我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系

2007-08-02 10:41

我国三个主要钢制压力容器标准之间的关系

摘要 介绍了GB150—1998《钢制压力容器》、4732—1995《钢制压力容器 应力分析法设计标准》和/T4735—1997《钢制焊接常压容器》我国三个钢制压力容器标准的适用X围和主要区别。详细论述了超高压容器、快速开关盖式容器等超出GB150适用X围容器的设计原则，指出应根据设计压力、设计温度和工作条件等选用合适的压力容器设计标准。对凸形封头和热卷圆筒的成型厚度、压力容器最大允许工作压力和试验压力的确定方法作了详细介绍。 主题词 压力容器 中国标准 关系 设计原则

Zheng Jinyang(Institute of Chemical Machinery and Equipment, Zhejiang University, Hangzhou), Li Chupai. Relationship between three main Chinese standards of steel pressure vessels. CPM， 1999， 27(2)： 53～57

This article describes: (1) the scopes and main differences between three main Chinese pressure vessel standards, i.e. GB150—1998, /4732—1995 and

/T4735—1997; (2)design procedures for vessels which are not included in GB150, such as super-high pressure vessels and pressure vessels with quick open closure; (3) how to choose suitable pressure vessel standard according to design pressure, design temperature and operating condition; (4) methods for determining the formed

thickness of convex head and hot rolled cylinder, the maximum allowable operating pressure and test pressure of pressure vessels.

Subject Concept Termspressure vesselChinese standardrelationshipdesign procedure 自1959年颁布《多层高压容器设计与检验规程》以来,经过近40年的发展,我国已基本形成了以GB150《钢制压力容器》为核心,由材料、焊接、无损检测、产品和零部件标准组成的钢制压力容器标准体系。除设计压力超过100MPa的超高压容器外,我国压力容器标准基本上可以覆盖所有的钢制压力容器。

笔者拟以GB150—1998《钢制压力容器》、4732—1995《钢制压力容器 应力分析法设计标准》和/T4735—1997《钢制焊接常压容器》（以下分别简称为GB150、4732和/T4735）的适用X围和总论为重点,结合笔者的学习体会,介绍这三个标准的适用X围及主要区别、超出GB150适用X围的容器的设计原则、压力容器设计标准的选用，以及凸形封头和热卷圆筒的成型厚度、压力容器最大允许工作压力和试验压力的确定方法。

适用X围及概况

为便于对比分析,表1列出了GB150、4732和/T4735的适用X围和主要区别［1，2］

。

GB150和/T4735属于按规则设计规X,都采用第一强度理论和弹性失效设计

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准则,将最大主应力在材料许用应力以内。对于局部结构不连续处的局部应力,则是通过4732中的有关规定和思想,确定元件结构的某些相关尺寸X围,或引入各种系数来的，如锥壳与圆筒连接处的设计要求；在椭圆形封头和碟形封头厚度计算式中引入的形状系数K和M，以及无折边锥形封头的半顶角不得超过30°等。设计实践表明，按规则设计的绝大多数压力容器是安全可靠的,因而在世界各国得到广泛应用。

但是,随着生产的发展和科学技术的进步,压力容器向大型化和高参数化发展,出现了许多使用条件相当苛刻的压力容器, 如需要疲劳分析的压力容器和大型热壁容器等。这些容器无法按规则设计标准进行设计,促使了分析设计规X的出现。

4732是应力分析法设计标准,需要采用应力数值计算法、实验应力分析法或解析法对容器进行详细的应力分析,并根据应力对容器失效所构成的危害程度,将应力进行分类,对各类应力用不同的值进行控制。由于对容器进行了详细的应力分析,且对材料、制造、检验和验收等提出了更高的要求,因而4732采用了比GB150小的安全系数。

表1 GB150、4732和/T4735的适用X围和主要区别

项 目 GB150 4732 /T4735 设计0.1MPa≤pd≤35MPa，真0.1MPa≤pd＜100MPa，真-0.02MPa＜pd＜0.1MPa 压空度不低于0.02MPa 空度不低于0.02MPa 力 大于-20℃至350℃（奥氏体高合金钢制容器和设按钢材允许的使用温度低于以钢材蠕变控制其设计温度低于-20℃,但计确定（最高为700℃,最设计应力强度的相应温满足低温低应力工况,温低为-196℃） 度（最高475℃） 且调整后的设计温度高度 于-20℃的容器不受此） 基碳素钢、低合金钢：碳素钢、低合金钢、铁素碳素钢、低合金钢、铁本nb≥3.0，ns=nts≥1.6，体高合金钢：素体高合金钢：安nD≥1.5,nn≥1.0；高合nb≥2.6,ns=nts≥1.5；奥nb≥2.5,ns=nts≥1.5；奥全金钢：氏体高合金钢：氏体高合金钢：系nb≥3.0,ns=nts≥1.5，ns=nts≥1.5 ns=nts≥1.5 数 nD≥1.5，nn≥1.0 对介质的 不限 不限 不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器 2 / 9

设计准则 弹性失效设计准则 塑性失效设计准则和疲劳失效设计准则,局部应一般为弹性失效设计准力用极限分析和安定性则和失稳失效设计准则 分析结果来评定 应力以材料力学、板壳理论弹性有限元法;塑性分以材料力学、板壳理论分公式为基础,并引入应析;塑性理论和板壳理式为基础,并引入应析力增大系数和形状系数 公式;实验应力分析 力增大系数和形状系数 方法 强度理论 最大主应力理论,但大多数容器的设计厚度由最小厚度决定 最大主应力理论 最大切应力理论 容器壳按钢种、厚度、介质特体性和耐压试验类型确定无 无损检测要求;局部无损损检测要求长度不小于检各条焊缝长度的20%,且测不小于250mm 要求 所有A类或B类焊接接头;筒体或封头名义厚度大于65mm的C类焊接接头（多层包扎筒体中的C类除外）;开孔直径大于100mm且筒体或封头名义厚度大于65mm的D类焊接接头都要做100%无损检测 按容器的公称容积、厚度、设计温度、介质毒性程度和可燃性、耐压试验种类和钢种确定是否需要无损检测,检测长度不小于各条焊缝长度的10% 是否需需要,但按本标准设计的要 不需要,但超出本标准球壳、筒体、封头等不需应规定时,需要应力分析 要应力分析 力分析 不需要 是否需需要,但有免除条件（按要 不适用于需要疲劳分析不适用于需要疲劳分析载荷循环次数或应力幅疲的容器 的容器 提供疲劳分析免除条件） 劳分析 资设计单位和制造单位应设计单位需取得应力分设计、制造都无资格要格有相应的设计批准书或析设计XX书,设计文件必求;需无损检测的容器,3 / 9

要制造许可证;焊接必须须由三名具有XX书的分应由有无损检测资格的求 由持有相应类别资格的析设计人员签名;制造单人员担任;有的容器需焊工担任;无损检测必位必须具有三类容器的由有考试合格证的焊工须由有相应类别资格的制造许可证;焊接必须由担任 人员担任 持有相应类别资格的焊工担任;无损检测必须由Ⅰ级或Ⅱ级人员担任 综合一般结构的容器综合经经济性好 济性 大型复杂结构的容器综合经济性好 在相应X围内的容器综合经济性好 超出GB150适用X围的容器设计

1.GB150中给出的处理方法

对不能用GB150来确定结构尺寸的受压元件, GB150允许采用以下方法来确定结构尺寸:有限元法在内的应力分析;验证性实验分析;用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。但需经全国压力容器标准化技术委员会评定和认可。

按GB150制造的压力容器,当结构参数或载荷条件超出GB150规定的X围时,可以对局部结构进行应力分析,以确定结构参数,而不要按4732进行容器整体的应力分析设计。

对局部结构进行应力分析和强度校核时, 应以GB150中的许用应力作为其设计应力强度,按4732中的规定进行应力分类和评定。因为只有当材料、设计、制造、检验和验收等均满足4732的要求时，才可取4732中提供的设计应力强度。

验证性实验分析包括实验应力分析和验证性液压试验。对那些结构复杂或边界条件不易确定的部位,一般应做验证性实验分析,以判断应力数值解或解析解的精度。

对比经验设计要求由有相应压力容器设计资格的单位承担。设计时应向全国压力容器标准化技术委员会提供的文件包括:容器的设计条件、技术参数和材料;具有使用经验的在用压力容器和对比经验设计的压力容器的全套图纸及使用情况说明;使用单位对在用容器的技术鉴定文件及上级主管部门的鉴证意见等。

2.对于GB150不适用的容器

对于设计压力大于35MPa但小于100MPa的容器和需进行疲劳分析的容器,可按4732进行设计。介质毒性程度为轻度或低度危害的常压容器按/T4735设计。现对几种特殊容器说明如下。

(1)超高压容器 设计压力大于等于100MPa的超高压容器,目前我国尚无

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设计标准，应按照《超高压容器安全监察规程（试行）》的有关规定设计。可供参考的国外标准有: ASME锅炉压力容器规X第Ⅷ篇第3分篇［3］和日本HPIS C—103—19《超高压圆筒容器设计规则》［4］。

(2)搪玻璃容器 搪玻璃容器具有特殊的制造工艺,如耐压试验的压力为设计压力,GB150中没有包括这些特殊要求,所以应相对于GB150另行制订标准。 (3)快速开关盖式容器 快速开关盖式容器是指将端盖旋转某一角度或锁紧件移动一定的距离，就可完成启闭的压力容器，广泛地应用于化工、建材、食品、航天、医疗、造纸等领域，如消毒锅、空气炮（压缩空气清堵装置）、蒸压釜、硫化罐、蒸煮罐、萃取釜等，是一类典型的承受频繁间隙载荷作用的压力容器。这类容器不但要求抗疲劳性能好，而且要采用快速开关盖装置（如卡箍式快速开关盖装置、齿啮式快速开关盖装置、剖分环式快速开关盖装置等）、安全连锁装置和报警装置，确保容器启闭迅速，在泄压未尽前不能打开端盖，端盖未完全闭合前不能升压［5］。

GB150只包含适用于高压快开场合的卡箍紧固结构，没有涉及到广泛应用的齿啮式快速开关盖装置、压紧式快速开关盖装置和移动式快速开关盖装置等的材料、设计、制造、检验和验收要求。然而，目前仍有单位按GB150设计和制造快速开关盖式容器，既没有对容器进行疲劳分析，又没有采用合理的结构（如齿啮式法兰与啮合齿之间采用焊接结构；封头、筒体与法兰之间采用角接焊接结构；主要焊接接头未经100%无损检测等），留下了疲劳破坏的隐患。 XX大学化工机械研究所对齿啮式快速开关盖装置的受力特点和设计方法进行了深入的理论分析和试验研究，结果表明：在齿啮式快速开关盖装置中，沿圆周方向均布的啮合齿存在明显的受力不均匀性，啮合齿根部有很高的应力峰值，若不能充分考虑这种承载的不均匀性和应力峰值，就很难计算容器的疲劳寿命。所建立的齿啮式快速开关盖装置工程设计方法已通过XX省科学技术委员会组织的技术鉴定，可用于工程设计。

在国家正式颁布快速开关盖式容器标准之前，笔者认为该型容器宜按4732和原劳动部《快开端盖式压力容器安全管理规定》与《关于加强新制造的快开门式压力容器安全检察的通知》等的要求进行设计、制造、检验和验收。 (4)已有其它行业标准的容器 制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用容器需满足相应的标准要求，如/T6917—1993《制冷装置用压力容器》。

标准选用注意事项

/T4735与GB150和4732没有相互覆盖的X围，选用比较方便，但GB150与4732相互覆盖X围较广，在选用时应综合考虑容器设计压力、设计温度、操作特性、设计资格和制造资格等因素。

与GB150相比，4732允许采用较高的设计应力强度，在相同设计条件下，容器的厚度可以减薄，重量可以减轻10%～20% 。但是由于设计计算工作量大（目前还没有完整的设计计算软件），以及对设计、制造、检验等的要求更严，其综合经济效益不一定高，一般只是对符合下列条件之一的容器才按4732设计。

(1)壳体名义厚度大于25mm的高压容器；

(2)设计压力与壳体内径单位的乘积(MPaxmm)≥10000的容器；

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(3)公称容积大于650m3，且设计压力大于1.6MPa的球形储罐； (4)GB150不适用的容器；

(5)使用GB150难于确定结构尺寸的受压元件； (6)用户要求按4732设计的容器。

厚度

1.成型厚度

按照GB150的规定，由于在开孔补强计算中已经将设计时的厚度圆整量用掉了，对凸形封头和热卷圆筒的成型厚度要求不得小于该部件名义厚度减去钢板负偏差。为满足这一要求，制造厂往往在名义厚度的基础上，加上加工减薄量，并按钢材规格进行制造时的厚度圆整，以确定投料的钢板厚度。为避免两次圆整所造成的材料浪费，建议在图样上同时注明凸形封头和热卷圆筒的名义厚度和最小成型厚度，由制造厂根据制造工艺和设计时的厚度圆整量决定是否再加加工减薄量。这种标注方法是目前国际压力容器界流行的方法，较为合理［6，7］

。现就最小成型厚度的确定讨论如下。

若凸形封头和热卷圆筒上没有开孔，则成型后所需保证的最小成型厚度为设计厚度。如果加工减薄量不超过设计时的厚度圆整量，则可按名义厚度投料；反之，如果加工减薄量超过设计时的厚度圆整量，则应先在名义厚度上增加两者之差，然后按圆整后的钢板厚度投料。

若凸形封头和热卷圆筒上有开孔，则设计时的厚度圆整量已有部分甚至全部被用作补强材料。若仍以设计厚度为最小成型厚度，会导致开孔处的强度不足。在这种情况下，应根据补强所需面积、接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积、补强区焊缝金属面积和补强圈面积，求出筒体或封头用于开孔补强部分的厚度（最大为有效厚度和计算厚度之差），该厚度与设计厚度之和就是所需保证的最小成型厚度。 2.最小厚度

参照国外有关标准及实践经验，为满足制造、运输、安装时的刚度需要，应规定压力容器的最小厚度。GB150、4732 和/T4735中，压力容器最小厚度的取值见表2。

表2 压力容器最小厚度的取值

材 料 碳素钢、低合金钢(mm) 高合金钢(mm) GB150 2 3 4732 6 3 /T4735 3 2 最小厚度不包括腐蚀裕量，设计厚度应为计算厚度与最小厚度两者中的较大值与腐蚀裕量之和。

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压力

1.计算压力

GB150中增加了计算压力的定义,它是指在相应设计温度下,用以确定元件厚度的压力,包括液柱静压力。所有厚度计算公式中都采用计算压力。这样更加明确了计算厚度和元件所在处计算压力间的关系,允许同一容器不同部位的受压元件采用不同的计算压力,即有不同的计算厚度,也与4732和/T4735协调一致。

GB150将载荷分为基本载荷和选择性载荷。出现在元件厚度计算公式中的载荷为基本载荷,如内压、外压、压力差和液柱静压力;在元件厚度计算公式中不出现,但必要时需要考虑的载荷为选择性载荷,如容器自重、容器附属设备重量、风载荷、地震力、支座反力、管道推力、热变形不同引起的力、冲击反力、运输或吊装时的作用力等。

当需要考虑选择性载荷时,还应引用其它标准中的计算方法（如4710《钢制塔式容器》中有关风载荷、地震力、雪载荷、偏心质量引起的应力计算公式;GB151《钢制管壳式换热器》中关于管内介质流动引起的振动的预防措施等）或采用有限元法等进行应力分析和评定。 2.最大允许工作压力

由于钢板厚度的圆整,容器壳体的有效厚度不小于计算厚度,因而在相应的设计温度和设计压力下,容器壳体中的应力还未达到材料在设计温度下的许用应力,即容器可承受比设计压力更高的压力。当压力增大到某一值时, 容器壳体中的应力达到材料在设计温度下的许用应力,将这个压力减去液柱静压力（即换算成容器顶部的压力）就得到壳体的最大允许工作压力。

若壳体各部位或元件的有效厚度或材料不同,按上述方法可以求得其最大允许工作压力,最小的最大允许工作压力为壳体的最大允许工作压力。

因此，容器铭牌中规定的最大允许工作压力是指设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。

压力试验

1.压力试验的目的

对于内压容器，压力试验的目的是考核容器中存在的缺陷(指材料中存在的原始缺陷和制造中产生的缺陷)是否会在超过设计压力的试验压力下发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏，并能考核容器的密封性能。

对于外压容器，由于其临界失稳压力主要和容器的几何尺寸、制造偏差有关，与容器中的缺陷无关(在外压作用下，缺陷处于闭合状态)故外压容器一般不需要做外压试验，而代之以内压试验以考核容器的密封性能,并检查是否有穿

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透性缺陷［8，9］，若有将会引起泄漏。 2.试验压力

GB150、4732和/T4735三个标准中规定的试验压力取值见表3。

表3 GB150、4732和/T4735三标准的试验压力取值

试验类型 液压 内压 试验 容器 气压 试验 液压 外压 试验 容器 气压 试验 气密性试验 pT=1.25p pT=1.15p 由设计者在 图样上注明 pT=p GB150 4732 /T4735 (1)与GB150—相比,对于内压容器的液压试验和气压试验,GB150取消了试验压力不得小于p+0.1（MPa）要求;气密封性能试验压力由原规定的1.05p（1991版《压力容器安全技术检察规程》中为1.0p）改为由设计者在图样上注明。气密封性能试验时,由于试验介质的不同,其泄漏检测的灵敏程度是不同的,如用氦、氨检测泄漏的灵敏度高于空气,因此检测泄漏试验所需压力随所用介质的不同而不同,灵敏度高的介质可以在较低的压力下试验。压力容器氨渗漏试验方法可参见HGJ18—《钢制化工容器结构设计规定》附录A。

(2)对于操作时容器内介质的毒性程度为极度或高度危害的容器,4732和GB150都明确规定必须做气密封性能试验。

(3)对于没法按规定做耐压试验的容器,如现场组装的大型容器,GB150允许由设计单位提出确保容器安全运行的措施,并在图中注明。

(4)由于设计压力是指容器顶部的压力,对于操作介质为气体或密度远小于水的液体的压力容器、卧着进行液压试验的塔类容器（试验压力为表3中的计算值加液柱静压力）和现场组装的大型容器,在水压试验时,某些部位所受的压力会超过表3中的计算值。

当容器上任一点的压力超过表3中的计算值的6%时,4732允许按以下方法确定试验压力上限。①在试验温度下计算求得的一次总体薄膜应力S1不超过试验温度下材料屈服点的90%; ②计算求得的一次薄膜加一次弯曲应力的应力强度S2应不超过下列两式给出的值。 当S1≤0.67σs时，S2≤1.35σs;

当0.67σs≤S1≤0.90σs时,S2≤2.15σs-1.2S1。

/T4735规定,当容器需做液压试验,但试验所需的充液高度高于容器所规定的储液高度,且设计不允许时,可采用液压和气压组合试验,试验压力取气压试

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验压力。

(5)当容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料许用应力之比中的最小值。 (6)容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，表3中应以最大允许工作压力代替设计压力。

X津洋,教授,博士生导师,生于19年,1992年在XX大学获博士学位,现从事压力容器的教学和科研工作.地址:(310027)XX省XX市.:(0571)7970951. 本文为

作者为X津洋教授

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