压力容器设计中有关标准问题的探讨
全国压力容器标准化技术委员会秘书长 寿比南

GB150-1998《钢制压力容器》实施二年来,标准使用者相继提出了一些标准使用过程中出现的问题,有些是使用者对标准理解的偏差,有些则值得进一步研究和探讨。本文重点讨论了GB150-1998《钢制压力容器》和新版《压力容器安全技术监察规程》实施过程中的某些问题,并阐述了作者自己的见解,希望能够对使用者有所裨益。

前言
        GB150-1998《钢制压力容器》实施后,国家于一九九九年颁布了新版《压力容器安全技术监察规程》,使得压力容器的设计、制造、检验等环节得到了更为有效的控制。通过大量的标准和法规宣贯活动以及压力容器标准提案审查制度的有效实施,我们从各方面收集到一些在标准使用过程中遇到的问题,其内容涉及到压力容器的设计、制造、检验及管理等诸方面,我们对这些问题分别进行了研究并提出了相应的处理意见。为了使广大标准使用者能够更好地理解和使用GB150及“容规”,保证压力容器产品的安全和质量,全国压力容器标准化技术委员会在开设的网站:www.cnscpv.org.cn上先后公布了对《压力容器安全技术监察规程》和压力容器标准条款的解释。本文拟就其中一些有共性的问题进行探讨,详细阐述相关的标准和法规条款的含义,以期加深使用者对标准和法规的理解,使业内人员在压力容器设计、制造、检验等环节上能够正确地运用标准和法规。必须声明的是,本文只代表个人观点,作者不对任何与本文技术内容有关的法律纠纷负责。

1. 压力容器的设计使用寿命问题
    压力容器的设计使用寿命问题一直是我国的设计单位和设计者尽量避免涉及和回避的问题,其主要表现在以下两个方面:首先,受技术条件、管理体制和人员观念等因素的制约,设计者对压力容器的设计使用寿命大都不愿或难以给出准确的预报值,从而导致压力容器超期服役现象的存在;其次,由于缺乏相关标准和法规条文对超期服役的压力容器进行必要的规定和限制,使得其使用和检验缺乏有效的依据,处理不好客观上会造成重大的安全隐患。但由于种种原因,压力容器的设计使用寿命问题一直没有得到应有的重视。
    事实上,压力容器的设计使用寿命应该由设计者在图样上标注,设计者在设计时应考虑到影响容器使用寿命的因素,主要有:
      ★材料的力学性能如高温蠕变和高温断裂对时间的依赖性;
      ★腐蚀裕量中包含的设计寿命因素;
      ★载荷如周期性载荷等的时间性;
      ★违规操作或恶劣环境等非正常因素。
    因此,正确的设计途径应是:设计者在确定容器设计使用寿命的基础上,充分地考虑以上四个因素的影响,合理地选择材料、确定腐蚀裕度、提出制造、检验和操作要求等等。
    GB150-1998《钢制压力容器》的第3.3.5.2条明确规定:“应根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量”,也就是说腐蚀裕量等于年腐蚀速率乘以容器设计寿命,在腐蚀速率中不仅包括介质对材料的腐蚀,也包括介质流动时对容器材料的冲蚀和磨蚀。在标准中,由设计者确定的容器设计使用寿命是设计时确定腐蚀裕量的一个重要前提。无独有偶,新版《压力容器安全技术监察规程》的第32条规定:“为防止压力容器超寿命运行引发安全问题,设计单位一般应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命”,也明确了设计单位在确定压力容器设计使用寿命上的责任。应该指出,压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命,它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计,其作用是提醒使用者,当超过压力容器的设计寿命时应采取必要的措施如:经常测量厚度和缩短检验周期等。
    压力容器的设计寿命是一个复杂的问题,涉及到材料选用、腐蚀基础数据、结构设计等一系列设计因素,能否准确地预计,反映了设计者的经验和水平。笔者认为,无论是按国际压力容器设计的惯例,还是为了提高设计的水平和权威性,都应在图纸上标注压力容器的设计使用寿命,这样做才能真正体现对用户和对设备安全高度负责的精神。

    2. 压力试验的免除问题
    GB150-1998《钢制压力容器》的第3.9条规定:“对不能按3.8的规定作压力试验的容器,设计单位应提出确保容器安全运行的措施,并在图样上注明。”许多标准使用者对此条的理解存在偏差,归纳起来主要是需要弄清楚以下两个问题:一是在什麽情况下可以免除压力试验?二是免除压力试验后需要采取那些措施?
    事实上,压力试验的免除仅仅针对那些不可能进行压力试验的现场组焊的大型压力容器,如:催化裂化装置中的有隔热层的大型反应器和再生器以及那些基础不能承受液压试验时水的重量的压力容器等等。也就是说,压力试验之所以免除,是因为这些容器或者不具备做压力试验的条件,或者根本就不允许做压力试验。总之,免除意味着不能做而不是不去做,因此不能作为一般在制造厂内生产的压力容器不进行压力试验的依据。需要说明的是,这里的压力试验系指耐压试验。
    压力试验免除的后果是减少了压力容器制造过程中的一个检验环节,当然需要采取相应的补救措施以保证压力容器的质量和安全。所采取的措施取决于使用者和设计者对容器的要求,一般性的措施如下:
      ★提高对压力容器材料的要求:即提高其化学成分、力学性能和检验的要求;
      ★提高结构设计的要求:即尽量采用全焊透接头、避免出现严重的几何不连续现象;
      ★提高无损检测的比例和级别;
      ★提高容器的超压泻放的能力。
    压力试验是设计者需要重点考虑的问题,是否可以免除以及免除后应采取哪些措施也是设计者需要重点考虑的问题。设计者不能也不应该轻易提出免除压力试验的要求,更不应该在设计阶段忽略了免除压力试验所应该采取的措施,而在制造完成后提出免除压力试验的要求。新版《压力容器安全技术监察规程》第30条规定:“对不能进行耐压试验和气密试验性试验的,应注明计算厚度和制造及使用的特殊要求,并应与使用单位协商提出推荐的使用年限和保证安全的措施”。在即将提交技术委员审查的GB150-1998《钢制压力容器》的标准提案中,对于是否应免除压力试验,笔者提出了增加补充条款建议的提案,补充条款明确规定:免除压力试验应“由设计单位技术负责人批准”。

    3.低温压力容器的界限问题
    我国的低温压力容器界限一直人为地定义为-20℃,但其基础是以钢材U形缺口冲击试样的统计数据为依据。1982年以后,钢材的韧性试验改用V形缺口冲击试样作为技术指标,两者相差很大,并波及到我国低温压力容器的界限问题,并成为业内人士争论的焦点,目前仍然是悬而未决的问题。按现代压力容器的设计理念,一台特定的压力容器是否属于低温压力容器的范畴,应根据以下几个因素确定:
     ★压力容器所用材料的低温力学性能;
     ★压力容器材料的热处理状态;
     ★材料的厚度;
     ★容器材料中的应力状态(实际应力与许用应力相比)。
      考虑到上述因素,GB150-1998《钢制压力容器》的4.2.7条已经对低温压力容器界限进行了如下修正:
        a) 使用温度低于0℃时:厚度大于25mm的20R,厚度大于38mm的16MnR,15MnVR和15MnVNR,任意厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR和Cr-Mo钢板;
        b) 使用温度低于-10℃时:厚度大于12mm的20R,厚度大于20mm的16MnR,15MnVR和15MnVNR。
    上述范围内的压力容器的低温冲击功指标根据钢板标准抗拉强度下限值按附录C确定。有提案者建议将此范围内的压力容器列入低温压力容器的管辖范围,其制造、检验等方面的要求也应满足GB150-1998附录C的规定,目前该提案已提交技术委员审查。

    4.最大允许工作压力问题
按GB150-1998《钢制压力容器》附录B中的B2.1条的定义,最大允许工作压力“指在设计温度下,容器顶部所允许承受的最大表压力,该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得,且取最小值”。最大允许工作压力的作用是设定容器超压限度的起始压力,充分利用容器的圆整厚度,尽量拉大工作压力与安全阀或爆破片泻放压力之间的压力差,使压力容器的工作更为平稳。当采用最大允许工作压力作为设定容器超压限度的起始压力时,在设计中应考虑用最大允许工作压力代替设计压力进行压力试验。对此,GB150-1998《钢制压力容器》附录B中的 B4.1条已经有了明确规定。本文讨论的是容器最大允许工作压力的计算问题。
    容器的最大允许工作压力应根据容器中包含的所有受压元件的设计条件和结构尺寸予以确定,原则上依据各受压元件的有效厚度计算得到。容器的最大允许工作压力可按下式确定:
    
    式中的分别代表容器圆筒、封头、法兰、开孔补强等受压元件依据各自的设计条件和结构尺寸计算所得到的分别对应于该元件的最大允许工作压力。对设计者而言,是否需要提高容器的超压限度,是决定是否采用最大允许工作压力进行压力试验前提条件。应该说,GB150中的最大允许工作压力定义不够准确,笔者在送审的标准提案中已经给出了修订方案,即“该压力是根据容器各承压元件的有效厚度计算所得,且取最小值。”

     5. 关于焊接接头系数选用问题
    焊接接头系数的选取与接头的型式、无损检测比例和对容器的要求有关。主要有以下几个问题:
    1)纵向接头与环向接头的型式、无损检测比例不一致。如:纵向接头采用双面焊、100%RT或UT,而环向接头为加垫板的单面焊且无法进行RT或UT检测,在容器的设计计算中应采用纵向接头的焊接接头系数还是环向接头的焊接接头系数。
    内压圆筒厚度计算公式是根据圆筒中周向总体(一次)薄膜应力的强度导出,所以与之相对应的焊接接头系数应为圆筒的纵向接头焊接接头系数。圆筒环缝中虽也存在环向(周向)薄膜应力,但它不属于总体薄膜应力,而是属于局部薄膜应力,它的许用应力与圆筒厚度计算中取的许用应力(一倍[σ]不同。所以不应将环向接头焊接接头系数与之混淆。
    但为确保整个圆筒的强度与安全,一般尽量将环向接头的焊接接头系数取与纵向接头一致,若实在制造上存在困难,允许与纵缝不同,即可按GB150-1998中10.8.2.3执行。此时环向接头的焊接接头系数虽可能与纵向接头的焊接接头系数不同,但计算圆筒厚度时,仍取纵向接头的焊接接头系数。但此时设计者应规定对该焊接接头的技术要求,以提醒制造厂用焊接工艺来保证焊接质量。
   2)封头拼接接头的焊接接头系数。GB150-1998中10.8.2.2中规定封头拼接接头应进行100%UT或RT检测,但未规定封头拼接接头的接头系数如何选取。封头拼接接头的无损检测要求主要是针对封头成形时变形较大,缺陷容易扩展而提出的,与封头厚度计算无关。因此,尽管封头拼接接头要求100%UT或RT检测,其合格指标仍按照压力容器的合格指标而确定。因此,封头拼接接头的焊接接头系数一般取压力容器的纵向接头焊接接头系数。

     6. 材料代用问题
    由于我国压力容器材料供应方面的问题以及部分制造厂解决库存材料的需要,制造过程中的“材料代用”是目前我国压力容器建造中常见的现象,似乎材料代用是合理解决压力容器材料问题的良好方式。面对这种普遍现象。新版《压力容器安全技术监察规程》第27条也不得不放宽了对材料代用的管理规定。材料选择是设计过程中的重要组成部分,应作为设计风格的体现始终贯穿于压力容器建造过程。尽管材料代用解决了一些压力容器制造过程中的问题,但也引发了诸如职责不清、不当代用等现象的发生。因此,在压力容器的建造中,有必要详细地论证材料代用的可行性,慎重决定。在已经采用了“以优代劣”原则的情况下,还应考虑如下因素:
   1)代用材料的强度级别是否影响到容器类别的划分。
   2)代和材料对工作介质的相容性:如应力腐蚀、晶间腐蚀等;
   3)代用材料的设计温度下的许用应力是否达到原设计的要求;
   4)代用材料是否会产生如改变焊接材料、焊接工艺等;
   5)代用材料是否会产生诸如改变热处理状态、无损检测及焊接试板等要求;
    事实上,材料代用是压力容器设计方案的变更,尽管采用了“以优代劣”的原则,仍然是产生安全隐患和管理混乱的主要因素,压力容器的设计、制造单位必须充分协商,在考虑到各种可能影响压力容器安全使用因素的情况下,慎重决定材料代用方案。随着市场经济的发展和材料供货渠道的逐渐完善,压力容器的设计、建造体制必然会逐步与国际惯例接轨,最终消除材料代用现象。

     7.超出标准规定范围的设计问题
    标准规定的结构形式仅针对最常见的压力容器元件,不可能提供所有压力容器的结构设计方法。在设计中经常会有超出标准规定结构或载荷范围的容器,能否妥善地处理这一类的问题,体现了设计者的水平和能力。一般而言,超出标准规定范围的设计问题集中在下述两个方面:
    1)结构形式或几何尺寸超出标准规定的限制,如:大开孔、异形容器;
    2)载荷类型为标准之外的情况,如:集中载荷、振动或冲击载荷;
    GB1510-1998 1.4规定“对不能用本标准来确定结构尺寸的受压元件,允许采用以下方法设计,但需经全国压力容器标准化技术委员会评定、认可:
    —包括有限元法在内的应力分析
    —验证性实验分析(如实验应力分析、验证性液压试验);
    —用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。”
    应该说明,“包括有限元法在内的应力分析”并不意味着要采用JB4732进行应力分析设计,而仅仅是根据压力容器特定的结构和载荷进行局部的应力分析计算,为使结构尺寸满足标准规定的依据;“验证性实验分析”仅指采用实验应力分析方法如:应变测量、光弹实验等;目前采用验证性液压试验确定容器设计压力的标准条款尚未公布,还无法实行。“用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计”是过去经常采用的设计方法,随着计算机技术的发展和数值分析能力的提高,应该逐步取消经验设计方法。

     8.新材料应用问题
    压力容器技术的发展依赖于材料生产水平的提高。为了保证压力容器用材的规范性和正确地使用标准之外的新材料,GB150-1998 A1.4条和《压力容器安全技术监察规程》第23条规定:选用新研制的材料制造压力容器,材料的研制、生产单位应按规定由全国压力容器标准化技术委员会进行技术评审,国家有关部门批准后方可采用该材料制造压力容器。目前按规定取得技术评审认可的压力容器材料如表1:

序号

受评单位

材料名称

材料用途

批准日期

失效日期

证书编号

1

第一重型机械集团

3Cr-1Mo-1/4V

临氢设备

1998.09.08

2003.09.28

001

2

鞍山钢铁公司

07MnCrMoVR

球罐用钢

1998.10.22

2003.10.22

002

3

浙江久立集团湖州久立不锈钢有限公司

奥氏体不锈钢焊接钢管

压力容器

1999.03.29

2004.03.29

003

4

哈尔滨钢管厂

10#钢焊接钢管

换热器制造

1999.03.25

2004.03.25

004

5

本溪钢铁集团

HP245、295、325焊瓶用钢

焊接气瓶

1999.05.24

2004.05.24

005

6

江苏兴澄集团公司

08Cr2A1Mo无缝钢管
09CrCuSb (ND钢)

压力容器

1999.08.16

2004.08.16

006、007

7

攀枝花新钢钒股份有限公司

HP295

焊接气瓶

1999.09.01

2004.09.01

008

8

顺德华丰不锈钢焊接钢管厂有限公司

奥氏体不锈钢焊接钢管

压力容器
压力管道
换热器等

2000.06.28

2005.06.28

009、010

注:上表仅列出了经过技术评审的厂家和钢号,其使用范围和技术要求详见相应的技术评审证书。

    结语
    应该指出,标准和法规的规定只是保证压力容器安全质量的最基本要求,压力容器的设计单位和制造单位应该结合本单位的实际情况,对压力容器产品提出更为严格的质量要求。设计者应认真地研究标准和法规的技术及管理规定,提高解决实际压力容器设计问题的能力,特别是解决特殊结构压力容器的能力,以增加设计、建造中的技术含量,保障压力容器安全。
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