压力容器设计方法的发展及其经济性分析
Development of Design Approaches of Pressure Vessels and the Economic Comparative Study of Them
陈登丰

       上世纪末和本世纪初,伴随着材料技术(特别是纯净钢冶炼技术),焊接技术,无损检测技术和计算机应用技术的高速发展,以及合格评审(符合性评审)管理技术的发展,压力容器的设计也有很大发展。大体表现在以下五个方面:
        1.压力容器的设计更加精细化。压力容器设计的核心问题是防范各种可能发生的失效模式。在ISO/CD 16528中指出三类14种失效模式:即发失效中的5种失效模式,长期失效中的5种失效模式和循环载荷失效中的4种失效模式,在建立设计方法和设计准则时至少要考虑脆性断裂、延性断裂、接头泄漏、失稳(包括弹性和塑性的失稳)和蠕变断裂等5种最重要的失效模式,详见参考文献1。
        2.明确设计的技术要求必须考虑8个方面:设计载荷、设计方法、设计裕度(即过去所谓的“安全系数”)、设计系数(即过去所谓的“焊缝系数”),检查方法,排液和放空、腐蚀和冲蚀以及超压保护。
        3. 三种设计方法的发展:公式设计(DBF,Design by Formulas),分析设计(DBA,Design by Analysis)和实验设计(DBE,Design By Experiments)三种设计方法中尤以分析设计方法有很大发展。三种方法中可采用其中的一种,或他们的组合。实际上,每一部行之有效,实践证明是成功的压力容器规范都是几种设计方法的组合。ASME VIII-1是公式设计和实验设计的组合,ASME VIII-2是公式设计和分析设计的组合。对于几何形状正规,应力分布状态比较清楚的零件(例如:回转壳体),公式设计永远是最佳的选择。公式设计不但简单易行,而且可以获得唯一解,这是它的最大优点。但公式设计不能包括所有几何形状的零件。ASME VIII-1公式设计的公式是根据最大主应力失效理论建立的,而ASME VIII-2(另一规则)的公式是根据最大剪应力失效理论建立的,二者不尽相同。对于几何形状无公式可以精确计算或无确立的规则可以遵守,则允许采取实验设计,例如:在ASME VIII-1中允许采用基于屈服和基于爆破的试验进行设计。2001版ASME VIII-1规范中将碳钢和低合金钢设计裕度从4 降为3.5,对于以实验设计确定最大允许工作压力时,为慎重起见,设计裕度仍然保持4不变。公式设计的公式近年来有从简单趋于精细而复杂的趋向。根据压力容器权威达拉斯顿先生的预测,公式设计目前以手算为主(压力容器设计软件要以手算加以验证)的状态,将来由于公式的精细化,手算成为不可能,将必须采用计算机计算。在ASME VIII-2里面对于几何形状或应力状态复杂,无公式可以利用的零件,规定必须采用分析设计,涉及疲劳的要进行疲劳评定,例如:在VIII-2第D-7章中明确指出圆形平板要按附录4进行完整的应力分析;在第D-9章中明确规定对于以双头螺栓连接的连接件要按照附录4和5进行详细疲劳分析。ASME的分析方法是以应力分类为基础的,欧盟标准EN 13445鉴于采用以计算机进行有限元分析的发展,应力分类的困难性将日益突出,从而提出不采用应力分类、而是根据失效模式采取直接路线(direct route)分析方法。这是压力容器设计方法中的一个重要创新发展,参见文献2。
        4.压力容器设计除“安全”要求外,还要满足经济、环境友好和便于维修等要求
        压力容器的设计要考虑到节省资源、能源和提高平均修理间隔时间(MTBR),其最终目的是在高度安全的基础上降低压力容器在设计、制造和维修方面的成本。设计应考虑到将泄漏造成对环境的危害降到最低,必须提高防漏和密封技术,使操作中挥发性有机物(VOCs)的泄漏减少到设备泄漏监管法规所规定的可接受水平以下。近年来,由于环境立法愈来愈多,特别是清洁空气法(CLEAN AIR ACT)的出现,对加强控制各种污染源纷纷立法。统计表明,有一半以上的空气污染是由于设备的泄漏所造成。美国法规把造成泄漏的设备划为六类,搅拌容器是其中之一(其他五类是:泵、阀、压力泄放阀、法兰和压缩机)。在机械密封方面,已经开发出以干气密封(dry gas seal)和螺旋槽密封(spiral groove seal),并开发出以磁力驱动的静密封代替机械密封中的动密封,可达到零泄漏。压力容器维修性方面出现CIP(Cleaning In-Place, 就地清洗), SIP (Sterilization In-Place, 就地杀菌),以及单盒式和剖分式盒式机械密封等技术,详见参考文献5。
        5.设计概念的更新和量化。例如:以设计裕度取代安全系数,以焊接接头设计系数取代焊缝系数。对剧毒、有毒、氧化性、爆炸性、易燃液体、高度易燃液体、极易燃气体和液体等原来定性的概念进行了量化的定义,详见参考文献6。
        根据欧洲压力设备研究理事会主席、CEN/TC54主席和ICPVT欧非地区委员会主席、上海华东理工大学客座教授约翰-达拉斯顿(JOHN DARLASTON)先生的观点(详见文献3),目前采用哪一种规范来设计和制造压力容器为最好?达拉斯顿认为这个问题很难答复。他认为:按照EN 13445、PD5500、或ASME VIII设计的压力容器在安全性上可能是相当的,但EN 13445中包含了更多最新的发展和思想,而EN 13445在经济上可能更具有优越性。欧洲委员会认为必须搞一项比较性研究来证明EN 13445这种经济上的优越性,特别是要针对ASME 锅炉压力容器规范来进行比较性研究,以取得证明。为此,欧洲委员会专门立项,成立一个项目组,项目组成员是两家NoBo,一家是奥地利的TUV Austria,另一家是意大利的CEC。项目的分包机构还有意大利、法国、德国和奥地利的几家制造商。
        鉴于对一部规范进行经济性分析,在国际上尚无先例,而经济性分析又牵涉到许多方面,还有一些不确定因素必须进行一些假定,例如在按照某一规范要求对制造商的质量体系根据哪一种规则进行合格评审,必然影响到产品的最终成本,而评审一次通过和必须进行改正和二次评审才能通过,这两种不同的情况对产品成本必然有所影响,在本项目的研究中都假定是一次评审通过。又如:对于焊接区的疲劳评定,项目组认为ASME-VIII-2附录5是欠保守的,达不到PED附录I的要求,必须按照欧洲方法进行重新评定。因此,对于涉及疲劳评定的产品,这方面所增加的额外成本,在本项目的研究中暂不考虑,为此,在成本比较中没有涉及这个内容。
        本刊今年No.3期,华东理工大学姚华堂和王正东先生曾发表“欧盟压力容器标准EN 13445经济性特点的分析”一文,拜读之后感觉对本项目的一些细节问题尚不够全面,因此,特根据文献4,写作本文作为补充。
        本文引用的一些缩写,其含义见表1。

一、经济性分析所依据的标准
        1.EN 13445 第1版(2005-05),包括:2003-07以前出版的所有校正页
        2.ASME锅炉和压力容器规范2001版,包括:2002和2003增补;
        3.TEMA标准第8版,1999;
        4.WRC公报107/,1979修订版;
        5.WRC公报297,1987修订版;
        6.WRC公报368,1991修订版。

二、经济性分析所采用的方法。
        首先由项目组选择9种具有广泛代表性的压力容器产品进行详细设计(见文末所附图1到图9)。这9种产品基本覆盖了压力容器的各种类型,但由于加氢反应器又有锻焊和卷焊两种不同的制造方法,故在成本分析中分别评价,实际上是10种产品。压力容器的设计路线选择了6种常见路线,即EN 13445 DBF,EN 13445 DBA,ASME VIII-1,ASME VIII-1 + PED,ASME VIII-2, ASME VIII-2 + PED。把设计资料交给意、法、德、奥4个国家的几个制造商进行成本报价,然后由项目组根据报价进行相对成本比较。综合比较后再作出结论。
表1 缩写含义

AES

TEMA换热器的一种型式,前端管箱为A型平盖管箱,后端为S型的单程浮头式换热器

BEM

TEMA换热器的一种型式,TEMA换热器的一种型式,前端管箱为B型标准椭圆形封头管箱,后端为M型标准椭圆形封头管箱,管板延长部分兼作法兰的单程固定管板换热器

B&PV

ASME锅炉和压力容器规范

CEN

欧洲标准化委员会

CNG

压缩天然气

DBA

分析设计

DBF

公式设计或常规设计

ESR

PED中的基本安全要求

ICPVT

国际压力容器技术会议

MDMT

B&PV中的最低设计金属温度

NEN

TEMA换热器的一种型式,前、后端管箱为N型平盖管箱,管板不兼作法兰、管箱筒体与管板联为一体的单程固定管板换热器

NoBo

授权检验机构(NOTIFIED BODY)

PD5500

英国非受火熔焊压力容器规范

PED

承压设备指令97/23/EC

PS

许用最高压力(见EN 13445)

TEMA

列管换热器制造商协会

TS

许用最高温度(见EN 13445)

WRC

焊接研究理事会

三、规范和合格评定路线的组合
        估计成本时考虑了以下设计规范和合格评定路线的组合:
        a)EN 13445和PED合格评定路线的组合,
        b)ASME VIII(1册或2册)与ASME合格评定路线(U钢印或U2钢印)的组合,
        c)ASME VIII(1册或2册)与PED合格评定路线的组合(CE标志)。
        在做以上三种评定时假定前此没有作过类似评定,并且假定任何一种评定都通过。

四、附加要求附加要求是在项目组内取得一致意见的,有如下三个方面:

1.对材料的附加要求
        用于设计的材料性能必须基于材料制造商所确认的性能(参见PED指南7/24)。材料性能可包括ASME规范第II卷表Y-1材料的高温抗拉性能(hot tensile properties)以及碳钢在不高于20oC的MDMT下的冲击性能,根据PED附录I的7.5,冲击性能的最低值为27J。对于碳钢而言,要求的最低冲击性能也适用于焊缝和HAZ,故在焊接工艺批准书(welding procedure approval,即焊接工艺评定文件)中应明确指出。成形和热处理之后的材料性能同样应满足冲击性能要求,这些方面也应得到确认。

2.对试验压力的附加要求
        在PED附录I条款7.4中的规定是:水压试验的压力Ptest不得低于1.43PS,这一规定必须遵守,即使当按照公式Peq=P test x S/Sa/1.3计算Peq大于PS时必须增加壁厚才能满足这一规定时。其中,PS指的是最高许用工作压力,S是在最高设计温度下对于正常操作载荷情况下的公称设计应力(许用应力),而Sa指的是在试验温度下对于正常操作载荷情况下的公称设计应力(许用应力)。
        如得出的试验压力大于ASME规范指定的试验压力(1.3 x Sa/S x PS),则不得使用第二个要求,即1.25 x PS x 根据ASME规范第II卷表Y-1的保证强度(弹性限强度)的校正系数。
        在后一种情况下,即使按照ASME规范允许采用较小的焊缝系数时,NDT的程度至少也应相当于焊缝系数为0.85所作NDT的程度。

3.永久性连接和NDT,必须满足PED的要求
        对于II、III、IV类的承压设备,焊接工艺和焊接人员的资质必须由一家有资格的第三方(NoBo或被欧盟某一成员国所承认的第三方组织)来批准。为执行批准程序,第三方必须执行有关协调标准中所规定的或相当的检测和试验,或者,必须使这些检测和试验被执行。
        对于III、IV类承压设备,NDT人员的资质必须由一家被欧盟某一成员国所承认的第三方组织所批准。
表2 典型压力容器

案例

容器名称

概述

设计路线

备注

1

CNG储罐
(图1)

直径2200mm,长度20000mm,许用最高压力70bar,室温,材料为细晶粒碳钢EN P460NH/EN100028-3(壳体和封头);ASME SA-738Gr.B(壳体和封头)

DBF : EN 13445;ASME VIII-2
DBA: EN 13445, ASME VIII-2

DBA采用ASME VIII-2并不经济,故不给出结果

2a

加氢反应器
(图2)

带外部管道载荷。直径2200mm,圆筒部分长8000mm,半球形封头,许用最高压力180bar,许用最高温度400oC,锻造筒节材料:EN:11CrMo9 10/EN 10222-2;ASME :SA-387Gr.22 Cl.2

DBF : EN 13445;
ASME VIII-1

DBA: EN 13445;
ASME VIII-2(顶封头)

DBA采用EN 13445和ASME VIII-2并不更经济,故不给出结果

2b

加氢反应器
(图2)

规格同上
焊接筒节材料:EN:12CrMo9 10/EN 10028-2
ASME:SA-336Gr.F22 Cl.12

3

夹套高压釜
(图3)

批量生产。直径500mm,圆筒部分长800mm,许用最高压力2.5bar,饱和蒸汽温度,材料:EN:X5CrNi 18 10/EN 10028-7(壳体和封头);ASME SA-240Gr.TP304(壳体和封头);

DBF:EN 13445;ASME VIII-1

按照规定循环次数必须作疲劳分析

4

搅拌容器
(图4)

直径3200mm,圆筒部分长3500mm,内筒最高/最低许用压力3/-1bar,夹套最高许用压力3bar,最高许用温度50Oc;材料:EN:X6CrNiTi17 12 2/EN 10028-7(壳体和封头);ASME SA-240Gr.316Ti(壳体和封头)

DBF:EN 13445;ASME VIII-1,VIII-2

按照规定循环次数必须作疲劳分析;
由于SA-240 Gr.316Ti不允许按VIII-2作DBF,故未做

5

AES换热器

内径1062mm,管子长5888mm,壳程许用最高压力10bar,管程20bar;计算温度200oC(壳程和管程)。材料:EN:P295GH/EN 10028-2(板);P305GH/EN-10222-2(锻件)
ASME:SA-516Gr.70(板),SA-266Gr.2(锻件)

DBF:EN-13445 +TEMA,ASME VIII-1 +TEMA

 

6

BEM换热器

内径539mm,管子长6094mm,壳程许用最高压力10bar,管程20bar;计算温度200oC(壳程和管程)。材料:EN:P295GH/EN 10028-2(板);P305GH/EN-10222-2(锻件)
ASME:SA-516Gr.70(板),SA-266Gr.2(锻件)

DBF:EN-13445 +TEMA,ASME VIII-1 +TEMA

 

7

NEN换热器

批量生产。内径292mm,管子长1500mm,壳程许用最高压力6bar,管程3bar;计算温度180oC(壳程),150oC(管程)。材料:EN:X5CrNi18 10/EN 10028-7(板);X5CrNi18 10/EN-10222-5(锻件)
ASME:SA-240Gr.TP204(板),SA-336Gr.F304LS(锻件)

DBF:EN-13445 +TEMA,ASME VIII-1 +TEMA

必须作疲劳分析

8

水分离器

考虑管道反作用力。批量生产。外径406.4mm,总长1100mm,许用最高压力34bar,许用最高温度240oC;材料:EN:P265GH/EN 10216-2(筒体);P265GH/EN 10028-2(封头)。ASME:SA-106Gr.B(筒体);SA-285Gr.C(封头)

DBF:EN-13445,ASME VIII-1

 

9

空冷器

 

 

 

五、经济性评定结果

例1 - CNG储罐(图1
        本例,由于许用应力上的差异,壁厚计算结果差异较大,例如:筒体壁厚:EN-DBF:34mm;EN-DBA:28.5mm;ASME VIII-1:47.5mm;ASME VIII-2:40.0mm。对于ASME设计,由于筒体壁厚上的差异又涉及到焊后热处理问题,而对于EN设计则不存在焊后热处理问题。不同制造商所提出的相对成本如下:

制造商

EN 13445
DBF

EN 13445
DBA

ASME VIII-1

ASME VIII-1+PED

ASME VIII-2

ASME VIII-2+PED

A

100%

92.5%

156.9%

166.3%

138.5%

137.6%

B

100%

99.3%

116.8%

125.7%

108.9%

109.7%

C

100%

95.0%

117.5%

123.7%

106.9%

106.5%

        与EN 13445 DBF相比, 不同制造商和采用不同的设计路线, 成本上的差异很大 (以一次性生产进行估算):
        EN 13445 DBA                -0.7%到-7.5%
        ASME VIII-1                     +16.8%到+56.9%
        ASME VIII-2                      +6.9%到+38.5%
        本例可得出这样的结论, 根据EN 13445-3附录B的DBA路线比较经济, 由于本例比较简单, 采用DBA路线虽然需做有限元分析在设计上的费用较高, 但很易得到补偿。
        采用ASME设计成本较高主要是由于壁厚较大,材料所占费用较高造成的,有时可能还要增加热处理成本。采用ASME VIII-2进行设计要比采用VIII-1便宜得多,这是因为壁厚大大降低了。
        EN 13445和ASME VIII-1对容器主体焊缝进行无损检测的要求是相等的。对于其他焊缝,ASME VIII-1的要求(局部或不作RT)比EN 13445(全部NDT)的低。ASME VIII-2对NDT的要求与EN相同。因此,NDT造成的成本差异不大。
        按照EN设计路线是要求作生产试板的,而ASME设计路线不要求作生产试板,因此,在这方面EN设计路线的成本较高。
        按照ASME设计路线所制造的容器如果要按照PED要求进行合格评定的话,在这方面所增加的额外成本微不足道(按照ASME VIII-1设计的容器壁厚较大,因此,对材料的试验要求较高,前提是试验结果符合要求)。假如采用的是ASME VIII-2的设计路线的话,则由于PED水压试验压力所要求的壁厚不会增加。

例2 – 加氢反应器
        根据与制造商协商的结果,有些制造商愿采用锻造筒节,另一些则愿意采用焊接筒节,由于这两种方法的设计结果有很大差异,因此,本研究把这两种方法都考虑了。但应当说明的是,两种方法在技术上并没有显著区别,采用锻造的或焊接的筒节主要取决于制造厂的设备以及能否在市场上获得筒节锻件,因为锻件不象钢板,是不能很快得到的。
        顶封头按照EN 13445-3附录B的DBA进行设计时,由于考虑接管的载荷,与DBF设计方法相比,厚度未见减少,因此,对于DBA设计方法没有给出结果。
        由于按照ASME VIII-2附录4(应力分析设计)进行的设计,与按照ASME VIII-2的公式设计相比,主承压件(例如:承受内压的筒体)的厚度并不因此有所减小,因此,对于这种设计方法也没有给出详细设计结果。
        由于许用应力的不同,设计壁厚上的差异如下:锻造筒节:按照EN 13445-DBF为190mm;ASME VIII-1为181mm;ASME VIII-2为151mm。焊接筒节:按照EN 13445-DBF为124mm;ASME VIII-1为181mm;ASME VIII-2为151mm。
        按照EN设计方法,作为设计基础的材料性能差异很大,锻造材料采用EN 10222-2的11CrMo9-10, 板材采用EN 10028-3的12CrMo9-10。因此设计得到的筒体壁厚差异很大:采用锻造材料时为190mm;采用板材时为124mm。
不同厂家报出的相对成本为:

制造商/筒节型式

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

ASME VIII-2

ASME VIII-2 + PED

A/锻造

100.0%

93.3%

93.3%

86.6%

86.6%

B/锻造

100.0%

95.9%

97.5%

88.2%

89.4%

C/锻造

100.0%

93.8%

93.8%

79.9%

79.9%

A/焊接

100.0%

112.2%

-

-

-

B/焊接

100.0%

-

-

105.5%

106.9%

C/焊接

100.0%

119.6%

122.8%

107.5%

114.2%

        与EN 13445 DBF相比(按一次性生产估算),不同制造商采用不同路线得出的成本差异为:
        锻造筒节:
        ASME VIII-1                +4.1%到-6.7%
        ASME VIII-2                -11.8%到-20.1%
        焊接筒节
        ASMEVIII-1                +12.2%到+19.6%
        ASME VIII-2                + 6.9%到+14.2%
        锻造筒节按照EN 设计的成本较高主要是由于材料和制造成本较高,某种程度上还由于焊后热处理的成本较高。按照ASME设计的焊接筒节的成本较高,主要也是由于材料和制造成本较高,某种程度上还由于焊后热处理的成本较高所造成。按照ASME VIII-2所设计的容器比按照ASME VIII-1所设计的要便宜得多,这是由于材料厚度上的巨大差异所造成的。
        倘若按照ASME设计的容器要求按照PED要求进行合格评定,由此所产生的额外费用是很少的。假如采用的是ASME VIII-2的设计路线的话,则由于PED水压试验压力所要求的壁厚不会增加。
无论按照EN或ASME的设计,NDT的要求是相同的(只有一个例外),两种设计路线都要求试板。

例3 – 带夹套的高压釜
        主要技术问题是包括循环热应力的疲劳评定。按照EN 13445-3第18款和ASME VIII-2附录5分别进行评定,结果差异很大。允许循环次数按照EN规则评定为33576次;而按照ASME规则评定为则大于106。
        正如以上第3段所述,ASME规范对焊接区的疲劳设计是不符合PED附录I的要求的,因此,需按照欧洲方法进行重新评定,但这次研究中并没有这样做。在本项目对涉及疲劳评定的ASME设计作成本比较时,并没有将重新评定所需要的额外费用包括在内。
        还要指出的一点是,如严格地按照ASME VIII-1的方法是不允许采用卡口形的封盖(BAYONET CLOSURE)的,因为这种结构没有具体的计算公式。
        以下是不同制造商所呈报的相对成本:

制造商

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

A

100.0%

109.4%

109.4%

B

100.0%

92.6%

94.7%

C

100.0%

91.7%

91.7%

        由于EN和ASME两种设计方法得出的壁厚相差不大, 因此材料和制造成本是相似的。
        倘若按照ASME设计的容器要求按照PED进行合格评定,如材料试验结果满足要求的话,则增加的额外费用也不大,主要是按照ASME VIII-1设计时壁厚略有增加,对材料的试验要求较高,如此而已。
        与EN 13445 DBF相比(按批量生产10台容器估算),不同制造商和不同制造路线在成本上的差异在- 8.3%到 +9.4%之间。因此,可以这样得出结论:两条路线的平均成本是相似的。

例4 – 搅拌容器
        本例的主要技术问题仍然是疲劳评定。对顶封头分别按EN 13445-3第18款和ASME VIII-2附录5进行了分析。假定围绕搅拌轴转动的波动载荷是处于最不利情况,要求搅拌器的力和力矩能经受无限次循环。假定搅拌器的力是在不变的工作压力之下产生的,因此,在进行分析时可不受内压波动的影响。根据EN 13445-3第18款,无限次作用循环搅拌器的设计必须满足5 x 106次循环的要求。反之,由于在ASME VIII-2附录5中没有给出疲劳承受极限(fatigue endurance limit),因此采用了规范中对3XX系列高合金钢所给的最大循环次数(1011)。对上封头进行了达到允许或规定批量循环次数的疲劳分析。
        分析结果差异极大,特别是两条路线对满足无限次载荷循环设计应力的安装法兰(mounting flange)所要求的加强差异很大。此外,按照EN设计,允许批循环次数为13100,而按照ASME,则为2x108,相差1500多倍。
        正如以上所述,ASME规范对焊接区的疲劳设计是不符合PED附录I的要求的。因此,疲劳评定应采用另一种方法,但本次没有这样做,故成本比较中也没有包括重作疲劳评定所需要的额外费用。
        顶封头的设计如根据EN 13445-3附录B的DBA路线,由于是疲劳应力控制设计壁厚,故不可能得到任何设计上的好处,因此,本例未采用这种方法。
        由于ASME VIII-2不允许采用SA-240 Gr.316Ti,而SA-240 Gr.316L的许用应力又非常低,因此,壳体和封头的设计如使用ASME VIII-2,则壁厚很大,故本例采用ASME VIII-2不经济。
        容器内筒体设计壁厚上的差异主要是由于不同的外压设计方法所引起的(EN设计:壁厚11mm,25x125mm的加强圈2个;ASME设计:壁厚15mm,30x160mm的加强圈2个)。内封头设计壁厚上的差异主要也是由于不同的外压设计方法所引起(EN设计:壁厚15mm;ASME设计23mm)。夹套设计壁厚上的差异主要是由于不同的内压设计公式所引起(EN设计:壁厚10mm;ASME设计7mm)。
        不同制造商呈报的相对成本如下:

制造商

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

A

100.0%

127.6%

125.9%

B

100.0%

100.6%

102.3%

C

100.0%

103.6%

103.8%

        与EN 13445 DBF相比(按一次性生产估算),不同制造商和不同路线的成本差异是:
        ASME VIII                               -10.6%到27.6%
        ASME VIII-1 + PED                2.3%到25.7%
        ASME设计成本较高,主要是由于壁厚较大、造成材料和制造成本上升。但由于ASME的NDT和试件要求较低和无须作生产试板,故这部分高成本可部分地得到补偿。
        倘若按照ASME设计的容器要求按照PED进行合格评定,增加的额外费用并不多,主要是下封头要求增加壁厚带来较高的材料费用和接管处要求增加补强板的费用。由于工作温度不高,不要求作高温拉伸试验,对于奥氏体不锈钢也无须作附加的冲击试验,因此,附加的材料试验费用可忽略不计。

例5 – AES换热器
        由于EN和ASME两种设计方法都是按照TEMA标准计算最小板厚的,因此,两种设计有趋同倾向。与EN 13445相比,ASME VIII-1得出的法兰和浮动管板的厚度较大,因此一家制造商呈报的按照ASME路线设计的材料成本较高,但另外两家则否。
        相对成本如下:

制造商

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

A

100.0%

105.6%

106.6%

B

100.0%

94.1%

97.8%

C

100.0%

101.0%

101.0%

        倘若按照ASME设计的容器要求按照PED进行合格评定,如材料试验结果满足要求,则增加的额外费用也不大,主要是按照ASME VIII-1设计时壁厚略有增加,对材料的试验要求较高,如此而已。
        NDT要求相同,不造成成本上的差异。
        由于ASME VIII-1不要求作试板,而EN 13445要求,因此,这方面EN设计的成本较高。
        与EN 13445 DBF相比(按一次性生产计算),ASME VIII-1路线成本上的差异是来源于不同的制造商,大约在- 5.9% 到 +5.6%之间,可以说,两条路线在成本上大体相同。

例6 – BEM换热器
        由于EN和ASME两种设计方法都是按照TEMA标准计算最小板厚,因此,两种设计有趋同倾向。与EN 13445相比,ASME VIII-1得出的管板厚度较大,一家制造商呈报的按照ASME路线设计的材料成本较高,另外两家则否。
相对成本如下:

制造商

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

A

100.0%

106.0%

107.8%

B

100.0%

89.0%

95.8%

C

100.0%

102.0%

102.0%

        倘若按照ASME设计的容器要求按照PED进行合格评定,如材料试验结果满足要求,则增加的额外费用不大,主要是材料的试验要求较高。
NDT要求相同。
        与EN 13445 DBF相比(按一次性生产计算),ASME VIII-1路线成本上的差异是来源于不同的制造商,大约在- 11.0% 到 +6.0%之间。因此,哪一条路线较便宜,似乎应取决于容器的制造商和材料的供应商。

例7 – NEN换热器
        某一厂家的报价,采用ASME设计路线,由于法兰和盖板厚度较大,因此成本较高。(管板:EN路线11mm,ASME路线10mm;法兰:EN路线26mm,ASME路线28mm;盖板EN路线26mm,ASME路线28mm),另一家的报价则否。
        下表是两个厂家报出的相对成本。

制造商

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

A

100.0%

117.4%

117.4%

B

100.0%

99.0%

99.3%

        如要求进行PED合格评审,且假定材料的试验结果符合要求,则由此付出的额外费用是很少的(费用为材料的高温抗拉试验)。
        ASME规范不要求做RT/UT检测,但EN规范,除一例外,所有焊缝都要作10%的检测。ASME对MT/PT检测的要求略高于EN。总体上,EN设计的NDT成本较高于ASME。
        由于ASME VIII-1不要求作生产试板,而EN 13445要求,故EN在这方面成本略有增加。
        将不同厂家采用ASME VIII-1路线的设计和采用EN 13445 DBF路线的设计进行比较(按照每批10台换热器进行估算),根据不同厂家的报价,成本上的差异在-1.0%到+17.4%之间。因此,哪一条设计路线更为价廉要取决于是哪一个厂家和哪一家材料供应商。

例8 – 水分离器
        本例,圆筒的壁厚不是取决于根据内压的计算,而取决于接管载荷。支架尺寸选自DIN 28083中的2号,吊耳尺寸选自DIN 28086中的1号。支架和吊耳两种设计都一样。区别在于碟形封头的厚度,这是由于许用应力和设计公式不同所造成的。EN设计为9mm;ASME设计为13mm。
        相对成本如下:

制造商

EN 13445 DBF

ASME VIII-1

ASME VIII-1 + PED

A

100.0%

106.6%

115.6%

B

100.0%

104.6%

104.6%

        与EN 13445 DBF相比,不同制造商所报成本上的差异(按照一批30台容器计算)是:
        ASME VIII                                -14.6%到6.6%
        ASME VIII-1+PED                4.6%到15.6%
        ASME设计的成本较高主要是由于碟形封头厚度较大,导致材料和制造成本较高造成的。由于ASME规范对NDT的要求比EN较低,故其中有一部分较高的成本是被抵消了的。有一家制造商要求作PED合格评审,额外费用增加很多,主要花在材料的试验上。

例9 – 空冷器
        由于在ASME VIII-2里面不允许角接接头的焊缝,而空冷器必须有角接焊缝,故本例不能采用ASME VIII-2进行设计。正规地讲,ASME VIII-1也不适用,因为对于这种形状的接管载荷分析在VIII-1里面没有任何指南。采用VIII-2附录4基本上可能,但如上所述,采用VIII-2的规则不可能建造这种容器。虽然如此,还是采用了VIII-1关于矩形截面容器的规则。对于接管载荷的分析采用了类似于EN 13445的方法。后者对于接管载荷的一般设计方法还是可以接受的。
对于ASME路线,箱形集箱焊接接头的细部设计,采用了VIII-1的附录28。
        采用EN DBF和ASME两种方法在平板零件厚度设计方面的差异主要是由于不同的许用应力引起的(按照EN的方法,管板,堵头板和侧板的厚度是40mm;按照ASME方法,管板和堵头板的厚度是46mm,而侧板的厚度是43mm)。采用EN DBA路线的详细有限元分析得出的厚度比其它方法都小(管板,堵头板和侧板的厚度是34mm),且无须进行焊后热处理。
        下表为某一制造上报出的相对成本:

制造商

EN 13445 DBF

EN 13445 DBA

ASME VIII-1

ASME VIII-1+PED

A

100.0 %

88.1%

106.7%

109.2%

        与EN 13445 DBF相比,不同设计路线在成本上的差异(按照一次性生产估算)是:
        EN 13445 DBA                        -11.9%
        ASME VIII-1                              +6.7%
        ASME VIII-1+PED                    +8.2%
        可以得出这样的结论:按照EN 13445附录B的DBA路线成本最低,虽然采用这种方法在有限元分析上的花费较大,但由于壁厚较小和无须进行热处理,故很易得到补偿。
        ASME设计路线成本较高是由于材料和制造费用较高造成的。
        倘若要求进行PED合格评审,如材料试验合格,则额外增加的费用很少(对于ASME VIII-1来讲,主要是材料厚度稍有增加带来材料试验费用的增加)。
        EN和ASME两种路线对NDT的要求相似,这方面不造成成本上的差异。

六、项目总结
        1.总体上EN 13445 提供的非受火压力容器设计路线无论在技术上或经济上都有竞争力。在9种容器的例子中有6种或7种容器(加氢容器要根据是焊接筒节或锻造筒节来决定)当采用EN设计方法时最经济。但也应当看到在有些情况下,不同制造商所报成本上的差异要大于由于采用不同设计方法所得到的成本上的差异。
        2.采用ASME规范时,材料成本一般较高。在有些情况下,当采用EN 13445规范时所获得的较低的材料成本,往往由于比ASME较高的焊接试验和NDT等附加成本而被抵消。由于PWHT要求取决于壁厚,故采用ASME设计方法,一般PWHT成本较高。倘若对所有设计路线都考虑TEMA要求的话,则两种标准换热器在成本上没有明显的差异。
        3.某些情况下,当采用EN 13445-3附录B的分析设计方法时,特别是对于更加先进的或更加复杂的设计,或批量生产的情况,材料成本可大大降低。由于设计带来的成本的增加很容易被材料成本或焊后热处理成本的节省所抵消。
        4.由于ASME设计方法并非全都符合PED附录1.7和PED附录1.4.3的某些规则(详见指南7/24),故对于满足PED要求、可打印CE标志、按照ASME规范设计的容器、应当补充哪些要求,要取决于双方的协议,这些补充要求不能作为按照PED评定ASME设计的容器的普遍有效要求,也不能证明该容器与PED容器有相同的安全水平。
        5.焊接区根据ASME VIII-2附录5进行的疲劳设计,与欧洲主要承压设备规范(EN 13445,AD规范,PD 5500)对疲劳评定的程序和实验结果比较,ASME的设计是欠保守的。因此,ASME疲劳设计不能满足PED附录I的要求。亦即,对于疲劳评定,ASME的程序不能用,必须采用另一种、实际上必须采用欧洲的设计方法对疲劳寿命进行重新评定。此次研究中并没有这样做。但必须看到在涉及疲劳的ASME设计必须计及重新进行疲劳评定所涉及的成本。
以上作者将当前压力容器设计方法的主要发展和欧洲以EN 13445和ASME 规范所进行的经济性比较做了如实的报导。作者认为,这种经济性的比较在国际上尚属首次,对我们加深认识两种规范的特点和在“十一五”规划大型石化项目建设的压力容器设计中较好地采用或引用这些规范是极有帮助的,对我国压力容器走向世界、参与国际竞争性招标同样是极有帮助的。
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