| 壓力容器設(shè)計中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問題的探討 |
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全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會 秘書長 壽比南 摘 要 GB150-1998《鋼制壓力容器》實施二年來，標(biāo)準(zhǔn)使用者相繼提出了一些標(biāo)準(zhǔn)使用過程中出現(xiàn)的問題，有些是使用者對標(biāo)準(zhǔn)理解的偏差，有些則值得進一步研究和探討。本文重點討論了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》實施過程中的某些問題，并闡述了作者自己的見解，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、制造、檢驗等環(huán)節(jié)得到了更為有效的控制。通過大量的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)宣貫活動以及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)提案審查制度的有效實施，我們從各方面收集到一些在標(biāo)準(zhǔn)使用過程中遇到的問題，其內(nèi)容涉及到壓力容器的設(shè)計、制造、檢驗及管理等諸方面，我們對這些問題分別進行了研究并提出了相應(yīng)的處理意見。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，全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會在開設(shè)的網(wǎng)站： www.cnscpv.org.cn上先后公布了對《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題進行探討，詳細闡述相關(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、制造、檢驗等環(huán)節(jié)上能夠正確地運用標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。必須聲明的是，本文只代表個人觀點，作者不對任何與本文技術(shù)內(nèi)容有關(guān)的法律糾紛負責(zé)。 1. 壓力容器的設(shè)計使用壽命問題 壓力容器的設(shè)計使用壽命問題一直是我國的設(shè)計單位和設(shè)計者盡量避免涉及和回避的問題，其主要表現(xiàn)在以下兩個方面：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)計者對壓力容器的設(shè)計使用壽命大都不愿或難以給出準(zhǔn)確的預(yù)報值，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)條文對超期服役的壓力容器進行必要的規(guī)定和限制，使得其使用和檢驗缺乏有效的依據(jù)，處理不好客觀上會造成重大的安全隱患。但由于種種原因，壓力容器的設(shè)計使用壽命問題一直沒有得到應(yīng)有的重視。 事實上，壓力容器的設(shè)計使用壽命應(yīng)該由設(shè)計者在圖樣上標(biāo)注，設(shè)計者在設(shè)計時應(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斷裂對時間的依賴性； ★ 腐蝕裕量中包含的設(shè)計壽命因素； ★ 載荷如周期性載荷等的時間性； ★ 違規(guī)操作或惡劣環(huán)境等非正常因素。 因此，正確的設(shè)計途徑應(yīng)是：設(shè)計者在確定容器設(shè)計使用壽命的基礎(chǔ)上，充分地考慮以上四個因素的影響，合理地選擇材料、確定腐蝕裕度、提出制造、檢驗和操作要求等等。 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)對金屬材料的腐蝕速率確定腐蝕裕量”，也就是說腐蝕裕量等于年腐蝕速率乘以容器設(shè)計壽命，在腐蝕速率中不僅包括介質(zhì)對材料的腐蝕，也包括介質(zhì)流動時對容器材料的沖蝕和磨蝕。在標(biāo)準(zhǔn)中，由設(shè)計者確定的容器設(shè)計使用壽命是設(shè)計時確定腐蝕裕量的一個重要前提。無獨有偶，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行引發(fā)安全問題，設(shè)計單位一般應(yīng)在設(shè)計圖樣上注明壓力容器設(shè)計使用壽命”，也明確了設(shè)計單位在確定壓力容器設(shè)計使用壽命上的責(zé)任。應(yīng)該指出，壓力容器的設(shè)計壽命不一定等于實際使用壽命，它僅僅是設(shè)計者根據(jù)容器預(yù)期的使用條件而給出的估計，其作用是提醒使用者，當(dāng)超過壓力容器的設(shè)計壽命時應(yīng)采取必要的措施如：經(jīng)常測量厚度和縮短檢驗周期等。 壓力容器的設(shè)計壽命是一個復(fù)雜的問題，涉及到材料選用、腐蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等一系列設(shè)計因素，能否準(zhǔn)確地預(yù)計，反映了設(shè)計者的經(jīng)驗和水平。筆者認為，無論是按國際壓力容器設(shè)計的慣例，還是為了提高設(shè)計的水平和權(quán)威性，都應(yīng)在圖紙上標(biāo)注壓力容器的設(shè)計使用壽命，這樣做才能真正體現(xiàn)對用戶和對設(shè)備安全高度負責(zé)的精神。 2. 壓力試驗的免除問題 GB150-1998《鋼制壓力容器》的第3.9條規(guī)定：“對不能按3.8的規(guī)定作壓力試驗的容器，設(shè)計單位應(yīng)提出確保容器安全運行的措施，并在圖樣上注明。”許多標(biāo)準(zhǔn)使用者對此條的理解存在偏差，歸納起來主要是需要弄清楚以下兩個問題：一是在什麼情況下可以免除壓力試驗？二是免除壓力試驗后需要采取那些措施？ 事實上，壓力試驗的免除僅僅針對那些不可能進行壓力試驗的現(xiàn)場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)不能承受液壓試驗時水的重量的壓力容器等等。也就是說，壓力試驗之所以免除，是因為這些容器或者不具備做壓力試驗的條件，或者根本就不允許做壓力試驗。總之，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)的壓力容器不進行壓力試驗的依據(jù)。需要說明的是，這里的壓力試驗系指耐壓試驗。 壓力試驗免除的后果是減少了壓力容器制造過程中的一個檢驗環(huán)節(jié)，當(dāng)然需要采取相應(yīng)的補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)計者對容器的要求，一般性的措施如下： ★ 提高對壓力容器材料的要求：即提高其化學(xué)成分、力學(xué)性能和檢驗的要求； ★ 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求：即盡量采用全焊透接頭、避免出現(xiàn)嚴重的幾何不連續(xù)現(xiàn)象； ★ 提高無損檢測的比例和級別； ★ 提高容器的超壓瀉放的能力。 壓力試驗是設(shè)計者需要重點考慮的問題，是否可以免除以及免除后應(yīng)采取哪些措施也是設(shè)計者需要重點考慮的問題。設(shè)計者不能也不應(yīng)該輕易提出免除壓力試驗的要求，更不應(yīng)該在設(shè)計階段忽略了免除壓力試驗所應(yīng)該采取的措施，而在制造完成后提出免除壓力試驗的要求。新版《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第30條規(guī)定：“對不能進行耐壓試驗和氣密試驗性試驗的，應(yīng)注明計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，對于是否應(yīng)免除壓力試驗，筆者提出了增加補充條款建議的提案，補充條款明確規(guī)定：免除壓力試驗應(yīng)“由設(shè)計單位技術(shù)負責(zé)人批準(zhǔn)”。 3.低溫壓力容器的界限問題 我國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)計數(shù)據(jù)為依據(jù)。1982年以后，鋼材的韌性試驗改用V形缺口沖擊試樣作為技術(shù)指標(biāo)，兩者相差很大，并波及到我國低溫壓力容器的界限問題，并成為業(yè)內(nèi)人士爭論的焦點，目前仍然是懸而未決的問題。按現(xiàn)代壓力容器的設(shè)計理念，一臺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)對低溫壓力容器界限進行了如下修正： a) 使用溫度低于0℃時：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：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壓力，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壓力時，在設(shè)計中應(yīng)考慮用允許工作壓力代替設(shè)計壓力進行壓力試驗。對此，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算問題。 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、開孔補強等受壓元件依據(jù)各自的設(shè)計條件和結(jié)構(gòu)尺寸計算所得到的分別對應(yīng)于該元件的允許工作壓力。對設(shè)計者而言，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行壓力試驗前提條件。應(yīng)該說，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算所得，且取小值。” |
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