我国压力容器标准和ASME规范的比较分析.

我国压力容器标准和ASME规范的比较分析摘要：本文主要从标准技术要求方面对我国压力容器标准和ASME规范进行了对比分析，详细描述和分析了两个标准体系相关标准的主要差别和相互对应关系，旨在和有关人士共同探讨如何深入理解和使用ASME规范。关键词：压力容器；标准；ASME规范；比较分析美国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GB150—89《钢制压力容器》标志着我国已开始形成以强制性标准GB150—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如表1。表1主要压力容器标准的对应关系我国主要压力容器标准ASME规范（1）GB150《钢制压力容器》（2）JB4734《铝制压力容器》（3）JB4745《钛制压力容器》第Ⅷ卷第一分册JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》第Ⅷ卷第二分册JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》第Ⅸ卷JB4730《压力容器无损检测》第V卷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1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《MechanicalEngineering))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。我国压力容器标准与ASME规范所使用的安全系数差别见表2。表2安全系数对比标准材料安全系数标准材料安全系数GBl50碳钢、低合金钢、高合金钢3．0ASME规范第Ⅷ卷第一分册碳钢、低合金钢3．5高合金钢3．0JB4732碳钢、低合金钢、高合金钢2．6ASME规范第Ⅷ卷第二分册碳钢、低合金钢、高合金钢3．04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CB150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焊接接头系数对比名称接头型式无损检测程度100％检测局部检测无检测我国标准双面焊或相当于双面焊全焊透的对接焊缝钢铝钢铝钢铝单面焊对接焊缝(带金属垫板)1．00．850．900．850．800．85--0．900．800．850．800．700．80--ASME规范双面焊或相当于双面焊全焊透的对接焊接单面焊对接焊缝(带金属垫板)单面焊对接焊缝(不带金属垫板)双面满角焊塔接接头单面满角焊塔接接头(加塞焊)单面满角焊塔接接头(不加塞焊)1.00.9----0.750.80----0.700.650.600.550.500.45注：①表中无损检测，我国对钢制压力容器以射线和超声检测为准，对铝制压力容器以射线检测为准；而ASME规范以射线检测为准，确实无法进行射线检测时允许用超声检测代之。②表中所列铝制压力容器焊接接头系数上限值指采用熔化极惰性气体保护焊，下限值指非熔化极气体保护焊。③有关系数所允许的应用场合和具体接头型式，请参见参考文献[1]、[2]、[4]。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设计计算公式比较比较项目GBl50ASME第Ⅷ卷第一分册圆筒形壳体δ=PcDi/(2[σ]tφ-Pc)t=PR/(SE-0.6P),环向应力t=PR/(2SE+0.6P)，纵向应力环形壳体δ=PcDi/(4[σ]tφ-Pc)t=PR/(2SE-0.2P)椭圆形封头δ=PcDi/(2[σ]tφ-0.5Pc)，标准型δ=KPcDi/(2[σ]tφ-0.5Pc)，非标准型t=PD/(2SE-0.6P)碟形封头δ=MPcDi/(2[σ]tφ-Pc)t=0.885PL/(SE-0.1P)半球形封头δ=QPcDi/(2[σ]tφ-Pc)t=PL/(2SE-0.2P)锥段和锥形封头δ=PcDc/(2[σ]tφ-Pc)Cosat=PD/[2Ccsa(SE-0.6P)]注：Pc—计算压力；Di--内直径；[σ]t—设计温度下材料的许用应力；δ-计算厚度；φ-焊接接头系数；K、M、旷-相关的形状系数，a-锥壳半顶角，t--最小需要厚度，P--设计内压力，R-所计算的内半径，S-最大许用应力值，St-容器设计温度下材料的应力值，E—焊接接头系数，L-球形或碟形封头球面部分的内半径，Sm—试验温度下材料的应力强度值，Smt--容器设计温度下材料的应力强度值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对比项GBl50ASME规范第Ⅷ卷第一分册圆筒上开孔Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤Di/2,且d≤520mmDi≤1520mm时，开孔最大直径d≤Di/2,且d≤508mm开孔尺寸也可超出前面的限制，但需按大开孔进行补强Di1500mm时，开孔最大直径d≤Di/3,且d≤1000mmDi1520mm时，开孔最大直径d≤Di/3,且d≤1000mm凸形封头d≤Di/2经正确朴强后开孔尺寸不加限制锥壳d≤Di/38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。表6焊工考试和管理对比项目锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则ASME规范第Ⅸ卷焊工考试(评定)组织、实施单位经所在地市级(及以上)安全监察机构批准，报省级安全监察机构备案的焊工考试委员会持有ASME认证证书的压力容器制造厂考试(评定)内容基本知识理论考试和焊接操作技能考试焊接操作技能考试焊工合格证有效期三年，在合格项目有效期满前3个月由焊工考委会安排复考或免考等事宜(50岁以上焊工不能免考)，中断受监察设备焊接6个月的需重考。未规定有效期限，但焊工或焊接操作工某一焊接方法在6个月或更长时间内没有操作过，则他的该项资格被中止评定方法和检验项目对试件进行外观检查、射线透照、弯曲试验对试件进行射线透照，或对试件进行弯曲试验，或对其首次产品焊缝进行射线透照合