改写版ASME-VIII-2-2007概况(节选)
Overview of ASME Code VIII-2-2007 Rewrite

陈登丰 CHEN Dengfeng
本文是根据托马斯-帕斯特(Thomas P. Pastor)先生今年5月在北京和上海两地所做报告和有关资料编写而成。全文分引言、背景、新规范的开发过程、结构、各篇内容, 对新VIII-2的分析以及作者的看法等几个部分。
This Paper is based on a Report by Thomas P. Pastor at Beijing and Shanghai, May 2007 and other documents. It is composed of Introduction, Background, Development Process, Organization of New Code, Analysis on New VIII-2, and Views of the Author.
ASME VIII-2改写, 背景,开发过程,新规范结构,对新VIII-2的分析
ASME VIII-2 Rewrite, Background, Development Process, Organization of New Code,Analysis on New VIII-2

引言

    今年5月28~31日CACI、中国机械工程学会压力容器分会和ASME北京代表处在北京、上海两地联合召开了压力容器与材料标准报告会。报告会上哈佛蒸汽锅炉检验和保险公司(HSB)子公司哈佛全球标准公司(HSB GLOBAL STANDARDS)副总裁、ASME第VIII分委会主席托马斯-帕斯特先作了改写版VIII-2 的报告,简述了改写版历经九年开发的内容,已于今年2月获得ASME锅炉压力容器标准委员会批准,将于今年7月1日以全新面貌出版问世。这部经过改写的VIII-2将成为现今国际上具有较强竞争力的规范,将在保证安全的基础上,大大降低压力容器的建造成本。根据ASME的规定,全球ASME U-2钢印授权证书持有厂家将被允许18个月的过渡期,对采用老VIII-2或新VIII-2(即2007 改写版)做出选择,老VIII-2将在2004版基础上维护到2006年增补为止,进行冻结。(详见规范案例2575)。
    我国现有200多家ASME授权证书持有厂家,其中持有U-2钢印的有36家(2007年6月9日统计数字),改写版VIII-2对这些厂家将是一次很大挑战;由于改写版VIII-2不但包括分析设计(DBA),也兼有规则设计(DBR,欧洲称DBF,即公式设计),因此,它对于我国200多家的ASME持证厂家也是一次很大的挑战。由于改写版VIII-2兼容并蓄了当今世界压力容器的各种最新开发成果,其意义不仅限于ASME持证厂家,对我国压力容器标准的未来方向也具有重大影响。研究这部新的规范将必然成为我国压力容器界的聚焦热点。以下将根据帕斯特先生的报告、作者与他几次通讯的内容和有关资料,向读者介绍新VIII-2的开发背景、开发过程、结构、各篇主要内容和较为详细的分析。

一、背景

    1998年,ASME锅炉压力容器委员会(BPVC)考虑到为保持ASME规范在技术上的持久竞争力、便于在规范中融入新技术和便于规范的发展,决定开发一部全新的压力容器规范。开发前,BPVC对 VIII-2规范的用户,主要是石油化工领域的用户,做了一番调查。得出这样的结论:在ASME规范中必须引入疲劳设计和高温设计的新方法,为方便北美以外地区的用户,必须提出由注册专业工程师(RPE)进行设计审查的另一种方法,必须使规范的使用更加“用户友好”。
    BPVC的这个决定是在第I卷《动力锅炉》和第VIII卷第1册《压力容器》把设计裕度从4.0降到 3.5之后的不久做出的。那时,BPVC已经预见到:要使ASME规范比其它国际标准更具有竞争优势,必须以全新的VIII-2取代当前的VIII-2。这个决定意味着把当前的VIII-2推翻重来。当时感觉到,只有走这条路,才能使这部规范得以吸纳压力容器建造的最新技术、使之现代化,才可以从总体结构上进行大的调整,使之方便于规范使用人、方便于维护这部规范的委员会。

二、新VIII-2的开发过程

    ASME开发新规范的传统做法是:利用熟悉各个标准委员会的志愿者来进行编写。采用这种方法的最后一部规范是VIII-3,它花费了近15年的时间才告完成。考虑到用户对更新VIII-2的迫切需要,不可能有耐心等待15年或更长的时间,故ASME决定授权外部机构PVRC(编者注:PVRC为压力容器研究委员会(Pressure Vessel Research Committee)的简称:是美国焊接研究协会于1945年根据压力容器工业的需要而成立的)来开发这部新规范的第一稿。PVRC为此成立了 “规范持续现代化联合工作组”(Joint Task Group on Continued Modernization of Codes),负责主管VIII-2新规范的开发工作。PVRC聘用了既熟悉工程,又娴熟于技术文件写作的资深专家来从事开发和起草新的VIII-2。ASME则成立了以第VIII卷委员会的委员们组成的“ASME规范第VIII卷指导委员会”(ASME SECTION VIII STEERING COMMITTEE),为开发组(development team)提供技术上的监督和指导, 以有助于投票表决和批准的过程。ASME还聘用了一名项目经理主抓此项目,他主要负责以下事项:
   协调各分委会和ASME标准委员会的投票过程;
    处理VIII-2新、老规范之间可能出现交叉重叠的认可问题;
    核实所有公式并督促《范例手册》(examples manual)的编写;
    协调新标准的β测试(注:每个新开发的软件在商业化之前要进行两个阶段的测试,一个叫α测试,是由该软件开发机构内部的使用人所进行的测试,另一个叫β测试,是由开发该软件的机构之外的使用人所进行的测试,或最终测试,当完成了这个测试,该软件就可投放市场了。简言之,α测试和β测试即自测和他测,或自检和他检,只有完成这两步,软件的开发才算完成。);
    在投票过程中安排演讲论坛(presentation forum);
    准备新VIII-2的首版出版。
    启动起草新规范的第一件事,是提出新规范的细目表(DETAILED TABLE OF CONTENTS),细目表必须提出在新规范中出现的每一节的标题,并提出编写该节其内容的取材来源。编写这样的细目表可使各主编(lead authors)能很快发现哪些地方需要着力开发新的规则。新VIII-2需要着力开发的规则,例示如下:
   材料韧性要求;
    材料采购表(material procurement table);
    锥壳过渡区补强要求;
   开孔补强规则;
    采用弹塑性分析方法的局部应变准则(local strain criteria);
    基于结构应力方法 ( structural stress method) 的疲劳设计。
    PVRC选择了EQUITY ENGINEERING公司作为主合同方负责提出细目初稿。
    新规范的取材来源或开发起点有3个方面:一是现行的ASME规范VIII-1、VIII-2、VIII-3以及EN 13445,BS 5500和API 579;二是各种技术报告;三是在公众领域发表、获得应用的各种新技术。
    新规范的整个开发过程划分为3个阶段,第一阶段:开发规范纲要和细目,完成各篇(PARTS)初稿(已完成);第二阶段(A:对ASME BPV分组以及个人意见、包括吸收新技术的意见进行预投票(已完成);第二阶段(B:提高新VIII-2竞争力、在出版前完成技术开发;第三阶段:按照ASME共识程序进行最终投票或标准委员会投票阶段(已完成)。

三、新VIII-2的结构

   新VIII-2结构与现行VIII-2大不一样。为便于各篇单独修订和增加新的内容,新VIII-2采用独立模块式结构(modular flat structure),以9篇组成:
   第1篇:总要求
   第2篇:责任和职责
   第3篇:材料要求
   第4篇:规则设计(DBR)要求
   第5篇:分析设计(DBA)要求
   第6篇:制造要求
   第7篇:检测和检验要求
   第8篇:压力试验要求
   第9篇:超压保护
    此外,每篇末尾附规范性和参考性附录 (normative and informative annexes), 取消置于标准全文末尾的强制性和非强制性附录(mandatory or non-mandatory appendices)。新规范采纳ISO文件格式。放弃传统的ASME格式,即节号以字母+数字表示的格式,例如PG-90、UG-90、AG-90这样的格式。新规范计量单位制采用美国习惯单位制和SI制并存。
    2007年2月2日ASME BPVC批准VIII-2新规范。2007年3月9日锅炉压力容器标准技术委员会(BPTCS)完成程序审查。2007年4月完成ANSI公众审查和提意见阶段。预定出版日期为2007年7月1日。第1版分栏格式为一栏。

四、新VIII-2各篇内容

    新VIII-2各篇简况见表1。
表1 新VIII-2各篇主要内容(略)

 五、新VIII-2内容的详细分析

    以下从6个方面作较详细的分析:
1. 通卷文风、总要求和格式的改革
    规范文本编号系统放弃ASME以标识性字母和数字相结合的系统,例如:VIII-1的UW-11(a)(5)(b), AD-1000(c)(1), (其中U 代表Unfired Pressure Vessels, A代表Alternative Rules; W = welding; D = Design),而以国际上所熟悉的ISO编号系统,以取得与用户更加友好。结构上与现行的VIII-2相同 (例如分为总要求、材料要求、设计、制造等若干篇),但力求减少附录,将所有要求分别纳入有关篇。必要的附录,则置于各篇末尾,不置于全卷的末尾。所有术语一律放在各篇之末。各种变数都有定义,但无计量单位,以便于采用美国习惯单位或SI单位。
    所有图、表,不分散置于各篇之中,而是集中置于术语章之后,以便于电子版(electronic version)的阅读;图和表都为超文本格式。
    新VIII-2的编写,力求减少文句,表达要求的句子力求简短、鲜明。文件中含大量图、表。设计规则的表达便于规则的计算机化(computerization of rules)。
    一切材料数据(许用应力、材料性能等)不放入本规范第3篇,均见ASME规范第II卷D篇;
    新VIII-2的范围不包括其他卷管辖的容器,例如:第I卷、第IV卷管辖的容器;
    新VIII-2允许采用美国习惯单位、SI单位或地方习惯单位,见规范案例2523。多种单位制的并存,使规范增加了柔性;
    对于剧毒致死工况,无附加规则,而现行的VIII-2和VIII-1均有[见AG-301.1(c)、UW-2(a)];
    大大增加用户设计技术规定(UDS)中的必有项目,以保证容器制造商获得建造安全容器(safe vessel)的一切信息。如容器承受循环载荷,则在UDS中必须说明每年的循环次数和要求的寿命年数。
    新VIII-2对制造商设计报告(MDR)的要求与现行的VIII-2有很大不同,MDR必须含有以下明细项目:
(1)最终设计图样和竣工图样;
(2)每个元件实际所用材料标准;
(3)包括所有中间步骤在内的计算书(规则设计);
(4)规则设计如采用计算机软件,指出软件名称和版本;
(5)如采用分析设计,指出所用软件名称和版本;
(6)详细说明有限元模型(例如:模型几何形状、载荷条件、边界条件、材料模型、数值分析的类型、所有重要图象的副本、有限元模型的确认、有限元结果分析、有限元结果的电子存储等);
(7)疲劳分析结果。
    UDS的签字认可有两种选择:(1)由注册专业工程师(RPE)签字认可,RPE不得是签字认可MDR的同一人;(2)由娴熟于压力容器设计的工程师签字认可,该工程师必须具有在该容器制造管辖区内执行工程工作的、一切所要求的资质。第二个选择对于在北美以外地区使用VIII-2建造容器的制造商的工作得到简化,这一条选择是现行VIII-2的一项重要改革,它解除了使用VIII-2的一条最大障碍。例如,UDS是在日本编写的,则只要由一名被日本工程教育认可局(JABEE)承认的专业工程师(PE)签字认可就可以了。签字认可的方式可采取CoC方式,即颁发合格证书(Certificate of Compliance)的方式。
    MDR的签字认可也有类似于UDS的两种选择;
    除UDS、MDR和制造商数据报告外,容器制造商必须整理出一份包含以下所有资料在内的技术档案提供用户:
    (1)以表格列出所有用于制造的材料;
    (2)制造信息的完整资料:包括热处理要求、成形和卷板工艺、检验和测试计划、以及经过签字的检验报告;
    (3)以表格形式列出所有外协服务和外购件;
    (4)WPS、PQR、焊缝分布图和焊工考试结果;
    (5)所有热处理结果;
    (6)所有生产试板的试验结果;
    (7)无损检测工艺、无损检测工艺评定结果、以及无损检测人员能力演示结果等;
    (8)所有无损检测的结果和报告;
    (9)所有不符合品、项的报告;
    (10)测试记录,包括液、气压试验的记录;
    (11)竣工条件下的尺寸检验报告。
    在铭牌上必须标注所用规范的版本和增补。
2. 新VIII-2与欧盟PED指令/EN 13445取得一致处(略)
 
3. VIII-2取于VIII-1的部分(略)

4.新VIII-2取于VIII-3的部分
    水压试验后表面检测要求,取于VIII-3的KE-400;
    复杂形状和特厚锻件最终机械加工后,必须对所有可达到的部位以MT或PT进行检测,取于VIII-3的KE-233;
5.新VIII-2保留现行VIII-2的部分(略)
 
6.新VIII-2中的新增部分(略)

结束语

   在本文即将就绪之际,作者高兴地收到帕斯特先生的来函,他告诉作者新VIII-2 β测试的结果。帕斯特说,在选择β测试的厂家有一个原则,必须从众多的申请厂家中选出正在生产不同类型、具有代表性VIII-2钢印产品的厂家。被选中的厂家必须能反馈以下情况:新VIII-2的使用方便性,容器主受压件壁厚的变化,容器重量的变化(以%表示),焊接、焊后热处理和无损检测成本的变化,生产进程的变化(以%表示),容器总体成本的变化(以%表示),采用结构应力新方法进行疲劳分析的情况,以及审查和理解新VIII-2要求时所发现的问题等。这次β测试得到四点结论一、所有的β测试厂家都一致反映新VIII-2便于使用,设计规则简明扼要;二、许多厂家表示喜爱新VIII-2所采取的、将术语、图、表集中放在每章末尾,以及把所有焊接接头细节图整合在一起的新的格式;三、通过对新VIII-2的β测试也发现了许多问题,但未发现有重大错误;四、由于不少碳钢和低合金钢许用应力的提高,使产品成本得以大大降低,但由于锻造接管壁厚的减小,也使开孔所能获得的补强减少
   新VIII-2在国际压力容器标准中是否具有较强的竞争力,今后将从市场应用上得到证明,但有一点可以肯定的是,采用新VIII-2在国际竞争性投标中必然有更大的好处。2004年国际压力容器权威人士Darlaston先生曾经就欧洲和ASME压力容器规范的比较说过这样的一句话:就安全性而言,欧洲标准和ASME标准是相当的,但就经济性而言,可能欧洲标准更胜一筹。新VIII-2的问世,Darlaston先生的评语,也可能改变。最近国际上又有人对压力容器的可靠性下了这样的定义:所谓压力容器的可靠性即安全性和经济性的最佳结合点。二十世纪对压力容器设计和制造的要求是安全第一,二十一世纪是安全和经济并重,或安全和资源节约并重。这是经济全球化带来的必然结果。
   新VIII-2体现了一种新的理念,也代表了ASME规范改革发展的方向,它更多地吸纳了世界的先进标准,使其成为一个国际化的标准;新VIII-2中融入许多新的技术,有些是从土木工程和钢结构工程引进的技术,反映了当今压力容器学科正在日益成为一门庞大的交叉学科,这就要求我们的知识必须及时更新。另一方面,新VIII-2反映了在经济全球化大潮中国际标准的趋同性,压力容器的科研开发成果已经成为人类的共同财富,我们必须以这个观点来制订我国压力容器标准的发展规划。新VIII-2提出了UDS和MDS无须由RPE签字认可的另一种选择,扫除了采用VIII-2的一大障碍,但我国现有体制和机构还不能适应这一方便用户的改变,从而成为这次北京、上海两地研讨会的讨论焦点,建议我国主管当局参照日本的经验、把解决这个问题列入议程。

参考文献
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10. API 579 Recommended Practice for Fitness-For-Service and Continued Operation of Equipment
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12. John Darlaston:Pressure Equipment & European Legislation, Sept., 2004
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14. Code Case 2211-1 Pressure Vessels with Overpressure Protection by System Design
15. Code Case 2260 Alternative Rules for Design of Ellipsoidal and Torispherical Formed Heads
16. Code Case 2286 Alternative Rules for Determining Allowable Compressive Stresses for Cylinders, Cones, Spheres, and Formed Heads
17. Code Case 2523 Use of Metric Units
18. Code case 2575 To Extend Use of Section VIII, Division 2, 2004 Edition 2006 Addenda After January, 2008
19. ASTM E 1049-85(2005): Standard Practice for Cycle Counting in Fatigue Analysis
20. P. Dong, D. A. Osage, M. Prager: The Structural Stress Method for Fatigue Evluation, WRC Bulletin 474
21. ASME BPV Certificate Holders,Last updated June 09,2007

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