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国内压力容器标准与ASME标准比较


美国 ASME 锅炉及压力容器规范是由美国机械工程师学会(ASME)的锅炉及压力容器委员会(BPVC)制定的, 是世界上应用最早的标准之一,现已被公认为世界上技术内容最为完整、应用最为广泛的压力容器标准。 我国于 1982 年颁布了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及实施细则,明确了劳动部作为政府的主管 部门,负责立法和管理工作。1985 年正式发行的《钢制压力容器设计规定》标志着

我国开始形成统一的压 力容器标准, 1989 年发行的 GB 150—89 《钢制压力容器》 标志着我国已开始形成以强制性标准 GB 150—89 为核心的压力容器标准体系框架,经过十多年的发展,我国的压力容器标准体系在大多数领域内都有与国 外标准相对应的标准,技术内容在总体上也达到了国际先进标准的水平。 为了使我国的压力容器产品能顺利进入国际市场,1984 年兰州石油化工机器厂首家取得 ASME 认证证 书后,全国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。 杭氧自 1992 年开始已制造了 40 多台 ASME 钢印产品,并已出口安装在美国、加拿大等发达国家,同时也制造了大量的 按 ASME 设计、制造、检验的压力容器产品(不打 ASME 钢印)。在杭氧刚开始设计、制造 ASME 产品时, 绝大多数人(包括设计、制造、检验和营销人员)对 ASME 规范不熟悉,由此产生一种畏难情绪,在一定程 度上影响了 ASME 产品市场的进一步开拓。经过近十年 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。根据杭氧的实践经验,现将我国的压力容器标准与 ASME 规范进行比较、分析, 以供有关人士参考。 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、球形储罐等。而 ASME 规范并不按容器类型分别制 定相应的标准,只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Ⅷ卷第一 分册,设计压力小于 70MPa 的选用 ASME 规范第Ⅷ卷第二分册,设计压力大于 70MPa 的选用 ASME 规范 第Ⅷ卷第三分册。两者主要压力容器标准的对应关系 2 标准制、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。相关行业标准是由各行业标准化委员会负责编制、修订工作,经国家经贸委各部门审批、 颁发。标准实施后,由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,经 BPVC 批准的规范 修订建议将提交美国国家标准协会(ANSl),并在美国《Mechanical Engineering 》上发表,以公开征询所 有关心此问题人士的意见,修订建议在规定的公开征询意见期满并经 ASME 最终批准后,在每年 12 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Ⅱ卷 A、B 两篇中的材料标准的修订外,次年的 7 月 1 日成为强制性的要求,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)和其他认可的国家机构或国际机构进行,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。 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人了安全系数,它比 测定得到的性能值低是考虑到:(1)应力评估方法的复杂程度;(2)一定程度的应力集中及其类型; (3)材料 一定程度的不均匀性;(4)几何因素; (5)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。 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型式和无损检测程度, 而与任何其他接头的无损检测 程度无关,即一台容器不同的接头可以使用不同的焊接接头系数,对 A、B、C、D 四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 GB 150 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 象作一比较,见表 3。 表 3 焊接接头系数对比 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、屈服强度和断裂强度三项来测定。测定弹性失效的三个通用理论是最大主应力理论、最 大剪应力理论和变形能理论。各国压力容器标准都应用了上述强度理论用于压力容器的设计,但具体的计 算公式却存在着差异。 现将我国 GB150 和 ASME 规范第Ⅷ卷第一分册有关受内压时的设计计算公式作一比 较,见表 4。 表 4 设计计算公式比较 6 外压圆筒加强圈的设置 加强圈可设置在容器的内部或外部,应整圈围绕在圆筒的圆周上,容器内部的构件如塔盘等,若设计成 起加强作用时,也可作加强圈用。加强圈与圆筒之间可采用连续或间接的焊接,当加强圈设置在容器外面 时,加强圈每侧间断焊接的总长度应不少于圆筒外圆周长的 1/2,当设置在容器里面时,应不少于圆筒内 周长的 1/3。对于上述加强圈设置准则,我国压力容器标准与 ASME 规范是一致的。ASME 规范中规定每 段填角焊缝的长度应不小于 51mm,相邻两段之间的最大净距为:外加强圈 8t,内加强圈 12t,t 为加强圈 连接外壳体的壁厚。在符合 ASME 规范的有关条件时还允许加强圈一侧填角焊缝为连续的焊接,另一侧为 间断焊的焊接,焊接段的长度应不小于 51mm,相邻两焊段间的最大净距应为 24t。而在我国压力容器标 准中,并未规定每段填角焊缝的长度,同时也未建议使用一侧连续焊,而另一侧为间断焊。 7 开孔和开孔尺寸 我国 GBl50 规定壳体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形,当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时,孔的 长径与短径之比应不大于 2.0,而 ASME 规范第Ⅷ卷第一分册则允许孔的长径与短径之比大于 2.0,但应增 强短径方向的补强以避免扭转力矩产生的过度变形,且形状不仅限于圆形、椭圆形和长圆形,但其所有转 角应具有适当的半径。同时两者在开孔尺寸的限制上存在着差异,见表 5。 表 5 开孔尺寸的限制对比 8 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Ⅸ卷在许多 方面的要求是一致的,但也存在一些差别,见表 6。

9 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《容规》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,凡属下列情况之一的每台压力容器应制 作产品焊接试板:

(1)移动式压力容器(批量生产的除外); (2)设计压力大于 10MPa 的压力容器; (3)现场组焊的球形储罐; (4)使用有色金属制造的中、高压容器或使用 σb 大于等于 540MPa 的高强度钢制造的压力容器; (5)异种钢(不同组别)焊接的压力容器; (6)设计图样上或用户要求按台制作产品焊接试板的压力容器; (7)GB 150 中规定应每台制作产品焊接试板的压力容器。 而 ASME 规范第Ⅷ卷第一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)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质、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。 (2)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,使用同样型式的设备,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。 10 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,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 GB 150 和 ASME 规范第Ⅷ卷第一分册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,见表 7。 11 焊接返修 我国 GBl50 规定焊接返修必须由持证焊工按评定合格的工艺进行,焊缝同一部位的返修次数不宜超过 两次,如超过两次,返修前均应经压力容器制造厂技术总负责人批准,返修次数、部位和返修情况应记人 容器的质量证明书。而 ASME 规范对同一部位的返修次数未作规定,但每次焊接返修前,其返修方法应经 授权检验师(AI)认可。 12 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。压力表的量程一般应在试验压力的 2 倍左右,但不应低于 1.5 倍和高于 4 倍的试 验压力。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 13 结 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很重要的作用。 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。

锅炉筒体强度采用 TRD 标准与 ASME 标准 计算方法的比较
李汝萍 1,乐亚表 2 (1.浙江省电力试验研究所,浙江杭州 310014; 2.浙江电力建设总公司,浙江宁波 315010) 摘 要:文章介绍了对引进机组中采用德国标准(TRD)与(ASME)标准, 进行受压元件强度校核的计算方法的比较。 关键词:锅炉;筒体强度;规范;计算;比较 温州龙湾燃机电厂的 2 台强制循环余热锅炉设备由比利时 CMI 公司引进。 CMI 公司余热锅炉受压元件的强度计算采用德国标准, 笔者对温州龙湾燃机余热锅炉 按 TRD 规范进行强度计算, 对采用德国标准 TRD 中遇到的实际问题作一介绍,并 同 ASME 标准作对比。 在余热锅炉的强度计算中,着重对受压筒体进行强度校核,如锅筒、除氧器 筒体进行校核,首先在不考虑开孔时,以德国标准 TRD 和 ASME 标准来比较,在 筒体减弱的情况下验证筒体壁厚计算的相同和不同之处。

1 筒体壁厚的计算
根据 TRD 标准 TRD301 中 5.3.3 条规定,筒体最小壁厚:

式中 di-筒体内径; P-设计压力; σ ZU1-筒体材料的许用应力; Va-筒体减弱系数; Sa-最小壁厚。 根据 ASME 标准 UG-27 中规定,筒体最小壁厚:

P—设计压力; R—所计算壳体内半径; S—最大许用应力; E—焊缝系数。 从计算公式中可看出,ASME 与 TRD 的计算较为相近,当筒体上无开孔时, ASME 与 TRD 主要取焊缝系数。而对于有管接头、开孔孔桥的补强,ASME 与 TRD 所取系数就不同了。ASME 取相应接头的焊缝系数,或是开孔削弱系数较小者。 而 TRD 的计算, 筒体的减弱系数计算较为复杂, 对焊接的管接头, 分为两种情况,

支管和筒体由相同材料制成、 支管和筒体由不同材料制成, 这在后面会详细介绍。

2 筒体开孔补强的计算
对于开孔补强的计算,无论是 ASME 还是 TRD 标准,都分为两种情况,依照 开孔的间距,分为单孔补强或孔桥补强。先看单孔补强时,两种标准的算法的区 别。 先看 TRD 的计算公式:

σ zu1-所计算筒体许用应力; σ z′u1-所计算管接头许用应力。 从公式中可以看出,德国标准中的开孔补强要考虑筒体、管接头的材料,当 筒体、管接头的材料不同时,按上述公式计算;当筒体、管接头的材料相同时, 上述公式可变形为:

再来看 ASME 标准中的算法:

以表 1 举例说明用 ASME 标准和德国 TRD 标准的对比。

3 计算方法的比较
在 TRD 计算时,开孔补强的减弱系数要考虑筒体,管接头的材料,材料的不 同,计算方法也不同,而在 ASME 的算法中,减弱系数主要取相应接头的焊接缝 系数。由 ASME 的计算公式可以看出,ASME 补强是先算出该强度条件下所需的最 小壁厚,实际取用壁厚去掉最小壁厚余下的壁厚,这一部分作为补强壁厚,计算 出补强的面积大于需补强的面积, 则该开孔补强合格。 而德国 TRD 的补强计算中, 是将整个壁厚用作补强面积, 须补强的面积为整个筒体的半径,算出的减弱系数 为整个筒体的,按此减弱系数算出的壁厚就是实际取用壁厚。值得注意的是,在

材料、锅炉参数等基本参数相同的情况下,按 ASME 标准算出的壁厚几乎比按德 国标准算出的大一倍。见图 3 所示。

壁厚的大小并不意识着设计的先进与落后。壁厚大则应力水平低,余量大, 即使有小的缺陷,对整个筒体影响不大的仍可继续使用;而壁厚小的,则对筒体 的材料,加工工艺要求很高。有些国家,历史上壁厚一直偏大,如大幅度减薄, 则必须对钢材规格、 加工工艺等作重新考虑, 加之钢材充足, 人工价格贵等原因, 并不急公式、安全系数在逐渐互相接近。

对于有孔桥的壁厚计算, 在节距不同的开孔公式、 安全系数在逐渐互相接近。 对于有孔桥的壁厚计算, 在节距不同的开孔中,以最大孔桥应力作为计算壁 厚的依据,对开孔区域必须考虑纵向、周向和斜向的孔桥状况,选取最小减弱系 数,计算出最小壁厚,和取用壁厚比较,是否满足强度要求,这在 ASME 和 TRD 的算法中类似。


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