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ASME与GB150的对照


ASME Ⅷ-1(2013)简要介绍
(和设计有关的问题) (并联系GB 150的异同点)

华东理工大学
丁伯民

2014.4.2-4,杭州
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各国压力容器标准体系
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主要是三大体系,ASME,EN

13445和г о с т 。 ASME系统:亚太、北美地区,GB 150、JB 4732和JIS标准主要参照ASME规范。 EN 13445系统:欧洲大陆地区,主要参照BS 5500 (现改为PD 5500),CODAP和AD规范。 г о с т 系统:俄罗斯及原东欧国家,现国内很少关心。 20世纪末欧共体提出PED(承压设备指令)并统一成EN 13445后,形成欧美体系的竞争, 所以ASME(特别是Ⅷ-2)和EN有相互靠近的趋势。

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ASME规范体系
是美国机械工程师学会(ASME)的行业标准,只有在地方政府的安全监察部门以法律形 式认可情况下才能成为法定控制产品质量的技术法规。未提及容器分类。 ASME规范的卷、版本、增补、条款解释、规范案例。 ASME锅炉及压力容器规范共12卷,包括锅炉、压力容器(移动式和固定式)、核容器、 各种材料、无损检测、焊接和钎接评定等,一切锅炉和压力容器的建造(包括材料、设 计、制造、检验、试验、检查、认证和泄压等)工作,都可以在ASME规范范围内解决 。 本世纪起陆续补充了建造后的指导性规则,如PCC-1、2和3等(Post Construction Committee,PCC),即不仅要符合建造规则,还要遵守装配、修复等规则,以保证安 全使用。

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ASME Ⅷ压力容器规范体系(1)
ASME Ⅷ压力容器規范是压力容器的建造規则。 規范制定了强制性要求、特殊禁用規定以及非强制性指南。 是包括多种制造方法、多种材料容器的建造规则。 ASME Ⅷ-1、Ⅷ-2是包括立式或卧式容器、换热器、膨胀节等在内各种压力容器的建造 规则。 Ⅷ-1、Ⅷ-2、Ⅷ-3共三册各适用于不同的对象。 关于计算机和有限元的使用,设计用线算图和拟合曲线。 GB 150、JB 4732实际上主要引自ASME Ⅷ-1和Ⅷ-2,但由于各种原因(国内具体情况, 技术政策,也包括某些误引和漏引)而造成某些区别。

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ASME Ⅷ压力容器规范体系(2)
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ASME Ⅷ-1适用于所设计容器的压力不超过20MPa的固定式压力容器,但符合规范相应 要求的任何压力容器,可以打ASME U钢印。 ASME Ⅷ-2也适用于固定式压力容器,其規则没有規定的压力范围(但一般为70MPa), 但并不包括所有的结构型式。对极高的压力,可能需要作出某些补充,容器仍能满足 规范一切要求后,可以打规范钢印。 ASME Ⅷ-3适用于通常超过70MPa的金属固定式压力容器。但既不旨在規定Ⅷ-1或Ⅷ-2 的压力上限,也不旨在規定Ⅷ-3的压力下限。 规范案例2695对Ⅷ-1的元件如采用Ⅷ-2第4篇设计时的各有关要求作了规定。 各册都适用于疲劳分析容器,但未涉及达到蠕变温度的疲劳分析容器。

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ASME Ⅷ压力容器规范体系(3)
用户、制造厂、AI三方,用户提交用户设计说明书给制造厂(responsibilities,责 任)13年版增加了非强制性附录NN:对用户及其指定代理人责任的指导。

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制造厂(或委讬其它单位)提出设计计算书,施工图,制造完成后提出制造厂数据报告、 制造厂建造记录和竣工图并在容器上盖钢印等,对容器因质量而可能引起的后果承担责 任(responsibilities,责任)。
由保险公司聘用的AI跟踪各环节,对用户设计说明书、制造厂设计报告、制造厂数据报 告等予以证明,并在各制造环节中实施检验。对容器因质量而可能引起的后果不承担任 何法律责任(duties,任务)。 设计不需取证。见U-2节,Ⅷ-2的2.1节规定得更详细、具体。

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ASME
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Ⅷ压力容器规范体系(4)

前言:强制性要求必须不折不扣地执行,特殊禁用规定必须不折不扣地禁用(如禁 用的角接接头),规范没有提及建造工作的所有方面,对于没有提及的方面,不宜 认为它是被禁用的。非强制性指南则仅供参考。 当规范公式是强制性时,应按规范公式计算,规范既不要求、也不禁止使用计算机 对按规范建造的部件进行分析或设计。但设计师要对程序中固有的一切技术上的假 定负责,且要对设计上使用这些程序负责。 规范的规则不能理解为对任何一种专利或特定设计的批准、推荐或认可,也不能 理解为以任何形式限制制造厂自行选择符合规范规则的任何设计方法或任何结构型 式(新GB 150基本上增加了这一前言内容)。

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GB 150的体系(1)
含GB 151,JB 4732等
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以《压力容器安全技术监察规程》为框架的具体执行标准(现改为《简单压力 容器安全技术监察规程》、《固定式压力容器安全技术监察规程》),按容器 的潛在危险程度分为三类(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类)。 还涉及一系列其它标准:GB 151,JB 4732,GB 16749,JB/T 4710,JB/T 4731, JB/T 4735和铝制、钛制、铜制、镍和镍合金制容器等,并和钢制压力容器焊 接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、承压设备无损检测等标准配套使用。 2009年8月31日公布的新容规于2010年11月5日公布了28处修改。

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GB 150的体系(2)
含GB 151,JB 4732等
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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(红色的在第1号修改单已删除):

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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。
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 歧意) 第一组介质似宜表示为“毒性程度为极度危害、高度危害或易爆的化学介质和液 化气体”。或删去第一组中的“液化气体”字样。

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GB 150的体系(3)
含GB 151,JB 4732等

第二组介质的容器分类

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GB 150的体系(4)
含GB 151,JB 4732等
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不定期出版和修改(新GB150虽改为压力容器,取消钢制二字,但实际上涉及钢制以 外的容器还要按照其它引用标准)。 设计、制造都作为独立方,应分别取证,都应接受特种设备安全监察机构的监察。

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用户或设计委讬方向设计单位提出设计条件。
原GB 150明确要求疲劳分析的容器不属于该标准的范围,意指凡涉及疲劳设计时都 要按JB 4732,应另行取证,且按规定,应满足该标准所涉及的所有失效方式,现改 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)。

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ASME Ⅷ概况
建造规范(包括材料、设计、制造、检验、试验、认证和泄压在内的全面考虑 ) (GB 150 在引言中基本上增加了前言的这一内容,但未列入材料),现包括英制和公制。 Ⅷ-1 Ⅷ-2 Ⅷ-3
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1914~2013 1968~2013

压力容器建造规则 ASME

U证

压力容器建造另一规则 ASME U2证

1997~2013 高压容器建造另一规则 ASME U3证

2013年起,2年一个版本,同时出版至该年有效的规范案例,半年一个条款解释(1月 和7月),在PTB-4-2013“ASME Section VIII - Division 1 Example Problem Manual”中列出了实例。

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ASME Ⅷ-1特点和主要内容
引言 U 适用范围和总则 ● A分卷 通用要求,是适用于全册的要求 材料 UG-4~UG-15 元件设计 UG-16~UG-35 UG

(1)

开孔和其它 制造 检测和试验 标志和报告 超压保护

UG-36~UG-55 UG-75~UG-85 UG-90~UG-103 UG-115~UG-120 UG-125~UG-140

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ASME Ⅷ-1特点和主要内容

B分卷 与制造方法有关的要求 UW,UF,UB

(2)

● C 分卷 与各类材料有关的要求 UCS ,UNF ,UHA , UCI ,UCL ,UCD , UHT,ULW,ULT,UHX,UIG 多少年来,各版修改时其章节号从不改变,内容上也只是增加,少有修改, 更无反复。
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和国内标准的编写习惯略有不同。一个主题要涉及多个章节,使用规范时, 应查阅和该主题相关的全部条款。如低温防脆断、焊接接头系数、开孔和焊 缝的相遇或相邻、对焊接钢管许用应力规定和相关内容、不需补强开孔直径 的规定、带折边锥壳折边段的厚度计算等,执行中如稍有疏忽,会引起问题。

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ASME Ⅷ-1特点和主要内容
强制性附录 38个(13版增加到42个) ,以数字排序 ●非强制性附录 25个(13版增加到26个) ,以字母排序 ●和压力容器设计相关的卷 Ⅱ卷 材料

(3)

A篇 铁基材料, B篇 非铁基材料, C篇 性能(英制、公制) Ⅴ卷 无损检测 Ⅸ卷 焊接和钎焊评定

焊条、焊丝及填充金属材料, D篇

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我国标准的主要特点和主要内容
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新版GB 150《压力容器》在编排格式上参照EN 13445和ASME Ⅷ-2,划分为通用要求, 材料,设计,制造、检验和验收等4个部分,虽取消了“钢制”二字,实际上还是钢 制。 本版编排格式和章节都大变,很难对照本版相对于旧版的修改内容,且修改内容往 往有反复,在标准释义中也难以查找,个别修改在释义中却表示为并无修改。

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ASME Ⅷ-1(~2013版)主要修改
(和设计有关的内容)(1)
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设计方面总体上无多大改变,仅一些具体内容有修改。 删除所有计算举例,所有例子都列在ASME PTB-4(ASME Ⅷ-1,Example Problem Manual中[UG-16(f)节]。 将所有脚注都统一编号,全部列在规范的最后部分。 标题的编码分得更清晰,如原写UW-11(a)(5)(b),现改为UW-11(a)(5)(-b)。

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ASME Ⅷ-1(~2013版)主要修改
(和设计有关的内容)(2)
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对焊缝热影响区的冲击试验的取样和要求规定得更详细(图UG-84.5,表UG-84.6)。 对内压和外压无折边锥壳大、小端和圆筒连接处的加强设计根据和锥壳相连圆筒的长 度大小作了修改。 对各类换热器设计所用的载荷情况,按设计载荷情况和操作载荷情况分别列表表示, 并根据用户规定是否可用压差设计然后由设计人员选定。 增加4个强制性附录,为:沉浸式电加热器元件的支承板,扩散法连接,压力容器及 元件规范版本和案例的制定和管理,奧氏体不锈钢压力容器的冷态强化。 钢印标志由原来的相应U改为ASME,并带有相应U。

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ASME Ⅷ-1(~2013版)主要修改
(和设计有关的内容)(3)
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许用的碳钢和低合金钢有修改和补充,如SA/GB 6654 16MnR改为SA/GB 713 Q345R,并补充了SA/EN材料。 对承压件冷成形后的热处理规定,按材料种类有较多修改(UG-79,UCS-79)。 对要否采取防止低温脆断的判断图形中,将原名义(公称)厚度改为控制厚度。 对外压容器设计中支撑线示意图注(1)中的名义(公称)厚度改为所需要厚度。 对强制性附录26中U形加强型和Ω 形膨胀节有较多细节修改。 增加非强制性附录NN,对用户及其指定代理人责任的指导。 将附录16“向锅炉及压力容器委员会提交技术咨询书的方式”已移到“前言” 之后。

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设计参数和有关的问题(1)

所考虑的失效准则和强度理论 弹性,弹-塑性,塑性,安定性,稳定性(线性弹性,非线性弹性,塑性),膨 胀节部分也包括疲劳,Ⅷ-1采用最大主应力理论,Ⅷ-2则为第三和第四强度 理论。 ● 设计压力(独立容器各元件,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。 ● 腐蚀裕量,材料壁厚负偏差及制造减薄量 UG-25,UG-16,UG-32注18。

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设计参数和有关的问题(2)
●压力试验
UG-99,100,气压试验时的注意点(UW-50)。 目的:选材正确、结构合理、计算可靠、按规范要求检验合格 (包括无损检测和形状允 差检验 ) 的容器,按理说在正常运行中能够保证安全,但检验合格只说明不再存在不 合格的缺陷,但可能存在规范认为合格的缺陷,在正常运行中、特别是在交变载荷作 用下会引起事故。实践已说明,在压力试验时爆裂事故偶有发生,所以在运行前对完 工容器各元件的超压(超过设计应力水平的应力)试验是检验容器宏观强度、焊缝的致

密性、密封件密封性的极为有效的必不可少的手段。如果有可能爆裂,也尽可能让它
发生在压力试验时而予报废。且能改善其防脆断性能[UG-20(f)]。(由GB 150相应问 题集的1-26,对压力试验目的可能否有不同理解)
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设计参数和有关的问题(3)
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试验压力: 总比元件的设计压力为高,可以由最大允许用工作压力,设计压 力,计算求得的试验压力的三者之一为基准并按一定倍数,一、三者都指成 品容器。 最大许用工作压力(MAWP):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各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(一般取设计温度)时 许用应力容器顶部的最大许用工作压力,此值和MDMT一起标志在铭牌上。 UG-98,附录3-2。 计算求得的试验压力:和最大许用工作压力的区别仅在于采用包括腐蚀裕量在 内的公称厚度,并采用常温时的许用应力计算,此值仅在试验时用。

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设计参数和有关的问题(4)
独立容器:内压 PT=1.3PS/ST (不包括螺栓及原理分析) 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

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组合容器举例

设P2 >P1
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设计参数和有关的问题(5)

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试验温度:高温容器不便在高温、而只能在常温时试压(按高温设计所得厚度必较按常温 设计为厚)。为使常温试压时各元件的超应力倍数能达到规定值(1.3倍),所以就提高常 温试压时的试验压力,其值和S/ST成正比。 各元件材料的S/ST值不同,如取S/ST值为元件中之最大者,该元件在常温试压时刚好达 到1.3倍,其它元件则超过1.3倍;如取S/ST值为元件中之最小者,则该元件在常温试压时 刚好达到1.3倍,其它元件则不到1.3倍。 材料在设计温度时的许用应力ST是由强度极限、屈服强度、持久强度、蠕变极限等4个强 度参数并引入相应的安全系数后并取各值的最小者作为最终的许用应力,并非仅由屈服强 度一者确定。螺栓以屈服强度为基准的安全系数大于钢材,但二者以持久强度为基准安全
系数则相同。

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设计参数和有关的问题(6)
在常温时,由于许用应力决定于屈服强度或强度极限,所以当材料相似时,螺栓许用 应力必小于钢材;但在高温时,许用应力决定于持久强度或蠕变极限,所以二者的许 用应力差别不大 ,导致在高温时螺栓的S/ST值较钢材为小。如取S/ST最小值时包括螺 栓,则其它元件达不到1.3倍,如不包括螺栓而由S/ST值较高的其它元件决定,则在试 压时螺栓应力超过1.3倍,但不会屈服。 除螺栓外各承压件材料的S/ST区别不大,如取承压件中的最小者确定,则其它件可能 略低于1.3倍,但差别不多。 可见规范对螺栓安全系数、试验压力的规定中不包括螺栓在内,和法兰螺栓设计和装 配措施等都是配套规定的。

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设计参数和有关的问题(8)
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组合容器(不按独立容器设计时)的公用元件: Δ P<max(P1,P2),即P1、P2同号时[UG-99(e)(2)]: 如P1>P2,或虽然P2>P1,但并未达2倍以上,则先内筒 PT=1.3︱(P1P2)︱S/ST 焊夹套后再两侧同时 P1侧:PT=1.3P1S/ST P2侧:PT=1.3P2S/ST 如P2较P1大2倍以上,可在内筒先按PT=1.3P1S/ST试验,合格后再焊夹套,并 按上述步骤和试验压力对夹套进行试验,合格后再两容器同时试验。 此时要控制两室压差不超过内筒或夹套的试验压力值。

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设计参数和有关的问题(9)

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Δ P>max(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) 焊夹套后再夹套 PT=max[1.3P2S/ST,(P2-P1)S/ST] 比值S/ST为构成该容器各元件(10版:一般情况下不包括螺栓,Ⅷ-2和EN 13445 都明确不包括)中的最小值。如在试压时密封件的泄漏,可再拧紧螺栓,如在操 作时泄漏,一般是再拧紧螺栓,有时拧一次或在长时间间隔内拧几次,就足以 消除泄漏。螺栓应力可以在设计应力值以上相当大的范围内变化,其设计应力 值是一个考虑了防止屈服因素的保守值(可见附录S、ASME PCC-1,螺栓连接法 兰的安装指南)(Post Construction Committee ,PCC) [13版对承压焊缝在试 验前油漆或涂层有详细规定,UG-99(k)节]

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设计参数和有关的问题(10)
除了以屈服强度确定螺栓许用应力的安全系数小于1.44以外(经換算而得),在构成容器 材料的最小应力比值中不包括螺栓,也就是绝大多数情况下不包括螺栓。 上述压力试验的规定是规范要求的最小值,可协商后由计算得的试验压力试验(即由不 扣除腐蚀裕量、常温的许用应力、不包括压力以外的其它载荷计算所得的MAWP)。 规范不规定液压试验的试验压力上限,但当超过规定值使容器出现明显的塑性变形 (permanent distortion)时,检验师有权拒收(ASME Ⅷ-2为另一规则,安全系数低,考 虑失效模式更多更细,应理解为按Ⅷ-2册设计者在压力试验时要限制各元件应力水平)。 试验温度至少应保持在MDMT以上17℃,但无需超过48℃。

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设计系数和有关的问题

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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 Ⅷ-1在二次大战时将nb由5调为4以后对试验压力由2调为1.5,至1999年nb又由4调 为3.5后对试验压力又由1.5调为1.3;对低应力水平免做冲击试验温度的可予降低,1999 年nb由4调为3.5后,低应力水平由0.4降为0.35;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10%、16%和21%。 ASMEⅧ-2新版由nb=3.0调为nb=2.4,其试验压力、试验压力的上限、无损检测要求以及 防脆断措施都相应调整。

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GB 150的相关内容
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内压容器,外压容器和真空容器,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(新版已改:外压容器,例如液下容器,埋地容器和真 空容器)。 容规提及设计图纸上和铭牌上的2种MAWP,前者指用于超压泄放装置的动作压 力,后者指打在铭牌上的压力,似并无必要。 明确-20℃以下(不再包括-20℃了)操作的碳钢和低合金钢容器是低温容器,196℃以下操作的奥氏体不锈钢容器是低温容器。 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 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10%、16%和21%)和冲击功合格要求作了调整(但低于GB 713标 准-2008和2012修改单规定的值)。

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GB 150 压力试验(1)
内压、外压、真空容器,外压容器和真空容器以内压进行试验,多腔容器未规 定各室的试验压力值(新版补充每个压力室的试验压力按其设计压力确定,因 标准规定试验压力按设计压力而不是按计算压力确定,导致未考虑按压差设计 公用元件的超压试验考验)。 内压容器: PT=1.25P〔σ 〕/〔σ 〕t,其中,〔σ 〕/〔σ 〕t应取各元件材料 的比值中最小者(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等),新版对〔σ 〕t更规 定了注3,并用粗线标出(新容规不包括紧固件,但GB 150仍保留)。 外压容器和真空容器:PT=1.25P。 新版改为:如试验压力超过规定值,则要求试验前校核各受压元件应力,例如 对壳体元件为Pm,以不超过0.9倍屈服强度为满足。

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GB 150 压力试验(2)
内容器常压,夹套(0.8MPa) ,原GB 150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。 如内容器为真空,夹套为0.2MPa,则内容器带夹套部分设计外压为0.3MPa。内容器按真 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。

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原GB 150称为外压容器或多腔容器
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GB 150 压力试验(3)
PT=1.25P[σ ]/[σ ]t中的[σ ]/[σ ]t包括螺栓、且应取粗线左侧 的最小值所引起的问题: 某容器t=400℃(都在粗线以左),圆筒和 封头δ =62mm,材料Q345R,[σ ]=181MPa, [σ ]t=110MPa;螺栓直 径24mm,材料35CrMoA, [σ ]=228MPa,[σ ]t=170MPa。应按螺栓 确定试验压力。 PT=1.25P[σ ]/[σ ]t=1.25P×228/170=1.68P,对螺栓,试验时应 力水平为1.68×170/228=1.25倍;对圆筒,则仅为1.68×110/181 =1.02倍,未达到要求提高25%考验之目的,压力试验形同虚设。 如按ASME Ⅷ-1不包括螺栓,则PT=1.25P×181/110 =2.06P,圆筒 应力水平为2.06×110/181=1.25倍,刚好达考验目的。螺栓为 2.06×170/228=1.54倍,因螺栓ns可达2.7~ 3.5(但可能引起泄 漏,可上紧螺栓),故不会屈服。
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GB 150 压力试验(4)
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某容器t=475℃(温度更高,都在粗线以右),圆筒和封头δ =62mm, 材料Q345R,[σ ]=181MPa, [σ ]t1=43MPa, [σ ]t2=110MPa;螺 栓直径24mm,材料35CrMoA,[σ ]=228MPa,[σ ]t1=111MPa [σ ]t2 =162MPa 。应按螺栓确定试验压力。PT=1.25P[σ ]/ [σ ]t2 =1.25P×228/162=1.76P,此时螺栓试验时应力水平为 1.76×111/228=0.86倍,并未达到规定的考验目的;对圆筒,试 验时应力水平为1.76×43/181 =0.42倍,未达到设计应力水平, 更未达到1.25倍设计应力水平考验之目的,压力试验形同虚设。 如按ASME Ⅷ-1,比值[σ ]/ [σ ]t1不包括螺栓,则PT= 1.25P×181/43=5.26P,对圆筒,试验时应力水平 5.26×43/181=1.25倍,对螺栓,5.26×111/228=2.56倍,但其 ns=2.7~ 3.5 ,无问题。 新GB 150的这一修改,不仅因包括螺栓在内而引起问题,更由于 对[σ ]t改为应取粗线左侧的最小值而引起问题。 37

GB 150 压力试验(5)
GB 150在这些内容上主要参考ASME Ⅷ-1,但可能存在误解而未全面

考虑。
主管领导一直担心在压力试验时因超压而使螺栓应力过高导致密封面 泄漏,全未考虑确定螺栓许用应力时已配套考虑了这一超应力因素而将螺栓 的安全系数远高于其它元件的对应值(可见附录S、ASME PCC-1) 。此外,对 法兰设计中的刚度校核要求未配套引进,也许是对某些法兰在超压试验时导 致泄漏的可能原因。

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焊接接头分类
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(1)

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分类目的:确定焊缝结构型式,探伤程度,焊接接头系数。 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 (1~8型,包括搭接接头)(表UW-12)。

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焊接接头分类(2)
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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α 是否小于30°而属对接或角接接头,但都属B 类)。

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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)。

40

焊接接头分类

(3)

41

焊接接头分类
? ? ? ?

(4)

A、B类除个别者外(如锥壳对圆筒的连接)都是对接或搭接。 C、D类可以是对接(搭接)或角接,所以对C、D类应写明是对接还是角接。 封闭旋压孔的对接焊缝不分类,也不计及接头系数(UW-34)。 附录5膨胀节上的角接接头、附录9夹套封闭件至壳体的焊缝以及附录26膨胀 节对壳体的连接焊缝并未按分类标识予以规定(2011a)。

42

GB 150焊接接头分类(1)
参照A、B、C、D名词,但不同(实际上按对接或角接、即RT、UT或MT、PT划分,并经 调整,未引用ASME的“接头在容器上的位置而不是接头型式”,在其释义中却表示 考虑了接头在容器上的位置和受力特点、以及接头型式和结构特点。

43

GB 150焊接接头分类(2)
? ? ? ?

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以下系解读得出: 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。 旧版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)。

44

GB 150焊接接头分类(3)
?

新版增加E类接头,未提及倾角错绕板容器的接头分类。

GB 150未加注,并未视半顶角 α 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。

图中板和壳的连接都划为C类 但在条文中却对对接划为B类, 对角接划为C类
45

焊接接头使用限制举例
(UW-2)
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充装致死物料时,除換热管等外,所有A类应为(1)型,所有B类或C类对接应为 (1)型或(2)型。 当UCS篇材料容器在UCS-68指定的温度下运行、且应力比大于0.35(即要求作冲 击试验时)或UHA篇材料要求作冲击试验时,所有A类应为(1)型,所有B类应为(1) 型或(2)型,所有C类、D类应为贯穿整个接头截面的全焊透(对接或角接)

46

焊接接头的检测要求举例(1)

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全部射线检测: UW-11(a):储存致死物料容器的所有对接焊缝,公称厚度超过 38mm的所有对接焊缝,按表UW-12中(a)栏(即全部检测)选用焊接接头系数的A类 和D类对接焊缝,气压试验容器围绕开孔的全部焊缝,所有连接焊缝(应理解为 包括对接和角接),包括非受压件与受压件的连接焊缝,其角焊缝厚度大于6mm 时,其全长应予检测 (当为角焊缝时则为全部磁粉或液体渗透检测)(UW-50)。 抽样射线检测:除UW-11(a)(5)(b)要求者外,按表UW-12中(b)栏(即抽样检测) 选用焊接接头系数的A类和D类对接焊缝 (每一容器中每15m或其余不足15m者作 一处检测),由AI选定 (UW-52),是有助于焊接质量控制的手段。 不作射线检测:仅按外压设计或按表UW-12中(c)栏(即不作检测)选用焊接接头系 数的A类和D类对接焊缝。

47

焊接接头检测要求举例(2)
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射线或超声波检测:某些方法焊接的焊缝[UW-11(d)、(e)、(f)]按超声波 检测,容器使最终封闭焊缝无法进行射线检测时,可以超声波检测代替, 缺少适当的射线检测设备而用超声波检测是不允许的[UW-11(a)(7)]。 Code Case 2235规定了允许用UT代替RT的条件,也可见ASME Ⅷ-2, 7.5.5节。 规范标志:全部射线检测者,标志为RT1;如A类接头拟取为1.0,因而对 和A类相交的B类或C类对接接头作抽样检测者,标志为RT2;抽样射线检 测者,标志为RT3;只有容器的部分接头满足规范要求的检测规定,或标 志RT1、RT2、RT3都不合适时,标志为RT4[UG-116(e)]。

48

焊接接头检测要求举例
GB 150
(1)
全部射线或超声检测(指A、B类):钢材厚度超过一定值者,气压试验者,焊接接头系 数为1.0的容器,盛装极度或高度危害介质者,多层包扎容器内筒的纵缝,套合容器 各层的纵缝等(不包括多层包扎容器各层板的纵缝)。 局部射线或超声检测(指A、B类):除规定全部检测外的接头,但以下部位应全部检测: 焊缝交叉部位,先拼板后成形凸形封头上的所有接头,被补强圈、支座、垫板、内件 等覆盖的接头,以开孔中心为圆心,1.5倍(新标准改为对不另行补强的开孔,1倍)开 孔直径为半径的圆中所包容的接头,嵌入式接管与圆筒或封头的对接接头等。检测长 度不少于各接头长度的20%,且不小于250mm。 除个别者外不允许不作检测。

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?

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49

焊接接头检测要求举例
GB 150
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(2)

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磁粉或渗透检测(指C、D类):基本同要求100%射线和超声检测,但对材料强 度较高多层包扎容器各层板的纵缝、堆焊表面、复合钢板复合层的接头等 也要求100%检测,未提及气压试验容器中角接接头的检测要求。 未提及射线或超声检测的规定,但《原容规》第86条有规定,倾向性意见 是,尽量采用射线检测(因新增了可记录的超声检测TOFD—延射时差法,新 容规4.5.3.1条取消了99版容规中关于“壁厚小于等于38mm时,其对接接头 应采用射线检测”的规定,不再重射线轻超声)。 《原容规》第85条(新容规4.5.3.2.2条)还补充了要求全部射线或超声检测 的对接接头。

50

焊接接头系数的选用(1)
? ?

?

用于设计公式中的(承受最大主应力的对接、搭接)接头,由接头结构型式、 探伤程度按表UW-12查取。当为铸件时要引入质量系数(UG-24)。 对按表UW-12(a)栏(即100%检测者)查取E值的A类和D类对接接头[包括无缝管, 相当于带(1)型焊缝并100%检测者, UW-12(d)],要求:连接容器筒节或封头 的A类和B类焊缝应是(1)型或(2)型;与容器A类焊缝相交的B类或C类对接焊缝 至少要抽样检测(注意:此抽样检测不能用来满足任何其它焊缝递增量的抽样 检测规则)[还包括UW-9(d)和UW-14(b)的抽样也不能用来满足任何其它焊缝递 增量的抽样检测规则],如不满足,则只能按表UW-12(b)栏查取[UW-11(a)(5)] [是指拟用a栏查取E值者,不包括在许用应力中已引入0.85的焊接管。此类焊 管按无缝管完全同样的方法确定接头系数,UW-12(e)],所以无缝管的系数要 取1.0、焊接管的系数要取0.85是有条件的。 承受压缩应力时,取E=1.0。

51

此处“C类焊缝” 系“C类对接焊 缝”之误译

52

焊接接头系数的选用(2)
圆筒形和锥形壳体 是 UW-11(a)(1),(2),(3) 1型 E=1.0 2型 E=0.9 A,B,C和D类对接焊缝 是 无缝段 否 强制性全部RT UW-11(a) 否

选择RT B类和C类对接焊缝

A类和D类对接焊缝 UW-11(a)(5)选择全部RT

抽样RT UW-11(b) 表UW-12(b)栏

不RT UW-11? 表UW-11(c)栏

全部RT

抽样RT UW-11(a)(5)(b)

不RT

C类角接接头

A类 1型 E=1.0 2型 E=0.9

A类 1型 E=1.0 2型 E=0.9

A类 1型 E=0.85 2型 E=0.80

A类 1型 E=1.0 2型 E=0.90 3,4,5或6型 E=0.85 C类 7型 E=1.0

B和 C类 1型 E=1.0 2型 E=0.9

B和C类 1型 E=0.85 2型 E=0.80

B和C类 1型 E=0.70 2型 E=0.65

此处无缝段包括有缝(1型)并100%检测者

53

焊接接头系数的选用
GB 150
双面焊对接、或相当于双面焊的全焊透对接(指用氩弧焊打底的单面焊)接头。 100%检测:1.0,局部检测:0.85 单面焊对接接头(有金属垫板) 100%检测:0.9,局部检测:0.8 局部检测是指每条焊缝长度的20%,且不少于250mm。 未提及受压缩应力时的取值。 对焊接接头系数为1.0容器的所有A和B类接头(新标准按容规4.5.3.2.2新增), 应100%射线或超声检测(B类应视是否承受最大主应力,否则似无必要100%检 测,局部检测即可,此外,φ =0.9者恐也应包括)(.4,10.3.1)

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?

?

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54

角接接头结构和强度校核
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?

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开孔接管的角接接头结构以图形及详细尺寸的方式规定,凡全焊透者不 必作强度校核,非全焊透者应对各强度途径进行校核(图UW-16.1起, UG-41)。 凡不符合图形及规定尺寸者(包括接管处或其它受压件处),其填角焊缝 强度需予校核[UW-18(d)]。 规定对某些角接接头(如低温操作,气压试验等容器)应作MT或PT检测 [UCS-68(b)(2),UW-50]。

55

角接接头结构和强度校核
GB 150
?

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在.3附录D中参照ASME Ⅷ-1列出了焊接结构,但未提及如未按这些结构尺寸时要 否校核,如何校核。 对气压试验容器的对接接头,都求100%检测,对角接接头(即C、D类),未规定作 任何检测。 《原容规》第52条仅规定在对角焊缝进行强度验算后,应将强度验算结果列入技 术文件,但未提及如何验算(新容规未列入此内容)。

56

材料(1)
适用范围 UG-4,碳钢和低合金钢:UG-23(c) ,UCS-5 受压元件材料应是各分册相应规定者。 因包括铸铁,故在涉及塑性失效准则时应予注意(例如法兰等)。 含碳量超过0.35%的碳钢和低合金钢不得用于焊接结构或采用氧气切割下料。 安全系数和许用应力 Ⅱ卷D篇 nb=3.5,ns=1.5, , 螺栓:ns≥2.5, , 焊管许用应力中已引入焊接接头系数 0.85(UG-53i),在内压壁厚设计、排孔 削弱系数设计以及焊接管上开孔设计时应予注意。

0.8S R min 1.0 SC

0.8S R min 1.0SC

57

材料(2)
? ? ? ?

? ? ?

关于16MnR(Q345R): 规范案例2506、2642允许在同时满足下列条件时采用我国GB 6654 16MnR(Q345R)制 造ASME Ⅷ-1的容器: (1)许用应力仅为我国规定值的85%(按新GB 150仅72%-77%),并降低高温的上限。 (2)只能用于内压元件,不只能用于外压元件[Code Case2642已规定能用,按 No.CS-2的线算图(即Sy>207MPa的材料,而不是GB 150的Q345R材料)]。 (3)应进行单独的焊接工艺和焊工技能评定。 (4)考虑焊后热处理时,应视作为P-No.1材料。 (5)考虑低温冲击试验要求时,应视为曲线A的材料。

58

材料(3)
? ? ?

(6) 按板厚40mm划界,超过者要求以正火状态供货。 (7) 应满足ASME Ⅷ-1中UCS篇的其它一切要求。 (8) 应在制造厂数据报告中列出本案例号。

59

低温操作和防脆断措施(1)
进展及总体思想 : 除各材料标准为防止脆性断裂而规定了 ( 由钢厂所作 )CVN 值 外,对低温操作(由容器制造厂所作)还另有要求[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温脆断,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。 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温脆断相联系,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。

60

低温操作和防脆断措施(2)

冲击功的示意
61

低温操作和防脆断措施(3)
文献列举了在 1954 至1984 年间容器在 4 ℃~25 ℃进行液压试验时发生十 多起脆性断裂的典型事故。 89年起采用断裂力学原理判断,以元件所受应力水平 σ (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(Ⅷ-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)。 规范系指对容器各个元件逐一判别并采取防脆断措施,而不是泛指整个容 器。

62

低温操作和防脆断措施

(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,由 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, K? ? ? ? a ? K ?C 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)。

63

低温操作和防脆断措施
? ?

(5)

?

焊接工艺评定中焊缝金属和热影响区的冲击试验[UCS-67(a)~(d)] (1)对于采用填充金属制造的焊缝,当有以下情况时应采用按照UG-84作冲 击试验的经评定的焊接工艺进行焊接:连接母材之一按规范规定要求作冲击 试验者;当任何单个焊道厚度>大于13mm、且MDMT低于21℃时,等等。 (2)无填充金属的焊缝,在下列情况下焊缝应做冲击试验:连接母材之一按 规范规定要求作冲击试验者;焊缝处的厚度>13mm时;或焊缝处的厚度>8mm, 且当MDMT<10℃时,等等。

64

低温操作和防脆断措施

(6)

所有材料划分为A、B、C、D四根曲线,13版材料标准号小有修改

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低温操作和防脆断措施
? ?

(7)

?
?

?

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。 KⅠC值和CVN值的数量关系(可见ASME Ⅷ-3附录D-600),形式上仍用在MDMT时 的CVN值。 判别温度的调整 (1)低应力状态的调低(图UCS-66.1),(2)(13版)对承压焊缝,P-No.1材料采 用了规范规定以外的焊后热处理的调低UCS-68(c),(3)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。

66

低温操作和防脆断措施
? ?

(8)

? ?

除非按判别图判别明确可予免除,否则,最小屈服强度大于450MPa的材料必 须作冲击试验[UCS-66(f)]。 按材料技术条件由材料制造厂做过冲击试验的材料[指列于图UG-84.1注(c)的 材料],只要MDMT不低于材料技术条件规定的温度、或低于材料技术条件规定 的温度不超过5?F(3?C),容器或部件制造厂不必再进行冲击试验[UCS66(g)]。 冲击试验温度的调整 (1)可以做标准尺寸试样而因故做了小尺寸试样时冲击试验温度的调低(表 UG-84.2),(2)静载荷和动载荷对低强度钢因KⅠC值区别,使用时为慢加载而 却用快加载试验,导致不能体现慢加载所表现的较好抗脆断性能,为补偿而 将冲击试验温度的调高(表UG-84.4)。

67

低温操作和防脆断措施
试样厚度(mm) 温度降低(℃) 10 0 9 0 8 0 7.5 3 7 4 6.7 6 6 8 5 11 4 17 3.3

(9)

故意作小试样时冲击试验温度的调低(表UG-84.2)
3 2.5 28

19 22

某些中低强度钢冲击试验温度的调高(表UG-84.3)
最低规定屈服强度(MPa) 温度调高(℃)

≤280
≤380 >380

6
3 0
68

低温操作和防脆断措施

(10)

低应力状态判别温度的调低

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低温操作和防脆断措施
? ? ?

(11)

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?

应力水平的表示方法: (1)元件所需要的厚度对有效厚度之比trE/(tn-c)。 (2)如确定元件厚度的最大一次总体薄膜应力能直接求得者,如内压圆筒,为 该元件的最大一次总体薄膜应力与其材料在设计温度下许用应力之比。 (3)如法兰等,用设计条件的MDMT时元件最大设计压力对标志在铭牌上MDMT时 元件最大许用压力MAP之比表示。 (4)不承受总体一次薄膜应力的元件,例如平封头、管板等,和法兰相同,也 用元件最大设计压力对MAP之比表示,此时其MAP的定义是:以该元件的有效 厚度并取在铭牌上许用温度时的许用应力代入设计公式所求得的压力。

70

低温操作和防脆断措施
连接的平板或管板,为板厚的1/4(图UCS-66.3)。

(12)

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

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因故做了小试样时)其合格值都按尺寸比例缩减。 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。且当为非标尺寸的小试样时不按截面积比例缩减。(图UHT6.1)。UHA材料如需要冲击时也按此值。

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低温操作和防脆断措施
对各MDMT有不同含义

(13)

?

?

(1)设计条件给定的即使用的MDMT(即供判别要否冲击用试验的,包括低应力和经额外焊 后热处理时的调整),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,但允许使用温度可按调整值予以降低;如调整判别后不需冲击,则 允许使用温度可按调整值降低;如调整前经判别不需作冲击试验,经调整后当然不需冲 击,其允许使用温度也可按调整值降低。

?

(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,以及故意作小试样
的调低和低强度钢的调高],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)允许使用的MDMT(经调整或未调整的)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。
72

低温操作和防脆断措施
?

(14)

UCS-66(b)(1)(-b): ? The ratio used in Step 3 of Figure UCS-66.2 shall be the ratio of maximum design pressure at the MDMT to the maximum allowable pressure (MAP) of the component at the MDMT. ? 译文为:图UCS-66.2中步骤3所用此值应当是在MDMT下最大设计压力对该元件 在MDMT下最大许用压力(MAP)之比。 ? 译文似无翻译问题,但使用户无法理解此处两个MDMT表示何意而导致执行困难 甚至出错。 ? 前面的MDMT实为设计条件给定的,后面的MDMT实为打在容器铭牌上的。

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低温操作和防脆断措施
控制厚度[UCS-66(a)]

(15)

(-a) for butt joints except those in flat heads and tubesheets, the nominal thickness of the thickest welded joint [see Figure UCS-66.3 sketch (a)];译文把“最厚焊接接头”误译为“最厚件”而出错。

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低温操作和防脆断措施

(16)

UCS材料的CVN合格值(和厚度、材料有关), 小尺寸试样时按截面积比例缩减。

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低温操作和防脆断措施

(17)

高强度UCS材料和UHT材料缺口对面的侧向膨胀量合格值, UHA材料需要冲击试验时也用此值,小尺寸试 样时也用此值,不按比例缩。
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低温操作和防脆断措施

(18)

高强度钢的侧向膨胀值
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低温操作和防脆断措施
原GB 150 (1)

引自ASME Ⅷ-1上世纪中期的经验判断法,-20℃及以下的容器为低温容器,材 料CVN值(另作冲击试验)和结构要满足附录C的要求。低温低应力工况的免除: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,不属低温容器,不必另作冲击试验。但Rm值 大于540MPa者不适用此免除条件。 采用10×10×55mm的标准试样,无法制备时,也可用厚为7.5mm或5mm的小试样, 一般应不小于钢材厚度的80%(未提及可以制备时是否可作小试样及相应措施), 其CVN合格值按规定值的比例缩减。 在元件的MDMT下冲击,但满足低应力工况条件,而MDMT+50℃后仍低于-20℃者, 则在该温度冲击。

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低温操作和防脆断措施
原GB 150 (2)
? ?

?

新GB 150对低温操作全部修改,但GB 151和JB 4732则未相应协调,导致脱节。 压力试验温度,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,难以操作,。 是上世纪中期、也就是早期ASME Ⅷ-1的水平,虽有瑕疵,但在原理上尚可理解, 也可操作。

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低温操作和防脆断措施
新版GB 150
(1)
新版GB 150将原低温容器的材料要求并入第2篇的材料中,删除原GB 150中关于“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”以及“低温容器钢材的冲 击试验温度应低于等于壳体或受压元件的最低设计温度”的规定,并把界定温度由≤20℃修改为<-20℃,如在低应力工况,则允许使用温度可再下降50℃,或按提高50℃ 选用材料,低应力工况不再限制只对Rm≤540MPa的材料。

?

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低温操作和防脆断措施
新版GB 150
?

(2)

?

对低温容器的压力试验温度增加:不得低于壳体材料和焊接接头的冲击试验温 度(取其高者)加20℃。因材料篇和低温容器压力试验篇的脱节,未提及低温 容器和一般容器用材冲击试验的异同,也未提及焊接接头的冲击试验,更无 整个容器允许的MDMT的概念,导致脱节。 低温容器仅指在结构和制造上尽量避免应力集中源,并规定了无损检测要求, 在材料选用上都按材料篇对所规定的最低使用温度下限选用,如最低设计金 属温度低于碳钢和低合金钢的最低使用温度下限,则只能选用低温钢或奧氏 体高合金钢,确是方便,但似有点不计成本。

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低温操作和防脆断措施
新版GB 150
?

(3)

由于将低温容器材料要求合併在材料篇的通用要求中,不清楚在材料篇中的冲击 试验要求应由钢厂所作还是应由容器制造厂所作,如属后者,容器制造厂工作量 很大,如属前者,则对低温容器,容器制造厂只要正确选用材料,之外似别无要 求。

?

例:按ASME Ⅷ-1(按其苛刻要求),经细晶化正火处理的10mm以下的Q345R(B曲线材 料)可用至-28℃而不需另作冲击,至12mm者则可用至-21℃而不需另作冲击,如另

作冲击且满足规定的CVN值,则还可用至更低。即使未经细晶化和正火处理,只要
在最低设计金属温度下另作冲击试验并满足20J,不大于35mm厚的板材即可用至该 最低设计金属温度。而新GB 150则都不能用至低于-20℃。

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低温操作和防脆断措施
新版GB 150
?

(4)

对于壁厚较大的Q345R制容器,在GB 150规定的不低于5℃作液压试验时,要 注意可能脆断(WRC 435公报—1998列举了从1954到1984年间在5℃以上作液压 试验时发生的十余起脆断事故)。

?

恐是和国外标准差距最大的内容,也是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、应力水平
等都无关)。
85

低温操作和防脆断措施
新版GB 150
(5)

?

对奧氏体不锈钢,则从未提及冲击试验要求,更未提及以哪项为合格指标(释义规定按 设计文件,使设计人员为难) 。

86

内压圆筒、锥壳和封头(1)
? ?

?

圆筒、球壳和锥壳[注意UG-53(i)] 经调整的中径公式。 成型封头 一般由转角区最大应力确定壁厚,薄壁封头(ts/L<0.002)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。 碟形封头(系数M)和椭圆形封头(系数K)的当量替代(冷旋压封头)。

87

碟形封头在内、外壁的两向应力

88

内压圆筒、锥壳和封头 (2)
椭圆形封头:决定于转角区的最大应力(引入系数K),开孔补强时要考虑开孔所在地区,

?

和碟形封头相同,薄壁时(ts/L<0.002)也要按附录1-4(f)计及转角区的屈服和失稳
(Ⅷ-2还提及两种封头在此处如有接管最易疲劳)。 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)。 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 截面积和能起加强作用的截面积计算(注意加强件材料和圆筒或锥壳材料不同时的调 整)[附录1-5,f1和f2中包括了附加轴向载荷,但如出现净压缩,应另按附录1-5(g)节 设计,注意P内压取正值、f1和f2拉伸为正,压缩为负]。

?

?

?

带折边时按规范公式确定折边和与之相连锥壳的厚度[1-4(d)式(3),L由锥壳,按UG-32, 即碟形封头原理]。
89

内压圆筒、锥壳和封头 (3)
?

2013版规定最小长度为2.0(RLtS)0.5的大端圆筒、或最小长度为1.4(RStS)0.5的小端 圆筒和无折边锥壳连接、需要加强时其截面积按旧版的公式计算。

?

当锥壳和平封头、法兰或其它长度小于2.0(RLtS)0.5的大端圆筒、长度小于

1.4(RStS)0.5的小端圆筒和无折边锥壳连接时(例如和平盖、法兰等连接时),则大端
或小端连接处所需的加强截面积和实际元件多余厚度能起加强作用的截面积都由另外 公式计算。

90

无折边锥壳在连接处的横推力

内压无折边锥壳在连接处的不连续力H,受外压时方向与此相反
91

内压圆筒、锥壳和封头 (4)
ASME Ⅷ-1对内压锥壳的规定
≤30°(带或不带折边是任 意的) 锥壳 大小 端带 折边 按锥形封 头计算式 折边 按碟形封头原 理计算式 >30°~(并未限制)(但必须带 折边) 锥壳 按锥形封头计 算式 折边 按碟形封头原 理计算式

大小 端无 折边

锥壳按锥形封头原理,并 按附录1-5对连接处作由强 度要求的加强计算

——— [规定按附录1-5(g)计算]
92

内压圆筒、锥壳和封头 (5)
? ?

?

?

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中的较小者(即A类接 头)。 内压斜锥壳设计:包括带折边和无折边,都取α 1、α 2中之较大值和正锥壳同样设计 [UG-36(g)]。 内、外压平封头设计,区分和筒体用焊接还是螺栓法兰连接,前者不区分内压或外 压,后者因涉及螺栓力矩而要区分。 碟形封头材料的抗拉强度大于485MPa时,常温时的许用应力应采用138MPa,使用温 度时的许用应力按该材料在使用温度时许用应力降低的比例降低[UG-32(e)]。

93

圆形平板的应力分析

94

内压圆筒、锥壳和封头 (6)
?

平封头应力分析:不分内、外压,应力分布(方向和最大值所在位置)和周边支承条

件有关(绝对固支,绝对简支),径向和周向两向应力,有附加弯矩时另加(如法兰螺
栓力矩,此时要区分内、外压),弹性基础板(管板)。
?

平封头设计:用系数C表示周边支承条件的影响,将最大主应力(方向和位置都和支承

条件有关)限于1.5SE以下得出厚度(焊接连接时,其系数C已考虑了这点,意指用法
兰连接时限于S),由UG-34和相应的图形可确定系数C值,开孔时整体加厚平盖的设 计(把系数C值加 大)[UG-39(d)]。

95

内压圆筒和封头
GB 150 (1)
圆筒、球壳和锥壳 中径公式。涉及的接头系数都未具体说明,致对有附加轴向载荷

?

时轴向应力起控制作用时也按纵向接头系数设计的问题,球形封头未计及和壳体的连 接接头系数。 无折边锥壳和圆筒连接处的加强设计按照原ASME Ⅷ-2的方法(新版Ⅷ-2已不用),并删 去了横坐标=0.001~0.002的部分(新版对此范围内的补充,并增加了 Ⅷ-1的方法,二 者在同等条件下结果可能不一致),内压时如α >60°也按平盖设计。

?

?

对成型封头,未定量计算过渡转角区的失稳和屈服,仅定出封头有效厚度,据计算,
较ASME大很多。 并未明确一定结构的碟形封头可以当量代替标准椭圆形封头的规定,但在GB/T

?

25198(2010)中已列入可当量替代标准椭圆形封头的结构尺寸。
96

内压圆筒和封头
GB 150 (2)
内压和外压锥壳都用此表,即外压时也按半顶角大小规定是否带 折边,且内压时如α >60°也按平盖设计

并误解了原ASME Ⅷ-2而把小端无折边时的加强设计无前提地扩大到45°
97

内压圆筒和封头
GB 150 (3)
?
?

并无斜锥壳设计(新版已补充无折边偏轴线斜锥壳设计)。
未对平板或管板上的拼接接头分类(新版已补充),在平封头厚度设计公式中虽引入焊 接接头系数,但未说明是平板或管板上的拼接接头还是平板或管板对圆筒连接接头的

系数。

98

内压圆筒和封头
GB 150 (4)

0.02 0.012 0.010 0.008
Pc t [σ ]φ

不允许

0.006 0.005 0.004 0.003 0.002

无需加强

增加厚度

0.001 10°

15°

20°
最大角度,α

25°

30°

35°

ASME Ⅷ-2的判别图和加厚系数图

GB 150:在p/[σ ]tΦ =δ /RL≤0.002时,Q值取δ/RL =0.002时的值,并 修改其加厚壳体计算式
99

内压圆筒和封头
GB 150 (5)
?

新GB 150已引入焊接管,并参考ASME Ⅷ-1,其许用应力中已引入焊接接头系数 0.85。89年版未引入焊接管,却照引了ASME Ⅷ-1UG-53(i)的应力调整,提意见 后98版已取消此调整。新GB 150却未引入这一调整,理由是偏于安全总是可以的。

100

外压元件设计(1)
仅包括圆筒受横向压缩、横向和轴向受相同压缩(真空容器),圆筒受轴向压缩,球壳受 外压这三种情况,未包括圆筒受横向推力、受轴向弯矩等的各种组合。ASME Ⅷ-2则包 括了各种载荷的组合,而且在圆筒上可设置大或小加强圈,以及它们的组合。 失稳失效和强度失效,厚壁和薄壁的分界。 线性弹性失稳(比例限以下)、非线性弹性失稳(比例限至屈服点),非弹性失效(超 过屈服点)(实为压缩强度失效)。 长圆筒和短圆筒:据理论结果并为统一而用图算法查A,为解决非线性弹性的弹性模量E 值,再由图算法据A查B(已引入安全系数先4后3),由B算得[P](不采用A~B关系图是无 法求解的) 球壳:由理论算得Pcr,由Pcr定义符号A,由A查B,由B算得[P]。 圆筒的轴向许用压缩应力,也由理论算得Pcr,由Pcr定义符号A,由A查B,B即Scr 。 101

?

?

?

?

?

?

外压元件设计(2)
?
?

?

明确材料算图的右端点即为屈服点,所以在厚壁筒设 计时所用旳Sy值可取该点B值的2倍。 区分失稳和压缩强度失效的薄壁和厚壁划分即根据该 点的A值确定,即Do/t=10。 由压缩应力达材料屈服强度可得:
由压缩应力达材料压缩许用应力: 2? 0 ? 1 ? ? P ?2 ? ?1 ? ?
t 其中 ? 0 ? min ? 2 S t , 0.9 ReL ? 要求P≤[P]=min([P]1,[P]2)

?

? 13 ? t ? P ?1 ? ? ? ?12 ? Do

? 1 ? t ? 2.167 ? ? R ? ? 0.0833 ? eL ? ? ?B ? 24 ? ? Do / t ?
Do / t ?

Do / t ?

? ?

102

外压元件设计(3)

ASME和GB 150的几何关系算图

EN 13445的几何关系算图

103

外压元件设计(4)

104

外压元件设计(5)

受外压圆筒形容器设计中支撑线的示意图

(GB150)外压圆筒的计算长度
105

外压元件设计(6)
?

注1:当锥壳与圆筒或折边与圆筒的连接处不是支撑线时,锥壳、折边段或带折边 锥壳的公称厚度(13改为所需要厚度)不能小于相连接圆筒的最小需要厚度。当连 接处为无折边时,应满足附录1-8的(強度)加强要求。

?

注2:应采用图示尺寸L,连接处各筒节直径和相应的厚度,变径段的厚度按注1确
定。

?

注3:当连接处(包括无折边或带折边)是支撑线时,其惯性矩(刚度)应按附录1-8

计算,且当为无折边时,还应满足附录1-8的(强度)加强要求。
?

注意:当锥壳对圆筒的连接处任一端或两端都不属支撑线时,应按此处的注设计 锥壳壁厚。

106

外压元件设计(7)

两端都属支撑线时当 量长度Le的确定,据 此设计锥壳壁厚

带折边后Le缩短,Di减小,提高了承压能力, 所以可由设计人员任选是否要带折边。

107

外压元件设计(8)
? ?

?
?

锥壳:当两端都为支撑线时,由理论结果換算成当量长度Le和等 效厚度te的圆筒。当有一端不属支撑线时,按前面注1注2。半顶 角大于60°时,按平盖设计。 t t 成型封头:按球壳 A ? 0.125 ,Pa ? B ,还要计及过渡转角区 Ro Ro 的强度[UG-33(a)(1)(-a)]。 t A ? 0.125 轴向压缩圆筒: , B 即为许用轴向压缩载荷。
锥壳和圆筒连接处的加强:附录1-8,如为支撑线,带折边时,仅需考虑刚度,无折

Ro

边时,应考虑强度和刚度二者。如不作为支撑线,无折边时,仅考虑强度,带折边时,
刚度和强度都不必考虑。是否带折边由设计人员自定,和半顶角大小无关。注意外压 P为正,f1和f2压缩为正,拉伸为负,强度设计仅适用于净载荷为压缩,为拉伸时按 1-5(g)节设计。
108

外压元件设计(9)
?

2013版修改:当为无折边锥壳考虑从强度出发的加强时,和内压相同,也要根据和锥壳相连圆 筒的长度区别计算;当连接处作为支撑线而考虑从刚度出发的加强时,也要根据和锥壳相连圆 筒的长度区别计算,当长度不足时(如和平盖或法兰相连),在刚度设计的有关公式中取长度为 0。

?

圆筒上的加强圈:UG-29,由受周向压缩圆环的稳定性原理确定加强圈(包括加强圈和圆筒在内 的当量圆环)所需惯性矩,和周向应变A值有关;再按受压缩圆筒周向失稳原理确定B值,由材料 线算图查得A值,当加强圈和圆筒材料不同时应取两材料A值中的较大者,将此A值代入加强圈

惯性矩Is式即得。
?

加强圈允许割断(无支撑)的弧长,图UG-29.2,为失穩时波长的1/4,注意防止侧向失穏,二者 材料不同时应查A值较大的线算图(包括外压锥壳和圆筒连接处作为支撑线时的刚度设计)。

?

斜锥壳:UG-33(f)(3) ,取斜锥壳两个α 中的较大值。

109

外压元件设计(10)
锥壳部分(并和内压对照)
?

?

内压锥壳:按α >30°划界、确定是否必须带折边,如要带,则r≥3t且不小 于6%D,厚度按碟形封头原理。半顶角α 无限制,不必按平盖设计。如不带,应 按1-5进行强度出发的加强设计。 外压锥壳:区分连接处是否支撑线(支撑线处要满足1-8的刚度要求)而分别按 图UG-28.1和图UG-33.1设计,并无根据α 大小是否要带折边的规定,由设计 人员自定。因在支撑线处带折边、r(rL或rS)增大会使DL(或DS)和LC减小,提 高承压能力,但当α >60°时应按平盖设计。如带折边,不论连接处是否属 支撑线,折边段都取和锥壳等厚,不另行计算。如不带,应按1-8进行强度出 发的加强设计。从强度和刚度出发的加强最终都落实在同一加强件上,不必 用不同的加强件。

110

外压元件设计
GB 150 (1)
GB 150主要引自ASME Ⅷ-1,但二者A~B 关系算图纵坐标的标尺不同,所用计算式和算 图要匹配,不能混用。 (1)未明确A~B 关系算图右端点即为材料屈服点,致把厚薄壁分界由Do/t=10改为20, 且在厚壁设计时所用的屈服强度值无法由线算图查取,由材料表查取时引起不协调,和 各国外标准都不一致,国内相当多人误认为直线终点即为屈服点。 (2)圆筒的周向失稳:ASME和GB 150都取m=3;圆筒的轴向失稳:二者都相当于取m=4,所 以二者的设计结果都相同(但因A值的表达不同,所以在非线性弹性时的结果不相同)。 球壳的失稳:ASME取m=4,GB 150相当于取m=3,所以二者的设计结果不同。

?

?

?

?

(3)成型封头仅考虑球冠区稳定性,未计及过渡区强度。
111

外压元件设计
GB
?

150 (2)

圆筒的轴向失稳,ASME取A=0.125(t/R),考虑到二者曲线纵坐标的标尺不同,GB

150并非取同样A值然后由4:3即不同的线算图调整B值;而是先对A值调小,取
A=0.094(t/R),即二者之比也是4:3,在线性弹性情况时,二者所得结果相同,但 当GB 150在线性弹性、而ASME已进入非线性弹性时,二者结果不一致。

GB 150似应取和ASME同样A值,由A查得 B值后再乘以3/4即可许用轴向压缩载荷

112

外压元件设计
GB 150 (3)
(4)原GB 150(以下各节同)锥壳与圆筒连接处从强度出发的加强未指明仅无折边才需要,

?

且对f1和f2的说明有误,也未指明是单位圆周长的载荷(新版已改)。
(5)锥壳(大端或小端)与圆筒连接处不作为支撑线时,仅规定锥壳或折边段的厚度应不小 于相连圆筒的厚度,未按ASME规定圆筒厚度应如何设计(即漏引注2,新版已改,但会使 用户误解,GB 150.3,4.3.1和5.6.6节)。 (6)未对加强圈和壳体材料不同时的查表明确规定,却在锥壳与圆筒连接处的加强设计中

?

?

作了错误规定(5.6.6.3)。
(7)有锥壳上设置加强圈时的设计,但规定按圆筒设计,可商榷(锥壳上设设置加强圈怎 会和锥壳半顶角α 无关。(EN 13445和ASME Ⅷ-2都列有,都和α 有关)(新版已改)。
113

?

宜针对对带折边或 无折边分别说明

114

外压圆筒周向失稳示意
(8)无斜锥壳设计(新标准已补充无折边的斜锥壳)
(9)锥壳是否带折边和内压相同,由半顶角大小确定。 (10)对外压圆简形容器支撑线的示意图引了ASME规范旧版的图(GB 150 P.96),且标为外

压圆筒的计算长度,在支撑线处也未标明应有足够的惯性矩材料。


小加强圈间的壳体失稳

大加强圈间的总体失稳

小加强圈

115

外压圆筒轴向失稳示意

轴向失稳示意

116

开孔及其补强设计(1)

● ● ● ● ● ● 开孔接管所引起的问题:(1)垂直于最大主应力方向受载截面积的削弱,在补強计算中 应是该截面承载能力(受载截面积对该截面所受应力、即材料许用应力乘以E的乘积)的 削弱,(2)开孔应力集中,(3)附加接管引起的边缘应力。 开孔补强方法:等面积法,压力面积法,压力面积应力法,极限设计法。 对开孔形状和尺寸的限制 原因及尺寸 UG-36 不需补强的最大开孔直径 UG-36(c)(3),在ULW-76,UG-25(e)中所述的透气、指示孔 不属于开孔补强范围。 应力校正系数,开孔直径 UG-37(a),附录L-7.7 壳体和接管的补强有效范围 原因及尺寸 UG-40 开孔和焊缝的相遇或相邻 UG-37(a),UW-14

117

开孔及其补强设计(2)

应力集中的衰减

削弱截面的考虑
118

开孔及其补强设计(3)

ρ [表示开孔直径对壳体上边缘应力衰减长度之比,ρ =r/(Rt) ]
119

0.5

开孔及其补强设计(4)
对于球壳上的径向接管,无论是平齐或内插式,其应力集中系数Kt都随着开孔系数 ρ [ρ =r/(Rt)0.5]的减小而减小,也随比值tn/t的增大而减小。 补强可以降低开孔接管区的应力增大现象,但补强后仍然存在一定的应力增大,其应力 集中系数Kt仍可达2~3,对于容器所用延性较好的材料,在小范围内即使存在一定的应 力增强、甚至达到屈服也由于应力的再分布且其中相当一部分属于峰值应力而在压力无 急剧波动时不致构成失效。根据图示的关系,当开孔系数ρ <0.1时各种tn/t比值的接 管,即使不采取补强措施,其应力集中系数Kt值基本上也大致在2~3范围内,可不需补 强。

?

?

120

开孔及其补强设计(5)
?

在UG-45已规定接管颈部最小壁厚后(对长度的讨论),按UG-36(c)(3)对于压力无急剧

波动容器上的开孔:
? ? ?

容器壳体或封头最小需要厚度小于或等于10mm时,89mm 容器壳体或封头最小需要厚度大于10mm时,60mm

即元件厚,接管对元件的连接变形较不协调,所以不需补强的开孔直径反而小,此类
开孔的孔心距要满足UG-36(c)(3)(-c)(-d)的规定。

?

对凸形封头上的翻边开孔,颈部厚度可不满足UG-45的要求,仅需满足承压要求。

(UG-32注18)
?

UW-16(f)(3)(a)节小尺寸标准管件(图UW-16.2)规定的不需补强。

121

开孔及其补强设计 (6)

周向斜开孔分析 应力校正系数F
(见原附录L-7.7)
122

开孔及其补强设计

(7)

123

开孔及其补强设计
开孔补强的等面积法设计 UG-40,UG-37 应对通过开孔中心任何给定平面进行分析

(8)



▲内压壳体 UG-37(c),UW-16(c) 壳体上的补强有效范围取仅和d有关(政策性规定)。 因开孔而引起削弱的截面积(A=dtr)(由于各截面的最大应力不同,应是在所考虑的截面 上),在补强有效范围内元件除承受内压所需之外的多余截面积 A1。由此两式可见,此 法认为沿孔边的应力都是一样大的。对tr值的讨论。

▲外压壳体 UG-37(d) 按惯性矩补强,換算为用面积时仅为内压所需的一半。
124

▲平封头 UG-39,同外压壳体。注意适用于d/D≤0.5时。

开孔及其补强设计
? ?

(9)

承载截面积的削弱:dt 按补强原理,应是承载能力的削弱:当开在无缝壳体上(不论开在何处),都可表示为 dtrS;当开在有缝壳体上且在或不在焊缝上时,都可表示为dtSE。

?

因dtrS=dtSE(即t=tr/E),所以不论开在有缝或无缝壳体上,也不论开在焊缝或不在 焊缝上,都可以用dtrS表示。

?

如形式上仍用削弱截面积A表示,则都可以用dtr表示,其中tr是由元件厚度计算式 (按其所受的最大主应力)并取E=1.0所得之值(见UG-37对符号tr的说明)。

125

ASME Ⅷ-1:

GB 150:

a)

δ -计算厚度,mm。按下述方法确定: 对于圆筒或球壳开孔,为开孔处的壳体计算厚度;
设计温度下圆筒的计算厚度按式(3-1)或式(3-2)计算:

126

开孔及其补强设计(10)
●开孔补强的等面积法设计 UG-37 A=dtrF+2tntrF(1-fr1) A1=d(E1t-Ftr)-2tn(E1t-Ftr)(1-fr1)

当开孔(应理解为开孔及其补强范围)通过A类焊缝时,E1为该焊缝的焊接接头系 数( 当开在焊管的任意处时,E1=0.85 ,如焊缝清晰可见,且孔不在焊缝上, 则E1=1)。 ● 圆筒和锥壳上的大开孔 附录1-7,1-9,1-10 ● 接管颈部的厚度 不仅要计及压力,还要计及接管和壳体连接的附加应力, 和变形协调有关。UG-45 ● 补强件的强度及焊缝校核途径 凡接管对元件采用非全焊透连接者(带补强圈 时都属非全焊透),不包括不需补强的小开孔,要求各途径焊缝和承载件的强 度大于等于能起补強作用件的强度 UG-41(b)节(1)或(2)中的较小者,UW-15, UW-16,原附录L-7 ● 接管与壳体间连接焊缝的要求 UW-15,UW-16
127

开孔及其补强设计 (11)
开孔和焊缝的相遇或相邻 UG-37(a),UW-14,符合补强设计的开孔,均可位于(各类)焊接接头 上,如在 A 类接头上,则在壳体补强计算中计入接头系数 E1 。对不需补强的小开孔,不允许位在 A 类接头上,当位在A类附近或B类或C类对接接头上时,应在3d范围内射线检测。可理解为如作了按 规范的补强计算,则可位于各类接头上。



小开孔和焊缝相邻时的检测
此检测不能计入抽样的递增规则
128

129

开孔及其补强设计 (12)

带补强圈的非全焊透安放式接管 要求对强度途径1-1和2-2校核
130

开孔及其补强设计 (13)
?

途径1-1,如补强圈外周边和壳体之间的填角焊缝剪切强度不足,则接管、补强圈、补
强圈内周边和接管的连接焊缝、补强圈外周边和壳体之间的连接焊缝等即 (A2+A5+A41+A42)的组合截面将相对于壳体产生滑移,所以应对途径1-1的连接强度进 行校核。

?

途径1-1填角焊缝的剪切强度为补强圈外周边和壳体之间填角焊缝的剪切强度[以(1/2 补强圈外周周长×填角焊缝焊脚尺寸)×填角焊缝剪切许用应力表示],要求这一强度 能等于大于(A2+A5+A41+A42)组合截面积的拉伸强度,所以其强度校核条件为W11=(A2+A5+A41+A42)SV,并考虑到在补强设计时可能采用(A1+A2+A5+A41+A42)>A,所 以规范规定取W=(A-A1)SV及W1-1=(A2+A5+A41+A42)SV 中的较小者进行校核,SV为容器 材料的拉伸许用应力。

?

附录L-7.4列有计算实例
131

开孔及其补强设计 (14)
?

途径2-2,如果接管和补强圈内周边之间的填角焊缝强度不足,则能起补强作用的接管

截面积连同此焊缝等即(A2+A41)的组合截面将相对于补强圈和壳体产生滑移,所以
必须对途径2-2的连接强度进行校核。
?

途径2-2的连接强度仅为接管和补强圈之间填角焊缝的剪切强度[以(1/2接管外周周长 ×填角焊缝焊脚尺寸)×填角焊缝剪切许用应力表示]。要求这一强度大于等于接管、 连同填角焊缝所构成组合截面的拉伸强度,即 W2-2=(A2+A41)SV,考虑到和途径1-1同 样的原因,即在补强设计时可能采用(A1+A2+A5+A41+A42)>A,所以规范规定取W=(AA1)SV及W2-2=(A2+A41)SV 中的较小者进行校核。

132

开孔及其补强设计(15)

133

开孔及其补强设计(16)
?

途径1-1的连接强度包括补强圈外周边填角焊缝的剪切强度[以(1/2补强圈外周周长×填角焊缝

焊脚尺寸)×填角焊缝剪切许用应力表示]与接管断面的剪强度(受剪的半个接管横截面 积×接管材料剪切许用应力)二者之和。
?

其强度校核条件和前图相似,所区别者仅此图途径1-1涉及到内插接管材料强度可能较
壳体材料强度为小而作出的补偿,所以仅将校核条件中的W=(A-A1)SV项调整为W=[AA1+2tnfr1(E1t-Ftr)]SV,其中fr1=Sn/SV,E1为考虑到接管可能通过A类接头时所引入

的该接头的接头系数。所以对途径1-1的连接强度取W=[A-A1+2tnfr1(E1t-Ftr)]SV和
W1-1=(A2+A5+A41+A42)SV 中的较小者进行校核。

134

开孔及其补强设计(17)
?

途径2-2的连接强度包括接管外伸端、接管内插端和补强圈、和壳体相连的两处填角焊 缝的剪切强度[每处都以(1/2接管外周周长×坡口焊缝焊脚尺寸)×焊缝剪切许用应力 表示],如其中一处或两处是开坡口焊缝时,则还应包括该坡口焊缝的拉伸强度[每处 都以(1/2接管外周周长×坡口焊缝焊脚尺寸)×焊缝拉伸许用应力表示]。

135

开孔及其补强设计(18)
?

如途径2-2的连接强度不足,导致包括这两处焊缝在内和全部能起补强作用的接管所构 成的组合截面相对于壳体和补强圈的组合截面产生滑移而破坏,故要求途径2-2的连接 强度不小于该组合截面的拉伸强度,规定用W=[A-A1+2tnfr1(E1t-Ftr)]SV和W2-2 =(A2+A3+2tntfr1+A41+A43)SV 中的较小者进行校核。

136

开孔及其补强设计(19)
?

途径3-3的连接强度包括补强圈外周边和壳体连接填角焊缝的剪切强度[以(1/2补强圈 外周周长×填角焊缝焊脚尺寸)×填角焊缝剪切许用应力表示],与接管内插部分和壳 体间连接填角焊缝的剪切强度[以(1/2接管外周周长×填角焊缝焊脚尺寸)×填角焊缝 剪切许用应力表示] 之和;如果接管内插部分和壳体间连接焊缝为坡口焊缝并覆盖有 填角焊缝时,则还应包括接管和壳体间坡口焊缝的拉伸强度[以(1/2接管外周周长× 坡口焊缝焊脚尺寸)×焊缝拉伸许用应力表示]。

137

开孔及其补强设计(20)
?

如途径3-3的强度不足,将导致和补强圈相连能起补强作用的整根接管、连同焊缝在内 的组合截面积相对于壳体产生滑移而破坏,所以要求途径3-3的连接强度大于等于这一 组合截面的拉伸强度,规定用W=[A-(d-2tn)(E1t-Ftr)]SV和W2-2=

(A2+A3+A5+A41+A42+A43+2tntfr1)SV 中的较小者进行校核。
?

原附录L-7.8列有计算实例。

138

开孔及其补强设计(21)

分块式补强圈的焊缝布置,如满足对 焊缝无损检测或避开最大主应力,则 可按实际截面计入,否则,只能按 0.75计算(09A增加) EN 13445还对焊接管的焊缝方位作了相同规定 极限设计法示意
139

开孔及其补强设计

(22)

要引入应力校正系数F了
140

开孔及其补强设计
?

(23)

两孔中心距大于该两孔平均直径的4/3倍但补强范围重叠时,采用联合补强,重 叠部分的面积按两孔直径比例分摊,多个开孔各按两孔逐次配对处理(会涉及到 两孔中心连线和壳体轴线存在夹角),任意两孔之间的补强面积应不小于该两孔 所需补强面积总和的50%。

?

任意两孔中心距小于该两孔平均直径的4/3倍时,作假一想能包容各孔的圆作为 单个开孔补強,但这些开孔间的任何材料(包括接管壁)都不应作为能起补强作用 的材料。该假想孔的直径也应满足规范对开孔尺寸的限定。

141

开孔及其补强设计(24)
? ?

等面积补强法和压力面积补强法的联系和区别 在壳体上局部高应力的存在范围[补强的有效范围d和(Dt)0.5],但等面积法只考虑d, 小开孔时等面积法保守,大开孔时等面积法冒进,压力面积法则刚好相反,所以在大

开孔时引入压力面积法(附录1-7)(内压或外压),压力面积应力法(附录1-10)和极限载
荷法(附录1-9)(都仅为内压)(附录1-10在Ⅷ-2可用于内压或外压)。
?

EN 13445的压力面积法对各种接管都用图形表示

?

ASME Ⅷ-2的压力面积应力法,补强有效范围同时组合了d和(Dt)0.5,认为在此范围内
元件应力不均布,以计算并校核其最大一次局部薄膜应力为满足,所以并无不需补强 开孔直径和最大开孔直径的限制(附录1-10)。

142

开孔及其补强设计(25)
?
?

压力面积法原理 各承载件截面积对其许用应力的乘积应大于承压投影面积对压力的乘积

? Af s ? Af w ?? f s ? 0.5P ? ? Afb ? fob ? 0.5P ? ? P ? Aps ? Apb ?

143

开孔及其补强设计

(26)

大开孔补强的压力面积法(附录1-7)

仅适用于平齐接管
144

开孔及其补强设计
?

(27)

大开孔补强的压力面积法(附录1-7) 附录1-7的公式(限于d/D≤0.7)
? R Rn ? tn ? Rmt ? Rn t ? Rnmtn Sm ? P ? ? As ?

?

?

?

?? ?
? ?

此外,还要计算并校核弯曲应力 S b ? 和压力面积法的公式等同

? Af s ? Af w ?? f s ? 0.5P ? ? Afb ? fob ? 0.5P ? ? P ? Aps ? Apb ?
145

开孔及其补强设计

(28)

大开孔补强的压力面积应力法(附录1-10)

压力面积应力法计算图形

146

开孔及其补强设计
?

(29)

大开孔补强的压力面积应力法(附录1-10)
壳体的补强范围考虑了d和(Dt)0.5二者,并认为在补强范围内各受载件上的应力分 布是不均匀的。规范根据压力对壳体和接管的承压投影面积引起的作用力、以及接 管和壳体连接处引起的不连续力,给出了在受载件上PL的计算公式,要求满足 1.5S(1.5SE)的校核条件。Ⅷ-2可用于内压和外压设计,但Ⅷ-1由于外压设计法不 同,只能用于内压设计。
?

并无不需补強的开孔尺寸以及开孔尺寸大小的限制,一切都以补强范围内受载件上 PL满足校核条件为满足。

?

大开孔的极限设计法[附录1-9,略,2010中译本漏印式(2)]。

147

开孔及其补强设计
新或原GB 150 (1)
? ?

?

(1)未引入系数F,对斜接管或多个开孔补强无法计算。 (2)不另行补强,从满足等面积补强原理出发(有文章表示,只能用于直径在某些值以 下的圆筒)。 (3)未提及开孔是否可以通过焊缝、哪类焊缝、如通过应采取何种补偿措施,但提及开 孔宜避开焊缝,当通过或靠近时应保证在2d范围内的焊缝不存在超标缺陷。对壳体的 补强面积A1值都不乘焊接接头系数,且从77年起,各有说法。补强计算中的壳体δ 值 不论开孔补强范围是否遇上焊缝,都按引入焊接接头系数计算所得。

? ? ? ?

GB 150规定:A=dδ +2δ δ et(1-fr), A1=(B-d)(δ e-δ )-2δ et(δ e-δ )(1-fr) Ⅷ-1 规定: A=dδ r+2δ rδ et(1-fr) A1=(B-d)(υ 1δ e-δ r)-2δ et(υ 1δ e-δ r)(1-fr)
148

开孔及其补强设计
新或原GB 150 (2)
?

(4)除引入附录J(新版为附录D)外,未提及角接接头的强度校核要求,更未提及焊缝校 核途径。

?

(5)未提及补强圈的拼接要求,《容规》取消了补强圈为主要受压元件,并说明因“应

力分析所得应力甚小”。JB/T 4736《补强圈》 (2002)的释义更明确规定为安装方便
而允许采用径向剖分的补强圈。
?

(6)未提及接管颈部厚度要求,意指只要考虑压力。

?

(7)对圆筒或锥壳的圆孔,以通过开孔中心与壳体轴线平行的截面作为计算基准
(p.155)。

?

(8)新版补充了圆筒上径向平齐接管的整体大开孔(0.9)补强,但又提及了补强件的材

料要求以及“接管或补强件与壳体应采用截面全熔透焊缝”,以及“圆筒、接管和补
强件的材料不同时,? ?”,易引起误解。
149

开孔及其补强设计
新或原GB 150 (3)
?

(9)平盖大开孔全引自Ⅷ-1,但删除其“平盖厚度不需要按平盖规则计算,厚度满足本 附录的所有要求即符合本规范的要求”的条文,加上了“平盖厚度需满足要求”以及 “平盖中心开单个圆孔的补强要求”。(新版已改,但规定适用于d≥0.5D,反向法兰 也如此,和平板上的开孔直径规定相冲突)。

?

(10)把原“以开孔中心为圆心,1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊接接头应全部 检测”改为:对于满足不另行补强的开孔,自开孔中心、沿容器表面的最短长度等于开 孔直径范围内的焊接接头应100%检测,且规定此类小孔不能位在A和B类接头上(GB 150 的不另行补強和ASME Ⅷ-1的不需补强概念完全不同,此处套用,仅将3d改为2d,也未

讲清是哪类接头)。

150

法兰及相关元件(1)

法兰设计 附录2,(铸铁)UG-23(c) 按传统的华脱斯法,设计简便,但从理论上看似不够严密,属于带有经验 性的方法,为消除能否保证密封的疑虑,05A补充法兰刚度计算(08A 又有 可以免除刚度校核的操作条件和反向法兰的符号补充说明 ),07补充法兰 装配程序和装配工的评定要求(ASME PCC-1),补充法兰螺栓间距要求 (10 修改)。仅整体和活套法兰设计,任意式法兰向其中的一者靠。 反向法兰 附录2-13和平板大开孔的联系 平板大开孔 附录14,UG-39(c)(2) 用螺栓连接的凸形盖 附录1-6 注意类型(d) 螺栓圆外金属对金属接触的平面法兰(略,附录Y) 法兰和公称管配件标准 UG-44
151

● ● ● ● ●

法兰及相关元件(2)
密封设计(1)
? ? ?

?
? ? ? ?

Wm 2 ? 3.14bGy 预紧状态 2 W ? 0.785 G P ? 2b? GmP m1 操作状态 由预紧状态的 Wm 2 求得所需螺栓截面积 Am 2 由操作状态的 Wm1 求得所需螺栓截面积 Am1 取Am2 和 Am1中的较大者为所需螺栓截面积 Am 螺栓实际截面积 Ab需满足 Ab ? Am 预紧状态螺栓力 W ? 0.5 ? Am ? Ab ? Sa 操作状态螺栓力 W ? Wm1
152

M o ? H D hD ? HG hG ? HT hT ? M D ? M G ? M T

M o ? H D hD ? HT hT ? H G hG ? H D ? hD ? hG ? ? HT ? hT ? hG ?
153

法兰及相关元件(3)
密封设计(2)
? ?

预紧状态法兰力矩 M o ? 0.5W ? C ? G ? 操作状态法兰力矩 M o ? M D ? M,其中,各分力矩为垫片反力、压力作 T ? MG 用在壳体上所引起的轴向力所引起。
可由预紧和操作状态的法兰力矩分别计算两种工况时法兰各部的应力,满足校核条件 即可。 为保证密封,应校核法兰刚度(包括内压和外压的整体、活套和反向法兰)和螺栓的最 大间距。

?

?

154

法兰及相关元件(4)
密封设计(3)
? ?

讨论 (1)选用标准法兰时,如随意更換強度级别较高的螺栓,在按法兰设计方法计算 时,可能会导致法兰各处应力不再合格,这是由规定的密封计算方法所引起的。

?

(2)密封计算中,是以设计压力为基准进行的,在试验压力下可能因垫片力不足
而导致泄漏,届时只要卸压并再次上紧螺栓即可,不必担心螺栓因超载而导致屈 服(附录S),[ASME-PCC-1《承压边界螺栓法兰连接安装指南》]。

?

(3)为达到足够的预密封并不致压溃垫片,应注意螺栓的预紧措施(附录S)。

155

156

法兰及相关元件(5)

各处应力的校核实质上是控制 法兰环的旋转角度以保持密封

法兰受载模型

整体带颈、活套带颈、活套法兰应力
系数f=锥颈小端应力/锥颈大端应力 附录2,2-7节
157

法兰及相关元件(6)
(反向法兰)

带颈反向法兰

不带颈反向法兰

受载分析 外周三项应力,内周一项应力

附录2,2-13节,仅能用于开孔直径对平板直径之比超过0.5时

158

法兰及相关元件(7)
(平板大开孔) 左侧 外周三项应力 内周三项应力

右侧 外周三项应力 内周一项应力
附录14,14-3节,仅能用于开孔直径对平板直径之比超过0.5时
159

法兰及相关元件(8)
(带法兰的凸形封头)

注意Hrhr项可正可负,应是Mp=MD+MG+MT±Mr

附录1,1-6节

160

法兰及相关元件
GB
?

150(1)

仅当选用标准的设备法兰时(JB 4700)可免除法兰计算,未列入其它管法兰等标准, 但在制造篇4.1.2节规定应符合新容规,后者已在3.17中列入管法兰标准。

?

引入法兰颈部应力校正系数f时漏了说明,致对带颈活套法兰可能导致误解。

?

无法兰刚度的校核(新版列入整体法兰的刚度指数,未列入带颈和不带颈活套法兰、
反向法兰和外压法兰的刚度指数、以及在一定操作条件下可免除刚度校核的具体条 件,在标准释义中所述的理由可予商榷)。

?
? ?

反向法兰尺寸和力矩难以操作,会有问题(新版已改)
平板大开孔提及:其平盖厚度需满足要求(新版已改) 带法兰凸形封头(d)未注意连接点在法兰环形心以上或以下所导致Hrhr的方向改变。

161

法兰及相关元件
GB 150(2)

162

换热器 (1)


发展过程,Ⅷ-1、Ⅷ-2、EN 13445基本相同,TEMA原 是Ⅷ-1在换热器方面的补充和规定。(Code Case 2429)

2013版的修改: 对管板有效螺栓载荷W﹡增加表UHX-8.1详细说明。 对管板延伸为兼作法兰时法兰的厚度计算,对预紧和操作工况分别列出计算式 ;补充了管 板两侧都用法兰垫片连接、但延伸部分并非兼作法兰时其厚度的计算式 [如U形管式换 热器和浮头式固定端的类型 (d) 和浮头式换热器浮头端的类型 (C)] ,且对在管板厚度 设计中所用到的A值作出规定。

163

换热器 (2)
? ?

对U形管板式换热器的载荷情况,由原3种改为由表表示的4种。 对固定管板式换热器的载荷情况,由原7种改为由表表示的设计载荷情况(原载荷情 况1、2和3,并加Psd,min和Ptd,min)和操作载荷情况表示(原载荷情况4、5、6和 7),列在表UHX-13.4-1和表UHX-13.4-2。

?

对浮头式式换热器的载荷情况,由原7种改为由表表示的设计载荷情况(原载荷情况1、 2和3,并加Psd,min和Ptd,min)和操作载荷情况表示(原载荷情况4、5、6和7),列 在表UHX-17。

?

因管程或壳程设计压力可能有最大或最小,操作载荷情况的压力则和各件的温度相 匹配组合。
164

换热器 (3)
(U形管式之一)



U形管式(均布载荷时圆平板的应力分析) ▲结构类型,各类结构对管板计算影响的分析 UHX12.1 ▲计算思路 受均布载荷周边不同支承的开孔圆平板 开孔的影响 UHX-11.5.1,UHX-11.5.2(三种公用) 应考虑的载荷情况 UHX- 12.4 (13 版形式上有 修改) 管、壳程压力以及布管和不布管区相互协调的影 响 MTS UHX- 12.5.2
165

换热器 (4)
(U形管式之二)
和管板整体相连的壳体或管箱约束影响的系数F UHX-12.5.4~12.5.5 ﹡ 计及或不计及法兰力矩时对管板构成的附加弯矩 UHX-12.5.6(其

M

中对螺栓力W的计算在2011a中有修改) 管板最大弯矩 M ( 可能在管板周边或中心 ) UHX12.5.7 用迭代法计算管板最大弯曲应力σ (给出了板厚估算 值公式,近版已取消),布管区外周边的剪切应力 τ UHX-12.5.8, UHX-12.5.9, σ ≤2S,τ ≤0.8S 计算和管板整体相连的壳体或管箱的薄膜、弯曲和总 应力 UHX-12.5.10 σ S≤1.5SS,σ C≤1.5SC 如不予满足,可增加厚度或在必要时作弹塑性计算 166 UHX-12.5.11

换热器 (5)
(U形管式之三)
不考虑和管板整体相连的壳体或管箱约束时的简支计算 UHX-12.6 计算实例4个 UHX-20.1(管子轴向应力不计算)(13版删除)

167

U型管式结构类型

168

换热器 (6)
(固定管板式之一)



固定管板式

▲结构类型,各类结构对管板、管束、壳体计算的影响分析 UHX-13.1 (对结 构d的讨论) ▲计算思路 受轴对称不均布载荷的开孔弹性基础圆平板,两块管板厚度、材料、结构尺 寸和周边支承条件都相同 (EN 13445同此) ,因约束条件都涉及管板和与之相 连元件的相对厚度,所以应按已腐蚀和未腐蚀两种情况作最后校核。 开孔的影响(同U形管式) UHX-11.5.1,UHX-11.5.2 应考虑的载荷情况 UHX- 13.4(7种)(13版形式上有修改) 当量压力Pe的计算(由五部分组成) UHX-13.5.6

169

换热器 (7)
(固定管板式之二)

170

换热器 (8)
(固定管板式之三)
?

★壳体在压力作用下变形的支承PS’
★管束在压力作用下变形的支承Pt’

和布管情况xS(UHX-13.5.1),管、壳刚度

Ks,t,J(UHX-13.5.2)、壳程压力Ps有关。
?

和布管情况xt(UHX-13.5.1),管、壳刚度

Ks,t,J(UHX-13.5.2)、管程压力Pt有关。
?

★管、壳轴向膨胀差的支承Pγ 13.5.2

和温度差γ 、管束刚度Kt有关UHX-13.5.5,UHX-

?

★布管区和不布管区协调所引起Prim UHX-13.5.4

和管壳结构U、管壳程压力Pt、Ps有关,

?

★附加螺栓预紧力PW

和螺栓力W、两侧受压面大小γ b、管壳结构U有关, UHX-

13.5.5(c),UHX-13.5.4
171

换热器 (9)
(固定管板式之四)

假设管板厚度h,由Pe 并计及弹性基础板、即非均布 轴对称载荷时的影响 ( F m ,图 UHX-13.3-1 , 2) 计算 管板最大弯曲应力 σ ,按迭代进行, σ ≤ 1.5 S ,3 S UHX-13.5.7 布管区外周边剪切应力τ ,τ ≤0.8S UHX-13.5.8 管子应力σ t1,σ t2,拉伸最大应力≤St,2St,压缩 最大应力≤ Stb UHX-13.5.9 壳体上轴向应力σ s,m,并视其正负而用强度或稳定性 条件限制 UHX-13.5.10 邻近管板处壳体上轴向薄膜、弯曲应力σ s,m,σ s,b, σ s≤1.5Ss,3Ss UHX-13.5.11
172

换热器 (10)
(固定管板式之五)

邻近管板处管箱上轴向薄膜、弯曲应力 σ c,m , σ c,b , σ c≤1.5Sc,3Sc UHX-13.5.11 如不予满足,管子设计应重新考虑,管板、壳体或管箱 或增加厚度,或在必要时计及管板与壳体或管箱连接处 的塑性影响作弹塑性计算 UHX-13.5.12,UHX-13.7 ▲ 另一种结构 邻近管板处加厚的壳体 UHX-13.6 ▲ 当管板和管箱或壳体整体连接时,计及邻近管板处 径向热膨胀差的影响 上述各有关内容另行计算 UHX-13.8 ▲ 不考虑管板与管箱或壳体整体连接影响的简支固定 管板计算 UHX-13.9
173

换热器
说明: (1)7种可能的危险工况 UHX-13.4 (2)按扣除和不扣除腐蚀裕量计算

(11)

(固定管板式之六)

UHX-13.4(c)

(3)膨胀节刚度Kj用附录26膨胀节的Kb (4)用了应力分类的概念和弹塑性分析 (5)必要时要考虑管板挠度的影响,壳体的轴向失稳,管子对管板连接的完整性 UHX-13.4(d),UW-20,附录A (6)管子最大应力所在位置不确定 (7)明确两块管板厚度、材料、结构尺寸和周边支承条件都相同 (8)列出了3个计算实例 UHX-20.2(13版删除)

174

固定管板式结构类型

175

固定管板式 另一种结构

増加了周边的约束,可降低管板应力
176

换热器 (12)
(浮头式之一)
浮头式



▲结构类型,各类结构对管板、管束、壳体计算的影响分析 UHX-14.1 ▲计算思路 除管壳间不约束外,同固定管板式,但为径向热膨胀差,应取两 块管板材料和厚度相同,但结构、尺寸不同,对两块管板都要进行计算和校核 (EN 13445同此) 应考虑的载荷情况 UHX-14.4(7种)(13版形式上有修改) 当量压力Pe的计算 UHX-14.5.6 假设管板厚度,按在计及、不计及螺栓预紧力情况并计及弹性基础板的影响 (Fm)下计算管板最大弯曲应力σ ,σ ≤1.5S,3S UHX-14.5.7

177

换热器 (13)
(浮头式之二)

布管区外周边剪切应力τ ,τ ≤0.8S UHX-14.5.8 管子轴向应力σ t1,σ t2,拉伸最大应力≤St,2St,压缩 最大应力≤ Stb UHX-14.5.9) 邻近管板处壳体上轴向薄膜、弯曲应力 σ s , m , σ s , b , σ s≤1.5Ss,3Ss UHX-14.5.10 邻近管板处管箱上轴向薄膜、弯曲应力 σ c , m , σ c , b , σ c≤1.5Sc,3Sc UHX-14.5.10 如不予满足,考虑各自或同时增加厚度 ,或采用弹-塑性 计算 UHX-14.5.11 计及与管板连接处壳体或管箱塑性影响的计算 UHX-14.8 178

换热器 (14)
(浮头式之三)

当管子和壳体或管箱为整体连接时,需要时可计及管板处径向热膨胀差的影响, 上述各有关内容另行计算 UHX-14.6 不考虑管板与管箱或壳体整体连接影响的简支浮动式管板计算 UHX-14.7 说明:(1) 7种可能的危险工况 UHX-14.4(b) (2) 要用迭代法求解 (3) 管子最大应力所在位置不确定 (4)应取两块管板材料和厚度相同,但结构尺寸不同,对两块管板都进 行计算和校核 (5) 列出了3个计算实例 UHX-20.3(13版删除)

179

换热器 (15)
(浮头式之四)

180

换热器 (16)
(浮头式之五)

两管板厚度不等,恐不妥
181

浮头式结构类型(之一)

182

浮头式结构类型(之二)

183

换热器 (17)
管子对管板的连接焊缝 UW-20,附录A

▲全强度焊缝,部分强度焊缝
10(13版已删除)

UW-20.4,UW- 20.5,计算实例

L-

▲按管子拉伸强度确定连接焊缝尺寸(不适用于有胀接时)

UW-20.6

▲确定管子与管板接头许用载荷的基础(除按UW-20.5计算的部分强度
焊,焊接加胀接,单独胀接加密封焊),附录A

184

管子对管板的连接强度(1)
?

?

对于焊接连接,区分全强度焊缝和部分强度焊缝,由UW-20进行计算;对 于焊接加胀接或单独胀接连接,不可能是全强度连接,由附录A计算,并 在必要时作剪切强度试验。 要求:对固定管板式和浮头式換热器,由管子轴向拉、压应力σ t,max所 引起的轴向载荷Wt应不超过管子对管板连接处的最大许用轴向载荷Lmax。
最大许用轴向载荷Lmax按以下分别确定

?



185

管子对管板的连接强度(2)
管子对管板的连接焊缝 UW-20,附录A,附录HH
▲焊接,全强度焊缝,部分强度焊缝(都不包括胀接) 前者按各焊缝强度等于管子轴向拉压强度Ft确定最大许用轴向载荷Lmax [Ft=3.14t(do-t)Sa](UW-20.4) 后者按各焊缝实际强度确定最大许用轴向载荷Lmax,但不大于管子轴向拉压强 度Ft (UW-20.5)07、10版译文有误 ▲焊接加胀接或胀接加密封焊,不可能达全强度,按附录A由各焊缝实际强度 和胀接长度确定最大许用轴向载荷 Lmax ( 确定管子与管板接头许用载荷的基 础),但不大于管子轴向拉压强度Ft。 下图是不包括胀接在内的全强度或部分强度焊缝结构和各部尺寸说明,都可以 用于全强度或部分强度焊缝。



186

管子对管板的连接强度(3)
(不包括胀接)

187

管子对管板的连接强度(4)
(不包括胀接)
全强度焊缝的许用轴向载荷:
由压力引起轴向力的许用轴向载荷,Lmax=Ft 由压力加温差或由温差引起轴向力的许用轴向载荷,焊缝厚度小于管子壁厚

tt时,Lmax=Ft,其它所有焊缝时, Lmax=2Ft,
全强度焊缝的强度可以由填角焊缝强度 Ff和坡口焊缝强度 Fg两部分、或其中 的任一部分组成,规范规定了每一部分都不大于管子轴向强度Ft 各部分焊缝尺寸(af,ag,ac,ar等)的计算见UW-20.6

188

管子对管板的连接强度(5)
(不包括胀接)
部分强度焊缝的许用轴向载荷: 由压力引起轴向力的许用轴向载荷,Lmax=Ff+Fg,或Lmax=Ff,或Lmax=Fg,但 不大于Ft 由压力加温差或由温差引起轴向力的许用轴向载荷,焊缝厚度小于管子壁厚tt 时,Lmax=Ff+Fg,但不大于Ft,其它所有焊缝时,Lmax=2(Ff+Fg),但不大 于2Ft 部分强度焊缝的强度(即Lmax)可由填角焊缝强度Ff和坡口焊缝强度Fg两部分组 成,或其中的任一部分组成,每一部分都不大于管子轴向强度。

各部分焊缝尺寸(af,ag,ac,ar等)的计算见UW-20.6
189

管子对管板的连接强度(6)
(不包括胀接)
? ? ?

简图(a)填角焊缝强度:Ff= 0.55? a f ? d o ? 0.67a f ? S w 全强度焊缝时:af不应小于ar或t的较大值 部分强度焊缝时: af不应小于ar
2

? ? ?

?

ar ? ? 0.75do ? ? 2.73t ? do ? t ? f w f d ? 0.75do 简图(b)坡口角焊缝强度:Fg= 0.85? ag ? d o ? 0.67 ag ? S w 全强度焊缝时:ag不应小于ar或t的较大值 部分强度焊缝时: ag不应小于ar 2 ar ? ? 0.75do ? ? 1.76t ? do ? t ? f w f d ? 0.75do 上述Ff和Fg二者都不大于Ft(原因讨论)
190

管子对管板的连接强度(7)
(包括胀接)

191

管子对管板的连接强度(8)
(包括胀接)
具体结构可分为 a、b、b-1、c、d、e、f、g、h、i、j、k等,各种结构其最 大许用轴向载荷Lmax的计算式分别列于A-2节,它和管子的横截面积At、管子 的许用应力Sa有关,并对各不同结构分别乘以各个小于或等于1.0的系数,其 中系数fr可由剪切评定试验求得(取试验评定所得和表A-2中试验值中的较低

上图仅表示各种焊接结构(也可和胀接一起组合)时焊缝尺寸a和接管壁厚t的关系,

值),在不做评定试验时,可由表A-2直接查取(当然比做评定试验者为低了 ), 其它各系数系如 fe是计及胀接长度、fT是计及管子对管板连接处径向热膨胀 差、fy是计及管子和管板材料强度差异等的系数。

192

管子对管板的连接强度(9)
(包括胀接)
总是达不到全强度 例如: 对结构a、b、b-1、c、d、e,Lmax=AtSafr 对结构f、g、h,Lmax=AtSafefrfy 对结构i、j、k ,Lmax=AtSafefrfyfT

193

管子对管板的连接强度(10)
(包括胀接)(部分)
接头型式
a b

说明
仅焊接,a >1.4t 仅焊接, t≤a<1.4t 仅焊接,a <t 焊接,加胀 接 a≥1.4t 胀接,开一 条槽加强

注解条目
(3) (3)

fr(试验)
1.00 0.70

fr(不试验)
0.80 0.55

b-1 e

(4) (3)

0.70 1.00

? 0.80

j

(7)(8)(9)

0.80

0.65
194

管子对管板的连接强度(11)
(包括胀接)
关于管子对管板胀接工艺及其评定的有关要求,可参见非强制性附录HH:管子胀接工 艺及其评定。

195

換热器设计和国内标准的比较(1)

U形管式換热器

(1)计及了管板对管箱或壳体的约束

(2)管箱和壳体直径可以不同

(3)不计算管子轴向应力

固定管板式換热器

(1)7种可能的危险工况(考虑管板、管子、壳体三者可能引起最大应力的工况)(GB 151征求 意见稿由4种改为6种)

(2)管箱和壳体直径可以不同

(3)按未腐蚀和已腐蚀二种条件计算

(4)邻近管板处管箱或壳体的局部加厚)(GB 151也拟加厚)
196

(5)对管子和壳体轴向(拉、压)应力的校核

換热器设计和国内标准的比较(2)

(6)允许壳体和/或管箱对管板连接处小范围屈服,以转移管板载荷

(7)明确两块管板厚度、材料、结构尺寸和周边支承条件都相同

(8)限定不布管区总面积,未限定管板周边不布管区尺寸 浮动管板式換热器

(1)需由迭代法且对两端管板分别计算

(2)管箱和壳体直径可以不同

(3)7种可能的危险工况(指管板径向温差)
(4)应取两块管板材料和厚度相同,但结构尺寸不同,对两块管板都要进行计算 和校核
197

換热器设计和国内标准的比较(3)
(5)允许壳体和/或管箱对管板连接处小范围屈服,以转移管板载荷 管子对管板的连接强度 区分全强度或部分强度焊,焊接加胀接,并针对不同的焊缝尺寸和胀接长度分 别计算,较GB 151只按胀接或焊接(和焊缝尺寸、胀接长度等都无关)区分为 之细緻 下表是GB 151的许用拉拔力[q]

198

換热器设计和国内标准的比较(4)
管子与管板连接结构型式 管端不卷边 管孔不开槽 管端卷边或管孔 开槽 [q]MPa 2 4

钢管
胀接

有色金属管

管孔开槽

3
0.5[σ ]tt
199

焊接(钢管、有色金属管)

制造和检验(1)


形状允差 圆筒、球壳和锥壳 UG-80 内压(不圆度,Dmax-Dmin≤1%D) out-of-roundness , 对不能免除疲劳分析的内压壳体,还要测量并控制棱角 值。 外压(除不圆度外,还要测量并控制对真正圆形的最大 正负偏差 e 值 ) L 值的计算 ( 圆筒、锥壳和球壳 ) UG80(b) ,但不要测量并控制棱角值。 凸形封头(向外偏差≤1.25%D,向内偏差≤0.625%D,过 渡转角半径不能小于规定值) UG-81,受外压时,其球 面部分要满足外压球壳的形状允差,其L 值的计算仍按 UG-80(b)。 扁平表面 UG-32(o)允许的局部减薄 附录32 200

壳体的不圆度(out-of-roundness)

不圆度

仅疲劳分析容器才要求
201

壳体对真正圆形的正、负偏差
?

Maximum plus-or-minus deviation from the true circular form

202

测量用样板弦长
图UG-29.2

203

对真正圆形的最大正负偏差e值
图UG-80.1

204

成型封头的形状允差

?

内样板检查显示外凸

外样板检查显示内凹

205

未说明怎样测量,用内样板或外样板测量

206

壳体允许的局部减薄
?

207

制造和检验(2)

焊接接头 筒体对筒体连接时,相邻纵向接头中心线应相距至少为较厚板厚度的 5倍,否则,应对每 侧100mm长的纵向接头作射线检测 [UW-9 (d)],此检测不能计入递增量的抽样检测规 则。 对接 角接 UW-9 不等厚度对接时的削斜过渡 平板和圆筒,接管和壳体 UW-13,UW-16,UW18

咬边和余高 对准公差

UW-35 疲劳分析容器不宜 UW-33 A类严,B、C、D类较宽

冷成形后的热处理 表UG-79,对P-No.15E的碳钢和低合金钢,表UCS-79 据最大纤维伸长 率 焊后热处理 UCS-56 据材料的P-No.数
208

制造和检验
原GB 150

?

?

?

仅内压壳体要测量并控制Dmax-Dmin≤1%D,外压壳体无此要求,仅要测量并控 制e值,在容标委所编压力容器设计工程师培训教程P.175和标准释义P.117都 说明e=Dmax-Dmin。内压和外压壳体都还要要求测量并控制棱角值。 在测量并控制外压壳体的e值时,未对锥壳和球壳的L值作出说明[漏引UG-80(b) 节,新版已补充]。 对成型封头,仅要求测量并控制球冠区曲率半径偏小所引起的向外偏差 (1.25%D),未要求测量并控制球冠区曲率半径偏大所引起的向内偏差 (0.625%D),且所表示的图形也可商榷(新版已改正)。 局部伤痕等修磨引起的减薄,规定未提及减薄区的大小。

?

209

制造和检验
原GB 150

原GB 150对封头形状允差的控制
210

制造和检验
新GB 150
已补充了外压壳体Dmax-Dmin≤1%D的要求。 对成型封头,已补充了0.625%D向内偏差的要求,并用内间隙样板测量。 补充了球壳和锥壳测量e值时所用样板时L值的规定。 相邻筒节间 A 类接头的距离应大于 3 δ ,且不小于 100mm ,焊缝交叉部位应 100% 检测 (未提及检测长度),不宜采用十字焊缝。 对焊后热处理公称厚度的规定(8.2.1节),对Ⅷ-1的规定引误,见《化工设备与管道》 2012 No.4。 但在标准释义P.229中,对形状允差(6.5.10和6.5.11节)却表示并无修改。

211

用间隙内样板测量

212

应力分类及其限制条件(1)
压力容器规范的发展沿革 所涉及内容和范围的发展,都和科学技术的进步, 对压力容器材料、结构、设计、制造、检验等技术的不断完善、提高,对失 效模式的逐步认识、深化,应力计算方法的进步等分不开的。 压力容器的主要失效方式 弹性,弹-塑性,塑性,安定性,稳定性(线性弹

性,非线性弹性,塑性),爆破,疲劳,开裂。 压力容器元件的应力计算方法

材料力学,板壳理论,弹性力学,弹-塑性力学,

有限元(弹性,全塑性,弹-塑性),实验应力分析。各方法各有假设和近似, 所以对同一元件,用不同方法所得结果稍有区别。

213

同一元件由板壳理论和弹性力学 求解所得不同结果

214

应力分类及其限制条件(2)
?

?

?

1955年ASME锅炉及压力容器规范委员会专门成立了一个“评述规范应力 基准特别委员会”,之后在1965年公布了ASME Ⅲ,继而在1968年公布 了ASME Ⅷ-2—压力容器建造另一规则,全面引入了应力分类及其评定 的思想以及疲劳设计。 根据当时的元件应力计算水平,应力分类及其评定主要地建立在由板壳 理论计算应力的基础上,所以用其它方法计算应力而进行分类时可能引 起问题。 应力分类及其评定的思想至今仍为各国压力容器规范(标准)所采用,但 新版ASME Ⅷ-2并不推荐采用由弹性有限元所得总应力再分解、分类和 评定的方法,而是推荐采用弹-塑性有限元的总体失效评定方法。

215

应力分类及其限制条件(3)
? ?

?

?

?

应力分类的依据和基本出发点: (1) 产生应力的原因(机械、温差载荷,由温差载荷引起的应力总是由 变形协调条件导出,机械载荷则不一定,机械载荷对元件的失效甚于温 差载荷) (2) 导出应力的方法(外载和内力的平衡,变形协调条件,前者对元件 的失效甚于后者) (3)应力沿壁厚的分布(薄膜,弯曲,非线性,前者对元件的失效甚于后 者) (4)应力存在区域的大小(总体,局部,前者对元件的失效甚于后者)

216

应力分类及其限制条件(4)
三大类(一次,二次,峰值)

五种(Pm,PL,Pb,Q,F。PL是特殊的)
应力分类: 一次应力,特征:不具自限性 (1)总体一次薄膜应力Pm,不会



















(





)









(2)局部一次薄膜应力 PL,(是特殊类别,不以有无自限性界定,仅以“局部”和“薄 膜”界定) (3)一次弯曲应力Pb

二次应力 Q,特征 : 具有自限性,局部屈服和小量变形可以使引起这种应力的条件得以消 失,一次性施加这种应力是不会导致失效的。可以是薄膜、弯曲应力。

217

应力分类及其限制条件(5)
峰值应力,特征:不会引起任何显著的变形,之所以对强度有害仅因为是一
种可以导致疲劳裂纹或脆性断裂的可能原因。(未提及沿厚度的分布,但 在分类表中,则提及可以是薄膜、弯曲、非线性,也未提及有无自限性,

由此而导致JB 4732的制定和国内的长期争议)
压缩应力不分类,只要达到某一临界值,元件就失稳。

218

由板壳理论求解不连续问题

图 1a

图 1b

图 1C

为连续而加上 按无力矩理论引起的脱节 力矩和剪力 最终结果

219

边缘力矩和边缘剪力

由边缘剪力和力矩引起的边缘应力 具有自限性和衰减性
220

边缘应力的自限性分析

221

边缘应力的衰减性分析

222

一次(薄膜﹑弯曲)应力 的极限分析

由矩形截面梁受拉伸和弯曲导出

223

二次应力(有自限性) 的安定性分析

设为理想弹-塑性材料

一次性施加这种载荷是不会导致失效的
224

应力分类及其限制条件(6)
应力分类及其限制条件 ① P m≤S m ② PL≤SPL ③ Pm(PL)+Pb≤SPL ④ Pm(PL)+Pb+Q≤SPS ⑤ Pm(PL)+Pb+Q+F≤2Sa SPL=max〔1.5Sm,Sy〕 SPS=max〔3Sm,2Sy〕
?

要求5个条件同时满足
即同时限制各种失效模式

225

应力分类及其限制条件(7)

13版将仅涉及一次应力的限制条件改为SPL= max(1.5Sm,Sy)

226

应力分类及其限制条件(8)

设计载荷和操作载荷的区别

227


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