压力容器分析设计国家标准技术进展

2022-07-10杨国义陈志伟章小浒元少昀黄勇力

压力容器 2022年5期

李军，杨国义，陈志伟，段瑞，章小浒，崔军，元少昀，黄勇力

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100029；2.全国锅炉压力容器标准化技术委员会，北京 100029；3.中国石化工程建设有限公司，北京 100101；4.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

压力容器分析设计标准是我国压力容器标准体系中两大核心产品建造方法标准之一，也是我国与美国和欧盟压力容器标准体系中的核心标准相对应的标准。

美国ASME Ⅷ-2《压力容器另一建造规则》是压力容器的分析设计方法篇。该标准于1968年首次出版，经过多次修订，2007版与上一版本相比做了较大调整，其中抗拉强度安全系数由 3.0调整至2.4，建立了以失效模式为主线的标准编制原则，同时引入了弹塑性分析方法。

EN 13445《非直接受火压力容器》作为欧盟1997年实施的《承压设备指令》的协调标准于2002年首次颁布。从首次颁布版本开始，覆盖了压力容器的材料、设计、制造和检验，其中规定了抗拉强度安全系数为2.4，涵盖了蠕变在内的8种失效模式，给出了用于设计的直接法，即弹塑性分析方法。

我国于1995年首次制定并发布实施了JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》，该标准主要借鉴ASME Ⅷ-2理念并参照其他欧洲工业发达国家等相应标准编制而成。标准技术内容借鉴了ASME Ⅷ-2的标准成果，同时在材料、制造、检验和验收以及管理方面结合了我国国情和当时的技术发展水平；在应力分析方法上结合当时的技术成果进行梳理整合，进而形成了具有我国技术特色的压力容器分析设计标准。该标准有效支撑了按分析设计方法实现压力容器合理建造，完善了我国压力容器标准体系建设，对形成与美国、欧盟并驾齐驱的世界三大压力容器标准体系起到了至关重要的作用。为了延续其有效性，2005年根据标准化管理的需要，对其内容进行了确认，重新出版了2005年确认版，该版在技术内容上无变化，仅是修订了编辑上的个别错误。

随着压力容器建造技术的发展和进步，尤其随着计算机技术的应用，该标准的某些技术内容已明显滞后，其中没有涵盖新研制的材料、缺少现代分析技术(如弹塑性分析、蠕变分析等)具体技术要求、制造检验验收要求也不尽合理；另外，TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》实施后，该标准已与法规的相关要求不匹配。标准的修订工作已迫在眉睫。同时，近些年来随着国家在科技领域的重视和大量投入，在众多科研课题的支撑下，涌现出很多压力容器用材料[1-9]、不同结构的设计计算方法[10-18]、无损检测方法[19-21]、分析设计软件[22-23]等技术成果。在此背景下，基于JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》近25年实施的经验积累，以及现代压力容器建造理念的变化，在现有压力容器相关科技成果基础上，结合材料、制造、检验验收技术发展及能力的提升，全国锅炉压力容器标准化技术委员会向国家标准化管理委员会提出该标准修订计划项目建议书，并实施该标准的具体制修订。

1 标准结构

压力容器分析设计标准作为和GB/T 150并行的压力容器核心建造方法标准，考虑到标准内容较多和使用便捷性及今后制修订便利性等，参照EN 13445标准的结构设置，本次标准修订在标准体例上与GB/T 150保持一致，分成了6个部分，分别是：(1)压力容器分析设计第1部分：通用要求;(2)压力容器分析设计第2部分：材料;(3)压力容器分析设计第3部分：公式法;(4)压力容器分析设计第4部分：应力分类方法;(5)压力容器分析设计第5部分：弹塑性分析方法;(6)压力容器分析设计第6部分：制造、检验和验收。

2 适用范围

标准提供了以弹性应力分析或弹塑性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法，规定了采用分析设计方法设计的容器材料、设计、制造、检验和验收的方法和要求。

欧盟标准EN 13445是欧盟承压设备指令的协调标准，其适用范围为设计压力大于0.05 MPa的压力容器；同时也规定设计压力低于0.05 MPa，甚至是外压容器也可使用此标准，没有给出上限。美国标准ASME Ⅷ-2适用于设计压力低于68.95 MPa的所有容器。我国分析设计标准适用于设计压力大于或等于0.1 MPa且小于100 MPa的容器和真空度高于或等于0.02 MPa的容器。设计温度范围按标准材料适用温度和设计方法的适用温度范围来确定。

本标准不适用于设计压力低于0.1 MPa且真空度低于0.02 MPa的容器、旋转或往复运动机械设备中自成整体或作为部件的受压器室、核能装置中存在中子辐射损伤失效风险的容器、直接火焰加热的容器。

3 全面具体引入基于失效模式的设计理念

容器的失效模式是指容器丧失其规定功能或者危及安全的事件及其本质原因。该标准首次全面将基于失效模式的设计理念引入美国压力容器核心建造方法标准，以失效模式为主线作为标准的编排思路，并将失效模式分为标准涵盖的失效模式和工程上应考虑的失效模式两类。

标准参照ISO 16528-1—2007《锅炉和压力容器第1部分：性能要求》的相关技术内容，此处给出13种失效模式的定义。涵盖的压力容器失效模式包括脆性断裂失效、塑性垮塌失效、局部过度应变失效、棘轮失效、疲劳失效、泄漏失效等，分为短期失效模式、长期失效模式、循环失效模式共三类。针对13种失效模式在相应章节给出了相应的选材、设计和结构要求；同时，明确强调标准不可能涵盖压力容器涉及的所有失效模式，除本标准所涵盖的失效模式外，设计人员在设计时还应充分考虑容器在运行过程中可能出现的其他失效模式，如介质腐蚀、氢脆等，这些失效模式在本标准中定义为工程上应考虑的失效模式。

(1) 短期失效模式：脆性断裂、韧性断裂、过量变形、屈曲；

(2) 长期失效模式：蠕变断裂、蠕变过量变形、蠕变失稳、腐蚀和磨蚀、环境介质导致的裂纹开裂；

(3) 循环失效模式：棘轮或称渐增塑性变形、交替塑性、疲劳、腐蚀疲劳。

4 标准的关键技术要点

标准吸收了近些年我国大量的科研成果，从材料、设计方法、无损检测方法、新结构形式以及热处理工艺等5方面具有明显的变化。

4.1 引入了材料研究成果

随着国内冶炼技术水平的进步和装备能力的提高，材料的性能逐步提高，各种高强、耐低温新材料不断推出。本次标准修订引入了适合压力容器分析设计方法的我国压力容器专用材料标准中的材料；同时该标准作为被TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和TSG R0005《移动式压力容器安全技术监察规程》所引用的协调标准，材料的许用应力根据材料强度的标准保证值和相应的安全系数计算所得。其中固定式压力容器室温下的抗拉强度和设计温度下的屈服强度对应的安全系数调整为2.4和1.5，与新版EN 13445和ASME Ⅷ-2标准中的安全系数相同。

钢板部分列入了GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中12个牌号中的11个牌号(07Cr2AlMoR由于用量极少未列入)、GB/T 3531—2014《低温压力容器用钢板》标准中全部6个牌、GB/T 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》标准中的所有4个牌号、GB/T 24511—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》标准中的所有33个牌号(包括3个铁素体不锈钢牌号、8个双相不锈钢和22个奥氏体不锈钢)。复合板列入了NB/T 47002.1～4—2019压力容器用复合板系列标准，4种复合板均增加了轧制复合板。钢管部分取消了GB/T 8163—2018《输送流体用无缝钢管》标准中的所有牌号，列入了GB/T 9948—2013《石油裂化用无缝钢管》标准中的10，20，12CrMo，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2Mo和12Cr5Mo钢管，GB/T 6479—2013《高压化肥设备用无缝钢管》标准中的10，20，Q345(C,D,E系列)，12CrMo，15CrMo和12Cr2Mo钢管。低温钢管列入了NB/T 47019.4—2021《锅炉、热交换器用管订货技术条件第4部分：低温用低合金钢》标准中的Q345E，09MnD，09MnNiD和08Ni3MoD。钢锻件部分列入了NB/T 47008～NB/T 47010—2017承压设备用锻件系列标准中的所有锻件牌号。

本次修订标准，首次将压力容器受压元件用焊接材料纳入产品建造方法标准，焊接材料应符合NB/T 47018—2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》的规定，其熔敷金属拉伸性能(抗拉强度)不得低于母材标准规定的下限值。熔敷金属冲击吸收能量不宜低于母材标准规定的下限值，当冲击吸收能量低于母材标准规定的下限值时，应按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的方法制作焊接试件。

4.2 给出了三种设计方法

标准给出了压力容器分析设计的三类种设计方法，每类种设计方法分别针对一定的失效模式提供了设计准则，对于同一类种失效模式，通过任意一类种方法校核通过，即满足标准的设计要求。

4.2.1 公式法

公式法是采用解析公式或根据图表等对筒体、封头、锥壳、平盖、法兰、管板等典型受压元件以及外压壳体和壳体开孔补强提出的成体系的分析设计方法。该方法规定了按分析设计建造的压力容器典型受压元件及结构的设计要求，详细给出了常用受压元件的厚度计算公式或应力计算公式。在JB 4732—1995的基础上，对各类内压壳体、固定管板换热器、U形管换热器和浮头式换热器的管板应力分析、开孔补强的计算方法作了较大修订，并基于工程需要增加了除压力之外，还承受其他外力和力矩作用的圆筒、球壳和锥壳的应力评定方法，对外压壳体采用了全新的设计计算方法，给出了大、小加强圈设计原则和各类典型受压元件基于许用压缩应力的外压设计方法，平盖、法兰及焊接接头等章节的内容均作了较大的修改和增补。公式法采纳了基于失效模式的设计理念，受压元件的设计方法考虑了塑性垮塌、屈曲、局部过度应变、泄漏等4种主要的失效模式。与JB 4732—1995中对应内容不同的是，修订后的公式法提高了实用性，可独立用于适用条件下的压力容器应力分析设计，而不仅仅用于确定受压元件的初始厚度。

4.2.2 应力分类法

在继承JB 4732—1995第5章应力分类法内容的基础上，吸收近年来国外主流分析设计标准的设计理念，经重新编排给出了基于弹性应力分析的防止塑性垮塌、局部过度应变、棘轮、疲劳共4种失效模式的设计方法。标准采用第四强度理论计算当量应力，明确了分析设计的基本流程；同时增加了疲劳设计曲线的适用循环次数和对弹性应力进行线性化处理方法等新内容。

4.2.3 首次引入弹塑性分析法

应力分类法本质上是在计算手段不够多的时期，采用弹性力学技术解决塑性问题的替代手段。随着计算机硬件的发展和商用有限元软件的日趋成熟，在工程上直接采用弹塑性分析成为可能。以EN 13445—2002和ASME Ⅷ-2—2007作为标志，基于有限元技术的弹塑性分析开始逐渐成为下一代压力容器分析设计的主流方法。

该标准首次在我国承压设备核心建造方法标准中引入基于有限元技术的弹塑性分析法。不仅明确提出了防止局部过度应变、屈曲、疲劳、棘轮等失效模式的弹塑性评定方法；同时还给出了创建有限元模型，材料应力应变模型，失效评定准则等详细要求和具体的评定步骤。

4.3 引入了新无损检测技术

在容器制造和使用过程中，无损检测是保证产品质量和安全使用的有效手段。对于压力容器设计者而言，无损检测方法和合格级别的确定以及实施时机的选择尤为重要，该标准增加了无损检测方法选择、无损检测实施时机的规定、增加了对射线和超声检测技术等级的要求。

超声检测是容器的主要检测方法之一，近些年随着超声检测技术的发展，出现了许多基于超声技术的新检测方法，例如衍射时差超声检测(TOFD)、相控阵超声检测(PAUT)。该标准增加了以上两种检测方法，并规定了合格级别；同时增加了多种检测方法组合检测的要求。

4.4 增加了新结构形式

多层包扎压力容器包括多层筒节包扎压力容器和多层整体包扎容器。锻焊式压力容器是指筒体是采用整体锻造而成，没有纵焊缝的容器。套合式压力容器是采用高于室温的热套合或者低于室温的冷套合将存在一定过盈量的筒体组合起来的容器。钢带错绕式压力容器是由内筒和错绕钢带层组成的筒体与封头焊接后制造而成的容器，是我国独创的一种压力容器结构型式，已为美国ASME标准采纳。钢带错绕式压力容器的筒体以结构保证“先漏后爆”，在氢能领域使用表现出相对的安全性优势。

标准除了在正文中给出单层板焊结构压力容器的要求外；还在附录中给出了以上4种容器的制造、检验和验收的要求。

4.5 规范了热处理工艺

焊后热处理保温温度、保温时间，局部热处理的加热带、均温带和隔热带范围，热处理炉内气氛，容器及其受压元件上测温点的布置均按照GB/T 30583—2014《承压设备焊后热处理规程》的规定。

当判定制造过程是否破坏了材料出厂热处理状态时，以及确定热成形工艺参数和恢复材料性能热处理的工艺规范时，均需参考材料出厂的热处理规范，因此该标准规定材料供应商应提供材料制造单位材料出厂时的热处理工艺规范。

5 标准修订的意义

我国承压设备标准体系是随着经济发展和技术进步逐步更新的过程，目前主要分为建造方法与性能标准、基础性支撑标准以及运行维护标准。标准体系框架图如图1所示。核心建造方法标准包括锅炉、压力容器和压力管道三大类承压设备的基础建造方法标准，其中压力容器标准体系中有两个最主要的核心建造方法标准，分别是基于规则设计方法的GB/T 150—2011《压力容器》和基于分析设计方法的JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》，两项标准提供了压力容器选材、设计、制造和检验的基础方法，是其他特定建造方法标准制定的依据和基础。前者适用于设计压力小于等于35 MPa的容器；后者适用于设计压力小于100 MPa的容器。压力容器分析设计标准的修订对压力容器高质量发展和其他压力容器相关标准修订具有重要的促进作用。