| 壓力容器設(shè)計(jì)中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的探討 |
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全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) 秘書長(zhǎng) 壽比南 摘 要 GB150-1998《鋼制壓力容器》實(shí)施二年來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)使用者相繼提出了一些標(biāo)準(zhǔn)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，有些是使用者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的偏差，有些則值得進(jìn)一步研究和探討。本文重點(diǎn)討論了GB150-1998《鋼制壓力容器》和新版《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》實(shí)施過(guò)程中的某些問(wèn)題，并闡述了作者自己的見(jiàn)解，希望能夠?qū)κ褂谜哂兴砸妗?br /> 前 言 GB150-1998《鋼制壓力容器》實(shí)施后，于一九九九年頒布了新版《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，使得壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)得到了更為有效的控制。通過(guò)大量的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)宣貫活動(dòng)以及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)提案審查制度的有效實(shí)施，我們從各方面收集到一些在標(biāo)準(zhǔn)使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，其內(nèi)容涉及到壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及管理等諸方面，我們對(duì)這些問(wèn)題分別進(jìn)行了研究并提出了相應(yīng)的處理意見(jiàn)。為了使廣大標(biāo)準(zhǔn)使用者能夠更好地理解和使用GB150及“容規(guī)”，壓力容器產(chǎn)品的安全和質(zhì)量，全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在開(kāi)設(shè)的網(wǎng)站： www.cnscpv.org.cn上先后公布了對(duì)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)條款的解釋。本文擬就其中一些有共性的問(wèn)題進(jìn)行探討，詳細(xì)闡述相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)條款的含義，以期加深使用者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的理解，使業(yè)內(nèi)人員在壓力容器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)上能夠正確地運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。必須聲明的是，本文只代表個(gè)人觀點(diǎn)，作者不對(duì)任何與本文技術(shù)內(nèi)容有關(guān)的法律糾紛負(fù)責(zé)。 1. 壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命問(wèn)題 壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命問(wèn)題一直是我國(guó)的設(shè)計(jì)單位和設(shè)計(jì)者盡量避免涉及和回避的問(wèn)題，其主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，受技術(shù)條件、管理體制和人員觀念等因素的制約，設(shè)計(jì)者對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命大都不愿或難以給出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)值，從而導(dǎo)致壓力容器超期服役現(xiàn)象的存在；其次，由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)條文對(duì)超期服役的壓力容器進(jìn)行必要的規(guī)定和限制，使得其使用和檢驗(yàn)缺乏有效的依據(jù)，處理不好客觀上會(huì)造成重大的安全隱患。但由于種種原因，壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命問(wèn)題一直沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。 事實(shí)上，壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)該由設(shè)計(jì)者在圖樣上標(biāo)注，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到影響容器使用壽命的因素，主要有： ★ 材料的力學(xué)性能如高溫蠕變和高溫?cái)嗔褜?duì)時(shí)間的依賴性； ★ 腐蝕裕量中包含的設(shè)計(jì)壽命因素； ★ 載荷如周期性載荷等的時(shí)間性； ★ 違規(guī)操作或惡劣環(huán)境等非正常因素。 因此，正確的設(shè)計(jì)途徑應(yīng)是：設(shè)計(jì)者在確定容器設(shè)計(jì)使用壽命的基礎(chǔ)上，充分地考慮以上四個(gè)因素的影響，合理地選擇材料、確定腐蝕裕度、提出制造、檢驗(yàn)和操作要求等等。 GB150-1998《鋼制壓力容器》的第3.3.5.2條明確規(guī)定：“應(yīng)根據(jù)預(yù)期的容器壽命和介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕速率確定腐蝕裕量”，也就是說(shuō)腐蝕裕量等于年腐蝕速率乘以容器設(shè)計(jì)壽命，在腐蝕速率中不僅包括介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕，也包括介質(zhì)流動(dòng)時(shí)對(duì)容器材料的沖蝕和磨蝕。在標(biāo)準(zhǔn)中，由設(shè)計(jì)者確定的容器設(shè)計(jì)使用壽命是設(shè)計(jì)時(shí)確定腐蝕裕量的一個(gè)重要前提。無(wú)獨(dú)有偶，新版《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的第32條規(guī)定：“為防止壓力容器超壽命運(yùn)行引發(fā)安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)單位一般應(yīng)在設(shè)計(jì)圖樣上注明壓力容器設(shè)計(jì)使用壽命”，也明確了設(shè)計(jì)單位在確定壓力容器設(shè)計(jì)使用壽命上的責(zé)任。應(yīng)該指出，壓力容器的設(shè)計(jì)壽命不一定等于實(shí)際使用壽命，它僅僅是設(shè)計(jì)者根據(jù)容器預(yù)期的使用條件而給出的估計(jì)，其作用是提醒使用者，當(dāng)超過(guò)壓力容器的設(shè)計(jì)壽命時(shí)應(yīng)采取必要的措施如：經(jīng)常測(cè)量厚度和縮短檢驗(yàn)周期等。 壓力容器的設(shè)計(jì)壽命是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到材料選用、腐蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列設(shè)計(jì)因素，能否準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)，反映了設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和水平。筆者認(rèn)為，無(wú)論是按國(guó)際壓力容器設(shè)計(jì)的慣例，還是為了提高設(shè)計(jì)的水平和權(quán)威性，都應(yīng)在圖紙上標(biāo)注壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命，這樣做才能真正體現(xiàn)對(duì)用戶和對(duì)設(shè)備安全高度負(fù)責(zé)的精神。 2. 壓力試驗(yàn)的免除問(wèn)題 GB150-1998《鋼制壓力容器》的第3.9條規(guī)定：“對(duì)不能按3.8的規(guī)定作壓力試驗(yàn)的容器，設(shè)計(jì)單位應(yīng)提出確保容器安全運(yùn)行的措施，并在圖樣上注明?！痹S多標(biāo)準(zhǔn)使用者對(duì)此條的理解存在偏差，歸納起來(lái)主要是需要弄清楚以下兩個(gè)問(wèn)題：一是在什麼情況下可以免除壓力試驗(yàn)？二是免除壓力試驗(yàn)后需要采取那些措施？ 事實(shí)上，壓力試驗(yàn)的免除僅僅針對(duì)那些不可能進(jìn)行壓力試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)組焊的大型壓力容器，如：催化裂化裝置中的有隔熱層的大型反應(yīng)器和再生器以及那些基礎(chǔ)不能承受液壓試驗(yàn)時(shí)水的重量的壓力容器等等。也就是說(shuō)，壓力試驗(yàn)之所以免除，是因?yàn)檫@些容器或者不具備做壓力試驗(yàn)的條件，或者根本就不允許做壓力試驗(yàn)?？傊?，免除意味著不能做而不是不去做，因此不能作為一般在制造廠內(nèi)生產(chǎn)的壓力容器不進(jìn)行壓力試驗(yàn)的依據(jù)。需要說(shuō)明的是，這里的壓力試驗(yàn)系指耐壓試驗(yàn)。 壓力試驗(yàn)免除的后果是減少了壓力容器制造過(guò)程中的一個(gè)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，當(dāng)然需要采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施以壓力容器的質(zhì)量和安全。所采取的措施取決于使用者和設(shè)計(jì)者對(duì)容器的要求，一般性的措施如下： ★ 提高對(duì)壓力容器材料的要求：即提高其化學(xué)成分、力學(xué)性能和檢驗(yàn)的要求； ★ 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求：即盡量采用全焊透接頭、避免出現(xiàn)嚴(yán)重的幾何不連續(xù)現(xiàn)象； ★ 提高無(wú)損檢測(cè)的比例和級(jí)別； ★ 提高容器的超壓瀉放的能力。 壓力試驗(yàn)是設(shè)計(jì)者需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，是否可以免除以及免除后應(yīng)采取哪些措施也是設(shè)計(jì)者需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)者不能也不應(yīng)該輕易提出免除壓力試驗(yàn)的要求，更不應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段忽略了免除壓力試驗(yàn)所應(yīng)該采取的措施，而在制造完成后提出免除壓力試驗(yàn)的要求。新版《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第30條規(guī)定：“對(duì)不能進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)性試驗(yàn)的，應(yīng)注明計(jì)算厚度和制造及使用的特殊要求，并應(yīng)與使用單位協(xié)商提出推薦的使用年限和安全的措施”。在即將提交技術(shù)委員審查的GB150-1998《鋼制壓力容器》的標(biāo)準(zhǔn)提案中，對(duì)于是否應(yīng)免除壓力試驗(yàn)，筆者提出了增加補(bǔ)充條款建議的提案，補(bǔ)充條款明確規(guī)定：免除壓力試驗(yàn)應(yīng)“由設(shè)計(jì)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)”。 3.低溫壓力容器的界限問(wèn)題 我國(guó)的低溫壓力容器界限一直人為地定義為-20℃，但其基礎(chǔ)是以鋼材U形缺口沖擊試樣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)。1982年以后，鋼材的韌性試驗(yàn)改用V形缺口沖擊試樣作為技術(shù)指標(biāo)，兩者相差很大，并波及到我國(guó)低溫壓力容器的界限問(wèn)題，并成為業(yè)內(nèi)人士爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，目前仍然是懸而未決的問(wèn)題。按現(xiàn)代壓力容器的設(shè)計(jì)理念，一臺(tái)特定的壓力容器是否屬于低溫壓力容器的范疇，應(yīng)根據(jù)以下幾個(gè)因素確定： ★ 壓力容器所用材料的低溫力學(xué)性能； ★ 壓力容器材料的熱處理狀態(tài)； ★ 材料的厚度； ★ 容器材料中的應(yīng)力狀態(tài)（實(shí)際應(yīng)力與許用應(yīng)力相比）。 考慮到上述因素，GB150-1998《鋼制壓力容器》的4.2.7條已經(jīng)對(duì)低溫壓力容器界限進(jìn)行了如下修正： a) 使用溫度低于0℃時(shí)：厚度大于25mm的20R，厚度大于38mm的16MnR，15MnVR和15MnVNR，任意厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR和Cr-Mo鋼板； b) 使用溫度低于-10℃時(shí)：厚度大于12mm的20R，厚度大于20mm的16MnR，15MnVR和15MnVNR。 上述范圍內(nèi)的壓力容器的低溫沖擊功指標(biāo)根據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值按附錄C確定。有提案者建議將此范圍內(nèi)的壓力容器列入低溫壓力容器的管轄范圍，其制造、檢驗(yàn)等方面的要求也應(yīng)滿足GB150-1998附錄C的規(guī)定，目前該提案已提交技術(shù)委員審查。 4.允許工作壓力問(wèn)題 按GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B中的B2.1條的定義，允許工作壓力“指在設(shè)計(jì)溫度下，容器頂部所允許承受的表壓力，該壓力是根據(jù)容器殼體的有效厚度計(jì)算所得，且取小值”。允許工作壓力的作用是設(shè)定容器超壓限度的起始?jí)毫?，充分利用容器的圓整厚度，盡量拉大工作壓力與安全閥或爆破片瀉放壓力之間的壓力差，使壓力容器的工作更為平穩(wěn)。當(dāng)采用允許工作壓力作為設(shè)定容器超壓限度的起始?jí)毫r(shí)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮用允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)。對(duì)此，GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B中的 B4.1條已經(jīng)有了明確規(guī)定。本文討論的是容器允許工作壓力的計(jì)算問(wèn)題。 容器的允許工作壓力應(yīng)根據(jù)容器中包含的所有受壓元件的設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)尺寸予以確定，原則上依據(jù)各受壓元件的有效厚度計(jì)算得到。容器的允許工作壓力可按下式確定： 式中的分別代表容器圓筒、封頭、法蘭、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等受壓元件依據(jù)各自的設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算所得到的分別對(duì)應(yīng)于該元件的允許工作壓力。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，是否需要提高容器的超壓限度，是決定是否采用允許工作壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)前提條件。應(yīng)該說(shuō)，GB150中的允許工作壓力定義不夠準(zhǔn)確，筆者在送審的標(biāo)準(zhǔn)提案中已經(jīng)給出了修訂方案，即“該壓力是根據(jù)容器各承壓元件的有效厚度計(jì)算所得，且取小值?！?br /> |
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