我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系

1我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系2007-08-0210:41我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系摘要介绍了GB150—1998《钢制压力容器》、JB4732—1995《钢制压力容器应力分析法设计标准》和JB/T4735—1997《钢制焊接常压容器》我国三个钢制压力容器标准的适用范围和主要区别。详细论述了超高压容器、快速开关盖式容器等超出GB150适用范围容器的设计原则，指出应根据设计压力、设计温度和工作条件等选用合适的压力容器设计标准。对凸形封头和热卷圆筒的成型厚度、压力容器最大允许工作压力和试验压力的确定方法作了详细介绍。主题词压力容器中国标准关系设计原则ZhengJinyang(InstituteofChemicalMachineryandEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou),LiChupai.RelationshipbetweenthreemainChinesestandardsofsteelpressurevessels.CPM，1999，27(2)：53～57Thisarticledescribes:(1)thescopesandmaindifferencesbetweenthreemainChinesepressurevesselstandards,i.e.GB150—1998,JB/4732—1995andJB/T4735—1997;(2)designproceduresforvesselswhicharenotincludedinGB150,suchassuper-highpressurevesselsandpressurevesselswithquickopenclosure;(3)howtochoosesuitablepressurevesselstandardaccordingtodesignpressure,designtemperatureandoperatingcondition;(4)methodsfordeterminingtheformedthicknessofconvexheadandhotrolledcylinder,themaximumallowableoperatingpressureandtestpressureofpressurevessels.SubjectConceptTermspressurevesselChinesestandardrelationshipdesignprocedure自1959年颁布《多层高压容器设计与检验规程》以来,经过近40年的发展,我国已基本形成了以GB150《钢制压力容器》为核心,由材料、焊接、无损检测、产品和零部件标准组成的钢制压力容器标准体系。除设计压力超过100MPa的超高压容器外,我国压力容器标准基本上可以覆盖所有的钢制压力容器。笔者拟以GB150—1998《钢制压力容器》、JB4732—1995《钢制压力容器应力分析法设计标准》和JB/T4735—1997《钢制焊接常压容器》（以下分别简称为GB150、JB4732和JB/T4735）的适用范围和总论为重点,结合笔者的学习体会,介绍这三个标准的适用范围及主要区别、超出GB150适用范围的容器的设计原则、压力容器设计标准的选用，以及凸形封头和热卷圆筒的成型厚度、压力容器最大允许工作压力和试验压力的确定方法。适用范围及概况为便于对比分析,表1列出了GB150、JB4732和JB/T4735的适用范围和主要区别［1，2］。2GB150和JB/T4735属于按规则设计规范,都采用第一强度理论和弹性失效设计准则,将最大主应力限制在材料许用应力以内。对于局部结构不连续处的局部应力,则是通过JB4732中的有关规定和思想,确定元件结构的某些相关尺寸范围,或引入各种系数来限制的，如锥壳与圆筒连接处的设计要求；在椭圆形封头和碟形封头厚度计算式中引入的形状系数K和M，以及无折边锥形封头的半顶角不得超过30°等。设计实践表明，按规则设计的绝大多数压力容器是安全可靠的,因而在世界各国得到广泛应用。但是,随着生产的发展和科学技术的进步,压力容器向大型化和高参数化发展,出现了许多使用条件相当苛刻的压力容器,如需要疲劳分析的压力容器和大型热壁容器等。这些容器无法按规则设计标准进行设计,促使了分析设计规范的出现。JB4732是应力分析法设计标准,需要采用应力数值计算法、实验应力分析法或解析法对容器进行详细的应力分析,并根据应力对容器失效所构成的危害程度,将应力进行分类,对各类应力用不同的限制值进行控制。由于对容器进行了详细的应力分析,且对材料、制造、检验和验收等提出了更高的要求,因而JB4732采用了比GB150小的安全系数。表1GB150、JB4732和JB/T4735的适用范围和主要区别项目GB150JB4732JB/T4735设计压力0.1MPa≤pd≤35MPa，真空度不低于0.02MPa0.1MPa≤pd＜100MPa，真空度不低于0.02MPa-0.02MPa＜pd＜0.1MPa设计温度按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃,最低为-196℃）低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高475℃）大于-20℃至350℃（奥氏体高合金钢制容器和设计温度低于-20℃,但满足低温低应力工况,且调整后的设计温度高于-20℃的容器不受此限制）基本安全系数碳素钢、低合金钢：nb≥3.0，ns=nts≥1.6，nD≥1.5,nn≥1.0；高合金钢：nb≥3.0,ns=nts≥1.5，nD≥1.5，nn≥1.0碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：nb≥2.6,ns=nts≥1.5；奥氏体高合金钢：ns=nts≥1.5碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：nb≥2.5,ns=nts≥1.5；奥氏体高合金钢：ns=nts≥1.5对介质的限不限不限不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器3制设计准则弹性失效设计准则塑性失效设计准则和疲劳失效设计准则,局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定一般为弹性失效设计准则和失稳失效设计准则应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数弹性有限元法;塑性分析;塑性理论和板壳理论公式;实验应力分析以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数强度理论最大主应力理论最大切应力理论最大主应力理论,但大多数容器的设计厚度由最小厚度决定容器壳体无损检测要求按钢种、厚度、介质特性和耐压试验类型确定无损检测要求;局部无损检测要求长度不小于各条焊缝长度的20%,且不小于250mm所有A类或B类焊接接头;筒体或封头名义厚度大于65mm的C类焊接接头（多层包扎筒体中的C类除外）;开孔直径大于100mm且筒体或封头名义厚度大于65mm的D类焊接接头都要做100%无损检测按容器的公称容积、厚度、设计温度、介质毒性程度和可燃性、耐压试验种类和钢种确定是否需要无损检测,检测长度不小于各条焊缝长度的10%是否需要应力分析不需要,但超出本标准规定时,需要应力分析需要,但按本标准设计的球壳、筒体、封头等不需要应力分析不需要是否需要疲劳分析不适用于需要疲劳分析的容器需要,但有免除条件（按载荷循环次数或应力幅提供疲劳分析免除条件）不适用于需要疲劳分析的容器资设计单位和制造单位应设计单位需取得应力分设计、制造都无资格要4格要求有相应的设计批准书或制造许可证;焊接必须由持有相应类别资格的焊工担任;无损检测必须由有相应类别资格的人员担任析设计资格证书,设计文件必须由三名具有资格证书的分析设计人员签名;制造单位必须具有三类容器的制造许可证;焊接必须由持有相应类别资格的焊工担任;无损检测必须由Ⅰ级或Ⅱ级人员担任求;需无损检测的容器,应由有无损检测资格的人员担任;有的容器需由有考试合格证的焊工担任综合经济性一般结构的容器综合经济性好大型复杂结构的容器综合经济性好在相应范围内的容器综合经济性好超出GB150适用范围的容器设计1.GB150中给出的处理方法对不能用GB150来确定结构尺寸的受压元件,GB150允许采用以下方法来确定结构尺寸:有限元法在内的应力分析;验证性实验分析;用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。但需经全国压力容器标准化技术委员会评定和认可。按GB150制造的压力容器,当结构参数或载荷条件超出GB150规定的范围时,可以对局部结构进行应力分析,以确定结构参数,而不要按JB4732进行容器整体的应力分析设计。对局部结构进行应力分析和强度校核时,应以GB150中的许用应力作为其设计应力强度,按JB4732中的规定进行应力分类和评定。因为只有当材料、设计、制造、检验和验收等均满足JB4732的要求时，才可取JB4732中提供的设计应力强度。验证性实验分析包括实验应力分析和验证性液压试验。对那些结构复杂或边界条件不易确定的部位,一般应做验证性实验分析,以判断应力数值解或解析解的精度。对比经验设计要求由有相应压力容器设计资格的单位承担。设计时应向全国压力容器标准化技术委员会提供的文件包括:容器的设计条件、技术参数和材料;具有使用经验的在用压力容器和对比经验设计的压力容器的全套图纸及使用情况说明;使用单位对在用容器的技术鉴定文件及上级主管部门的鉴证意见等。2.对于GB150不适用的容器对于设计压力大于35MPa但小于100MPa的容器和需进行疲劳分析的容器,可按JB4732进行设计。介质毒性程度为轻度或低度危害的常压容器按JB/T47355设计。现对几种特殊容器说明如下。(1)超高压容器设计压力大于等于100MPa的超高压容器,目前我国尚无设计标准，应按照《超高压容器安全监察规程（试行）》的有关规定设计。可供参考的国外标准有:ASME锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第3分篇［3］和日本HPISC—103—1989《超高压圆筒容器设计规则》［4］。(2)搪玻璃容器搪玻璃容器具有特殊的制造工艺,如耐压试验的压力为设计压力,GB150中没有包括这些特殊要求,所以应相对于GB150另行制订标准。(3)快速开关盖式容器快速开关盖式容器是指将端盖旋转某一角度或锁紧件移动一定的距离，就可完成启闭的压力容器，广泛地应用于化工、建材、食品、航天、医疗、造纸等领域，如消毒锅、空气炮（压缩空气清堵装置）、蒸压釜、硫化罐、蒸煮罐、萃取釜等，是一类典型的承受频繁间隙载荷作用的压力容器。这类容器不但要求抗疲劳性能好，而且要采用快速开关盖装置（如卡箍式快速开关盖装置、齿啮式快速开关盖装置、剖分环式快速开关盖装置等）、安全连锁装置和报警装置，确保容器启闭迅速，在泄压未尽前不能打开端盖，端盖未完全闭合前不能升压［5］。GB150只包含适用于高压快开场合的卡箍紧固结构，没有涉及到广泛应用的齿啮式快速开关盖装置、压紧式快速开关盖装置和移动式快速开关盖装置等的材料、设计、制造、检验和验收要求。然而，目前仍有单位按GB150设计和制造快速开关盖式容器，既没有对容器进行疲劳分析，又没有采用合理的结构（如齿啮式法兰与啮合齿之间采用焊接结构；封头、筒体与法兰之间采用角接焊接结构；主要焊接接头未经100%无损检测等），留下了疲劳破坏的隐患。浙江大学化工机械研究所对齿啮式快速开关盖装置的受力特点和设计方法进行了深入的理论分析和试验研究，结果表明：在齿啮式快速开关盖装置中，沿圆周方向均布的啮合齿存在明显的受力不均匀性，啮合齿根部有很高的应力峰值，若不能充分考虑这种承载的不均匀性和应力峰值，就很难计算容器的疲劳寿命。所建立的齿啮式快速开关盖装置工程设计方法已通过浙江省科学技术委员会组织的技术鉴定，可用于工程设计。在国家正式颁布快速开关盖式容器标准之前，笔者认为该型容器宜按JB4732和原劳动部《快开端盖式压力容器安全管理规定》与《关于加强新制造的快开门式压力容器安全检察的通知》等的要求进行设计、制造、检验和验收。(4)已有其它行业标准的容器制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用容器需满足相应的标准要求，如JB/T6917—1993《制冷装置用压力容器》。标准选用注意事项JB/T4735与G