我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)和ASME規(guī)范的比較分析

1、我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)和ASME規(guī)范的比較分析黃安庭(杭州杭氧科技有限公司)摘要：本文主要從標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求方面對我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)和ASME規(guī)范進(jìn)行了對比分析，詳細(xì)描述和分析了兩個標(biāo)準(zhǔn)體系相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的主要差別和相互對應(yīng)關(guān)系，旨在和有關(guān)人士共同探討如何深入理解和使用ASME規(guī)范。關(guān)鍵詞：壓力容器；標(biāo)準(zhǔn)；ASME規(guī)范；比較分析 美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范是由美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)的鍋爐及壓力容器委員會(BPVC)制定的，是世界上應(yīng)用最早的標(biāo)準(zhǔn)之一，現(xiàn)已被公認(rèn)為世界上技術(shù)內(nèi)容最為完整、應(yīng)用最為廣泛的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。 我國于1982年頒布了鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例及實施細(xì)則，明確了勞動部作為政府的主

2、管部門，負(fù)責(zé)立法和管理工作。1985年正式發(fā)行的鋼制壓力容器設(shè)計規(guī)定標(biāo)志著我國開始形成統(tǒng)一的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，1989年發(fā)行的GB 15089鋼制壓力容器標(biāo)志著我國已開始形成以強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 15089為核心的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系框架，經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系在大多數(shù)領(lǐng)域內(nèi)都有與國外標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)內(nèi)容在總體上也達(dá)到了國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的水平。 為了使我國的壓力容器產(chǎn)品能順利進(jìn)入國際市場，1984年蘭州石油化工機(jī)器廠首家取得ASME認(rèn)證證書后，全國較有實力的壓力容器制造廠陸續(xù)取得ASME認(rèn)證證書，現(xiàn)已有近百家企業(yè)通過ASME認(rèn)證。但從總體上看，我國只有少數(shù)企業(yè)真正制造過ASME鋼印產(chǎn)品

3、，絕大多數(shù)企業(yè)僅僅處于證書階段。杭氧自1992年開始已制造了40多臺ASME鋼印產(chǎn)品，并已出口安裝在美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家，同時也制造了大量的按ASME設(shè)計、制造、檢驗的壓力容器產(chǎn)品(不打ASME鋼印)。在杭氧剛開始設(shè)計、制造ASME產(chǎn)品時，絕大多數(shù)人(包括設(shè)計、制造、檢驗和營銷人員)對ASME規(guī)范不熟悉，由此產(chǎn)生一種畏難情緒，在一定程度上影響了ASME產(chǎn)品市場的進(jìn)一步開拓。經(jīng)過近十年ASME產(chǎn)品的設(shè)計、制造，相關(guān)人員逐漸了解、熟悉并掌握了ASME規(guī)范。根據(jù)杭氧的實踐經(jīng)驗，現(xiàn)將我國的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與ASME規(guī)范進(jìn)行比較、分析，以供有關(guān)人士參考。1 主要壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系 我國的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)分

4、類相對較細(xì)，基本上是按壓力容器類型及容器主體材料來分別制訂相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如鋼制壓力容器、鋁制壓力容器、臥式容器、塔式容器、球形儲罐等。而ASME規(guī)范并不按容器類型分別制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，只是在設(shè)計中引用不同的載荷規(guī)范，如設(shè)計壓力小于20MPa的選用ASME規(guī)范第卷第一分冊，設(shè)計壓力小于70MPa的選用ASME規(guī)范第卷第二分冊，設(shè)計壓力大于70MPa的選用ASME規(guī)范第卷第三分冊。兩者主要壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系如表1。表1 主要壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系我國主要壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASME規(guī)范(1)GB 150鋼制壓力容器(2)JB4734鋁制壓力容器(3)JB4745鈦制壓力容器第卷第一分冊JB4730鋼制壓力容

5、器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)第卷第二分冊JB4708鋼制壓力容器焊接工藝評定第卷JB4730壓力容器無損檢測第V卷2 標(biāo)準(zhǔn)制、修訂 我國的壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)是由全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會負(fù)責(zé)編制、修訂工作，經(jīng)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)后頒發(fā)。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是由各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會負(fù)責(zé)編制、修訂工作，經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委各部門審批、頒發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)實施后，由各地安全監(jiān)察部門根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來控制、監(jiān)督壓力容器的設(shè)計、制造和檢驗各環(huán)節(jié)，保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全使用。各標(biāo)準(zhǔn)化委員會根據(jù)了解、收集的標(biāo)準(zhǔn)使用意見和建議，負(fù)責(zé)組織標(biāo)準(zhǔn)修訂工作，并經(jīng)原審批部門審批后頒發(fā)、實施。 ASME鍋爐及壓

6、力容器委員會(BPVC)定期召開會議，研究ASME規(guī)范的修訂工作，經(jīng)BPVC批準(zhǔn)的規(guī)范修訂建議將提交美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSl)，并在美國Mechanical Engineering 上發(fā)表，以公開征詢所有關(guān)心此問題人士的意見，修訂建議在規(guī)定的公開征詢意見期滿并經(jīng)ASME最終批準(zhǔn)后，在每年12月31日出版的ASME規(guī)范增補(bǔ)中予以公布。規(guī)范修訂條款經(jīng)ASME批準(zhǔn)后，可從增補(bǔ)所示出版日期起開始使用，除第卷A、B兩篇中的材料標(biāo)準(zhǔn)的修訂外，次年的7月1日成為強(qiáng)制性的要求，但在此之前簽訂的合同除外。材料標(biāo)準(zhǔn)的修訂由美國材料試驗學(xué)會(ASTM)和其他認(rèn)可的國家機(jī)構(gòu)或國際機(jī)構(gòu)進(jìn)行，ASME通常采納這些修訂。

7、但壓力容器制造廠家需要注意的是，凡使用相對于原要求有所放寬的修訂條款時，必須確信壓力容器安裝地的管轄機(jī)關(guān)對它們已經(jīng)認(rèn)可，否則不得使用。3 設(shè)計思想和安全系數(shù) 壓力容器的基本設(shè)計思想是一次薄膜應(yīng)力或最大直接應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力。計算應(yīng)力依據(jù)的理論是最大應(yīng)力理論。各國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中都應(yīng)用了這一設(shè)計思想，標(biāo)準(zhǔn)中公布的許用應(yīng)力計人了安全系數(shù)，它比測定得到的性能值低是考慮到：(1)應(yīng)力評估方法的復(fù)雜程度；(2)一定程度的應(yīng)力集中及其類型； (3)材料一定程度的不均勻性；(4)幾何因素； (5)焊接接頭中存在的缺陷。各國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全系數(shù)有所不同，主要依據(jù)的是經(jīng)驗、試驗證據(jù)和理論評估，同時與其規(guī)定的材料

8、標(biāo)準(zhǔn)、計算方法、制造要求和檢驗要求相適應(yīng)。 我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與ASME規(guī)范所使用的安全系數(shù)差別見表2。表2 安全系數(shù)對比標(biāo) 準(zhǔn)材 料安全系數(shù)標(biāo) 準(zhǔn)材 料安全系數(shù)GBl50碳鋼、低合金鋼、高合金鋼3.0ASME規(guī)范 第卷第一分冊碳鋼、低合金鋼3.5高合金鋼 3.0 JB4732碳鋼、低合金鋼、高合金鋼2.6 ASME規(guī)范 第卷第二分冊碳鋼、低合金鋼、高合金鋼 3.0 4 焊接接頭系數(shù) 在ASME規(guī)范中焊接接頭系數(shù)僅取決于該焊接接頭型式和無損檢測程度，而與任何其他接頭的無損檢測程度無關(guān)，即一臺容器不同的接頭可以使用不同的焊接接頭系數(shù)，對A、B、C、D四類焊接接頭都規(guī)定了焊接接頭系數(shù)，同時允許采用降

9、低焊接接頭系數(shù)而免除無損檢測要求。 而在我國GB 150中，焊接接頭系數(shù)特指A、B類焊接接頭，不允許采用降低焊接接頭系數(shù)而免除無損檢測要求，產(chǎn)品制造完成后必須對A、B類接頭進(jìn)行射線或超聲檢測?，F(xiàn)以母材為鋼和鋁的焊接接頭為對象作一比較，見表3。 表3 焊接接頭系數(shù)對比 名稱接 頭 型 式無損檢測程度100檢測局部檢測無檢測我國標(biāo)準(zhǔn)雙面焊或相當(dāng)于雙面焊全焊透的對接焊縫鋼鋁鋼 鋁鋼鋁1.00.850.900.850.800.85-單面焊對接焊縫(帶金屬墊板)0.90.800.850.800.700.80-ASME規(guī)范雙面焊或相當(dāng)于雙面焊全焊透的對接焊接單面焊對接焊縫(帶金屬墊板)單面焊對接焊縫(不帶

10、金屬墊板)雙面滿角焊塔接接頭單面滿角焊塔接接頭(加塞焊)單面滿角焊塔接接頭(不加塞焊)1.00.9-0.750.80-0.700.650.600.550.500.45注：表中無損檢測，我國對鋼制壓力容器以射線和超聲檢測為準(zhǔn)，對鋁制壓力容器以射線檢測為準(zhǔn)；而ASME規(guī)范以射線檢測為準(zhǔn)，確實無法進(jìn)行射線檢測時允許用超聲檢測代之。表中所列鋁制壓力容器焊接接頭系數(shù)上限值指采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊，下限值指非熔化極氣體保護(hù)焊。有關(guān)系數(shù)所允許的應(yīng)用場合和具體接頭型式，請參見參考文獻(xiàn)1、2、4。5 強(qiáng)度計算 在壓力容器設(shè)計時，主要考慮了兩種失效理論：一是過量的彈性變形，包括基于彈性理論的彈性失穩(wěn)；另一個是由

11、于過量的彈性變形和塑性失穩(wěn)，即增量跨塌，設(shè)計時通常假定彈性失效。彈性失效是假定當(dāng)材料已經(jīng)達(dá)到彈性極限時發(fā)生的失效，超過這一極限將會發(fā)生過量變形或斷裂破壞。對于金屬材料，彈性極限是以拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度三項來測定。測定彈性失效的三個通用理論是最大主應(yīng)力理論、最大剪應(yīng)力理論和變形能理論。各國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)都應(yīng)用了上述強(qiáng)度理論用于壓力容器的設(shè)計，但具體的計算公式卻存在著差異?，F(xiàn)將我國GB150和ASME規(guī)范第卷第一分冊有關(guān)受內(nèi)壓時的設(shè)計計算公式作一比較，見表4。表4 設(shè)計計算公式比較 比較項目GBl50ASME第卷第一分冊圓筒形殼體=PcDi/(2tPc)t=PR(SE0.6P)，環(huán)向應(yīng)力t=

12、PR(2SE+0.6P)，縱向應(yīng)力環(huán)形殼體 =PcDi(4tPc) t=PR(2SE0.2P) 橢圓形封頭=PcDi/(2 t0.5Pc)，標(biāo)準(zhǔn)型=KPcDi/(2 t0.5Pc)，非標(biāo)準(zhǔn)型 t=PD(2SE0.2P) 碟形封頭=MPcRi/2 t0.5Pc)t=0885PL(SE0.1P)半球形封頭=QPcDi/(2 tPc)t=PLt(2SE0.2P)錐段和錐形封頭=PcDc/2 tPcCosat=PD2Cosa(SE0.6P)6 外壓圓筒加強(qiáng)圈的設(shè)置 加強(qiáng)圈可設(shè)置在容器的內(nèi)部或外部，應(yīng)整圈圍繞在圓筒的圓周上，容器內(nèi)部的構(gòu)件如塔盤等，若設(shè)計成起加強(qiáng)作用時，也可作加強(qiáng)圈用。加強(qiáng)圈與圓筒之間可

13、采用連續(xù)或間接的焊接，當(dāng)加強(qiáng)圈設(shè)置在容器外面時，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長度應(yīng)不少于圓筒外圓周長的12，當(dāng)設(shè)置在容器里面時，應(yīng)不少于圓筒內(nèi)周長的13。對于上述加強(qiáng)圈設(shè)置準(zhǔn)則，我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與ASME規(guī)范是一致的。ASME規(guī)范中規(guī)定每段填角焊縫的長度應(yīng)不小于51mm，相鄰兩段之間的最大凈距為：外加強(qiáng)圈8t，內(nèi)加強(qiáng)圈12t，t為加強(qiáng)圈連接外殼體的壁厚。在符合ASME規(guī)范的有關(guān)條件時還允許加強(qiáng)圈一側(cè)填角焊縫為連續(xù)的焊接，另一側(cè)為間斷焊的焊接，焊接段的長度應(yīng)不小于51mm，相鄰兩焊段間的最大凈距應(yīng)為24t。而在我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中，并未規(guī)定每段填角焊縫的長度，同時也未建議使用一側(cè)連續(xù)焊，而另一側(cè)為間斷焊

14、。7 開孔和開孔尺寸 我國GBl50規(guī)定殼體上的開孔應(yīng)為圓形、橢圓形或長圓形，當(dāng)在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0，而ASME規(guī)范第卷第一分冊則允許孔的長徑與短徑之比大于2.0，但應(yīng)增強(qiáng)短徑方向的補(bǔ)強(qiáng)以避免扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的過度變形，且形狀不僅限于圓形、橢圓形和長圓形，但其所有轉(zhuǎn)角應(yīng)具有適當(dāng)?shù)陌霃?。同時兩者在開孔尺寸的限制上存在著差異，見表5。表5 開孔尺寸的限制對比 對比項GBl50 ASME規(guī)范第卷第一分冊圓筒上開孔Di1500mm時，開孔最大直徑dDi2，且d520mm Di1520mm時，開孔最大直徑dDi2，且d508mm 開孔尺寸也可超出前面的限制，但需按大

15、開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)Di1500mm時，開孔最大直徑 dDi3，且d1000mmDi1520mm時，開孔最大直徑dDi3，且d1000mm凸形封頭dDi2 經(jīng)正確補(bǔ)強(qiáng)后開孔尺寸不加限制錐殼dDi3 8 焊工考試和管理 焊接壓力容器的焊工必須經(jīng)焊接技能評定或考試，取得焊工合格證后，才能在有效期內(nèi)擔(dān)任合格項目范圍內(nèi)的焊接工作。最新出版的鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則與ASME規(guī)范第卷在許多方面的要求是一致的，但也存在一些差別，見表6。表6 焊工考試和管理對比 項 目鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則ASME規(guī)范第卷焊工考試經(jīng)所在地市級(及以上)安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，報省級安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)備案的焊工考試

16、委員會持有ASME認(rèn)證證書的壓力容器制造廠考試(評定)內(nèi)容基本知識理論考試和焊接操作技能考試焊接操作技能考試 焊工合格證有效期三年，在合格項目有效期滿前3個月由焊工考委會安排復(fù)考或免考等事宜(50歲以上焊工不能免考)，中斷受監(jiān)察設(shè)備焊接6個月的需重考。未規(guī)定有效期限但焊工或焊接操作工某一焊接方法在6個月或更長時間內(nèi)沒有操作過，則他的該項資格被中止評定方法和檢驗項目對試件進(jìn)行外觀檢查、射線透照、彎曲試驗對試件進(jìn)行射線透照，或?qū)υ嚰M(jìn)行彎曲試驗，或?qū)ζ涫状萎a(chǎn)品焊縫進(jìn)行射線透照 合格證有效使用區(qū)域有效期內(nèi)的焊工合格證，在全國各地同等有效僅在負(fù)責(zé)考試（評定）的壓力容器制造廠內(nèi)有效9 產(chǎn)品試板 為了檢驗

17、產(chǎn)品焊接接頭和其他受壓元件的力學(xué)性能和彎曲性能，我國容規(guī)里明確規(guī)定壓力容器縱焊縫應(yīng)制作焊接試板，制取試樣進(jìn)行拉伸、冷彎和必要的沖擊試驗，凡屬下列情況之一的每臺壓力容器應(yīng)制作產(chǎn)品焊接試板：(1)移動式壓力容器(批量生產(chǎn)的除外)；(2)設(shè)計壓力大于10MPa的壓力容器；(3)現(xiàn)場組焊的球形儲罐；(4)使用有色金屬制造的中、高壓容器或使用b大于等于540MPa的高強(qiáng)度鋼制造的壓力容器；(5)異種鋼(不同組別)焊接的壓力容器；(6)設(shè)計圖樣上或用戶要求按臺制作產(chǎn)品焊接試板的壓力容器；(7)GB 150中規(guī)定應(yīng)每臺制作產(chǎn)品焊接試板的壓力容器。 而ASME規(guī)范第卷第一分冊對常規(guī)經(jīng)焊接工藝評定合格的不要求做

18、產(chǎn)品焊接試板，而下述情況則要求按規(guī)范規(guī)定制作產(chǎn)品焊接試板： (1)對于焊接接頭系數(shù)不大于0.8，以ASME規(guī)范給定的任一壓焊焊接方法(電阻焊除外)制作的接頭，在其容器或零件上此類焊縫應(yīng)制作產(chǎn)品焊接試板，試樣可取自殼體本身或取自縱焊縫的延長部位，容器無縱焊縫時可取自容器相同材質(zhì)、相同厚度且按相同工藝焊制的試板，并裁取一件小截面拉伸試樣和兩件側(cè)彎試樣進(jìn)行試驗。(2)若焊接工藝評定要求做焊縫及熱影響區(qū)沖擊試驗時，容器沖擊試板應(yīng)從用于單臺或多臺容器幾爐鋼號中的某一爐鋼板上制取，對于A類接頭，試板在可能時應(yīng)成為產(chǎn)品接頭端部的延長部分，以使試板焊接件盡可能接近于容器焊接接頭的質(zhì)量和形式。對于焊接工藝與A類

19、接頭不同的B類接頭，試板應(yīng)在制造容器的相同焊接條件下焊接，使用同樣型式的設(shè)備，同樣的位置，同樣的焊接工藝，且焊接應(yīng)與產(chǎn)品的焊接同時進(jìn)行，或在即將開始焊接產(chǎn)品的時候進(jìn)行。10 無損檢測 無損檢測方法對缺陷的探測、定位、測量、評定和評價不會破壞其以后的有用性和可用性，在壓力容器制造過程中，主要用于探測材料、焊縫及制造零件和組件的表面與內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)或外形的任何間斷或缺陷。我國GB 150和ASME規(guī)范第卷第一分冊對無損檢測人員資格、焊縫透照比例、評定要求等方面存在著一定差異，見表7。表7 無損檢測對比 項 目 GB 150ASME規(guī)范第卷 第一分冊人員資格要求必須經(jīng)過技術(shù)培訓(xùn)，并按照“鍋爐壓力容器

20、無損檢測 人員資格鑒定考核規(guī)則”進(jìn)行考試考核合格，獲得 “鍋爐壓力容器無 損檢測人員資格證”由持有ASME認(rèn)證 證書的壓力容器制 造廠組織無損檢測人員的培訓(xùn)、考試 和評定工作；或取 得ASNT無損檢測人員資格證 產(chǎn)品焊縫透照比例分類 100射線或超聲檢測局部射線或超聲檢測，探傷比例50(鐵素體鋼制低溫壓力容順)局部射線或超聲檢測，探傷比例20100射線檢測抽樣射線檢測，每152m焊縫作一處抽樣檢測，一處抽樣射線底片最小長度為150mm評定標(biāo)準(zhǔn)100射線檢測，不低于級為合格局部射線檢測，不低于級為合格100超聲檢測，I級為合格局部超聲檢測，不低于級為合格ASME規(guī)范不劃分I、級片，100射線檢測和抽樣射線檢測對氣孑L、夾渣和圓形顯示的控制有所不同，總體評片標(biāo)準(zhǔn)比我國的要低11 焊接返修 我國GBl50規(guī)定焊接返修必須由持證焊工按評定合格的工藝進(jìn)行，焊縫同一部位的返修次數(shù)不宜超過兩次，如超過兩次，返修前均應(yīng)經(jīng)壓力容器制造廠技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，返修次數(shù)、部位和返修情況應(yīng)記人容器的質(zhì)量證明書。而ASME規(guī)范對同一部位的返修次數(shù)未作規(guī)定，但每次焊接返修前，其返修方法應(yīng)經(jīng)授權(quán)檢驗師(AI)認(rèn)可。12 壓力試驗 制造完工的壓力容器應(yīng)按圖樣要求進(jìn)行壓力試驗(液壓試驗或氣壓試驗)，壓力試驗必須用兩個量程相同并經(jīng)過校驗的壓力表。壓力表的量程一般應(yīng)在試驗壓力的2倍左右，