俄罗斯联邦国家标准 ГОСТ Р 52857.1～12—2007压力容器强度计算新规范简介

栾春远

(齐鲁石化公司，山东淄博 255400)

0 引言

ГОСТ Р 52857.1 ～12—2007 是俄罗斯联邦最新颁发的容器及设备强度计算的规范和方法的第一个综合性国家标准。该标准由化工机械制造科学研究设计院(НИИХИММАШ)和全俄石油机械制造科学研究设计院股份公司等4个单位编制，由ТК260化工与石油天然气加工装备标准化技术委员会提出，经联邦主管局2007年10月27日标准第503号文件批准并生效，实施日期:2008年4月1日。

1 标准内容［1］

ГОСТ Р 52857.1，一 般 要 求; ГОСТ Р 52857.2，圆筒、锥壳、凸形封头和平盖的计算，新增无折边球形封头和带径向加强筋的圆形平盖;ГОСТ Р 52857.3，在内压或外压作用下壳体和封头的开孔补强，接管上外载荷作用下圆筒和球形封头的强度计算;ГОСТ Р 52857.4，法兰联接的强度和密封计算，给出 9 项附录;ГОСТ Р 52857.5，支承载荷作用下壳体和封头的计算，其中鞍式支座支承的卧式容器计算，完全不同于中国标准 JB 4731—2005，以及多个国家采用的L.P.Zick方法;ГОСТ Р 52857.6，低循环疲劳强度计算，这是集钢铝铜钛于一体的新标准;ГОСТ Р 52857.7，换热设备，给出管壳式换热器及空冷器管板等元件强度计算和 9项附录;ГОСТ Р 52857.8，夹套容器;ГОСТ Р 52857.9，内压和接管上外载荷作用下接管与圆筒和球形封头相贯处的应力计算;ГОСТ Р 528 57.10，接触湿硫化氢介质的容器及设备;ГОСТ Р 52857.11，考虑焊接接头错边、棱角及不圆度的壳体和凸形封头强度计算的方法，并给出低循环疲劳强度条件;ГОСТ Р 52857.12，对计算机完成强度计算的样式要求。

2 双标准制

前苏联时期，标准文件有ГОСТ(国家标准)，ОСТ(行业标准)，РД(指导性文件)，РТМ(技术指导性资料)。1991年苏联解体后，只要上述4种级别的标准文件继续生效，则全部转为俄罗斯联邦的标准文件。俄罗斯联邦国家标准有ГОСТ Р，ГОСТ 两种。

新标准生效后，在标准正文中没有废除本标准参照的以前生效的32项标准文件的规定。根据联邦主管局的官方信息网，老标准仍然生效。这就是目前在俄罗斯采用双标准制的根据，因此，文献［3］中所载的俄罗斯联邦标准文件继续有效。

3 该规范有11个独具优势的计算方法

除塔设备［3］外，新标准几乎涵盖了压力容器设计领域的所有问题，内容新颖，计算方法先进，在设计中可参照使用。

3.1 允许冲压成形的椭圆形封头工艺加工减薄量的存在

20世纪80年代，НИИХИММАШ 完成的理论和试验研究成果已经确定，冲压成形的椭圆形封头在折边区域的减薄量不超过中央区域厚度的15%，对整个封头的极限压力值没有影响。并将这一成果载入 ГОСТ 14249—89(2005)的 1.7.2条［3］和 ГОСТ Р 52857.1—2007 的12.4 条中。内压椭圆形封头计算时，确定许用内压力的计算公式是基本公式:

式中 R——封头顶部曲率半径

椭圆形封头的强度是根据封头中央区域的名义厚度减总附加量确定的。因此，ГОСТ 14249规定:如果封头转角区域的减薄量不超过中央区域计算厚度的15%，则取c3=0，这是偏保守的规定。后来几经修改，在 ГОСТ Р 52857.1 的 12.4条中将计算壁厚改为名义壁厚，即如果封头转角区域减薄量不超过中央区域名义厚度的15%，不考虑c3。另外钢板或管子的负偏差同样取决于名义厚度，而不是计算厚度，采用名义厚度简便，保守程度也偏小。按我国封头标准关于厚度减薄量的规定，均不超过名义厚度的15%。因此，可以认定，中国所有冲压成形的椭圆形封头均可不考虑c3。这样，每年将能节省大量钢材。

3.2 外压圆筒计算

俄罗斯联邦不采用外压算图法，因为有能力用解析式解决非弹性失稳这一相当复杂的问题。GB 150采用ASME以正切弹性模量Et为依据的拉伸线解决非弹性失稳的计算问题。在ГОСТ Р 52857.2中给出1个许用外压力的计算公式(公式的由来见文献［3］)，能解决GB 150需采用3个不同的许用外压力公式对4种外压圆筒的计算问题。GB 150不能给出外压圆筒的计算壁厚，该标准给出外压圆筒的计算壁厚sp和许用外压力的公式，更方便计算机求解:

3.3 锥壳计算

光滑锥壳是不能单独存在的，其大小端与圆筒或管子连接，组成了过渡段，过渡段就有计算长度，计算壁厚。ГОСТ Р 52857.2的“8 锥壳”是专门的计算方法:计算α1≤70°无折边或带折边过渡段的壳体连接;α1≥70°的锥形封头。均超出了GB 150的规定。

3.4 开孔补强

ГОСТ Р 52857.3 能计算附录中所有结构型式的开孔补强。

(1)开孔率:圆筒、锥壳 d/D≤1.0;凸形封头d/D≤0.6，开孔率最大。给出的开孔计算直径汇总见表1。

表1

(2)在计算壁厚(s－c=sp为计算壁厚)的条件下，不要补强的开孔计算直径按下式确定:

(3)在容器的名义壁厚(s－c＞sp)条件下，不要求额外补强的单个开孔计算直径为:

若开孔计算直径dp≤d0，则后续的补强计算不必进行。

(4)当接管与圆筒或球形封头正交，且接管上作用有轴向力和弯矩时，能给出静载条件下许用轴向力和许用弯矩的计算公式，能给出单独载荷下的强度校核条件，或联合载荷下的强度校核条件，这就是开孔补强在这种条件下的扩展计算，这是新增内容。GB 150不能解决。

3.5 法兰

ГОСТ Р 52857.4 主要特点如下:

(1)考虑的载荷有:螺栓(螺柱)预紧力;内压力或外压力;外部的轴向力;外部的弯矩;法兰联接元件的温度变形限制引起的载荷，比GB 150中“法兰”一章规定的载荷要多。

(2)法兰联接元件(螺柱和法兰)低循环疲劳强度计算与校核，将极大地提高和完善法兰的计算功能，并为ANSYS求解，或因设置接触单元，或因不收敛，或因尚须验证而困惑的分析人员提供强有力的手算工具，HDPE产品出料罐的设备法兰就是在计算的压力循环次数为2.21×106的条件下按本标准手算通过的。这也是GB 150中“法兰”一章的空白项。

(3)法兰转角的校核，也是GB 150中“法兰”一章的空白项。本标准给出工作条件下对焊法兰、平焊法兰和活套法兰肩环转角计算方法及校核条件，并给出相应的许用转角值。

(4)从螺栓(螺柱)计算载荷→螺栓的计算应力→作用到法兰上的计算弯矩→法兰的计算应力→法兰的静强度条件→低循环疲劳强度计算与校核，均以预紧和工作条件下两条主线，并列地进行计算和校核，这一过程互不取代，且都要保证法兰联接所有元件的强度和密封。

(5)力学分析给出预紧条件下和工作条件下的法兰的计算应力有:

1)两个条件下对焊法兰锥颈大端S1截面和小端S0截面的经向弯曲应力;

2)两个条件下带直颈对焊法兰、平焊法兰圆筒和活套法兰肩环圆筒在S1截面和S0截面的经向弯曲应力;

3)两个条件下对焊法兰盘、平焊法兰和活套法兰肩环中的径向应力和周向应力;

4)两个条件下活套法兰环中的周向应力;

5)工作条件下对焊法兰锥颈大端S1截面和小端S0截面的经向薄膜应力;

6)工作条件下带直颈对焊法兰、平焊法兰圆筒和活套法兰肩环圆筒在S0截面中的经向薄膜应力;

7)工作条件下对焊法兰、平焊法兰圆筒和活套法兰肩环圆筒在S0截面压力产生的周向薄膜应力。给出的法兰计算应力详尽、作用位置准确。

(6)法兰的静强度校核

若考虑温度变形限制产生的载荷时，工作条件下乘以许用应力系数KT=1.3。

1)对焊法兰锥颈大端S1截面，预紧条件下经向弯曲应力与径向应力或周向应力的组合应力校核取1.5［σ］，工作条件下若考虑温度变形限制，经向弯曲应力与经向薄膜应力，径向应力或周向应力的组合应力校核取 1.3×1.5［σ］=1.95［σ］;

2)对焊法兰锥颈小端S0截面，预紧条件下经向弯曲应力取3［σ］，工作条件下经向弯曲应力与经向薄膜应力，或周向薄膜应力的组合应力校核取1.3 ×3［σ］=3.9［σ］;

3)带直颈对焊法兰，平焊法兰圆筒和活套法兰肩环圆筒在S0截面预紧条件下经向弯曲应力与径向应力或周向应力组合应力校核，取1.5［σ］。工作条件下经向弯曲应力与经向薄膜应力，或径向应力，或周向应力组合应力校核取1.3 ×1.5［σ］=1.95［σ］;

4)所有型式的法兰，在S0截面，经向薄膜应力或周向薄膜应力的校核均取1.0［σ］;

5)对焊法兰盘、平焊法兰和活套法兰肩环，预紧条件下径向应力或周向应力取1.0［σ］，工作条件下取1.3［σ］;

6)对活套法兰环，预紧条件下取1.0［σ］к，工作条件下取1.3［σ］к。

(7)法兰计算时，至少要计算螺栓(柱)变形度Уб，法兰的角变形度，法兰联接的刚度γ，法兰联接的刚度系数α等。

(8)螺栓的静强度条件、预紧条件下或工作条件下，均不能采用螺栓许用应力，因为它是名义许用应力，所使用的螺栓(螺柱)的许用应力按附录Г计算，其值已经增大了。

3.6 低循环疲劳强度计算

ГОСТ Р 52857.6 主要特点如下:

(1)可对载荷循环次数≤1×106低周疲劳的有限循环，载荷循环次数≥1×106高周疲劳的有限循环，或无限循环进行疲劳强度计算。

(2)本标准给出许用应力幅和许用循环次数的两个解析式为:

公式由来见文献［3］，根据设计的载荷循环次数能计算许用应力幅，根据有关标准计算得到的应力幅能计算许用循环次数。而ASME－Ⅷ－2不能计算，当载荷循环次数大于106时，查图也没有数据了。

(3)给出包括碳素钢、低合金钢、奥氏体钢、Rm≥700 MPa紧固件钢、铝合金、铜合金、钛合金共8张计算疲劳曲线图。

3.7 管板

ГОСТ Р 52857.7 有以下主要特点:

(1)本标准没有GB 151中图19～31那样复杂的曲线族图，基本上都是解析式。

(2)对于延长兼作法兰的固定式管板，不计算螺栓载荷，不计算法兰力矩，也不计算和校核壳体法兰应力，减少了计算链的长度。

(3)没有GB 151设定的危险组合的设计工况。计算当量压力时，同时考虑了温差、管壳程计算压力。在管壳程计算压力部分，均包含了压力对管板的影响系数、压力对管子纵向变形的影响系数、管板不布管边缘的相对特性、管子刚度与壳体刚度的当量比、管－壳系统的刚度变化系数等，管板与壳程圆筒连接处均给出相应的应力集中系数值。

(4)对于固定管板式换热器，考虑了疲劳问题，若设计文件没有专门规定的载荷循环次数，本标准强制规定循环次数为N=2000，这是GB 151的空白项。

(5)本标准附录Д给出在蠕变条件下操作的换热器的元件用的计算疲劳曲线图。

(6)力学分析给出的计算应力有:

1)与壳体连接处管板中的弯曲应力和剪切应力;

2)管板布管区中的弯曲应力和剪切应力;

3)与管板连接处壳体中经向薄膜应力、经向弯曲应力、周向薄膜应力和周向弯曲应力;

4)换热管中的轴向薄膜应力、轴向总应力和周向薄膜应力。

(7)本标准规定静强度校核有:

1)与壳体连接处管板和布管区管板的剪切应力，max{τP1;τP2}≤0.8［σ］P;

2)与管板连接处壳体的经向薄膜应力，σMx≤1.3［σ］к;

3)管子的轴向薄膜应力和周向薄膜应力，max{σ1T;σ2T}≤［σ］T。

(8)本标准规定参与低循环疲劳强度校核的应力有:

1)与壳体连接处的管板弯曲应力和布管区管板的弯曲应力;

2)与管板连接处的壳体经向薄膜应力、经向弯曲应力、周向薄膜应力、周向弯曲应力;

3)换热管的轴向总应力。

本标准规定参与低循环疲劳强度校核的应力恰是GB 151静强度校核的应力，如，换热器的循环次数按2000次计，查低合金钢的计算疲劳曲线，在450℃下许用应力幅为450 MPa，在同样温度下，用作管板材料的 3.0［σ］小于 450 MPa，如管板的弯曲应力为 900 MPa，显然，远大于3.0［σ］，按 GB 151 校核通不过，但900 MPa的弯曲应力的1/2为450 MPa，这是按本标准计算得到的应力幅，与许用应力幅450 MPa进行疲劳强度校核，就能通过。

3.8 夹套容器

ГОСТ Р 52857.8 有下列主要特点:

(1)能计算静载下夹套中许用压力并校核，还能进行循环载荷下应力范围的校核，标准中给出U形、圆筒形、蜂窝形和半圆管形夹套容器的应力范围计算式，及该式中的膨胀变形差和查表得到应力集中系数，然后与许用应力范围进行疲劳强度评定。

(2)对U形、圆筒形夹套容器，能进行自重载荷产生的轴向力校核，或与压力载荷联合作用下的承载能力校核。

笔者对某单位曾设计的1台反应釜进行了验算，计算的许用压力［p2］=0.48 MPa ＜0.6 MPa，校核通不过;将封口锥厚度由8 mm增加到10 mm，校核通过。这是没有计算夹套的许用应力，也不知道需要计算产生的结果，可能有普通性，应引起关注。

3.9 接管与圆筒和球形封头相贯处最大应力的计算

首先分析JB 4732附录J，有以下质疑:(1)在什么场合下应用附录J，没有说明;(2)开孔率在同一应力集中系数的两个表之间，如d/D=0.25或d/D=0.75不能计算;(3)λ超过了所有表的横坐标的最大值，不能计算;如图1分馏塔顶油气分离器，开孔率0.75，按开孔率ρ0=0.8，λ =0.8(2400/16)0.5=9.8，不能计算，取 λ =8，8=0.8(2400/δe)0.5，得 δe=24，这样，壁厚增大，附录J就不占优势。该台编号为V2203在咸阳长庆石化公司在用(笔者曾于2007年4月随某安评单位去该厂进行新装置竣工验收安全评价);(4)计算应力等于圆筒的周向应力乘以按图查取的应力集中系数，给不出相贯区不另计入应力集中系数的计算最大应力的解析式。ГОСТ Р 52857.9是为ГОСТ Р 52857.3 静载下的开孔补强在交变载荷工况下操作且由于塑性变形的积累可能破坏，或由于在设备中发生金属的腐蚀疲劳降低了材料的塑性性能情况下，导致不能应用极限载荷法计算时，给出的补充计算。РД 26 －16 －88［3］也是作为ГОСТ Р 52857.3 在上述情况下的补充计算。这两个标准均不能区分计算的最大应力是在容器的内表面上还是外表面上，但最大应力是在相贯区中，鉴于接管与容器壳体相贯处应力计算的复杂性，俄罗斯的力学家的分析结果已属世界的领先水平。对于接管与圆筒正交时，除内压外，还有接管上的轴向力，或有两个方向的弯矩作用下，均能给出有补强圈或无补强圈时相应载荷下的计算最大应力的解析式，能进行联合载荷下的静强度条件评定，也能进行疲劳强度计算。对于球形封头上的正交接管，在内压、接管上的轴向力和弯矩作用下，给出相应的最大应力的计算式，而附录J不能计算。

图1

对上述的V2203开孔补强计算［3］，得s=16，s1=14满足要求。按本标准给出正交接管与圆筒相贯处在内压下的最大应力的解析式(Dc，dc为平均直径，sэ=s，p=0.33)，最大应力为:

3.10 接触强腐蚀性的硫化氢介质的压力容器

ГОСТ Р 52857.10 处理对策是，限制与强腐蚀性的硫化氢介质接触的拉伸应力(总体或局部的薄膜应力和弯曲应力)。中国则专一使用Q345R(HIC)钢。

(1)抗硫化氢腐蚀的专用钢 20ЮЧ(20AlCe)、20КА(高级优质 20g)和 09ГСНБЦ(09MnSiNiNbZn)。前两个是低碳钢，后者是低合金钢。如20ЮЧ，供应值 S=0.004，Mn=0.5 ～0.8，20R达不到这样的指标。

(2)对于pH2S≥1.0 MPa划分为Ⅰ组的容器及设备，按nT=2，nB=3，计算在硫化氢介质条件下的使用的许用应力。

3.11 考虑焊接接头错边、棱角及不圆度的壳体和凸形封头强度计算

ГОСТ Р 52857.11 对圆筒、锥壳纵、环焊缝对口错边，环焊缝棱角，由圆筒纵向凹陷或纵焊缝的棱角，圆筒上的圆形凹坑，凸形封头上圆形凹坑引起的局部不圆度，以及圆筒的总体不圆度等制造产生的缺陷情况下，给出强度计算和疲劳强度计算的方法，是有实用价值的标准，对中国《在用压力容器定期检验规则》中有关错边量和棱角度的定级提供了定量计算的依据。

笔者与俄罗斯联邦标准编制单位进行了交流，收到新标准颁发后的第1次勘误表，笔者配置了25个计算例题，全部使用GB 150的钢号和许用应力，采用新规范的计算方法［4］，计算结果偏于保守，因为GB 150的许用应力比俄罗斯的同钢号的许用应力低。

4 结语

(1)对于冲压成形的椭圆形封头，可不考虑c3。从所需补强面积中减去计算壁厚条件下，不需要补强的开孔计算直径d0p所占面积d0p×sp(sp为计算壁厚)，这两项技术能节约大量钢材。

(2)静载荷下的开孔补强，在循环载荷下操作，须按 ГОСТ Р 52857.9 或 РД 26 －16 －88［3］进行补充计算，且要通过。

(3)若法兰、固定式管板、夹套容器和考虑焊接接头错边、棱角及不圆度的壳体和凸形封头在循环载荷下操作，则应按 ГОСТ Р 52857.4，ГОСТ Р 52857.7，ГОСТ Р 52857.8 和 ГОСТ Р 52857.11给出相应的，难以在国外标准中找到的应力幅的计算式，并和 ГОСТ Р 52857.6 联合使用，进行疲劳强度计算。

［1］ГОСТ Р 52857.1 ～ ГОСТ Р 52857.12—2007［S］.

［2］GB 150，钢制压力容器［S］.

［3］栾春远.压力容器ANSYS分析与强度计算［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［4］压力容器 ANSYS分析与强度计算新规范(待出版).