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幻灯片1ASMEⅧ（和设计有关部分）介绍华东理工大学丁伯民CACIASME压力容器建规范研讨会2009.4.24，上海幻灯片2前言(1)ASME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ASMEⅧ-1、Ⅷ-2是包括立式或卧式容器、换热器、球形容器、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，设计用线算图和曲线拟合公式区别于建造另一规则，并无不适用于疲劳分析容器的陈述。GB150仅指钢制容器，且不适用于疲劳分析容器，其它各材料和容器另订标准。幻灯片3前言(2)ASME规范的卷、版本、增补、条款解释、规范案例、例题内容不断增加、更新，安全(设计)系数不断降低，不断引入新的设计理念2007版Ⅷ-2全部改写和国内标准的编写习惯略有不同GB150、JB4732实际上主要引自ASMEⅧ-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GB150已11年，JB4732已14年，确认版已4年，GB151已11年。按新“容规”将改为2.4,1.5bsnn，GB150对相关技术内容又要配套修改。JB4732确认版仍保留板壳理论的求解和大量繁复公式。针对某一技术问题可能涉及多个章节(如低温操作)，但Ⅷ-1每版的章节编号不变。漏引或误引的例子很多，如外压元件设计，试验压力及圆筒应力的校核，不需补强和不另行补强，补强设计中的应力调整系数F，对球壳、锥壳尺寸L值的表示式，外压壳体形状允差中的不圆度要求，对3d范围内的焊缝都要无损检测，以及JB4732标准释义中对峰值应力沿壁厚的分布特征和总应力的分解并分类，虽满足了其开孔补强的设计方法但仍要作详细的应力分析等。幻灯片42007版和08A的主要修改(1)（Ⅷ-1）管壳式換热器:U形管和固定管板式补充了管板不受管箱或壳体约束时的设计增加了圆筒和锥壳上大开孔补強设计的压力面积应力法(新版Ⅷ-2的方法)增加了附录JJ，高合金钢(UHA材料)免除冲击试验的流程图08A:对固定管板和浮动管板式換热器管子应力所在位置和计算法作了修改，固定管板式并补充了壳体拉压薄膜应力的校核，补充了壳体上大开孔的另一方法(弹-塑性补强)，附录35，附录KK和LL个人认为，ASMEⅧ-2的压力面积应力法是目前各规范中最为合理的设计方法。固定管板和浮头式換热器最大轴向应力管子的位置是不确定的。对固定管板式換热器壳体轴向压缩应力的计算和校核是十分必要的。幻灯片52007版的主要修改(2)（Ⅷ-2）修改背景：应力分类原理和应力计算方法的匹配，有限元方法的广泛使用，压力容器实际失效处用弹性应力计算方法所存在的问题，原Ⅷ-2的适用元件过少，适应欧盟的PED，且向EN13445靠拢主要修改内容：分为按规则设计和按分析设计，前者增加元件种类，后者仅对未列入前者或前者未包括的结构、载荷或形状差超标者，后者都用FEM解，对防止塑性垮塌、局部失效、失稳、疲劳等，建议尽可能用弹-塑性分析而少用不用弹性应力分析并配以应力分解和分类的方法;大多用拟合公式而少用曲线表示，方便了编程，但不方便手算对ASMEⅧ-2中关于由弹性有限元所得总应力应如何按建立在板壳理论基础上的应力分类原理进行分解和分类的问题，从JB4732的讨论稿(1983)起，国内已争议了几十年而目前仍保持现状，国外研究了几十年，终于公布了EN13445和修改了Ⅷ-2。分为按规则设计和按分析设计，前者采用了应力分类及其评定的思想但以公式的形式出现，后者则主要用有限元，且主要是弹-塑性有限元。不清楚JB4732对此有何安排。幻灯片6材料、安全系数和防脆断措施安全系数和材料许用应力的确定Ⅷ-1：nb=3.5,ns=1.5,Ⅷ-2：nb=2.4,ns=1.5,Ⅷ-3：不采用许用应力，取全屈服压力PD为基础的安全系数为1.732防止脆性断裂的历史沿革Ⅷ-1：1989年以前为基于经验的抗脆断方法，以后为以断裂力学分析为基础的抗脆断方法，Ⅷ-2：1968年起就以断裂力学分析为基础的抗脆断方法，新版因降低了安全系数而对防脆断措施提高了要求，Ⅷ-3：不论低温与否，都要进行冲击试验安全系数的调整牵涉到一系列与之相关内容的同步调整，否则会引起问题。GB150所用是上世纪八十年代以前ASME规范所用以经验为基础的方法，看来在技术上是大大落后了。幻灯片7材料（1）关于16MnR:规范案例2506允许在同时满足下列条件时采用我国GB665416MnR制造ASMEⅧ-1的容器：(1)许用应力仅为我国规定值的85%，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(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)考虑冲击试验要求时，应视为曲线A的材料国内有些人认为这是一大好消息(国内的AI认为大好消息是另有出发点)，但个人则觉得把国内的“王牌”钢材作为低等材料批准，实在难以为情。幻灯片8材料（2）(6)应满足ASMEⅧ-1中UCS篇的其它一切要求(7)应在制造厂数据报告中列出本案例号08A:在表UCS-23中已补充了SA/GB6654标准号，但我国GB6654已被GB713取代，16MnR已被Q345R取代，且拟修改的容规取nb=2.4，ns=1.5这是各规范、标准各行其亊，互不协调的又一例证。幻灯片9ASMEⅧ-1的防脆断措施分析(碳钢和低合金钢)低温操作（不称为低温容器）▲总体思想（以断裂力学原理为基础）▲低温的界定(MDMT和各种MDMT的含义)UCS-66，UCS-67▲冲击功的合格指标UG-84，UHT-6▲试样UG-84（尽可能做标准试样，否则调低试验温度）▲控制厚度UCS-66▲其它因素：低应力工况、额外焊后热处理（免除冲击试验温度可调低），加载速度(低强度钢冲击试验温度可调高），低强度钢的免除条件，UG-20，UCS-68(c)，UG-84(b)(2)以CKaK为判据，其中为元件的应力水平(取满强度)，a为裂纹尺寸(规范制定者经调研而取元件厚度的某一%)，如失稳扩展，则抗低温性能不足，要求测定，据CK和CVN的数值关系而仍用CVN值判定。幻灯片10ASMEⅧ-1的防脆断措施分析(高合金钢)总的情况防脆断性能好，在不低于-48℃时不需要冲击试验UHA-51和附录JJ(用流程图判别)幻灯片11ASMEⅧ-1防脆断措施的汇总各MDMT的不同含义:(1)设计条件定出的MDMT，作为判别要否冲击试验的依据之一，如不调整，则在此温度下试验。(2)冲击试验温度，可以是未经调整或经各种调整后(小尺寸试样的调低，低强度材料的调高)的冲击试验温度MDMT。(3)以各元件允许的最低允许使用(即设计时所取，或并经低应力工况或额外热处理等各种调整)温度MDMT中的最高值作为打在该容器铭牌上的MDMT。幻灯片12ASMEⅧ-2的防脆断措施分析总体思想：许用应力高，防脆断要求相应提高（1）免除试验温度提高，图3.7（2）未经或经PWHT者用不同免除曲线，图3.8（3）低应力状态免做冲击试验的MDMT降低值，调低低应力水平，对不同强度区别对待，图3.12（4）提高CVN的合格值，区分未经过或经过PWHT，图3.3（5）可用FM法分析以确定MDMT，3.11.2.8节这是安全系数调低后与之相关规定也要协调的例证。幻灯片13ASMEⅧ-3的防脆断措施总体思想：材料、结构、制造和操作条件都高，防脆断要求相应更高都要在MDMT时作夏比V冲击试验，仅小尺寸试样时应将MDMT作和Ⅷ-1、2相同的调低，KM-212，不涉及是否有额外PWHT和中低强度钢的调整需要作FM评定时（不能表明以未爆先漏模式失效，KD-3、KD-4章），按KM-250作附加的韌性要求（KIC、JIC、CTOD）各断裂韌度和CVN间的相互关系，D-600未爆先漏是指由断裂力学计算，其临界裂纹深度大于元件厚度，也就是缺陷尚未失稳扩展，但其深度已大于元件厚度、致已引起泄漏的失效。这和在疲劳分析中采用S-N曲线还是FM法设计有关，只有在满足未爆先漏的条件下，即在承受交变载荷过程中不发生裂纹的失稳扩展，才能用S-N曲线进行疲劳分析。幻灯片14焊接接头分类和焊接接头系数接头类别和结构型式：类别和所在位置、元件类型有关，同一类别可以有不同的结构型式(A，B，C，D类)[(1)-(8)型]接头分类的出发点：接头的所受应力水平综合接头类别、结构型式、检测程度确定对接接头的焊接接头系数（表UW-12)规范表明按接头在容器上的位置而不是接头型式分类，即是表示按接头所受的应力大小分类。GB150虽也这样表示，但实际上是按接头位置和型式(采用RT或UT检测的为对接、采用MT或PT检测的为角接)划分，A、B类为对接，B、C类为角接，所以将承受最大主应力的多层容器层板的纵缝调整为C类(因无法用RT检测)，嵌入式接管调整为A类(因一定要RT检测)，但遗漏了平板的拼接、以及平板对圆筒对接接头的划类。幻灯片15ASMEⅧ-1的焊接接头分类A、B类指能用计算求得元件上接头处应力大小的接头，如壳体、平板的拼接接头等。A类承受最大主应力，B类承受第二主应力，除个别者外都为对接。B、C类指不能用计算求得接头处应力大小的接头，如接管和壳体或平板相连处的接头等，其中涉及有一者为平板时划为C类，二者都为壳体时划为D类(矩形截面容器的侧板例外)，C、D类可以是角接或对接。所以不宜写作B、C类对接接头而应写作B类、C类对接接头。幻灯片16ASMEⅧ-2、3的焊接接头分类ASMEⅧ-2和Ⅷ-1基本相同，但増加E类接头，指连接非受压件和加强件的接头除无搭接接头外，还増加结构类型(10)ASMEⅧ-3和Ⅷ-1基本相同，但一般都要求对接或全焊透的角接KE-321幻灯片17ASME规范的焊接接头系数Ⅷ-1的焊接接头系数列于表UW-12，允许不作检测，但（1）型或（2）型的A类及D类对接接头即使经100%检测（包括无缝件），需满足UW-11(a)(5)(b)的规定才能取焊接接头系数为1.0Ⅷ-2的焊接接头系数列于表7.2，检测为100、25和10%，系数为1.0、0.85(原Ⅷ-2都取1.0)Ⅷ-3的焊接接头系数都要100%检测，所以无焊接接头系数无缝壳体或管子看作为(1)型焊缝并经100%检测，只有当与之相连的B类或C类对接接头至少为抽样检测时，才能取1.0E。幻灯片18按Ⅷ-1确定接头系数的框图（1）圆筒形和锥形壳体强制性全部RTUW-11(a)否无缝段否抽样RTUW-11(b)表UW-12(b)栏不RTUW-11©表UW-11(c)栏A类和D类对接焊缝UW-11(a)(5)选择全部RT选择RTB类和C类对接焊缝是是UW-11(a)(1),(2),(3)1型E=1.02型E=0.9A,B,C和D类对接焊缝C类角接接头不RT抽样RTUW-11(a)(5)(b)全部RTA类1型E=1.02型E=0.9A类1型E=1.02型E=0.9A类1型E=0.852型E=0.80A类1型E=1.02型E=0.903,4,5或6型E=0.85B和C类1型E=1.02型E=0.9B和C类1型E=0.852型E=0.80B和C类1型E=0.702型E=0.65C类7型E=1.0此图引自ASMEⅧ-1图L-1.4-1，仅指此元件本身，未按整个容器考虑，即未考虑与之相连的B类或C类对接接头。幻灯片19按Ⅷ-1确定接头系数的框图（2）用于壳体及成型封头计算式中的E值该元件无缝该元件上A类和D类对接焊缝是否100%检测否是是否有D类对接焊缝和该元件相连接的是A类焊缝是和该元件相连接的A类焊缝为(1)或(2)型，并100%检测否和该元件相连接的B类悍缝为(1)或(2)型，或C类对接否是和该元件相连接的B类及C类对接焊缝都是全部或局部检测，或C类是角焊缝否是是是和该元件相连的是A类焊缝否和该元件