欧盟压力容器标准 EN13445 经济性特点的分析
华东理工大学机械与动力工程学院 姚华堂 王正东

本文介绍了欧盟压力容器标准 EN13445在经济性方面所作的对比研究的主要结果,并对其经济优势的设计特点作了简要分析。EN13445的发布在压力容器技术发展史上具有里程碑意义。它博采众长而又锐意革新,具有技术上的领先性和经济上的优越性,对于我国压力容器技术的发展和压力容器标准的修订具有重要借鉴意义。
压力容器欧盟标准EN13445经济优势

1、前言
        为确保承压设备安全及其在欧盟范围内的自由贸易,欧盟于1997年5月通过了承压设备法令 (Pressure Equipment Directive 97/23/EC,PED),制定了工作压力大于0.5bar的锅炉、压力容器、管道、承压附件和安全附件等的基本安全要求 (EssentialSafety Requirements,ESR)[l],同时委托欧洲标准化委员会 (European Committee for Standardization,CEN) 制定相关协调标准,按PED中规定的基本安全要求,制定了更为具体的技术要求。EN13445 是欧洲标准化委员会所制定的相关协调标准中最主要的产品,第一版于2002年5月发行。由于这些法令和标准的发布所具有的重大意义,它与工业革命、电气化、核电、石油危机、现代分析、基于风险的检测评定与维护及正在兴起的快速反应器与制氢一起, 被认为是压力容器技术发展史上的八大里程碑[2]。EN13445 吸取了欧盟成员国和美国压力容器标准的许多优点,同时又注入了一些新的设计思想与理念,这使它具有技术上的领先性,而技术上的领先和革新又进而奠定了它在经济上的优势。一项欧盟资助的比较研究,证明了EN13445的经济优势,本文对此将作简要介绍并浅析其原因。

2、EN13445经济性研究
        EN13445经济性研究项目是由TUV Austria和CEC(分别为奥地利和意大利政府批准的认证实体)共同组成的一个协会主持的。协会选择了意大利、法国、德国和奥地利的几家承压设备制造厂作为分包商,由协会对这些设备按相关要求进行详细设计,制造厂则按设计制造、检测和试验。最后由协会对结果进行比较评定。

2.l 研究设备的选取
        研究中选取了九种典型承压设备[3]:CNG储罐、加氢反应器、夹套反应釜、搅拌器、脱水器、空气冷却器及AES型、BEM型和NEN型三种换热器,为了评价ENl3445的经济性,协会考虑了以下三种设计评定方法:
        (l) 按EN13445设计、制造、检测及试验 , 产品符合PED要求(CE 标志);
        (2) 按ASME BPVC SECTION VIII(Div-1、Div-2)设计、制造、检测及试验,产品符合ASME要求(U钢印或U2钢印);
        (3) 按修正的ASME BPVC SECTION VIII(Div-1、Div-2)设计、制造、检测及试验,产品符合PED 要求(CE 标志)。
        所选设备、材料及规范等如表 l 所示。
        表l 设备、材料及规范选

设备名称

选材

规范选用

备注

CNG储罐

Φ2200mm, L=2000mm,Ps=70 bar, 环境温度; 选材:细晶粒碳素钢; EN:P460NH/EN10028-3 (壳体及封头)
ASME:SA-738 Gr.B (壳体及封头)

EN13445 DBF, ASME VIII-l,
ASME VIII-2; EN13445 DBA, ASME VIII-2

按VIII-2进行分析 设计无更好的经济 性,故未给出结果

加氢反应器

有外部接管载荷,半球形封头; Φ2200mm, L=8000mm, Ps=180 bar, Tsmax=400℃; 材料: EN:11CrMo9 10/EN10222-2(主壳体为锻 造)12CrMo9 10/Enl0028-2(主壳体为焊接); ASME:SA-387 Gr.22 CL2(主壳体为锻造); SA-336 Gr.22 Cl.2(主壳体为焊接)

EN13445 DBF, ASME VIII-1,
ASME VIII-2; EN13445 DBA, ASME VIII-2

按EN13445和VIII-2 进行分析设计均无 更好的经济性,故未 给出结果

夹套反应釜

系列生产; Φ500mm, L=800mm, Ps=2.5bar, 蒸汽饱和温度; 材料: EN:X5CrNi18104NI∞28-7(壳体及平封头); ASME:SA-24001凹04(壳体及平封头)

EN13445DBF,ASME VIII-1

根据循环情况须进 行疲劳分析

搅拌器

Φ3200mm, L=3500mm, 内腔最高/最低许用压力为3/-1bar, 夹套Ps=3bar, Tsmax=50℃;材料: EN:X6CrNiTil7 12 2/ENl0028-7(壳体及封头); ASME: SA-240 Gr.316Ti(壳体及封头)

EN13445DBF, ASME VIII-1, ASME VIII-2

VIII-2不适用(材料 SA-240 Gr.316Ti不 适于疲劳分析)

AES换热器

Φl062mm,管长L=5888mm,Ps为:管程 20bar,壳程10bar, 计算温度t=200℃; 材料: EN:P295GH/EN10028-2,P305GH/EN10222-2; ASME:SA-5l6 Gr.70,SA-266 Gr.2

ENl3445 DBF+TEMA, ASME VIII-1+TEMA

--

BEM换热器

Φ539mm,管长L=6094mm,Ps为:管程20 bar, 壳程lObar, 计算温度t=200℃; 材料: EN:P295GH/EN10028-2, P305GH/EN10222- 2; ASME:SA-516 Gr.70, SA-266 Gr.2

EN13445 DBF+1EMA, ASME VIII-1+TEMA

--

NEN换热器

Φ292mm,管长L=l500mm, Ps为:管程3 bar, 壳程6 bar, 壳程t=l80℃, 管程t=l50℃; 材料: EN:X5CrNi18 10/ENl0028-7
X5CrNil8 l0/EN10222-5; ASME:SA-240 Gr.TP204, SA-336Gr.F304LS

ENl3445 DBF+TEMA, ASME VIII-1+TEMA

须进行疲劳分析

脱水器

Φ406.4mm, L=1100mm, Ps=34 bar,Tsmax= 240℃; 材料: EN:P265GH/EN l0216-2(壳体); P265GH/EN10028-2(封头); ASME:SA-l06 Gr.B (壳体), SA-285 Gr.C (封头)

EN13445 DBF, ASME VIII-l

--

空冷器

端部截面为方形,有接管载荷;内径:255mm ×190mm, L=3096mm,Ps=77bar, 最高/最 低设计温度l20℃/-25℃;材料: EN:P355NLl/ENl0028-3; ASME:SA-738 Gr.B

EN13445 DBF,ASME VIII-1,ASME VIII-2; EN13445 DBA,
ASME VIII-2

ASME VIII-2不 可用

2.2 分析比较的结果
        按照协会的要求,制造厂在设备制造完成后,提供了在不同设计评定方法下设备的总体费用。由于不同制造厂对于同一设备在同一设计评定方法下的总体费用不尽相同,有时甚至差距很大,协会对每一设备的每一种设计评定方法各选取了几个不同的制造厂,取他们的总体费用的平均值作为最后结果。为使结果直观,对每一设备,取EN13445的DBF设计评定方法下的总体费用为绝对值(100%), 其它设计评定方法下的总体费用则取它的相对值,这样便可得到如表2的比较结果。对于加氢反应器主壳体,一些制造厂采用焊接,另一些则选择锻造,因此九种设备可得到十项比较结果[3,4]。
        对于按规则设计(EN13445 DBF,ASME VIII Div.1),EN13445在十项中有六项在经济上占有明显优势,即CNG储罐、加氢反应器(焊接)、搅拌器、NEN换热器、脱水器、空气冷却器;一项略占优势,即AES换热器,一项与ASME VIII Div.1 基本持平;即BEM换热器 , 两项不如ASME VIII Div.1,即加氢反应器(锻造)和夹套反应釜。
        对于按分析设计(EN13445 DBA,ASME VIII Div.2),由于设计、检测等费用相对较高,对于简单设备或单件生产,它有时是不必要或不经济的。值得注意的是,对于搅拌器和空气冷却器,ASME VIII Div.2在这里是不适用的(达不到PED的一些要求),而对于CNG储罐,按EN13445 DBA设计可以使相对费用降低4.6% 而按ASME VIII Div.2 设计反而使费用上升约18%。
        因此,从总体上看,虽然不同制造厂、不同设备、不同制造方法对总体费用都有影响,但影响最大的还是设汁评定方法,且EN13445具有相当优势。
表2九种典型承压设备的比较结果

标准
典型压力容器

EN 13445 DBF

EN13445 DBA

ASME VIII-1

ASME VIII-1
+ PED

ASME VIII-2

ASME VIII-2
+ PED

CNG 储罐
加氢反应器(焊制)
加氢反应器(锻制)
夹套反应釜
搅拌器
AES 换热器
BEhI 换热器
NEN 换热器
脱水器
空气冷却器

100 %
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%

95.6%
不经济
不经济
不必要
不经济
不必要
不必要
不必要
不必要
88.1%

130.4%
115.9%
94.3%
97.9%
110.6%
100.3%
99.0%
l08.2%
l05.6%
106.7%

138.5%
122.8%
94.9%
98.6%
110.6%
101.8%
101.9%
l06.9%
l10.l %
108.2%

118.1%
106.5%
84.9%
不必要
不适用
不必要
不必要
不必要
不必要
不适用

117.9%
110.5%
85.3%
不必要
不适用
不必要
不必要
不必要
不必要
不适用

3、EN13445-3 的经济优势
        压力容器标准的经济性和生命力在很大程度上取决于它的创新性,EN13445在设计方法和技术上博采众长而又锐意革新。一方面,吸取欧盟成员国一些已成熟且具有相当影响的容器标准(如英国的BS PD55 00、德国的AD、法国的 CODAP)的精华,借鉴ASME容器标准的一些长处;同时,也注入了一些新的理念,这正是其经济上优越的基础。

3.1 EN13445-3 的主要特点
        2002 年5月发布的EN13445由七篇组成[5]:总论、材料、设计、制造、检测与试验、球墨铸铁用于压力容器(含部件)的设计和制造要求及符合性评定程序应用指南。其中第三篇(EN13445-3)一一设计,为其主要内容,含18章节和18个附录,由一大批优秀的欧洲专家在Dr. Fernando Lidonnici的领导下,历经10年编制而成。与我国压力容器标准不同的是,EN13445-3中同时包括了按规则设计(Design by Fomula,DBF)和按分析设计(Design by Analysis, DBA)的内容,而我国压力容器标准的按规则设计和按分析设计的内容分别体现在GB150和JB4732中。EN13445-3中的按规则设计方法主要用于第7章至第16章[6], 包括内外压简体、开孔、封头、法兰、换热器管板、膨胀节、矩形截面容器和非压力载荷等的设计,其中非压力载荷的设计又包括卧式容器设计、立式容器设计以及壳体接管设计等内容。EN13445-3的按分析设计方法包含在附录B和附录C中,分别为“按分析设计直接法(Direct Route,DR)”和“按分析设计应力分类法(Stress Categorization Route,SCR)”。JB4732-95 在附录C中给出了以疲劳分析为基础的设计,EN13445-3的疲劳分析在第17、18章中,分别为疲劳寿命简单评定法和疲劳寿命详细评定法。
        与其他各款压力容器标准相比,EN13445有许多不同与改进之处,比较突出的特点有:
        (1) 提出了两种分析设计方法。其中附录C的应力分类法与ASME VIII Div.2、BS PD5500及JB4732-95 中的基于应力分类的传统分析设计方法无本质区别,它的主要缺点是存在应力分类的困难,其次是未考虑弹性或弹塑性失稳及屈曲问题[4,7]。而附录B的直接法,则是一种全新的分析设计方法,它克服了应力分类法因应力分类的困难等而带来的局限性,详细考虑了热载荷及其它环境载荷与压力载荷的共同作用,提出了“失效模式”的概念,并更好地考虑了临界失效模式和相应的安全系数,这对于在用设备检测尤其重要[6];在应用上,直接法不允许进行线性叠加,而必须进行大量的非线性计算。
        (2) 提出了两种疲劳评定法。在JB4732-95的3.10章节和ASME IE Div.2 的 AD –160章节中,都给出了免于疲劳分析的判断条件,内容大致相同,而在EN13445中则没有关于免于疲劳分析的规定。免于疲劳分析的判断大多数情况下偏于保守[6],而直接进行疲劳设计因大量的应力计算又显得过于复杂,EN13445-3 第17章的疲劳寿命简单评定法则为这两种“极端”情况给出了一种较好的“折中”办法。它无需进行任何应力分析,便能在合理的安全范围内给出疲劳寿命近似值[4,5],如要进行较精确的疲劳寿命分析,则可使用第18章的疲劳寿命详细评定法,以求得更为理想的结果。此外,ASME规范所推荐的SN曲线是以光滑试件进行疲劳试验,然后将应力安全系数和寿命安全系数分别取为2和20而得到的;而EN13445中的SN曲线则借鉴了BS PD5500的经验,是以焊接试样进行疲劳试验,然后将应力安全系数和寿命安全系数分别取1.5和l0而得到的[6]。相对来说,后者更充分地考虑了焊缝中固有缺陷的影响。
        (3) 多处采用极限分析方法。EN13445中大量使用了极限设计方法[6],这是从德国标准中吸收的优点。一般说来,标准设计规则基于三种主要研究[8]:弹性分析、极限分析和弹塑性分析。弹性分析因相对简单而得到普遍采用,但结果比较保守;弹塑性分析可以得到较弹性分析更为理想的结果,但往往需要知道加载历史,并逐步计算应力和变形,故计算较为复杂;而极限分析因为极限状态的惟一性,即极限状态与加载历史和初始状态无关,所以在计算上较弹塑性分析要简单,可以不考虑加载历史而直接使用极值定理求解。同时,由于按极限分析所得的塑性极限载荷要大于按弹性分析所得的弹性极限载荷,因此按极限分析设计可以充分发挥结构的强度潜力,从而获得更高的经济效益[9]。

3.2 经济优势分析
        EN1344经济上占优的原因是多方面的,但上述特点无疑是其主要原因之一。以极限分析为例,它在 EN13445中得到了广泛采用。例如法兰设计,在第11章中给出的是ASME的 Taylor Forge法,即传统的应力分析方法,同时在附录G中给出了极限设计方法;管板的常规及另一设计方法分别在第13章和附录 J 中作了叙述;此外,在锥体设计、卧式容器鞍座设计等方面也用到了极限分析法[4,7]。由于极限分析法是以极限载荷作为设计依据并加以限制,从而可以充分发挥材料的承载能力,减小容器壁厚[10],另一方面,在 EN13445中对检测和试验作了更为严格的要求,同时也规定了更高的许用应力,这些措施也会使得壁厚减薄。
        分析一个典型案例。图1所示的CNG储罐(其基本参数Ps=70 bar,Ts=0℃,N=500;材料分别为EN 标准P460NH/EN10028-3和ASME标准SA- 738 Gr.B),按不同方法得到的简体和封头厚度如表3所示[3]。可以看出,无论是对于封头还是简体,按EN13445的常规设计和分析设计所得的厚度,分别比按ASME BPVC SECTION VIII的常规设计和分析设计所得的厚度要减薄13mm左右。壁厚减薄一方面节省大量的材料费用,另一方面因为制造费用和焊后热处理费用随厚度增加而上升,因此壁厚减薄还可以大大减少制造方面的费用。虽然EN13445在设计、检测和产品试验单(EN13445要求,ASME不要求)等方面的费用一般比ASME要高,但是它们相对于材料、制造和PWHT节省费用来说,一般所占比例不大,所以综合起来以后,EN13445仍具有一定的经济优势。实际上,大批欧洲专家近十年的共同努力, 不但使EN13445的优化设计方法可以有效地减少壁厚而带来经济上的效益,他们还同时考虑到了在用压力容器的危害控制、安全性能提高及维护成本降低等因素,所有这些都使得EN13445不得不受到人们普遍关注。
        表3 不同设计方法下的筒体和封头厚度

项目

ENI3445-3
DBF

EN13445-3
DBA

ASME VIII
Div.l

ASME VIII
Div.2

筒体(mm)
封头(mm)

34
32

28.5
30

47.5
46

40
43


图1 CNG储罐结构简图

4、结束语
        EN1344的诞生使世界上有了一套全新的压力容器标准,它的本意是为了具体体现PED对于压力容器的基本安全要求,破除欧盟各成员国因压力容器标准的不同而形成的贸易壁垒,促进压力容器设备在欧盟范围内的自由贸易及安全运行,同时避免不必要的重复认证和检验而造成的浪费。但它的许多创新成果对于我国压力容器技术发展和标准制定都有重要的参考价值,比如它在分析设计方面的直接法、在开孔补强方面的压力面积法、在疲劳设计方面的简单疲劳寿命评定法及正在完善中的高温(蠕变)设计、试验设计方法等,都是值得我们借鉴的。此外,按欧盟规定,自2002年5月起,达不到PED相关要求、未获CE标志的承压设备均不得进入欧盟市场。这是EN13445受到重视的另一重要原因,因为采用它可以直接表明压力容器在设计、制造、检测和试验等方面达到了PED的基本安全要求,从而获得CE标志并可自由进入欧盟市场。因此,从贸易和提升我国压力容器设备的设计、制造和检测水平来讲,了解EN13445有着非常重要的现实意义。
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