF 的具体细节 同时给 出以等效的全范围循环次数载荷neq为是否需要进 行疲劳设计的判据 当neq 500时 设计和检测容 器时 不需考虑疲劳 除了常规设计外 还给出两种 设计方法 EN13445 3附录B和C介绍的分析设计 DBA PED中对小型容器规定的试验设计 分析 设计在后面部分介绍 这里简要说明一下试验设计 试验设计是指取所设计的设备样品或同类设备 样品进行一系列试验检测 以判断设计是否满足有 关要求 试验的主要内容是压力试验 在一定压力 下考察容器是否有明显泄漏 变形量是否在一定范 围之内 试验压力为在最大允许工作压力之上考虑 一定安全裕度的压力值 此压力值取决于实验样品 与设计条件在几何形状 材料特性上的差别 包括温 度等影响带来的差别 第6节 承压部件许用应力 标准中给出了蠕 变温度范围内有关金属材料 不包括铜 铝等有色金 属 许用应力的规定 奥氏体不锈钢的许用应力取 决于最小断后伸长率A 当30 A 35 许用 应力取残余应变为110 时的应力除以115 当A 35 时 许用应力值可以有所提高 取残余应变为 110 时的应力除以112的值和抗拉强度的1 3中 的较小值 如果材料标准中没有注明抗拉强度 这 一条就无法应用 仍需使用残余应变为110 时的 应力除以115 这一规定使得奥氏体不锈钢的承载 能力得到发挥 非奥氏体不锈钢材料的许用应力取 屈服强度 有明显屈服平台的取最小屈服强度 没有 屈服平台的取残余应变为012 时的应力 以下同 除以115和 抗 拉 强 度 除 以214中 的 较 小 值 GB 150 1998中相对与屈服强度和抗拉强度的安全 系数分别为116 奥氏体高合金钢取115 和310 液压试验时 应控制远离结构不连续处的薄膜 应力 对30 A 35 的奥氏体不锈钢 试验许 用应力取残余应变为110 时的应力除以1105 对 A 35 的奥氏体不锈钢取残余应变为110 时的 应力除以1105和抗拉强度除以2中的较大值 对非 奥氏体不锈钢取屈服应力除以1105 GB1 50 1998 中统一取为试验温度下材料屈服强度的019倍 2 容器零部件设计 EN13445在引进一些新方法的同时 继承和发 展了已有标准中的许多设计方法 如管板和法兰的 极限载荷方法是前东德标准中的方法 被收录在标 准附录中 作为传统应力分析方法的补充 传统的设计方法是将计算的弹性应力限制在许 可范围之内 极限设计方法是根据极限载荷计算许 用载荷 将工作载荷限制在许用载荷之内 主要用于 防止总体塑性变形引起的失效 采用极限设计方法 可以充分发挥材料的承载能力 211 圆柱形筒体和碟形封头 圆柱形筒体的设计方法与GB 150 1998类似 为了规定焊接接头系数 EN13445按照焊接结构 焊 缝形式 无损检测程序将容器分为1 2 3 4四组 各 组对 应 不 同 的 焊 接 接 头 系 数 详 细 规 定 参 见 EN13445 5的表格516 1 附录P和表格61611 1 可以明显看出EN13445对焊接接头系数的规定 比GB 150 1998更加具体 有些工况下 EN13445 焊接接头系数的取值较低 较为保守 但是从整体 来看 由于EN13445采用了相对较大的许用应力 所 以筒体计算厚度比GB 150 1998的计算厚度要小 对于碟形封头 需用三组公式分别计算球冠部 分的厚度 过渡圆角部分的厚度和过渡圆角满足失 稳条件的厚度 取最大值为计算厚度 GB 150 1998 中将碟形封头按照不同几何参数给以不同的形状系 数 用一个公式计算碟形封头的厚度 比较可得 采 用两 个 标 准 设 计 的 碟 形 封 头 厚 度 大 致 相 等 GB 150 1998通过限制有效厚度和封头内径比值来 防止失稳 没有给出详细的防止失稳的计算公式 所 以在低压范围内按GB 150 1998设计的封头要薄一 些 在封头形状上 EN13445更加细致 对封头的各 个部分 包括过渡圆角 直边连接段 都做了量化的 详细规定 212 锥体 锥体设计采用了极限设计准则 EN13445可以 设计锥壳半顶角为75 以下的各类锥体 相比来说 GB 150 1998限制在60 范围内 在锥体厚度上两 个标准的计算方法基本一致 但是在其他结构处 如 大小端的连接处 的设计有所不同 213 外压容器 9 第20卷第5期 压 力 容 器 总第126期 第8节的外压容器设计方法来源于PD5500 英 国标准 主要针对三种可能的失效模式计算许用外 压 这三种失效模式分别为 整体失稳 加强圈之间 筒体的失稳和加强圈本身的失稳 加工后的容器形 状与设计要求存在差异 特别是壳体的不圆度与圆 柱度的影响 会造成许用外压力的降低 附录E和 F对这些影响做了说明 214 开孔 EN13445中的开孔设计方法采用的是欧洲大陆 一直沿用的压力面积法 压力面积法是指压力在壳 体开孔面积上形成的载荷与有效补强范围内的壳 体 接管 补强材料面积承受载荷相平衡 GB 150 1998中使用等面积补强法 认为壳体因开孔被削弱 的承载面积 须有补强材料在离孔边一定距离范围 内予以等面积补偿 EN13445中开孔尺寸的规定 为 壳体上开孔 非接管补强 和带加强圈的开孔要 求接管直径小于开孔中心处的最小曲率半径 碟形 封头或球壳上开孔直径小于该处外径的016倍 圆 柱壳体上接管补强开孔直径小于2倍该处的最小曲 率半径 EN13445中的开孔范围较大 特别是包含 了尺寸接近等径三通的圆柱壳体上开孔补强设计 215 平封头 按GB 150 1998设计平封头时 主要考虑压力 载荷 并设置平盖系数考虑平封头与壳体连接结构 对封头的应力分布影响 EN13445也是着重考虑压 力载荷在封头设计中的作用 但考虑到不同结构会 产生不同的附加载荷 EN13445需要从自身特点出 发 用多个参数限制封头上的应力分布 216 法兰 GB 150 1998对于法兰设计采用ASME中的 TaylorForge法 这种方法首先要求确定法兰压紧面 的形式 选择相应的垫片 查得密封比压和垫片系 数 然后计算垫片压紧力 螺栓载荷 最后进行法兰 的设计计算 但是这一方法存在一些缺点 例如 用 于计算螺栓载荷的垫片系数中有很多是经验数据 缺乏标准的试验方法 且没有考虑泄漏率 EN13445 3除了采用这种方法外 还在附录G收录了统一 标准EN1591中的法兰设计方法 这种方法特别适 用于螺栓连接的管道和容器上的圆形法兰接头 事 实上 法兰 螺栓 垫片形成相互关联的系统 各个部 分之间存在相互作用 法兰设计必须充分考虑螺栓 刚度和密封圈变形的影响 使法兰同时满足密封和 强度要求 按照这一方法 不仅需要考虑以下基本 参数 液压 法兰 螺栓 垫片的材料强度 垫片压缩 系数 名义螺栓载荷等 还要考虑一些特殊情况 由 于连接部件的变形而导致的垫片压紧力的变化 相 连筒体或管道的影响 外压和弯矩的影响 法兰环与 螺栓之间温差产生的影响等 计算过程中要求采用 反复迭代 依靠计算机辅助 可以较为简便的实现设 计计算 217 管板 EN13445中提供了两种管板的设计方法 第一 种方法是传统方法 考虑内外压力 几何尺寸等因 素严格计算各种载荷状态引起的管板应力 并与许 用应力相比较 判断设计是否满足要求 第二种方 法是极限分析方法 通过管板的极限分析 确定许用 载荷 218 膨胀节 EN13445对膨胀节的厚度没有限制 采用的设 计方法基于EJMA标准 ExpansionJointManufactures Association 以及德国AD规范 ASMEVIII第一分篇 ASMEB3113 法国CODAP规范和荷兰Stoomwezen规 范中的相关部分 标准目前只包含了无补强的U 形膨胀节 正在制定有补强的U形膨胀节和环形 膨胀节设计方法 219 矩形截面容器 以前欧洲标准中没有涉及到矩形截面容器 EN13445基于ASMEVIII第一分篇附录13和BS3970 第一部分 医药用杀菌和灭菌设备 增加了矩形 截面容器的设计 设计按照应力设计准则 分为两 个基本类型 包含或不包含撑杆的无补强容器和外 面设有补强件的补强容器 这部分内容与GB 150 1998附录D相对应 2110 非压力载荷 局部载荷作用下的应力分析 除有限单元法等 数值计算方法外 一般按照WRC WeldingResearch CouncilBulletin 107 WRC109和PD5500附录G分 析 WRC107和PD5500附录G适用于设计制造球 形壳体上的接管和其他固体附件以及圆柱壳体上的 固体附件 WRC297适用于设计圆柱壳体上的接管 EN13445 3的第16节主要介绍了局部载荷和 鞍座的设计 同时包含了附件 接管 线载荷和吊耳 等涉及非压力载荷的设计方法 对于不同的应力分 布采用不同的设计方法计算许用载荷或应力 EN13445中 接 管 载 荷 的 设 计 方 法 与WRC107 WRC297和PD5500附录G的主要区别为 对局部应 01 CPVT 欧盟标准EN13445简介及其与我国压力容器标准的比较 Vol20 No52003 力与极限分析中的最大许用载荷同时进行评估 也 就是说载荷和应力同时控制 静载荷与循环载荷有 不同的设计准则 如果有多种载荷同时作用 则必 须考虑它们之间的相互作用 GB 150 1998用Zick 法处理线载荷和卧式鞍座支撑容器 要求先进行应 力分析 然后限制容器上某些点的应力 EN13445用 极限设计方法设计鞍座支撑的卧式容器 按照容器 整体几何轮廓求解极限载荷 再根据设计要求从图 表中查取安全系数 得到许用载荷 EN13445对于非压力载荷的表述更加全面 适 用范围更广 与其他标准相比 EN13445中的计算 图与图表相对减少 其使用程序也相应简化 不过 疲劳评定中的应力评估问题尚待解决 2111 简单和详细的疲劳寿命评定 EN13445中的简单和详细的疲劳评定来源于英 国标准以及其他相关标准 将结构按照焊接工艺的 不同分为各个等级 采用不同的S N曲线对其分 别进行评定 在EN13445中仍然保留了应力集中系 数概念 相比而言 JB4732 95沿用ASME 的设 计思路 对所有几何形状采用一条S N曲线来评 定容器的疲劳寿命 有关EN13445和JB4732疲劳 设计的对比分析工作正在进行之中 将另外介绍 3 分析设计 DBA EN13445 3有两个附录介绍分析设计 附录 C基于弹性应力分析 将应力分类 这种方法与 JB4732 95的设计方法一致 但是这种基于弹性分 析的方法在应力分类时会遇到一个突出的问题 有些应力的分类不是那么明显 而且 这种方法并 没有考虑弹性或弹塑性失稳以及屈曲问题 EN13445 3附录B中引进新的方法 直接 法 这一方法包含了非弹性分析 将各种作用 ac2 tion 的效果组合考虑 作用的概念比载荷更加广 泛 包括一系列的热 机械作用如压力 作用力 温 度变化和预变形等 作用的特定组合对应一定的失 效模式 设计中要求对可能遇到的所有失效模式进 行设计校核 标准中还将原理与应用准则区分 原 理一般是指综述 定义以及基本要