1、对我国压力容器和換热器标准的一些想法丁伯民(华东理工大学,上海 200237)摘要: 对 GB 150、GB 151 和 JB 4732 的适时修改和存在问题，反映国 际国内先进水平，以及今后的工作提出可讨论之处。关键词: 压力容器; 换热器; 另一规则; 分析设计标准Some Ideas on the Standards of Pressure Vessels and Heat Exchangers in our CountryDING BO-min(East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China
2、)Abstract: As to the existing problems and timely amendments of GB 150, GB 151 and JB 4732, this article reflects the advance both on domestic and international level, so as to raise discussion about coming work.Keywords: pressure vessel; heat exchanger; alternative rule; design by analysis standard
3、 1 前言毋庸讳言，我国的钢制压力容器标准 GB 150和钢制压力容器分析设计标准 JB 4732主要参照早期的 ASME -1 和-2。由于种种原因，包括 ASME -1 和-2 译文的个别误译以及对该两标准技术内容的正确理解、编写标准组织体制等原因，长期以来，国内、包括筆者在内对该两标准以及钢制管壳式換热器 GB 151的出版、修改和某些技术问题提出了讨论。2 对标准讨论中所涉及的主要方面(1) 版本和修改的周期过长。多年来，ASME 规范一直坚持 3年一版，1 年(原为半年) 一个增补，且每次都有增加或修改的内容。但从 GB 150、151(1989) 到 GB 150、151(1998
4、) 是 9 年，GB 150、151(1998) 至今已 11 年; JB 4732(1995) 至 2005 年确认是 10 年。在此期内，ASME -1 增添了许多反映国际先进技术的新内容， -2 则因众所周知的原因而全部改写。(2) 和国际先进标准脱节。和国际上著名的 ASME规范和 EN 13445相比，某些技术方面的内容肯定是落后了。(3) GB 150因漏引或误引国外标准所引起的问题。这方面的例子较多，就以外压元件设计而言，因漏引或误引而导致用户引起误解，筆者已撰文举例说明 1 。(4) 有关标准各自为政，互不协调。文2 已列举了和压力容器相关的各标准，这些标准在同一内容上各有说法
5、。近年 ASME -1 已接受原 16MnR用于制造符合该规范容器用材(其条件之苛刻简直是把我国的这一常用钢材作为低等材料使用) ，并刚刚在 08A的表UCS-23中补充了 SA/GB 6654。但拟修订的“容规”将 由 3降为 2.4， 由 1.6降为bnsn1.5，而钢板标准则由 GB 6654改为 GB 713，材料牌号则由 16MnR改为 Q345R，又使两标准脱节，造成涉外制造工作中的困惑。3 和国际先进标准在技术上的主要差异3.1 GB 150在技术上的主要差异(1) 关于低温操作和对材料的防脆断措施GB 150在低温容器中的规定主要引自上世纪七、八十年代的 ASME -1，限定在
6、-20以下的容器属于要对其材料作冲击试验并合格的低温容器。早期的 ASME -1 是以第二次世界大战期间船舶的低温脆断经验为主要依据，当时的碳钢和低合金钢远未发展到目前水准，据此而规定-30以下为低温容器，并为抵御低温脆断而规定了所要求的 CVN值。但从1968年制定-2、并从 1989版的-1 起，已改为以断裂力学分析为基础进行判定的现行方法，也就是对某些强度高的厚材，不是在-20或-30以下有可能发生脆断，甚至在48时就有可能发生脆断，必须采用防脆断措施。所以-1 在批准同意 16MnR用于制造符合该规范容器用材的条件中，除将许用应力降为我国规定值的 85%左右和不能用于外压元件的同时，还
7、规定应按其 UCS篇在必要时采取防脆断措施，即是出于对两个标准在防脆断措施上有较大差距而所作的调整。EN 13445对此的规定和 ASME规范原理相同，这一方法远比以使用经验为基础的原方法为之科学、合理。由于拟修订的“容规”将安全系数调低，则在同样条件下引起脆断的可能性又趋增加。新版 ASME -2 就因为调低了安全系数而对防脆断措施规定了比-1 为高的要求。(2) 外压元件设计GB 150对外压元件设计全引自 ASME -1，只是由于某些漏引或误引、或修改而在业内引起一些误解 1。此外，规范原仅计及横向压缩、横向和轴向受相同压缩(如真空容器)以及仅轴向压缩等三种载荷条件，这些显然和某些实际受
8、载条件有所出入，例如仅按现行规范设计合格但较高的立式真空容器，如安装在地震区且有风载荷即有附加弯矩作用时，就很有可能发生意外失稳。有鉴于此，1998 年公布的针对-1 和-2 的 Code Case 2286以及相应的 WRC 406公报就在原已考虑载荷的基础上，补充了作用有附加弯矩、横推力和轴向力以及各载荷任意组合时的设计规定，这显然更符合工程实际。-2 率先在 2007版就全部采用，相信不久-1 也将采用。(3) 薄壁成型封头设计GB 150对碟形和椭圆形封头的设计方法主要引自 ASME -1，即将过渡转角区的最大总应力(用系数 M和 K表示) 限于许用应力以下而求得壁厚，考虑到薄壁封头在
9、内压作用下也可能引起周向失稳，仅定性地将封头的有效厚度规定应不小于某值。但 ASME -1 从 2004版开始，对 0.002 的薄壁封头，补充了由过渡转角区的屈服和弹性失稳以定量计算/stL方式确定封头导致失效的许用压力，新版 ASME -2 和 EN 13445也采用了基本相同的方法。据文3 计算，在同样结构及压力下，其壁厚 GB 150为 7.5mm，ASME -1 为 5.5mm，EN 13445为 5.707mm，可见国外标准的计算方法远较 GB 150的经验规定可以节省成本，应予参考。(4) 碟形和椭圆形封头的当量化GB 150对碟形和椭圆形封头设计参考早期版本的 ASME -1，
10、未及时相随后期版本补充一定结构的碟形封头可以当量化为按标准椭圆形封头设计和使用。以致业内人士认为，当图纸上规定为标准椭圆形封头，制造厂采购了旋压封头时(旋压封头实际上是球冠区半径和过渡折边半径可以是各比值的碟形封头，当该比值达到规定值时，可以当量为标准椭圆形封头使用) ，只能按该结构的碟形封头计算，或增加壁厚，或降压使用。十余年前，业内对这一可否当量替代使用的问题展开热烈讨论，但因 GB 150并无可当量替代使用的规定，封头标准也未列入可以当量化的碟形封头结构尺寸，使这一问题搁置了起来。现 ASME -1、-2、EN 13445 都列有同样的当量化结构尺寸，希望能引起有关方面关注。(5) 开孔
11、和大开孔的补强设计GB 150的开孔补强设计参照早期的 ASME -1，该规范和其它国外相关标准都基于某些小直径开孔即使不采取补强措施，因应力集中系数也不大，所以可以不需补强(包括计算和措施) 。GB 150 则据此而几经周折后规定了不另行补强，并相应限定了设计压力和接管规格等条件，这一规定就引起了设计压力超过 2.5MPa的多层式高压容器层板上的透气孔，因不满足这些条件而必需予以补强的技术笑话。对于某些斜向布置的非圆形孔和多个开孔设计，ASME -1 引入了应力校正系数 F。但 GB 150未予考虑，致对这类开孔无法设计，或按 GB 150设计导致出错。GB 150的开孔补强设计限定了最大的
12、开孔直径。但-1 从 1998版开始按照压力面积补强法增加了壳体上的大开孔设计，并于 2007版对大开孔又补充了新-2 所用的压力面积应力补强法，这是一种全新的方法，它和等面积或压力面积补强法所取在补强有效范围内各元件所受应力都是均匀的不同，计及了在此范围内各处应力分布的不均匀性，所以取在该范围内的局部高应力满足校核条件为合格，不再限定开孔尺寸，也无不需补强的陈述，这无疑是目前已有方法中最为合理和先进的。GB 150至今仍无壳体上的大开孔补强设计的任一方法。对于和开孔补强设计密切相关的连接焊缝強度、开孔通过元件焊缝时的补偿措施等，国外标准都有详细考虑，而 GB 150对此却未予关注。(6) 成
13、形后元件的厚度要求GB 150规定封头和热卷筒节成形后的厚度要确保不小于该元件的名义厚度减去钢板负偏差，冷卷筒节投料的钢材厚度不得小于其名义厚度减去钢板负偏差。意指不允许有总体或局部的少量减薄，如有，应予判废或降压使用。根据局部地区的壁厚减薄仅在该减薄区及其附近引起高应力，并对这种局部地区高应力的校核条件可予放宽的应力分类及其评定中所采用的思想，ASME -1 从 2004版起，增加了壳体上允许存在局部减薄区的规定，-2(旧版和新版) 以及 EN 13445都有类似的规定，这就对因成形所致瑕疵的元件仍可使用、不必判废、节省成本打开了禁忌。(7) 关于法兰设计GB 150对法兰设计主要地引自 A
14、SME -1 在上世纪中期所釆用的 Taylor Forge法，该法使用方便，但逐渐发现在压力和温度较为严峻的工况时可能难以保证密封性，所以国外进行了长期研究，前后提出了基于保证密封性的多种设计方法，但都因计算十分繁复而仅列为其它标准或作为标准附录，未予大量应用。近年 ASME-1 通过计算并经多年工程实践证实，采用原设计并补充以刚度计算和校核的方法，在许多连接设计和工况中经广泛使用经验证明是合适的，并对某些限定的工况，规定可以由足够操作经验替代刚度计算和校核。GB 150未予及时补充，导致对某些较严峻工况的法兰恐难以保证密封性要求。3.2 GB 151在技术上的主要差异(1)各种型式換热器的
15、壳体和管箱都只有同样直径，工程上会遇到壳体和管箱直径不同的结构，导致设计和实际结构脱节。ASME-1、-2 以及 EN 13445对各类換热器都表示壳体和管箱直径可以不同。(2) U形管式換热器管板对壳体和/或管箱固定相连时，在管板设计中计及了壳体或管箱的支承作用，但未提及在邻近管板的壳体或管箱设计中所应考虑由此而引起的附加弯曲和局部薄膜应力，即未考虑是否应对邻近管板的壳体或管箱作局部加厚。对固定管板式和浮头式換热器，也存在同样情况。国外标准都对此提出了计算和校核要求，显然较为合理。(3) 对固定管板式換热器，由于管板、壳体、管束三者固定相连，当壳体和管束存在温差时，国外相关标准都提及，由于不
16、可能通过观察来确定同时发生的压力、温度和热膨胀差的最严峻条件，因而，在设计中有必要评价所有预期的载荷条件，以保证所有最危险的组合已被考虑，为此而规定了 7种可能的危险工况。但 GB 151却坚持只考虑 4种情况的载荷组合，这一规定，在有些情况下可能会遗漏管子或壳体的最大应力计算。此外，鉴于管板、壳体、管束三者固定相连，任一者尺寸的改变会影响到其余二件的应力，所以 ASME -1 规定对各元件要按已腐蚀和未腐蚀两种情况进行计算。GB 151 对此的规定则是含糊的。由于管板、壳体、管束三者固定相连，所以其壳体就和 U形管式、浮头式換热器的壳体不同，不能单由壳程设计压力确定轴向应力，在壳程为正压时也
17、有可能导致轴向压缩，国外规范专门另列了壳体轴向应力的计算和校核条件(包括强度和穏定性二者的校核)。GB 151并未考虑壳体可能是轴向压缩。此外，GB 151的方法规定只适用于管板周边不布管区较窄的情况，如不布管区较宽，规定按 JB 4732附录 J的方法计算，该法对一般工程技术人员实际上是可望而不可及的。无论是 ASME规范或 EN 13445对此都未限定，且所列的计算方法也远较 GB 151、JB 4732为之方便、直观。(4) 由于浮头式換热器管板和管束固定相连，二者的变形和应力相互约束，所以无法由结构尺寸和操作条件直接算出管板应力或厚度，国外相关标准对此都采用先初取管板厚度再用迭代法计算
18、管板应力并将它限于规定的校核条件下为满足。GB 151却可由其结构尺寸和操作条件直接算出管板厚度，不知是否妥当。3.3 JB 4732在技术上的主要差异JB 4732参照了早期的 ASME -2压力容器建造另一规则，但 JB 4732却称为分析设计标准。过去国内(包括本人) 都跟着这样称，但逐步发现、特别是全部改写后的-2 分为按规则设计和按分析设计两篇后，JB 4732 和国外所称为分析设计的理解上就筑起了鸿沟。JB 4732在参照 ASME -2 的同时，作出了一些重要的改变，主要有: 对峰值应力特性的说明;在标准释义中对总应力分解和分类中，对峰值应力沿壁厚分布特性的规定以及相应的应力分解
19、和分类方法;虽然全部引用了-2 中的开孔补强规定，但仍然要求对带补强圈的开孔补强按有限元方法计算;以及补充了大量繁复的、可以说谁也不会去采用的板壳理论公式等。所以业内在一提起分析设计，就理解为用弹性有限元计算应力，由标准释义的方法分解并分类，然后按不同应力类别评定。由于 GB 150不包括要求疲劳分析的容器，当遇到这种容器时，就只能按 JB 4732，或按标准所列繁复的板壳理论公式、或作有限元计算并一系列后处理进行设计。在-2 完全改写后，JB 4732和-2 无论在某些技术问题上还是在总的理念上差距更大了 4。4 建议业内讨论或请主管部门研究的问题(1) 建议主管部门组织专人结合我国标准全面
20、深入理解、研究国外(主要是 ASME 和 EN标准) 规范，并了解其发展动向。三年前容标委会曾立项约请有关人员整理 GB 150 和ASME -1 存在不同处的逐项对照和评述，筆者也曾应约参与，但对此件未见约请专家讨论，(立项时说要约请专家讨论) ，也未看到最终对此作何处理，完成后恐已束之高阁，甚为可惜。(2) 如拟对 GB 150和 JB 4732进行修改，则可研究是参照 EN 13445的体系，即只有一个标准，把国内外广为接受的应力分类和评定的基本理念融入标准，但以直接列出计算公式的形式表示;还是按照 ASME规范划分为建造规则和建造另一规则，后者则包括按规则和按分析设计;或仍旧保持我国的
21、原来体系，划分为按规则设计和按分析设计两个标准。各个体系各有长短，前者集中统一，不致在取证管理和应用上分散精力，也不致形成在安全系数、材料、制造要求和检测检验上的两套标准; 如照 ASME 体系，则应研究我国是否也要把标准分为这一和另一标准，而不是 GB 150和 JB 4732分析设计标准的两个标准; 如仍保持我国的原来体系，划分为原 GB 150和分析设计两个标准，则在分析设计标准中，恐宜借鉴-2 的按分析设计篇，主要针对结构和载荷不同于 GB 150的元件，或形状允差超标的元件，也就是仅供在工程上很少遇到的部分元件，或作为开发新产品，或作为深入研究之用，说白了，应把分析设计的含义统一到首
22、创这一方法的-2 所说的分析设计含义上，而不是把压力容器建造另一规则的-2 误称为分析设计标准，以免在国际上引起技术名词的不一致。但不管取何种体系，在技术上应博采众长，不要拘泥于 ASME规范一家，例如，在各种结构和对应的疲劳设计曲线上，个人认为，EN 13445的做法较 ASME -2 仅列出極少结构的应力集中系数并公用一条设计曲线为之合理、方便。在新版 ASME -2 中，好多地方采用拟合后的数值式代替原来的线算图，这对计算软件的编程提供了方便，但对设计人员，在设计过程中很难判别某些结构参数改变对计算结果的影响趋势。所以建议我国标准能否采用既有经将曲线拟合后的算式，又列出相应线算图的方法，
23、这样既便于编程，又便于在设计时估计结果趋势或手算。(3) 应该承认，除 GB 151外，GB 150和 JB 4732基本上是照引 ASME -1 和原-2，缺乏独创性。修改后的标准应逐步改变这一现状，当然，根据目前国内学界较普遍存在趋名逐利倾向和浮躁学风的实情，要做到这些只能慢慢来，但这一方向应予坚持。 参考文献: 1 丁伯民. 对外压元件设计中一些问题的讨论J. 压力容器,2009,26(2):16-20.2 丁伯民. 对压力容器有关标准的一些看法J. 化工设备与管道,2008,45(2):1-33 卢杨. GB 150-1998，ASME -1 和 EN 13445标准中内压凸形封头厚度计算的比较 J. 压力容器，2008，25(7):50-55.4 丁伯民. 对分析设计方法发展的回顾和分析J. 压力容器,2008,25(9):15-15.作者简介: 丁伯民, 男, 教授(退休 ), 通讯地址: 上海市梅陇路 130 号化工一村 201 号 401 室, Tel. (021)64233036, E-mail:
