新版ASME/ANSI B16.5-2003管法兰和法兰管件标准的重大变化
Important Changes in the Latest Edition of the ASME/ANSI B16.5-2003
陈登丰

        自从ASME B31.3工艺管道标准2001年6月正式被ISO所采纳[注1],形成ISO 15649以来[注2],ASME B31.3实际上成为国际性标准,而作为与之配套的重要管道组成件标准ASME B16.5[注3]也随之更为全球所广泛采用。目前,国际市场专门为B16.5设计的软件品种繁多[注4]这部标准已经成为全球近70个国家4500多家ASME持证厂家日常使用、与锅炉压力容器规范配套的手头必备标准。
        回顾ASME B16.5的发展史,自1927年6月第一次出现美国标准协会(ASA)B16暂行标准以来,1988年正式成为ASME/ANSI标准,至今历经77年的实践考验(对比ASME锅炉压力容器规范从1914版到现在整整90年),其间历次版本都有变化,而变化之大尤以2003版更为突出。

1、标题和计量单位的变化。
        1996版(2003年版之前版)的标题为:“管法兰和法兰管件(NPS 1/2到NPS 24)”,而2003版的标题为:“管法兰和法兰管件,NPS 1/2到NPS 24公制/英制标准”,说明这一版是公制和英制单位并列,而把公制放在英制的前面,是以公制为主,英制(相当于美国习惯单位)为辅。实际上,2003版的正文是公制单位,另增加了一个附录F,在附录F里面把正文里面的所有图和表中的计量单位都以美国习惯制单位表示。附录里面的图、表和正文一样,号码相同,只是在前面加一个F字样。如正文的图6(公制单位),附录里面对应的就是图F6(英制单位)。2003版决定以公制单位为主,是一个很大变化,其目的是为下一版全面推行公制做好准备,使ASME B16.5的国际性进一步增加,更加方便全球广泛采用。这一版,由于增加了附录F,故篇幅很大,与前版相比,大体增加一倍。
        决定采取公制为主的标准,是ASME的重大决策。把美国习惯单位转化为国际公制单位,决非简单地把in.(英寸)改为mm(毫米)。其中一个最大难题是两个符号系统的处理问题,一是额定压力-温度符号系统,二是管子(PIPE)的公称直径符号系统。前者是CLASS后面加数字,数字单位是psi(磅/平方英寸);后者是NPS后面加数字,数字单位是in,NPS和管标号(Schedule Number)结合才能确定管子的具体尺寸。我国把前者译为“若干磅级”;把后者译为“公称管径若干寸”。这种以美国习惯单位为基础的符号系统,在公制单位里面是矛盾的。假如把这几十年来习惯使用的符号系统全部去掉,换成崭新的系统,一下子转不过弯来,必将引起诸多麻烦。特别是将引起数以百计的关联标准的修改。能否有一个两全之法?ASME在本标准中做了一个微妙而重要的技术处理,即保留两个符号系统的识别码,而把计量单位全部去掉,变成无量纲的纯数字符号。
        例如NPS 2,原来表示公称管径2英寸,现在只是NPS 2,没有单位;又如额定压力级别,从150到2500有7 个等级,原来译做“150磅级到2500磅级”,现在只能译为“额定压力级号150到2500”,或简化为“额定级号150到2500”没有计量单位。
        在无量纲额定压力等级概念的基础上,在附录B(相当于前版附录D)“确定压力-温度额定值的方法”中新增法兰螺栓总面积计算公式、修订了法兰管件壁厚计算公式、修订了额定压力计算公式(见附录B的公式1、2、3)。
        新版在公制化不彻底的方面有以下3条:
        1)法兰以两种单位制表示,其中螺栓和螺栓孔仍保留美国习惯单位制;
        2)额定压力级号150和300的法兰管件以两种单位制表示,其中螺栓和螺栓孔仍保留美国习惯单位制;
        3)额定压力级号400、600、900、1500、2500法兰的管件仍保留美国习惯单位制。
        本标准强调由于两种单位制不是精确地对应,故不可混用。混用不符合本标准(螺栓和螺栓孔为美国习惯单位制除外)。由此可见,这个标准虽然向公制单位跨越了一大步,但仍然是一个不彻底的、过渡的、妥协的标准。

2、力-温度额定值均以II-D最新版数据重新计算。
        重新计算之后,允许工作压力大为提高,特别是在高温区域。例如(为比较方便,仍以美国习惯单位比较):对于1.1组材料,在1000oF下,400磅级的材料,前版允许工作压力为70 psig,新版提高到115 psig,提高幅度64%。而现在的300磅级的材料在此温度下其允许工作压力可达到85 psig,比前版的400磅级的还要高。因此,材料可大为节省,提高了材料使用经济性。 这一改变,对于已经按照本标准早期版本的压力-温度额定值进行安装的法兰和法兰管件,由于它比本标准具有较大的保守性,故除了法规有特别要求外,当然是符合本标准的。对于库存未用的法兰和法兰管件,是否符合本标准,则由制造商出具证明就可以了。针对这些问题,在总则里面特别增加了早期版本所没有的一段,标题是“采购、制造和安装时间对本标准的符合性”(Time of purchase, manufacture or installation),(注:这个标题原文的隐含意思还有“对本标准的符合性”,建议翻译如上,这是采用了我国唐代玄奘大师组织翻译佛经时立下“四不”标准之一的“依义不依语”的翻译标准,义是义理,语是语言文字。)

3、 加了引用标准,强调引用标准中有关规定是本标准的要求。
        引用标准见附录H。总则里面强调:“本标准所引用的规范、标准和材料标准,含有被本标准所引用的规定,构成了本标准的要求。” 因此,对引用标准必须给予足够重视。这个标准的正文虽然篇幅不多(14页),而由于引用标准甚多,故内涵相当丰富。引用标准有4大块:
        (1)ASME标准:B系列等标准11个,其中新增2个:ASME B16.25-1997:对接焊坡口(Buttwelding ends);ASME PCC-1-2000压力边界螺栓法兰连接装配指南(Guidelines for pressure boundary bolted flange joint assembly)。还有ASME锅炉压力规范成套标准中的卷I、II、III、VIII-1,VIII-2、IX
        (2)ASTM材料标准
。铁基材料标准23个;非铁基材料标准35个,其中新增一个B 668-1996;方法标准1个,合计39个标准;
        (3)ISO 质量管理标准6个,其中新增一个ISO 9000-4:1993“质量管理和质量保证标准第4部分:可靠性程序管理指南”(Guide to Dependability Programme Management);
        (4)MSS标准7个,其中新增2个:MSS SP-6 –2001“管法兰接触面光洁度和阀门和管件连接端法兰”(Finish for Contact Faces of Pipe Flanges and Connecting End Flanges of Valves and Fittings);MSS SP-55-2001: “阀门、法兰和管件铸钢件质量标准”(Quality Standard for Steel casting for Valves, Flanges and Fittings )。
        这里要特别指出的一是新增加的ASME PCC-1,二是关于MSS标准。
        新版标准中指出:影响螺栓法兰连接接头泄漏的因素除法兰、垫片和螺栓外,还有人的因素,即装配螺栓法兰连接的人(参见本标准2.2节),强调对这些因素必须加以控制。PCC-1-2000是一个指导实际操作的标准,主要内容有:评定法兰螺栓接头装配者资格和所用装配程序的主要要求;工作面的检查,包括不同类型垫片接触面光洁度和法兰接触面平直度公差要求;配对面(mating surfaces)的对准(找正);垫片的安装;工作面润滑;螺栓安装;螺栓编号(numbering of bolts);螺栓扳紧(包括扳紧和荷载控制方法);扳紧螺栓的顺序(包括螺栓数量等于和大于36时采取成组扳紧(group tightening)的技术);间隙测量;对于公称直径1/2到4英寸的有镀膜和无镀膜螺栓、按照测试证实的合适扭矩进行扳紧;螺栓法兰接头泄漏试验;接头拆卸程序和记录等。
        MSS是美国阀门和管件行业制造商标准化学会(the Manufacturers Standardization Society of the Valve and Fittings Industry)的缩写,该学会成立于1924年,已有80年历史,从事于阀门、阀门操作机构、管件、法兰、管子吊架和密封件行业标准、国家标准和国际标准的开发工作,下有24个技术委员会。现有标准74件,从MSS SP 6-1990MSS SP 130-2003。我国阀门标准网公布收藏的MSS标准件数约占总件数的20%,且比较陈旧。B16.5新标准中引用了7个MSS标准,均与制造有关,是我国法兰制造厂家,特别是法兰出口企业应当认真研究和遵守的。

4引入一些新材料,扩大了法兰和法兰管件的材料范围,同时调整了一些材料的组别
        材料分组的原则是许用应力相同或相近。如有差异,则取较低的值。新版中增加了1.11, 1.17, 2.9, 2.10, 2.11, 2.12 等6个新组,在已有分组中也增加了一些新的钢号。主要在铬钼钢、高铬镍钢方面。

5、增加了一个法兰型式。
        法兰的作用是通过螺栓对垫片施加足够的预紧载荷,使在内压作用下法兰和垫片之间有足够大的接触应力,从而保持接头密封不漏。除法兰盖或盲法兰(blind flange)外,本标准原有5种法兰与管子的连接型式,其中以焊接连接最为重要,有:带颈对焊(welding neck)法兰,承插焊(socket welding)法兰,滑套角焊法兰(slip-on welding flange,旧译为平焊法兰)等3种;另有螺纹连接1种,即螺纹法兰(threaded flange);还有与管子不发生焊接连接的(weldless connection)1种:即活套法兰(lapped flange),含于VIII-1的松式法兰,即loose type flange之内。松式法兰还包括承插焊法兰、螺纹法兰和滑套角焊法兰。对焊法兰为整体式法兰,即integral type flange)。新版增加了另一种焊接连接的法兰,即直颈对焊法兰,或等厚颈对焊法兰(straight hub welding flanges)。
        为了对这个标准有清楚的认识,下面2个问题不得不加以澄清:
        (1)焊接法兰的译名问题。由于新标准有4种焊接连接的法兰,个别译名有必要重新敲定。一是过去一直把“slip-on flange”译为“平焊法兰”,“平焊法兰”一词已经在我国多种标准中采用。作者认为“平焊”一词是针对焊接位置而言,“平焊”是“平、立、横、仰”四种常见焊接位置之一。如认为“平焊”是指的法兰与管子装配时管口与法兰面齐平,也与事实不符;实际上为了留出角焊的空间,管口与法兰面并不齐平。它与管子的连接有两道角焊缝,如图1所示。其次,这种法兰的背面也是有“颈”的,不过颈很短,目的是为了焊接方便。根据“slip-on”的意思,如译为“滑套角焊法兰”,则比较确切。“滑套”与“活套”的差别如下:
NPS 2为例,管子外径60.3 mm,根据本标准,NPS 2活套法兰孔径是62.5mm,与管子外径之间的间隙两边平均1.1mm,套到管子外面很宽松;滑套角焊法兰孔径是61.9mm,与管子外径之间的间隙两边平均0.8mm,就紧多了。
        二是“带颈对焊法兰”一词,在我国也已经被普遍认可,但由于新标准出现“直颈对焊法兰,”,从而必须将“带颈对焊法兰”这个一般性的叫法分别改为更为确切的名称,因为slip-on flange有颈,welding neck flange有颈,straight-hub flange也有颈,如都加以“带颈”,则无法看出它们之间的差别所在。由于welding neck flange的“颈”其外径是从法兰背面逐渐圆滑减薄到与连接管子外径一致,具有加强作用,而逐渐变薄的颈部有利于应力分布,故适合于高压、高温和低温使用条件,建议改名为“锥颈对焊法兰”,其余二种分别名为“滑套角焊法兰”和“直颈对焊法兰”,已如上述。
        (2)变径法兰的问题。变径法兰的用途是改变管系中的直径。锥颈对焊法兰,直颈法兰,滑套角焊法兰和螺纹法兰都有变径法兰。变颈法兰或缩径法兰,在法兰的一面是大孔,一面是小孔,除了颈部尺寸和大小孔径外,变径法兰的其他尺寸同大孔法兰相同。变径法兰必须有两个加工面,一个在大孔面上,一个在小孔面上。而变径法兰的具体图形和怎样同管子连接的在本标准中无图。现举CRP公司的带氟塑料耐腐蚀衬套的变径法兰图示如(图2)。遗憾的是在我国众多法兰专业制造厂家的网页中还没有找到变径法兰产品。

图1图中说明滑套角焊法兰的3个特点:(1)假如采用两道角焊缝的话,则可以 消除间隙;(2)容易对准;(3)不能像加强颈对焊法兰(WN = welding neck flange)和松套法兰(LJ = lapped joint flange)那样安置金属垫片。)


图2

6、附录编号和内容有所增删。
        2003版附录数量同1996版一样,都是8个,但2003版取消了1996版钢管尺寸表两个附录,同时增加了两个附录,即附录F和附录G。对6个保留的附录重新编号(见表1)

7、增加了一个附录F
        列出以美国习惯单位表示的从额定压力级号150到2500的法兰,从额定压力级号150到300的法兰管件,篇幅近80页。强调这个附录是本标准的整体部分。

8、加了一个附录G
        以美国习惯单位表示的400到2500级的法兰管件,作为标准正文的参考。这个附录不是强制性的。
        本次由ASME授权翻译出版、CACI组织译、校、印刷、发行的ASME B 16.5-2003将在今年出版,它将以全新的面貌向我国百余家ASME持证厂家、广大的工程设计单位以及数以千计的、成批大量生产的法兰和法兰管件的制造和出口厂家提供一本手头必备的最新标准
[注5]
表1ASME B16.5-2003附录

2003附录

名称

说明

A

螺纹式法兰用管螺纹美国国家标准

同1996版

B

确定压力-温度额定值的方法

相当于1996版附录D,修订较大

C

垫片尺寸范围(垫环除外)

相当于1996版附录E,删去图E2~E11和相应的表

D

计算螺栓长度的方法

同1996版附录F

E

质量体系大纲

同1996版附录G

F

以美国习用单位表示的、级别150、300、400、600、900、1500和2500的法兰和级别150和300的法兰管件的压力-温度额定值和尺寸数据

新增

G

以美国习用单位表示的、级别400、600、900、1500和2500的法兰管件

新增

H

引用标准

同1996版,内容更新到2002年

[注1]ASME B31.3是全球普遍认可的工艺管道标准,适用于石油、石油化工和化工行业。ISO 15649主要参照ASME B31.3制订,由于在该ISO标准里面并没有指定是参照哪一个具体的版本,故ASME B31.3对ISO来讲是一部永远常青的参照标准(evergreen reference standard)。但在ISO标准里面规定了一些额外的要求,例如:对于埋地管道的要求等。在欧洲,鉴于ASME B31.3被ISO 15649所采纳,为便于使用,欧洲工程设备和材料用户协会(EEMUA,ENGINEERING EQUIPMENT AND MATERIALS USER ASSOCIATION)特编写了一个指南,标题是:“欧洲管道采用ISO 15649和ANSI/ASME B31.3符合PED要求的指南”。“指南”对于采用ISO 15649如何能符合欧洲压力设备指令(PED)提出具体指导。不过遵循这个指南,并不能认定就能全面符合PED,还必须符合PED符合性评定的要求。
[注2]ISO 15649工作项目的开始时间是1999年6月4日,第1版在2001年6月15日出版,历经24.5个月。主条款8页(ASME B16.5正文是14页),附录8页。由于长期采纳ASME B16.5,故无图,无公式,无表,随ASME B16.5的不断修订而连续地采纳。
[注3]管道标准大体分为两大类:一类是管道系统标准(piping system standards),属于这类的ASME标准有B31.1 动力管道;B31.2 燃气管道[1988年];B31.3 工艺管道;B31.4 烃类、液态石油气、无水氨和酒精的液体输送管道系统;B31.5 冷冻管道;B31.6 化工厂管道[从未出版];B31.7 核管道[移入ASME锅炉压力容器规范第III卷];B31.8 天然气输送和分配管道系统;B31.9 建筑用管道;B31.10 深冷管道[从未出版];B31.11 浆液管道。其中B31.1, B31.2, B31.3, B31.4, B31.5 和B31.8最常用,而B31.3范围最广。另一类是管道组成件标准 (piping component standards), 包括法兰、法兰管件、垫片、紧固件、阀门、管接头等,从B16.1到B16.49近50个标准。
[注4]ASME B16.5的软件有:Cameron 法兰计算尺(Flange Slide Rule); 法兰额定值计数器(Flange Rating Calculator), Acutech Consulting公司的法兰额定值软件等。
[注5]改革开放以来,我国法兰和法兰管件的专业化生产水平迅猛发展,仅山西定襄县号称亚洲最大法兰生产基地就有法兰企业312户,从业5000余人,年产法兰12万吨,产值4.4亿元。天津海王星海上工程公司且能生产ASME B18.2.1旋转法兰(swivel-ring flange)、球面法兰(mis-aligning flange,MAF)和智能法兰。很多厂家的法兰大量出口到韩国、新加坡、北美和欧洲。网上可查到我国法兰和法兰管件生产企业几乎遍及全国各地,举例如下(按拼音排序):北京迈克管件(球铁沟槽法兰和管件);沧州丰业管件公司;常州市宏达管件厂;常州武进江南管件厂;东华法兰(管法兰);海盐法兰厂;河北海浩法兰管件集团;江门市高压管件厂;江阴东发管件厂;江阴市江东法兰厂;山西定襄法兰基地;陕西华兴管件厂;上海恒达石化工程技术公司;温州龙湾朝鑫法兰管件厂;温州市永兴远东管道法兰厂;无锡胡棣鸿翔法兰锻造厂;无锡华安公司(各种法兰);西北有色金属研究院;厦门美国好施集团(HIRSCH Pipe & Supply);徐水兴华法兰公司;扬州石化管件厂;营口市北方管件公司;永嘉瓯北万里锻压法兰厂;余姚通达管件厂;沧州万鑫管件公司;章丘市锻造法兰厂;重庆国荣管件厂;自贡市川南法兰弯管厂等。
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