國內(nèi)外壓力容器安全檢驗標準對比

胡 娟， 鄧 勇， 郝雅卓， 郭忠明， 韋建軍

（1.四川大學 原子與分子物理研究所， 四川 成都 610065；2.成都海關技術中心， 四川 成都 610051）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，壓力容器在石油化工［1］、食 品 工 業(yè)［2］及 航 空 航 天［3］等 行 業(yè) 得 到 了 廣 泛 應用。壓力容器具有數(shù)量大、分布面廣及工作條件差異明顯的特點。按主體材料不同，壓力容器可分為鋼制壓力容器、 鋁制壓力容器以及鈦制壓力容器等，主要用于儲存氣體和液體［4-6］。 由于工作壓力的不同， 壓力容器中儲存的介質(zhì)會發(fā)生變化［6-7］，如果壓力容器在運行中發(fā)生破裂， 可能導致介質(zhì)泄漏或爆炸，造成財產(chǎn)損失甚至危及生命［8］。壓力容器屬于具有高危險性的特種設備， 許多國家對其制定了約束標準。如果我國引進國外特種設備，則檢驗機構必須考慮設備應符合中國標準。然而，中國、美國和歐盟在壓力容器的設計、制造等方面存在差異，使用的規(guī)范和標準可能會有沖突，導致壓力容器缺陷未被檢出，存在安全隱患。文中根據(jù)國內(nèi)壓力容器標準與美國和歐盟壓力容器標準的差異，從安全檢驗方面進行對比分析，可為進口壓力容器的檢驗提供參考。

1 國內(nèi)壓力容器標準發(fā)展歷程

美國機械工程師協(xié)會（ASME）針對1911 年多次發(fā)生的鍋爐爆炸事件而制定了最早的一部壓力容 器 規(guī) 范［6，9］。 ASME 規(guī) 范 是 被 世 界 所 承 認 的 最 權威、體系最完整的壓力容器標準，影響了世界各國壓力容器設計、制造和檢驗技術的發(fā)展。

國內(nèi)壓力容器標準制訂工作起步較晚，于1984 年成立了全國壓力容器標準化技術委員會。該協(xié)會立足我國國情，制定了以國家標準（GB）為核心的標準體系，還包括行業(yè)標準（NB 和JB 等）、地方標準（DB）以及企業(yè)標準（QB）［10］。 我國第一部壓力容器標準GB 150—89 《鋼制壓力容器》［11］于1989 年頒布，對國內(nèi)壓力容器設計、制造和檢驗等有主導作用。 為適應技術發(fā)展需求，1998 年我國頒布了第二版鋼制壓力容器標準GB 150—1998《鋼制壓力容器》［12］。 與GB 150—89 相比，第一次全面修訂后的GB 150—1998 中撤銷了受壓元件設計內(nèi)容，還另行制定標準，解決了部分與其他標準相矛盾的問題。 目前，2012 年開始施行的GB150.1～150.4—2011《壓力容器》［13］代替了GB 150—1998。 與GB 150—1998 相比，GB 150.1～150.4—2011 中修改了技術方面的規(guī)定， 擴大了適用范圍。 2017 年第7 號中國國家公告將GB 150.1～150.4—2011 由強制性標準改為推薦標準，標準代號改為GB/T 150.1～150.4—2011，其他內(nèi)容則保持不變， 主要包含壓力容器的通用要求，使用材料，設計方法以及壓力容器的制造、檢驗和驗收。 GB 150 屬常規(guī)設計標準，而以分析設計為基礎的JB/T 4732—1995 《鋼制壓力容器——分析設計標準》 (2005 年確認)［14］在壓力容器制造、 檢驗和驗收規(guī)定上比GB 150 更為嚴苛。若壓力容器滿足各自的要求，可采用其中任意一個標準。 目前，在壓力容器技術制定方面，我國標準已與國際標準接軌。

2 壓力容器安全檢驗要點

2.1 安全檢驗分類

壓力容器的安全檢驗可分為內(nèi)部和外部檢驗，主要基于宏觀檢查和無損檢驗手段，由持證的檢驗人員完成壓力容器缺陷的檢查和評估， 并評定容器的安全狀況。 內(nèi)部檢驗是在停機狀態(tài)下采用無損檢測技術發(fā)現(xiàn)壓力容器磨損、裂縫、腐蝕以及內(nèi)表面和內(nèi)部器件的缺陷等安全問題。 外部檢驗是指在停機狀態(tài)下對壓力容器本體和附屬部件的表面情況、幾何尺寸以及結(jié)構進行宏觀檢查，以目檢為主，輔助工具有放大鏡或內(nèi)窺鏡。

2.2 安全檢驗要點

2.2.1 表面缺陷檢測

表面裂紋是壓力容器表面的主要缺陷， 對應力集中部位和結(jié)構不連續(xù)部位要重點檢驗。 投用的壓力容器不能存在裂紋， 只有將裂紋處打磨消除，使其平滑過渡才能安全使用，且打磨的深度不得超過壁厚余量。 打磨處理后的位置也可能再次出現(xiàn)缺陷，宏觀檢查時尤其要注意。

2.2.2 埋藏缺陷檢測

埋藏缺陷包含裂紋、 未焊透、 未融合和氣孔等，該缺陷屬于潛在危險，長時間未處理會對壓力容器產(chǎn)生破壞。 可采用無損檢測方法檢驗埋藏缺陷，對有缺陷的壓力容器，需要有資質(zhì)的單位對其進行改造。由于國內(nèi)外壓力容器標準存在不同，因此對進口壓力容器要著重檢驗埋藏缺陷， 特別是焊縫缺陷。 有案例表明， 某臺按BS ISO 2790—2004 “Belt Drives—V-belts for the Automotive Industry and Corresponding Pulleys—Dimensio”［15］和BS PD 5500—2006“Specification for Unfired Fusion Welded Pressure Vessels”［16］制 造 的 壓 力 容 器， 對 于 縱 焊 縫 是100%射線檢測（RT），環(huán)焊縫只需20%的RT。 然而按照我國標準， 該容器的對接焊縫必須全部進行100%的RT［17］。由此，按我國標準，在該壓力容器環(huán)焊縫處發(fā)現(xiàn)未焊透缺陷導致壓力容器檢驗不合格而無法使用。

3 壓力容器安全系數(shù)和許用應力取值對比

安全系數(shù)取值越大，壓力容器制造成本越高。隨著制造業(yè)技術的進步， 在確保壓力容器安全運轉(zhuǎn)的情況下， 國內(nèi)外標準中壓力容器安全系數(shù)的數(shù)值都有下降趨勢。 安全系數(shù)是考慮材料、設計、制造及使用等因素， 為壓力容器各方面留有一定余量而設定的。當選用按國外標準設計、制造的壓力容器時， 審查進口壓力容器的安全系數(shù)顯得尤為重要。

我國現(xiàn)行標準（GB/T 150.1～150.4—2011）中以抗拉強度為基準的安全系數(shù)nb由原來的3降為2.7， 而以屈服強度為基準的安全系數(shù)ns在設計溫度下為1.5，該系數(shù)與TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》［18］中的規(guī)定相同。 對比我國、美國、歐盟標準中壓力容器安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，各標準中ns均為1.5，而nb不同，我國標準中的nb值介于美國和歐盟標準規(guī)定值之間（表1）。 合適的材料許用應力值是壓力容器的安全保障， 早期美國的壓力容器規(guī)范中僅使用以抗拉強度為基礎的許用應力值， 容易出現(xiàn)片面追求高抗拉強度的現(xiàn)象，不利于壓力容器的安全［19］。 直到歐盟首次引入屈服強度， 國外才考慮將材料的抗拉強度和屈服強度結(jié)合來制造壓力容器［19］。ASMEⅧ-1—2019 “Rules for Construction of Pressure Vessel”［20］和GB/T 150.1 ～150.4—2011 的許用應力取值方法類似，都以5 項強度為基礎除以安全系數(shù)（表1），取最小值作為許用應力。 而歐盟標準BS EN 13445.3—2014“Unfired Pressure Vessels—Part 3：Design”［21］則不相同， 在設計條件下未考慮持久強度和蠕變強度的許用應力。

表1 國內(nèi)外壓力容器標準中碳素鋼、低合金鋼的許用應力和安全系數(shù)

表1 不同標準中對應的量符號含義如下，Rm、ST為材料標準抗拉強度下限值，ReL、RP0.2、SY為材料在標準室溫下的屈服強度，、為材料在設計溫度下的屈服強度，、為材料在設計溫度下經(jīng)10 萬h 斷裂的持久強度的平均值，、為材料在設計溫度下經(jīng)10 萬h 蠕變率為1%的蠕變極限平均值，MPa。

4 壓力容器定期檢驗規(guī)則對比

按TSG R7001—2013 《壓力容器定期檢驗規(guī)則》［22］， 壓力容器定期檢驗內(nèi)容包含壓力試驗和全面檢驗，一般檢驗程序見圖1。 全面檢驗主要是采用宏觀檢查和壁厚測定方法對容器外觀幾何結(jié)構進行檢驗，具體項目包括硬度測定、應力測定、化學成分分析以及強度核驗等。

圖1 壓力容器定期檢驗一般程序

4.1 檢驗周期

我國壓力容器的檢驗周期遵照TSG 21—2016規(guī)定， 按照從1 級到5 級的安全評估狀況等級來確定，外部檢驗和內(nèi)部檢驗同時進行，檢驗時要求壓力容器處于停機狀態(tài)。 使用后的金屬壓力容器在3 a 內(nèi)按規(guī)定要求進行首次定期安全檢驗，評定等級在1～2 級的壓力容器，允許6 a 內(nèi)定期檢驗1 次；評定等級處于3 級的壓力容器，檢驗周期為3～6 a； 評定等級超過3 級的壓力容器， 將由檢驗機構按實際情況決定壓力容器的檢驗周期，并合理監(jiān)控使用。 而對非金屬壓力容器的檢驗較頻繁，通常投用后1 a 內(nèi)開始第一次檢驗，處于1級安全狀況的容器，需3 a 內(nèi)檢驗一次；處于2 級安全狀況的容器，檢驗期限為6 a；處于3 級及以上安全狀況的容器，交由檢驗機構決定檢驗周期。

美國石油學會（API）標準是具有國際先進性的檢驗規(guī)范。 API 510—2002“Pressure Vessel Inspection Code”［23］中規(guī)定，安全檢驗周期由壓力容器的剩余壽命決定， 壓力容器的外部檢驗和內(nèi)部檢驗按要求不同時進行。 不同于我國標準，API 510—2002 指出， 壓力容器投入前進行首次檢驗，允許在運行中檢驗，對于投入后的容器，外部檢驗周期為5 a， 內(nèi)部檢驗為10 a 或壓力容器剩余壽命的一半。

歐盟壓力容器的檢驗周期標準與我國標準相似，主要按壓力容器類型來確定。 德國標準規(guī)定，Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ級大于1 000 L 的壓力容器，要求2 a 一次外部檢驗，5 a 一次內(nèi)部檢驗， 小于1 000 L 的壓力容器可根據(jù)經(jīng)驗施行非規(guī)定性檢查。 對于除蒸汽容器以外的壓力容器， 比利時和法國規(guī)定的檢驗周期是5～10 a。瑞典規(guī)定是每3 a 進行一次安全檢驗，而低溫容器（小于-10 ℃）可以延長至6 a［24］。

4.2 壓力試驗

出于安全的目的， 為了增強壓力容器抗疲勞和防脆斷性能，確保容器焊縫間的致密性，檢驗環(huán)節(jié)中需要完成壓力試驗， 考驗容器在正常操作時的強度。液壓試驗、氣壓試驗以及氣液組合試驗是耐 壓 試 驗 的 三 大 檢 驗 項 目［13］。 GB/T 150.1 ～150.4—2011 中針對鋼和有色金屬壓力容器的規(guī)定是，液壓試驗的壓力系數(shù)高于氣壓試驗的，數(shù)值為1.25，氣壓試驗和氣液組合試驗的壓力系數(shù)為1.1。 而ASME Ⅷ-1—2019 的UG-99 和UG-100 中規(guī)定， 液壓試驗的壓力應為最大許用工作壓力的1.3 倍， 氣壓試驗中所有壓力至少應等于最大許用工作壓力的1.1 倍。 BS EN 13445.5—2014“Unfired Pressure Vessels—Part 5:Inspection and Testing”［25］中要求的壓力容器氣壓試驗和液壓試驗的壓力系數(shù)相同，其沒有區(qū)分內(nèi)、外壓容器， 只指出容器如果是在真空或大氣壓力下工作，那么最大許用工作壓力ps應為容器內(nèi)壓和大氣壓之差，這與ASME 規(guī)范中的思想是一致的。國內(nèi)外標準中鋼制壓力容器最低試驗壓力計算公式見表2。

表2 不同標準中對應量符號含義如下，pT、pt為試驗壓力，p、pd為設計壓力，σ 為材料在耐壓試驗下的許用應力，［σ］τ為材料在設計溫度下的許用應力，pW、ps、p′為最大許用工作壓力，S 為設計溫度時材料的許用應力，ST為試驗溫度時材料的許用應力，fa為試驗溫度下材料的設計壓力，fTd為Td（最大壓差負荷工況的設計溫度）下材料的設計壓力，MPa。

表2 國內(nèi)外標準中鋼制壓力容器最低試驗壓力計算公式

5 壓力容器制造監(jiān)督檢驗對比

無損檢測技術是壓力容器安全保障和質(zhì)量檢驗的基礎，無損檢測是通過物理或化學手段，在不破壞檢測對象的前提下， 檢測壓力容器內(nèi)外表面的結(jié)構和性質(zhì)［26］。 壓力容器制造環(huán)節(jié)通常采用RT、超聲檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）及渦流檢測（ET）等無損檢測方法［27］。 這些檢測方法各有優(yōu)勢， 例如， 容器表面缺陷可采用MT 或PT，ET 能在高溫下探傷，RT 對體積型缺陷極其靈敏，而UT 多用于面狀缺陷檢查［28］。 為保證壓力容器質(zhì)量， 用焊接工藝制造的壓力容器中A 類和B類對接接頭一般采用RT 或UT， 并根據(jù)相應的標準評定檢測結(jié)果。

國內(nèi)外標準中對焊接接頭無損檢測的程度和范圍的規(guī)定各不相同。 GB/T 150.1 ～150.4—2011 中規(guī)定，對A 類和B 類焊接接頭，除極少數(shù)最后一道密封焊縫因無法進行檢測可以排除在外，其余部位必須嚴格采用RT 和UT，檢測程度為100%或局部。 對焊接接頭系數(shù)為1.0 的A 類和B類焊接接頭， 要求進行100%的UT 和RT， 這與ASME 規(guī)范相同。 對于進行局部檢測的普通壓力容器，檢測長度必須超過各焊接接頭長度的20%，而低溫容器中焊接接頭的檢測尺寸不得小于250 mm且必須大于各接頭長度的50%。

ASME Ⅷ-1—2019 將壓力容器檢驗程度分為全部、抽樣和不檢測3 擋。UW-11 中對焊接接頭作了規(guī)定， 對RT 的要求取決于焊接接頭系數(shù)的大小，對焊接接頭系數(shù)為1.0 的A 類、B 類接頭以及焊接接頭系數(shù)為0.9 的A 類單面焊對接接頭，要求進行100%的RT、UT；而對焊接接頭系數(shù)為0.85或0.8 的單雙面焊對接接頭， 可選擇抽樣檢驗。ASME Ⅷ-2—2019 “Rules for Construction of Pressure Vessel—Division 2：Alternative Rules”［29］對焊接接頭的規(guī)定不同于ASME Ⅷ-1—2019，ASME Ⅷ-2—2019 中沒有不檢測的接頭，這和BS EN 13445.5—2014 相似， 將檢驗程度分為100%、25%和10%共3 擋，經(jīng)過RT 或UT 后的接頭，還要按規(guī)定進行MT 和PT。

歐盟對無損檢測制定了系列成套標準，例如，EN ISO 17640—2017 “Non-destructive Testing of Welds—Ultrasonic Testing—Techniques，Testing Levels and Assessment”［30］和EN ISO 11666—2018 “Non-destructive Testing of Welds—Ultrasonic Testing—Acceptance Levels”［31］是針對UT 的一般規(guī)則，EN ISO 9934-1—2016 “Non-destructive Testing—Magnetic Particle Testing—Part 1：General Principle”［32］和EN ISO 3452—2013“Non-destructive Testing—Penetrant Testing—Part 1：General Principal”［33］是 分 別 對 應MT和PT 的一般規(guī)則。 BS EN 13445.5—2014 對無損檢測的要求依據(jù)接頭類型而定， 如果達不到要求的100%檢測，那么選擇的焊接接頭應能代表壓力容器上的所有焊接接頭，無損檢測應在縱向和環(huán)向焊接接頭交界處進行，檢測長度必須大于200 mm。

6 結(jié)語

我國現(xiàn)行壓力容器標準制訂參考了ASME 規(guī)范和歐盟標準，但與二者又有區(qū)別，①ASME 規(guī)范對安全系數(shù)的要求較寬松， 并涵蓋了壓力容器建造的各方面，屬于封閉型規(guī)范。歐盟標準中安全系數(shù)最低， 我國壓力容器標準中安全系數(shù)規(guī)定介于二者之間，符合中國國情。 我國標準和ASME 規(guī)范在確定許用應力值的方法上相關性很高， 與歐盟標準有所不同。 ②國內(nèi)外標準中對壓力容器定期檢驗周期規(guī)定有較大差異， 我國標準中規(guī)定的檢驗周期較固定，是依據(jù)安全狀況等級確定。國外標準中規(guī)定的檢驗周期較靈活， 是以壓力容器的剩余壽命為基礎給定。 各標準中壓力試驗基本原理相似，差異在于壓力系數(shù)的不同。③從無損檢測標準體系看， 我國標準基本是將方法標準與判定標準合二為一，規(guī)定較為詳細，檢測比例相對較大。ASME 規(guī)范中檢測方法明確，結(jié)合產(chǎn)品的特點和要求，選擇不同的判定標準來使用。而歐盟標準體系更偏向于我國的使用習慣。

對比國內(nèi)外壓力容器標準差異， 學習國外的先進經(jīng)驗， 對我國關于壓力容器標準制定和安全監(jiān)督檢驗有所裨益， 可有效避免非規(guī)范壓力容器流入國內(nèi)引發(fā)安全事故。