GB/T 16749—2018《压力容器波形膨胀节》主要修订内容对比及分析

陈卫胜，匡良明，赵中顺，司洪涛，罗国良

（1.岳阳泰艺检维修有限责任公司，湖南 岳阳 414014；2.森松集团 （中国），上海 201323；3.上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）

GB 16749—1997《压力容器波形膨胀节》(以下简称旧版标准)使用已超过20 a，使用期间其主要参考的EJMA标准已经历了第6版（1993年）、第 7版（1998年）、第 8版（2003年）、第 9版（2008年）、第 10版（2015 年），共 5个版次的更替［2-4］。 2018-09，我国发布了 GB/T 16749—2018《压力容器波形膨胀节》［5］最新版本标准（以下简称新版标准），且于2018-12-20发布了第一个《勘误表》，新版标准于2019-04正式实施。

在新版标准使用过程中，笔者对新版标准的主要修订内容相较于1997版旧标准的不同逐步有所了解。借鉴EJMA—2015《Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association，Inc.》［6］、ASME BPVC.Ⅷ-1—2017《ASME Boiler and Pressure Vessel Code—An International Code Division 1》［7］、ASME BPVC.Ⅷ-2—2017《ASME Boiler and Pressure Vessel Code—An International Code Division 2：Alternative Rules》［8］及 EN 13445-3—2014《Unfired Pressure Vessel—Part 3：Design，Annex G》［9］， 对新版标准使用过程中出现的一些有争议的问题进行了分析，并对解决方案进行了探讨。文中所有的量符号、含义及单位均与相应标准相同。

1 GB/T 16749—2018修订内容及新旧版本对比

1.1 扩大了标准适用范围

旧版标准中对设计压力的规定为，ZX型不大于 4.0 MPa，ZD 型、HF 型、HZ 型不大于 6.4 MPa，新版标准中的设计压力扩大为所有型号均不大于12 MPa。设计温度方面，新版标准中已补充“当考虑疲劳和塑性强化时，只适应于设计温度低于蠕变控制许用应力的温度以下”，而旧版标准中没有提及塑性强化如何考虑。材料方面，新版标准中引入了有色金属，如镍、铝、钛、锆及其合金。公称直径从旧版标准的不大于2 000 mm，扩大至新版标准中的不大于4 000 mm。设计压力与公称直径的乘积从旧版标准系列的不大于0.5×104MPa·mm，扩大为新版标准中的不大于2.7×104MPa·mm。新、旧版标准中膨胀节型式代号对比见表1。

表1 新旧版标准中膨胀节型式代号对比

1.2 增加了几何形状及尺寸限制要求

新版标准中要求波纹管的波纹总长度Lb与波纹管的直边段内直径或波纹内直径Db的比值应符合Lb/Db≤3。对层数n、厚度nt的要求为，ZX型的 n≤5、t=0.5～3 mm、nt≤10 mm；ZD 型、HZ 型的 n=1、3 mm≤nt≤30 mm。

新版标准中增加了U形和Ω形波纹参数，参数要求见表2。

表2 新版标准中U形和Ω形波纹参数

对HZ型膨胀节，新增了2个参数mi、me，波谷环向对接接头直边长度、波峰环向对接接头直边长度me≤0.2 ■ Dmtp。

1.3 明确了厚度负偏差、腐蚀裕量和成形减薄量考虑方法

1.3.1 厚度负偏差

新版标准中规定厚度负偏差C1应全部计入设计计算中，这与GB 150.1—2011《压力容器 第1部分：通用要求》［10］的相关规定是相同的。而旧版标准中则规定，即使C1=0.25 mm也应计入设计计算中。

二者对厚度负偏差的要求其实是一致的，只是因为当时 GB 150—1998 《钢制压力容器》［11］中认为C1=0.25 mm可以忽略不计。

1.3.2 腐蚀裕量

新版标准中规定，在计算内压应力时应扣除腐蚀裕量C2，影响内压应力的系数Cp在查表时也应扣除，而旧版标准中对此没有明确说明。新版标准中还规定，在计算位移应力时不扣除腐蚀裕量C2，影响位移应力的系数Cf、Cd在查表时也不扣除，笔者认为此规定偏安全。而旧版标准的位移应力计算公式中不扣除腐蚀裕量C2，但对Cf、Cd在查表时是否扣除则未提及。

1.3.3 成形减薄量

新、旧版标准中关于成形减薄量C3的确定方法见表3。需要注意的是，成形后1层材料的名义厚度tp的计算公式不适用于HZ型膨胀节，这一点在新旧版标准中都未明确。旧版标准中Sp是成形后1层材料的有效厚度，因Sp的计算公式中没有考虑C1和C2，导致在过程设备强度计算软件SW6计算中出错，之后才改为目前采用SW6软件计算腐蚀前和腐蚀后2种工况。

表3 新旧版标准中成形减薄量C3确定方法对比

1.4 修订和增加了应力计算内容

新版标准中，因内压引起的无加强U形波纹管周向薄膜应力σ2计算公式为：

式（1）中增加了周向应力系数 Kr，Kr与变形前后波长之比有关，但对计算结果影响不大。式（3）中的e取绝对值，拉伸时用+，压缩时用-。

新版标准中增加了加强U形波纹管和Ω形波纹管应力计算内容。对于HZ型膨胀节，除将σ2分为端波应力 σ2，E和中间波应力 σ2，i外，其他各应力计算公式与无加强U形波纹管应力计算公式相同。而旧版标准则将HZ型膨胀节当作单层U形波纹管无差别对待。

1.5 修订和增加了应力评定内容

1.5.1 无加强U形波纹管

对于内压引起的无加强U形波纹管经向薄膜应力 +弯曲应力，旧版标准中只规定σp=σ2+σ3≤1.5σts，而新版标准修订为“σ3+σ4≤Cm［σ］tb——低于蠕变温度”，其中Cm为1.5（用于退火态波纹管）或 1.5Ysm（用于成形态波纹管，1.5≤Cm≤3.0）。波纹管成形变形率εf计算公式为：

式（4）来源于 EJMA—2015，式中的 ntp恐怕有误，应当改为 tp（参考 EN 13445-3—2014的第14.5.2.2节）。需要注意的是，式（4）不适应于HZ型膨胀节的计算，因为HZ型膨胀节的成形是由平板冲压成两半波，而ZD型、ZX型是由圆筒整体碾压或液压胀形。

新版标准中经向（子午向）总应力σt=0.7×（σ3+σ4）+σ5+σ6， 与旧版标准中的计算公式一致，仅符号不同。

1.5.2 加强U形波纹管、Ω形波纹管和HZ型膨胀节

新版标准中新增：对于加强U形波纹管，σt=0.9［0.7（σ3+σ4）+σ5+σ6］，公式中的 0.9 类似疲劳增强系数，即疲劳减弱系数的倒数。对于Ω形 波 纹管，σt=3σ3+σ5+σ6。 对 于 HZ 型 膨胀 节 ，σt=Ch［0.7（σ3+σ4）+σ5+σ6］，且不考虑（或不适应）低周疲劳问题。该公式中的Ch=2，类似疲劳减弱系数。HZ型膨胀节应力评定内容为新版标准中新增内容，旧版标准中是将HZ型膨胀节当作单层U形波纹管同等对待。

1.6 修订和增加了疲劳评定内容

新、旧版标准中奥氏体不锈钢疲劳曲线和温度限制对比见表4。

表4 新旧版标准中奥氏体不锈钢疲劳曲线和温度限制对比

新版标准中增加了耐蚀镍合金、镍-铬合金（N08800、N08810、N06600），其疲劳计算与奥氏体不锈钢的相同。还增加了耐蚀镍-钼-铬合金（N08825、N10276、N06455）以及耐蚀镍 -铬合金（N06625）的疲劳计算公式，分别为：

新版标准中不再考虑温度修正系数Tf，但增加了σt修正系数fc或疲劳曲线下限修正系数。这是与EJMA—2015保持同步，除非另有要求，一般取fc=1。

新版标准中疲劳评定适应范围为退火或成形态，预期（或要求）的疲劳次数 Nd≤［Nc］=Nc/nf=（102～106）/15。

而旧版标准中疲劳评定适应范围为成形态，预期（或要求）的疲劳次数 Nd≤［N］=N/nf=（103～105）/15。

1.7 修订和增加了内压失稳压力计算内容

1.7.1 无加强U形波纹管

新版标准中无加强U形波纹管柱状失稳的极限设计压力计算公式为：

式（7）中的 Cθ=1.0，而旧版标准中则没有此要求。

新版标准无加强U形波纹管平面失稳压力计算公式中不仅考虑平面失稳应力相互作用系数α，还考虑与位移量有关的周向应力系数Kr，其计算公式为：

而旧版标准中对无加强U形波纹管平面失稳压力计算考虑的因素很少，其计算公式为：

1.7.2 加强U形波纹管、Ω形波纹管及HZ型膨胀节

新版标准中指出，加强U形波纹管、Ω形波纹管只有柱状失稳，无平面失稳的倾向，HZ型膨胀节的计算与无加强U形波纹管的相同。而旧版标准中是将HZ型膨胀节当作单层U形波纹管同等对待。

1.8 新增外护套设计

新版标准中外护套设置的条件为，①在膨胀节运输、安装过程中，波纹管可能受到损伤及破坏时。②设计图样有要求时。

外护套的最小厚度tmin按新版标准的表11进行计算（借用内衬筒最小厚度），外护套名义厚度t2=CLtmin+C。

1.9 修订了制造技术要求

1.9.1 冷成形后恢复性能热处理

新版标准中新增对碳素钢、低合金钢材料有热处理要求的介质条件为，图样注明有应力腐蚀的介质或毒性为极度、高度危害的介质。

对奥氏体不锈钢材料，新版标准中规定，可以不进行热处理，但当波纹管成形前厚度大于10 mm或εf≥15%（设计温度低于-100℃或高于510℃时，变形率不小于10%）时需要进行热处理，并需要制作热处理试板。旧版标准中对此规定均是不进行热处理。

新版标准中新增了对镍和镍合金、钛和钛合金的热处理要求，与对奥氏体不锈钢的热处理要求相同。

1.9.2 无损检测

（1）检测时机 新版标准中增加了对有延迟裂纹倾向的材料，至少在施焊24 h后进行检测；对有再热裂纹倾向的材料，应在热处理后增加1次检测的要求。

新版标准中规定，波纹管A类接头在成形前检测，B类接头在成形后检测。对于HZ型板料分瓣拼焊、半波整体冲压的径向拼接A类接头，如果成形前已经进行了检测，则成形后还应当对圆弧过渡区到直边段再进行检测。而旧版标准中相应要求为，纵向焊缝在成形前检测，环焊缝在成形后检测。对于板料分瓣拼焊、半波整体冲压的经向焊缝，成形后应进行复查，复查长度不小于焊缝长度的20%，且不小于300 mm。

（2）射线检测（RT）或超声波检测（UT） 新版标准中规定，对波纹管的波纹段A、B类对接接头，应进行100%RT（与旧版标准基本相同）；对ZX型波纹管直边与端管（或设备筒体）采用内插或外套连接的B类接头（或被端管、加强环、套箍等所覆盖的B类接头），即锁底V型坡口对接接头，均应进行100%PT或UT（笔者认为应为100%逐层PT+RT或UT）；对ZD、HZ型波纹管与端管（或设备筒体）的B类接头，按设备壳体环焊缝的要求进行RT或 UT。

对于端管、加强件（包括加强环、均衡环和套箍等），新版标准中的要求为，A、B类接头按照GB/T 150.4—2011《压力容器 第4部分：制造、检验和验收》［12］中第10.3条的规定进行RT或UT，这点与旧版标准基本相同。

（3）磁粉检测（MT）或渗透检测（PT） 新版标准中规定，凡符合下列条件之一的焊接接头应进行100%的PT或MT：①波纹管坯厚度不大于2 mm的A类接头内外表面（新增内容）。②多层波纹管两直边端部的端口焊接表面或滚焊封边表面（与旧版标准基本相同）。③ZX、ZD、HZ型波纹管的A、B、C、D、E 类接头和搭接角接头表面（与旧版标准基本相同）。④ZX型波纹管直边与端管（或设备筒体）采用内插或外套连接的B类接头（或被端管、加强环、套箍等所覆盖的B类接头），即锁底V型坡口对接接头（新增内容）。⑤ZX、ZD、HZ型波纹管成形后A类接头的内外可触及表面（新增内容）。⑥多层焊要求层间表面无损检测的焊缝（新增内容）。⑦缺陷的修磨表面（与旧版标准基本相同）。

1.9.3 尺寸公差和形位公差

（2）垂直度 新版标准中对垂直度的要求为，波纹管两端面应平行，且与中心线垂直，其垂直度不大于0.01DN与3 mm二者中较小值。而老标准的规定为，波纹管垂直度不大于0.004Lb。

（3）同轴度 新版标准中规定，波纹管两端面应同心，其同轴度公差应符合新版标准中表17的规定。而旧版标准规定为，波纹管同轴度不大于0.005DN与2 mm二者中较小值。

（4）曲率半径要求 新版标准中新增了曲率半径要求，对 U 形波纹管的要求为∣ric（或 rir）-ri名义∣≤0.1ri名义。 此式与表 2中的∣ric-rir∣≤0.2ri是等效的，波峰、波谷名义曲率半径 ri名义≈ri=（ric+rir）/2 或 ri名义≈rm-（nt）/2。 对 Ω 形波纹管的要求见表2。

（5）偏斜角 新版标准中新增了偏斜角要求，U形波纹管的侧壁相对于中性位置的偏斜角β应满足 -15°≤ β≤15°。

1.10 修订了检验与验收要求

1.10.1 耐压试验

对无加强U形、HZ型波纹管，试验压力下的波距与加压前波距之比大于1.15（即波距变化率大于15%），即认为膨胀节平面失稳。这点新、旧版标准的规定完全相同。

新版标准中增加了加强U形和Ω形波纹管耐压试验要求，即试验压力下的波距与加压前波距之比大于1.20（波距变化率大于20%），即认为膨胀节平面失稳。需要注意的是，新版标准中第7.4.6.2条、第7.5.6.2条指出加强U形和Ω形波纹管无平面失稳倾向，此项规定前后矛盾。

1.10.2 泄漏试验

新版标准中规定，对于介质毒性危害程度为极度、高度危害，或设计上不允许有微量泄漏的波形膨胀节应进行泄漏试验（含气密性试验）。而旧版标准要求为，对于易燃、易爆、毒性程度为极度、高度危害介质，或设计上不允许有微量泄漏的波形膨胀节应进行气密性试验。

新版标准中规定，膨胀节的泄漏试验（含气密性试验）压力等于设计压力。笔者认为，此项规定宜改成气密性试验压力等于设计压力，这样才符合GB 150.4—2011和 TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》［13］的要求。而旧版标准中的相应规定为，膨胀节的气密性试验压力等于设计压力。

1.11 修订和扩充了U形膨胀节标准系列的波形参数

新版标准中对U形膨胀节标准系列的波形参数进行了修订和扩充，新、旧版标准中U形膨胀节标准系列波形对比见表5。

表5 新旧版标准中U形膨胀节标准系列波形参数对比

2 新版标准使用过程中出现的争议及分析

2.1 多循环工况下疲劳累计损伤问题的考虑方法

新版标准的主要参考文献——EJMA—2015中一直有疲劳累计损伤考虑方法的内容，且分为并存条件（应力可叠加）和独立条件（应力不可叠加）2种模式或方法来考虑，但是新版标准中没有引用。ASME BPVC.Ⅷ-1—2017附录26第4.2节考虑了多工况的叠加应力交变循环产生的累计损伤，该方法仅是按EJMA—2015的并存条件进行了考虑。

压力容器用膨胀节经常会处于各种循环工况，例如开/停车工况、正常压力温度交变工况、清洗工况和事故工况等，不同的工况对应不同的应力循环，每种工况下循环的次数都不可忽略，有的循环次数甚至超过106，最终会造成膨胀节的累计损伤。

因此笔者建议，今后应在新版标准中完善疲劳累计损伤的内容，以进一步扩大新版标准的适用范围。否则，超出范围后，设计单位需按疲劳分析设计，而大部分设计单位没有分析设计资质。

2.2 HZ型膨胀节不适应疲劳工况问题

在新版标准HZ型膨胀节子午向总应力范围σt的计算公式中，已经考虑了计算修正系数Ch=2.0，说明HZ型膨胀节应该是可以用于疲劳工况的，但这与新版标准第5.2节表4对Ⅲ型的规定（无疲劳设计要求）不一致。

Ch取2.0来源于EN13445-3—2014第14节，而EN 13445-3—2014允许采用与一般U形膨胀节类似的公式对HZ型膨胀节进行疲劳计算，新版标准认为HZ型膨胀节不适用于疲劳工况的规定过于保守。计算公式中的Ch取2.0，就是考虑了环焊缝的疲劳减弱系数，疲劳减弱系数与焊缝条件、表面条件及体积、表面无损检测程度有关。但新版标准的第8.5节规定，对HZ型膨胀节的对接B类焊缝，既要进行 100%的RT或 UT，又要进行 100%的 MT或 PT。 按 ASME BPVC.Ⅷ-2—2017的表5.13，如果对焊缝表面又进行了机械打磨，则Ch=1.0；如果焊缝表面仍为焊态，则Ch=1.2。由于HZ型膨胀节的对接直边长度（me、mi）很短，对压力和位移引起应力的影响也很小。因此，采用Ch=2.0进行疲劳计算仍旧偏于安全。除此之外，EN 13445-3—2014第14节还指出，允许碳素钢和低合金钢制膨胀节用于疲劳工况，且直接采用相应的焊接元件疲劳设计曲线进行疲劳计算。

因此笔者建议，参照ASME BPVC.Ⅷ-1—2017附录26，在新版标准中将Ch当作疲劳强度减弱系数Kg，以扩大有环焊缝的HZ型膨胀节的适应范围，使其也能适应疲劳工况。

2.3 膨胀节标记方法中公称压力填写问题

旧版标准附录A中根据不同材质的不同条件形成了各规格膨胀节的厚度、单波刚度、单波位移系列对照表。而新版标准的附录A内仅有波形参数，取消了旧版标准系列中的公称压力、壁厚、单波刚度及单波最大允许位移等参数，这些参数只能由设计者自行设计计算来确定，无法像旧版标准一样选用标准系列的膨胀节。

笔者建议，在膨胀节的标记方法中，取消公称压力PN一栏，或改为设计压力p。

2.4 膨胀节直边长度控制问题

在新版标准附录A的表A.2中，对于整波胀形的ZD型膨胀节，直边长度的规定不太合理。此规定仅适应于分两半波冲压的HZ型膨胀节，可防止因Lt太长，半波冲压成形时直边段因过度拉伸变形而开裂。

但是，ZD型膨胀节的直边长度Lt也不能太大。如果直边段厚度小于相连接筒体厚度，且Lt>，则需增加套箍,使即

2.5 许用疲劳次数范围过小问题

从新版标准中的预期寿命计算公式Nd≤［Nc］=Nc/nf=（102～106）/15 可以看出，许用疲劳次数［Nc］的范围很小（6.7～66 000）。如许用疲劳次数超出适应范围，就无法采用此标准进行设计。

在 ASME BPVC.Ⅷ-1—2017的附录 26以及EN 13445-3—2014第14节中，疲劳计算公式中已经考虑运用2个安全系数 （循环次数安全系数为3，应力安全系数为1.25）对疲劳曲线进行了修正，许用疲劳次数可以在102～106，比新版标准中的许用疲劳次数（6.7～66 000）要大得多［7，9，14-15］。EN 13445-3—2014第14节中还允许对铁素体钢制膨胀节直接采用相应的焊接元件疲劳设计曲线进行计算，许用疲劳次数可以在102～108。

鉴于新版标准中的许用疲劳次数范围太小，笔者建议，如许用疲劳次数超出适用范围，允许参照 ASME BPVC.Ⅷ-2—2017或 JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准（2005年确认）》［16］直接采用疲劳设计曲线进行疲劳分析，以进一步扩大新版标准的适用范围。

2.6 疲劳计算公式中σt修正系数或疲劳曲线下限修正系数取值问题

EJMA—2015中已经增加了疲劳曲线下限修正系数fc（fc=1），相对以前版本进行了改进。ASME BPVC.Ⅷ-1—2017附录26采用的是疲劳减弱系数Kg。Kg与fc含义类似，都是对总应力进行修正（Kg=1/fc），仅符号不同。

新版标准与EJMA—2015是保持同步的，也采用 σt修正系数或疲劳曲线下限修正系数 fc，fc=1表示疲劳计算公式仅是基于平均疲劳曲线来预测疲劳寿命。要确保最低疲劳寿命满足设计规范 （如 GB 150.1～150.4—2011、ASME BPVC.Ⅷ-1—2017、ASME BPVC.Ⅷ-2—2017或欧盟承压设备指令PED）的要求，就需取fc<1的值来修正疲劳曲线下限或增加安全系数，此时的fc是作为疲劳计算的应力安全系数来使用。新版标准中采用的循环次数安全系数nf≥15，σt修正系数fc恒定取1，即对应力不进行修正。

由于EJMA—2015中没有提供任何安全系数，故其计算出的疲劳寿命只是平均疲劳寿命，设计者需依据设计规范和设计经验确定循环次数安全系数或者应力安全系数。而ASME BPVC.Ⅷ-1—2017附录26和EN 13445-3—2014第14节的疲劳计算公式中已经考虑运用2个安全系数对疲劳曲线进行了修正，计算得出的次数就是许用循环次数。

此外，根据EJMA—2015，也可依据波纹管焊接接头的类型和无损检测的组别来确定焊接接头的等级，对fc分别取不大于1的各种值。EJMA—2015 中只列举了当 St=846 MPa（122 709 PSI），fc分别为1.0、0.9、0.5时对疲劳次数影响的示例，这是借用了EN 13445-3—2014图18-12中的焊缝疲劳等级。其实，在EN 13445-3—2014第14.5.8.2 c）节中，对HZ型膨胀节的总应力范围直接采用系数2进行修正，此数值就相当于新版标准中的Ch=2.0，也可以认为Ch=1/fc=1/0.5=2，fc=0.5就是依据波纹管焊接接头的类型和无损检测的组别来确定焊缝等级后偏保守的取值，即fc是作为焊缝疲劳强度增强系数 （即疲劳减弱系数Kg的倒数）来使用的。

因此，fc既可以作为疲劳计算的应力安全系数使用，又可以作为焊缝的疲劳强度增强系数使用。新版标准也可以对fc的应用进行同样的补充规定，以进一步扩大新版标准的适用范围。

3 结语

文中对GB/T 16749—2018的主要修订内容进行了介绍，并与1997版标准进行了对比，有助于对新版标准的理解和运用。提出了在新版标准使用过程中出现的一些有争议的问题，借鉴EJMA—2015、ASME BPVC.Ⅷ-1—2017、ASME BPVC.Ⅷ-2—2017和EN 13445-3—2014等标准，对争议问题进行了分析，并对解决方案进行了探讨，可为今后进一步完善GB/T 16749—2018的内容和扩大其适用范围提供参考。