壓力容器分析設(shè)計國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)展

李 軍，楊國義，陳志偉，段 瑞，章小滸，崔 軍，元少昀，黃勇力

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，北京 100029；3.中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；4.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中兩大核心產(chǎn)品建造方法標(biāo)準(zhǔn)之一，也是我國與美國和歐盟壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中的核心標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

美國ASME Ⅷ-2《壓力容器另一建造規(guī)則》是壓力容器的分析設(shè)計方法篇。該標(biāo)準(zhǔn)于1968年首次出版，經(jīng)過多次修訂，2007版與上一版本相比做了較大調(diào)整，其中抗拉強度安全系數(shù)由 3.0調(diào)整至2.4，建立了以失效模式為主線的標(biāo)準(zhǔn)編制原則，同時引入了彈塑性分析方法。

EN 13445《非直接受火壓力容器》作為歐盟1997年實施的《承壓設(shè)備指令》的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)于2002年首次頒布。從首次頒布版本開始，覆蓋了壓力容器的材料、設(shè)計、制造和檢驗，其中規(guī)定了抗拉強度安全系數(shù)為2.4，涵蓋了蠕變在內(nèi)的8種失效模式，給出了用于設(shè)計的直接法，即彈塑性分析方法。

我國于1995年首次制定并發(fā)布實施了JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)主要借鑒ASME Ⅷ-2理念并參照其他歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)國家等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)編制而成。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容借鑒了ASME Ⅷ-2的標(biāo)準(zhǔn)成果，同時在材料、制造、檢驗和驗收以及管理方面結(jié)合了我國國情和當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展水平；在應(yīng)力分析方法上結(jié)合當(dāng)時的技術(shù)成果進(jìn)行梳理整合，進(jìn)而形成了具有我國技術(shù)特色的壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)有效支撐了按分析設(shè)計方法實現(xiàn)壓力容器合理建造，完善了我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，對形成與美國、歐盟并駕齊驅(qū)的世界三大壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系起到了至關(guān)重要的作用。為了延續(xù)其有效性，2005年根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理的需要，對其內(nèi)容進(jìn)行了確認(rèn)，重新出版了2005年確認(rèn)版，該版在技術(shù)內(nèi)容上無變化，僅是修訂了編輯上的個別錯誤。

隨著壓力容器建造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，尤其隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用，該標(biāo)準(zhǔn)的某些技術(shù)內(nèi)容已明顯滯后，其中沒有涵蓋新研制的材料、缺少現(xiàn)代分析技術(shù)(如彈塑性分析、蠕變分析等)具體技術(shù)要求、制造檢驗驗收要求也不盡合理；另外，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》實施后，該標(biāo)準(zhǔn)已與法規(guī)的相關(guān)要求不匹配。標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作已迫在眉睫。同時，近些年來隨著國家在科技領(lǐng)域的重視和大量投入，在眾多科研課題的支撐下，涌現(xiàn)出很多壓力容器用材料[1-9]、不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法[10-18]、無損檢測方法[19-21]、分析設(shè)計軟件[22-23]等技術(shù)成果。在此背景下，基于JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》近25年實施的經(jīng)驗積累，以及現(xiàn)代壓力容器建造理念的變化，在現(xiàn)有壓力容器相關(guān)科技成果基礎(chǔ)上，結(jié)合材料、制造、檢驗驗收技術(shù)發(fā)展及能力的提升，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會向國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會提出該標(biāo)準(zhǔn)修訂計劃項目建議書，并實施該標(biāo)準(zhǔn)的具體制修訂。

1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)作為和GB/T 150并行的壓力容器核心建造方法標(biāo)準(zhǔn)，考慮到標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容較多和使用便捷性及今后制修訂便利性等，參照EN 13445標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)置，本次標(biāo)準(zhǔn)修訂在標(biāo)準(zhǔn)體例上與GB/T 150保持一致，分成了6個部分，分別是：(1)壓力容器分析設(shè)計 第1部分：通用要求;(2)壓力容器分析設(shè)計 第2部分：材料;(3)壓力容器分析設(shè)計 第3部分：公式法;(4)壓力容器分析設(shè)計 第4部分：應(yīng)力分類方法;(5)壓力容器分析設(shè)計 第5部分：彈塑性分析方法;(6)壓力容器分析設(shè)計 第6部分：制造、檢驗和驗收。

2 適用范圍

標(biāo)準(zhǔn)提供了以彈性應(yīng)力分析或彈塑性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，規(guī)定了采用分析設(shè)計方法設(shè)計的容器材料、設(shè)計、制造、檢驗和驗收的方法和要求。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445是歐盟承壓設(shè)備指令的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，其適用范圍為設(shè)計壓力大于0.05 MPa的壓力容器；同時也規(guī)定設(shè)計壓力低于0.05 MPa，甚至是外壓容器也可使用此標(biāo)準(zhǔn)，沒有給出上限。美國標(biāo)準(zhǔn)ASME Ⅷ-2適用于設(shè)計壓力低于68.95 MPa的所有容器。我國分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計壓力大于或等于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。設(shè)計溫度范圍按標(biāo)準(zhǔn)材料適用溫度和設(shè)計方法的適用溫度范圍來確定。

本標(biāo)準(zhǔn)不適用于設(shè)計壓力低于0.1 MPa且真空度低于0.02 MPa的容器、旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動機械設(shè)備中自成整體或作為部件的受壓器室、核能裝置中存在中子輻射損傷失效風(fēng)險的容器、直接火焰加熱的容器。

3 全面具體引入基于失效模式的設(shè)計理念

容器的失效模式是指容器喪失其規(guī)定功能或者危及安全的事件及其本質(zhì)原因。該標(biāo)準(zhǔn)首次全面將基于失效模式的設(shè)計理念引入美國壓力容器核心建造方法標(biāo)準(zhǔn)，以失效模式為主線作為標(biāo)準(zhǔn)的編排思路，并將失效模式分為標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的失效模式和工程上應(yīng)考慮的失效模式兩類。

標(biāo)準(zhǔn)參照ISO 16528-1—2007《鍋爐和壓力容器 第1部分：性能要求》的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，此處給出13種失效模式的定義。涵蓋的壓力容器失效模式包括脆性斷裂失效、塑性垮塌失效、局部過度應(yīng)變失效、棘輪失效、疲勞失效、泄漏失效等，分為短期失效模式、長期失效模式、循環(huán)失效模式共三類。針對13種失效模式在相應(yīng)章節(jié)給出了相應(yīng)的選材、設(shè)計和結(jié)構(gòu)要求；同時，明確強調(diào)標(biāo)準(zhǔn)不可能涵蓋壓力容器涉及的所有失效模式，除本標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的失效模式外，設(shè)計人員在設(shè)計時還應(yīng)充分考慮容器在運行過程中可能出現(xiàn)的其他失效模式，如介質(zhì)腐蝕、氫脆等，這些失效模式在本標(biāo)準(zhǔn)中定義為工程上應(yīng)考慮的失效模式。

(1) 短期失效模式：脆性斷裂、韌性斷裂、過量變形、屈曲；

(2) 長期失效模式：蠕變斷裂、蠕變過量變形、蠕變失穩(wěn)、腐蝕和磨蝕、環(huán)境介質(zhì)導(dǎo)致的裂紋開裂；

(3) 循環(huán)失效模式：棘輪或稱漸增塑性變形、交替塑性、疲勞、腐蝕疲勞。

4 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)要點

標(biāo)準(zhǔn)吸收了近些年我國大量的科研成果，從材料、設(shè)計方法、無損檢測方法、新結(jié)構(gòu)形式以及熱處理工藝等5方面具有明顯的變化。

4.1 引入了材料研究成果

隨著國內(nèi)冶煉技術(shù)水平的進(jìn)步和裝備能力的提高，材料的性能逐步提高，各種高強、耐低溫新材料不斷推出。本次標(biāo)準(zhǔn)修訂引入了適合壓力容器分析設(shè)計方法的我國壓力容器專用材料標(biāo)準(zhǔn)中的材料；同時該標(biāo)準(zhǔn)作為被TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG R0005《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》所引用的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，材料的許用應(yīng)力根據(jù)材料強度的標(biāo)準(zhǔn)保證值和相應(yīng)的安全系數(shù)計算所得。其中固定式壓力容器室溫下的抗拉強度和設(shè)計溫度下的屈服強度對應(yīng)的安全系數(shù)調(diào)整為2.4和1.5，與新版EN 13445和ASME Ⅷ-2標(biāo)準(zhǔn)中的安全系數(shù)相同。

鋼板部分列入了GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中12個牌號中的11個牌號(07Cr2AlMoR由于用量極少未列入)、GB/T 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中全部6個牌、GB/T 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強度鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中的所有4個牌號、GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中的所有33個牌號(包括3個鐵素體不銹鋼牌號、8個雙相不銹鋼和22個奧氏體不銹鋼)。復(fù)合板列入了NB/T 47002.1～4—2019壓力容器用復(fù)合板系列標(biāo)準(zhǔn)，4種復(fù)合板均增加了軋制復(fù)合板。鋼管部分取消了GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中的所有牌號，列入了GB/T 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中的10，20，12CrMo，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2Mo和12Cr5Mo鋼管，GB/T 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中的10，20，Q345(C,D,E系列)，12CrMo，15CrMo和12Cr2Mo鋼管。低溫鋼管列入了NB/T 47019.4—2021《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件 第4部分：低溫用低合金鋼》標(biāo)準(zhǔn)中的Q345E，09MnD，09MnNiD和08Ni3MoD。鋼鍛件部分列入了NB/T 47008～NB/T 47010—2017承壓設(shè)備用鍛件系列標(biāo)準(zhǔn)中的所有鍛件牌號。

本次修訂標(biāo)準(zhǔn)，首次將壓力容器受壓元件用焊接材料納入產(chǎn)品建造方法標(biāo)準(zhǔn)，焊接材料應(yīng)符合NB/T 47018—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》的規(guī)定，其熔敷金屬拉伸性能(抗拉強度)不得低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值。熔敷金屬沖擊吸收能量不宜低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，當(dāng)沖擊吸收能量低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值時，應(yīng)按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的方法制作焊接試件。

4.2 給出了三種設(shè)計方法

標(biāo)準(zhǔn)給出了壓力容器分析設(shè)計的三類種設(shè)計方法，每類種設(shè)計方法分別針對一定的失效模式提供了設(shè)計準(zhǔn)則，對于同一類種失效模式，通過任意一類種方法校核通過，即滿足標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求。

4.2.1 公式法

公式法是采用解析公式或根據(jù)圖表等對筒體、封頭、錐殼、平蓋、法蘭、管板等典型受壓元件以及外壓殼體和殼體開孔補強提出的成體系的分析設(shè)計方法。該方法規(guī)定了按分析設(shè)計建造的壓力容器典型受壓元件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，詳細(xì)給出了常用受壓元件的厚度計算公式或應(yīng)力計算公式。在JB 4732—1995的基礎(chǔ)上，對各類內(nèi)壓殼體、固定管板換熱器、U形管換熱器和浮頭式換熱器的管板應(yīng)力分析、開孔補強的計算方法作了較大修訂，并基于工程需要增加了除壓力之外，還承受其他外力和力矩作用的圓筒、球殼和錐殼的應(yīng)力評定方法，對外壓殼體采用了全新的設(shè)計計算方法，給出了大、小加強圈設(shè)計原則和各類典型受壓元件基于許用壓縮應(yīng)力的外壓設(shè)計方法，平蓋、法蘭及焊接接頭等章節(jié)的內(nèi)容均作了較大的修改和增補。公式法采納了基于失效模式的設(shè)計理念，受壓元件的設(shè)計方法考慮了塑性垮塌、屈曲、局部過度應(yīng)變、泄漏等4種主要的失效模式。與JB 4732—1995中對應(yīng)內(nèi)容不同的是，修訂后的公式法提高了實用性，可獨立用于適用條件下的壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計，而不僅僅用于確定受壓元件的初始厚度。

4.2.2 應(yīng)力分類法

在繼承JB 4732—1995第5章應(yīng)力分類法內(nèi)容的基礎(chǔ)上，吸收近年來國外主流分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計理念，經(jīng)重新編排給出了基于彈性應(yīng)力分析的防止塑性垮塌、局部過度應(yīng)變、棘輪、疲勞共4種失效模式的設(shè)計方法。標(biāo)準(zhǔn)采用第四強度理論計算當(dāng)量應(yīng)力，明確了分析設(shè)計的基本流程；同時增加了疲勞設(shè)計曲線的適用循環(huán)次數(shù)和對彈性應(yīng)力進(jìn)行線性化處理方法等新內(nèi)容。

4.2.3 首次引入彈塑性分析法

應(yīng)力分類法本質(zhì)上是在計算手段不夠多的時期，采用彈性力學(xué)技術(shù)解決塑性問題的替代手段。隨著計算機硬件的發(fā)展和商用有限元軟件的日趨成熟，在工程上直接采用彈塑性分析成為可能。以EN 13445—2002和ASME Ⅷ-2—2007作為標(biāo)志，基于有限元技術(shù)的彈塑性分析開始逐漸成為下一代壓力容器分析設(shè)計的主流方法。

該標(biāo)準(zhǔn)首次在我國承壓設(shè)備核心建造方法標(biāo)準(zhǔn)中引入基于有限元技術(shù)的彈塑性分析法。不僅明確提出了防止局部過度應(yīng)變、屈曲、疲勞、棘輪等失效模式的彈塑性評定方法；同時還給出了創(chuàng)建有限元模型，材料應(yīng)力應(yīng)變模型，失效評定準(zhǔn)則等詳細(xì)要求和具體的評定步驟。

4.3 引入了新無損檢測技術(shù)

在容器制造和使用過程中，無損檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全使用的有效手段。對于壓力容器設(shè)計者而言，無損檢測方法和合格級別的確定以及實施時機的選擇尤為重要，該標(biāo)準(zhǔn)增加了無損檢測方法選擇、無損檢測實施時機的規(guī)定、增加了對射線和超聲檢測技術(shù)等級的要求。

超聲檢測是容器的主要檢測方法之一，近些年隨著超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多基于超聲技術(shù)的新檢測方法，例如衍射時差超聲檢測(TOFD)、相控陣超聲檢測(PAUT)。該標(biāo)準(zhǔn)增加了以上兩種檢測方法，并規(guī)定了合格級別；同時增加了多種檢測方法組合檢測的要求。

4.4 增加了新結(jié)構(gòu)形式

多層包扎壓力容器包括多層筒節(jié)包扎壓力容器和多層整體包扎容器。鍛焊式壓力容器是指筒體是采用整體鍛造而成，沒有縱焊縫的容器。套合式壓力容器是采用高于室溫的熱套合或者低于室溫的冷套合將存在一定過盈量的筒體組合起來的容器。鋼帶錯繞式壓力容器是由內(nèi)筒和錯繞鋼帶層組成的筒體與封頭焊接后制造而成的容器，是我國獨創(chuàng)的一種壓力容器結(jié)構(gòu)型式，已為美國ASME標(biāo)準(zhǔn)采納。鋼帶錯繞式壓力容器的筒體以結(jié)構(gòu)保證“先漏后爆”，在氫能領(lǐng)域使用表現(xiàn)出相對的安全性優(yōu)勢。

標(biāo)準(zhǔn)除了在正文中給出單層板焊結(jié)構(gòu)壓力容器的要求外；還在附錄中給出了以上4種容器的制造、檢驗和驗收的要求。

4.5 規(guī)范了熱處理工藝

焊后熱處理保溫溫度、保溫時間，局部熱處理的加熱帶、均溫帶和隔熱帶范圍，熱處理爐內(nèi)氣氛，容器及其受壓元件上測溫點的布置均按照GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》的規(guī)定。

當(dāng)判定制造過程是否破壞了材料出廠熱處理狀態(tài)時，以及確定熱成形工藝參數(shù)和恢復(fù)材料性能熱處理的工藝規(guī)范時，均需參考材料出廠的熱處理規(guī)范，因此該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料供應(yīng)商應(yīng)提供材料制造單位材料出廠時的熱處理工藝規(guī)范。

5 標(biāo)準(zhǔn)修訂的意義

我國承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系是隨著經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步逐步更新的過程，目前主要分為建造方法與性能標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)性支撐標(biāo)準(zhǔn)以及運行維護標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)體系框架圖如圖1所示。核心建造方法標(biāo)準(zhǔn)包括鍋爐、壓力容器和壓力管道三大類承壓設(shè)備的基礎(chǔ)建造方法標(biāo)準(zhǔn)，其中壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中有兩個最主要的核心建造方法標(biāo)準(zhǔn)，分別是基于規(guī)則設(shè)計方法的GB/T 150—2011《壓力容器》和基于分析設(shè)計方法的JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，兩項標(biāo)準(zhǔn)提供了壓力容器選材、設(shè)計、制造和檢驗的基礎(chǔ)方法，是其他特定建造方法標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)和基礎(chǔ)。前者適用于設(shè)計壓力小于等于35 MPa的容器；后者適用于設(shè)計壓力小于100 MPa的容器。壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的修訂對壓力容器高質(zhì)量發(fā)展和其他壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂具有重要的促進(jìn)作用。

圖1 承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.1 Pressure equipment standard system

目前，沒有基于分析設(shè)計的國際標(biāo)準(zhǔn)，工程廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)以美國ASME Ⅷ-2、歐盟的EN 13445和中國JB 4732為主。此次我國壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的修訂，既參考了國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)；又吸收了我國科研工作者多年的研究成果，達(dá)到與美國和歐盟標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)乃健?/p>

6 結(jié)語

針對我國壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的修訂必要性、標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、適用范圍、關(guān)鍵技術(shù)要點和修訂的意義等進(jìn)行了全面闡述，有助于標(biāo)準(zhǔn)的有效實施，方便標(biāo)準(zhǔn)使用者對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的正確理解。

致謝：感謝標(biāo)準(zhǔn)編制組全體成員和壓力容器行業(yè)全體同仁對本標(biāo)準(zhǔn)修訂工作的辛勤付出和支持。