我国压力容器标准和ASME规范的比较分析
杭州杭氧科技有限公司黄安庭

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。
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        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GB 150—89《钢制压力容器》标志着我国已开始形成以强制性标准GB 150—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,现已有百余家企业通过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)GB 150《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

JB4730《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,经原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(ANSI),并在美国《Mechanical Engineering 》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,在每年一次出版的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入了安全系数,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

3.0

ASME规范 
第Ⅷ卷第一分册

碳钢、低合金钢

3.5

高合金钢 

3.0

 JB4732

碳钢、低合金钢、
高合金钢

2.6 

ASME规范 
第Ⅷ卷第二分册

碳钢、低合金钢、
高合金钢 

3.0 

4、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GB 150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 

1.0

0.85~ 0.90

0.85

0.80~ 0.85

-

-

单面焊对接焊缝(带金属垫板)

0.9

0.80~ 0.85

0.80

0.70~ 0.80

-

-

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)

1.0

0.9
-
-
-
-

0.75

0.80
-
-
-
-

0.70

0.65
0.60
0.55
0.50
0.45

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

GBl50

ASME第Ⅷ卷第一分册

圆筒形壳体

δ=PcDi/(2[σ]tф-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]tф-Pc)

 t=PR/(2SE-0.2P)

 椭圆形封头

δ=PcDi/(2 [σ]tф-0.5Pc),标准型
δ=KPcDi/(2 [σ]tф-0.5Pc),非标准型 

t=PD/(2SE-0.2P) 

碟形封头

δ=MPcRi/2 [σ]tф-0.5Pc)

t=0.885PL/(SE-0.1P)

半球形封头

δ=QPcDi/(2 [σ]tф-Pc)

t=PLt(2SE-0.2P)

锥段和锥形封头

δ=PcDc/[(2 [σ]tф-Pc)Cosα]

t=PD/[2Cosα(SE-0.6P)]

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

GBl50

ASME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≤520mm 

Di≤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

Di>1500mm时,开孔最大直径 d≤Di/3,且d≤1000mm

Di>1520mm时,开孔最大直径d≤Di/3,且d≤1000mm

凸形封头

d≤Di/2 

经正确补强后开孔尺寸不加限制

锥壳

d≤Di/3 

8、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

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 

合格证有效使用区域

有效期内的焊工合格证,在全国各地同等有效

仅在负责考试(评定)的压力容器制造厂内有效

9、产品试板
      为了检验产品焊接接头和其他受压元件的力学性能和弯曲性能,我国《容规》里明确规定压力容器纵焊缝应制作焊接试板,制取试样进行拉伸、冷弯和必要的冲击试验,凡属下列情况之一的每台压力容器应制作产品焊接试板:
      (1)移动式压力容器(批量生产的除外);
      (2)设计压力大于10MPa的压力容器;
      (3)现场组焊的球形储罐;
      (4)使用有色金属制造的中、高压容器或使用σb大于等于540MPa的高强度钢制造的压力容器;
      (5)异种钢(不同组别)焊接的压力容器;
      (6)设计图样上或用户要求按台制作产品焊接试板的压力容器;
      (7)GB 150中规定应每台制作产品焊接试板的压力容器。
      而ASME规范第Ⅷ卷第一分册对常规经焊接工艺评定合格的不要求做产品焊接试板,而下述情况则要求按规范规定制作产品焊接试板: 
      (1)对于焊接接头系数不大于0.8,以ASME规范给定的任一压焊焊接方法(电阻焊除外)制作的接头,在其容器或零件上此类焊缝应制作产品焊接试板,试样可取自壳体本身或取自纵焊缝的延长部位,容器无纵焊缝时可取自容器相同材质、相同厚度且按相同工艺焊制的试板,并裁取一件小截面拉伸试样和两件侧弯试样进行试验。
      (2)若焊接工艺评定要求做焊缝及热影响区冲击试验时,容器冲击试板应从用于单台或多台容器几炉钢号中的某一炉钢板上制取,对于A类接头,试板在可能时应成为产品接头端部的延长部分,以使试板焊接件尽可能接近于容器焊接接头的质量和形式。对于焊接工艺与A类接头不同的B类接头,试板应在制造容器的相同焊接条件下焊接,使用同样型式的设备,同样的位置,同样的焊接工艺,且焊接应与产品的焊接同时进行,或在即将开始焊接产品的时候进行。

10
、无损检测
      无损检测方法对缺陷的探测、定位、测量、评定和评价不会破坏其以后的有用性和可用性,在压力容器制造过程中,主要用于探测材料、焊缝及制造零件和组件的表面与内部的物理结构或外形的任何间断或缺陷。我国GB 150和ASME规范第Ⅷ卷第一分册对无损检测人员资格、焊缝透照比例、评定要求等方面存在着一定差异,见表7。
表7 无损检测对比

项目

GB 150

ASME规范第Ⅷ卷  第一分册

人员资格要求

必须经过技术培训,并按照“锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核规则”进行考试考核合格,获得 “锅炉压力容器无损检测人员资格证”

由持有ASME认证证书的压力容器制造厂组织无损检测人员的培训、考试  和评定工作;或取得ASNT无损检测人员资格证 

产品焊缝透照比例分类 

①100%射线或超声检测
②局部射线或超声检测,探伤比例50%(铁素体钢制低温压力容顺)
③局部射线或超声检测,探伤比例20%

①100%射线检测
②抽样射线检测,每15.2m焊缝作一处抽样检测,一处抽样射线底片最小长度为150mm

评定标准

①100%射线检测,不低于Ⅱ级为合格
②局部射线检测,不低于Ⅲ级为合格
③100%超声检测,I级为合格
④局部超声检测,不低于Ⅱ级为合格

ASME规范不划分I、Ⅱ、Ⅲ级片,100%射线检测和抽样射线检测对气孔、夹渣和圆形显示的控制有所不同,总体评片标准比我国的要低

11、焊接返修
   我国GBl50规定焊接返修必须由持证焊工按评定合格的工艺进行,焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次,如超过两次,返修前均应经压力容器制造厂技术总负责人批准,返修次数、部位和返修情况应记人容器的质量证明书。而ASME规范对同一部位的返修次数未作规定,但每次焊接返修前,其返修方法应经授权检验师(AI)认可。

12、压力试验
      制造完工的压力容器应按图样要求进行压力试验(液压试验或气压试验),压力试验必须用两个量程相同并经过校验的压力表。压力表的量程一般应在试验压力的2倍左右,但不应低于1.5倍和高于4倍的试验压力。表8给出了我国标准与ASME规范对压力试验压力的对比。
表8 压力试验压力对比

标准

液压试验

气压试验

GB 150

1.25P[σ]/[σ]t

1.15P[σ]/ [σ]t

JB4732

1.25PSm/Stm

1.15PSm/Stm

ASME规范第Ⅷ卷第一分册

1.3PS/St

1.1PS/St

ASME规范第Ⅷ卷第一分册

1.25PSm/Stm

1.15PSm/Stm

13、结束语
      我国的压力容器标准是在不断总结经验、进行科学研究和吸取国外先进经验的基础上发展起来的,对保证我国压力容器的安全性起到了很重要的作用。由于我国压力容器标准体系和ASME标准体系存在着差异,标准的内容也有较大的差别,在实际使用时对两种标准体系的相关标准进行比较分析,有助于深入理解和实施ASME规范,也有助于理解我国压力容器标准的发展变化。

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