首次制造鑄造壓力容器的設(shè)計(jì)方法可行性探討

張 輝

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院 泰州 225500）

鑄造壓力容器雖然市場份額占比不大,但由于鑄造材料的良好力學(xué)性能與鑄造性能,具有一次鑄造成型、無須焊接、工藝簡單等特有優(yōu)勢[1],減少了制造工序,降低了生產(chǎn)成本,保證了容器的完整性與密封性[1],其適用范圍不斷擴(kuò)大,尤其對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的容器在降低制造技術(shù)難度和生產(chǎn)成本方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,是壓力容器的重要組成部分,世界各國對其重視程度也逐漸提高。

近期,國內(nèi)某企業(yè)為進(jìn)軍鑄造壓力容器領(lǐng)域組織了對于首次試制鑄造壓力容器的技術(shù)研討會(huì),其企業(yè)技術(shù)人員、國內(nèi)外鑄造容器同行及特檢系統(tǒng)監(jiān)檢人員對鑄造壓力容器的設(shè)計(jì)方法、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的理解及適用性爭議較大。筆者對其進(jìn)行如下探討。

1 規(guī)則設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則的鑄造壓力容器,根據(jù)HG 20531—93《鑄鋼、鑄鐵容器》[2]中的規(guī)定,其筒體、封頭、平蓋、法蘭開孔補(bǔ)強(qiáng)等受壓元件的計(jì)算可按照GB 150—89《鋼制壓力容器》[3]中第3部分、第4部分、第5部分、第6部分、第7部分等相關(guān)章節(jié)中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。式中材料許用應(yīng)力可通過HG 20531—93中1.7.1條中的相關(guān)公式計(jì)算或由其2.1.15條中表2.1.15-1和表2.1.15-2中直接選取,其中安全系數(shù)按照HG 20531—93中1.7.2條中表1.7.2或TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]中3.2.1.1條選取,鑄造質(zhì)量系數(shù)可按HG 20531—93中1.7.3條選取；由于鑄造壓力容器不考慮焊接,所以焊接接頭系數(shù)可認(rèn)定為1.0；厚度附加量按HG 20531—93中1.6.1條的規(guī)定選取。另外,承受外壓的殼體計(jì)算還要依據(jù)HG 20531—93中3.3條,其計(jì)算公式和計(jì)算方法按照GB 150—89中外壓容器的相關(guān)章節(jié)規(guī)定,所用的外壓計(jì)算圖按其3.3條中圖3.3-1～圖3.3-8。HG 20531—93還列出了與GB 150—89不同的地方及使用說明。

HG 20531—93中 5.9.1條 和 TSG 21—2016中4.2.7.2(2)條規(guī)定：首次試制鑄造壓力容器,需要做液壓破壞試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。做液壓破壞試驗(yàn)前,應(yīng)制定完整的方案和可靠的安全措施,并經(jīng)制造單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn),若液壓破壞試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)結(jié)果滿足該鑄造容器的原始設(shè)計(jì)參數(shù),就可認(rèn)定該設(shè)計(jì)是合理的、成功的,并將液壓破壞試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)資料按HG 20531—93中5.9.4條的規(guī)定報(bào)省級(jí)特種設(shè)備監(jiān)察部門備案后,即可進(jìn)行批量制造。

但是利用規(guī)則設(shè)計(jì)方法對鑄造壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算存在諸多問題：

1）對鑄造壓力容器進(jìn)行規(guī)則設(shè)計(jì)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)空白。由于TSG 21—2016中3.2.1.1條中表3-3和GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[5]中4.4條沒有給出規(guī)則設(shè)計(jì)的鑄造材料安全系數(shù),而且鑄造材料不在GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》所列范圍內(nèi),其許用應(yīng)力值難以確定,所以利用規(guī)則設(shè)計(jì)方法對鑄造壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算具有明顯的局限性,利用規(guī)則設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)鑄造壓力容器目前只能根據(jù)HG 20531—93中的規(guī)定參照GB 150—89設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則的情況。

2）鑄造壓力容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)落后于目前技術(shù)發(fā)展。HG 20531—93雖然仍未廢止,但相關(guān)條款比較老舊,引用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（如：勞鍋?zhàn)帧?990〕8號(hào)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 150—89；原材料標(biāo)準(zhǔn)GB 9439—88《灰鑄鐵件》、GB 1348—88《球墨鑄鐵件》、GB 9440—88《可鍛鑄鐵件》；無損檢測標(biāo)準(zhǔn)GB 5677—85《鑄鋼件射線照相及底片等級(jí)分類方法》、GB 7233—87《鑄鋼件超聲探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法》、GB 9444—88《鑄鋼件磁粉探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法》、GB 9443—88《鑄鋼件滲透探傷及缺陷顯示跡痕的評(píng)級(jí)方法》等）大多已經(jīng)廢止或更新,落后于現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求,并與目前日益進(jìn)步的技術(shù)發(fā)展不適應(yīng),其適用性有待考證。

3）國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中鑄鐵材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)較大。TSG 21—2016中3.2.1.1條規(guī)定“灰鑄鐵室溫下抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)不小于10.0,球墨鑄鐵室溫下抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)不小于8.0”[4],而EN 13445-6[6]中鑄鐵材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為5.3～6.0或3.5～4.0[1,7],ASMEⅧ[8]中鑄鐵材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為5.00～6.25[1,7]。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中鑄鐵材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)較相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)要求大,由于國內(nèi)外鑄鐵材料力學(xué)性能較為相近,所以依據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的材料壁厚較大,致使制造成本較高,產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)競爭性不強(qiáng)[1,9]。

2 分析設(shè)計(jì)

近年來,由于計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展,分析設(shè)計(jì)軟件的不斷進(jìn)步完善,應(yīng)力分析方法也在不斷發(fā)展完善,分析設(shè)計(jì)在壓力容器行業(yè)的應(yīng)用也越來越成熟。目前壓力容器分析設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)）[10],其設(shè)計(jì)方法依據(jù)的基礎(chǔ)是利用彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則,而鑄鐵是脆性材料[7],不在JB/T 4732—1995（2005年確認(rèn)）所列材料范圍內(nèi),另外,TSG 21—2016中3.2.1.1條中表3-4并沒有給出鑄造材料分析設(shè)計(jì)的安全系數(shù),所以依據(jù)JB/T 4732—1995（2005年確認(rèn)）進(jìn)行鑄造壓力容器的分析設(shè)計(jì)是存在法理缺陷的。雖然現(xiàn)在對鑄造壓力容器的分析設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究和多次嘗試,但是由于鑄鐵材料的彈塑性不強(qiáng)和彈塑性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累的不足[11],導(dǎo)致分析設(shè)計(jì)可選用的鑄鐵材料牌號(hào)較少,應(yīng)用的范圍不廣,另一方面,同樣存在國內(nèi)外鑄鐵材料力學(xué)性能較為相近的情況下,國內(nèi)鑄鐵材料安全系數(shù)較相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)要求大,導(dǎo)致材料壁厚較大,生產(chǎn)成本較高,產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)競爭性不強(qiáng)[1,9]。

3 驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)

HG 20531—93中5.9.2條規(guī)定：結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄鐵容器或其零部件的強(qiáng)度無法精確計(jì)算或?qū)?qiáng)度計(jì)算不能提供安全滿意的保證時(shí),可采用驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)的方法求得其最大許用工作壓力。進(jìn)行驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)時(shí),初始升壓值不應(yīng)超過1.5倍的最大設(shè)想工作壓力,在求得最大許用工作壓力后,其設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和材料均相同的壓力容器不必再做液壓破壞試驗(yàn),這與TSG 21—2016中4.2.7.22條的規(guī)定并不矛盾。

但鑄鐵壓力容器的最高允許工作壓力與驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)設(shè)定的停止點(diǎn)或爆破試驗(yàn)壓力之間的計(jì)算公式并沒有在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中予以規(guī)定[7]。驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)可參考GB/T 150.1—2011中的規(guī)范性附錄C“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力”[7],其試驗(yàn)方案和安全防護(hù)措施經(jīng)試驗(yàn)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后,參照容器耐壓試驗(yàn)的監(jiān)檢要求,試驗(yàn)壓力不應(yīng)大于1.25倍預(yù)期設(shè)計(jì)壓力,先緩慢加壓到0.5倍的預(yù)期設(shè)計(jì)壓力,保壓觀察無問題后以預(yù)期設(shè)計(jì)壓力的0.1倍增量緩慢增壓至預(yù)期設(shè)計(jì)壓力,保壓10 min以上無異常后繼續(xù)以預(yù)期設(shè)計(jì)壓力的0.1倍增量增壓到爆破或設(shè)定的停止點(diǎn),并由特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)監(jiān)檢人員見證整個(gè)試驗(yàn)過程并在驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)報(bào)告上簽字認(rèn)可。然后用GB/T 150.1—2011中附錄C中公式C.1～C.2與公式C.3計(jì)算得到的結(jié)果代入公式C.4中,得到設(shè)計(jì)溫度下的最高允許工作壓力,并以此來確定容器的設(shè)計(jì)壓力。

以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力的技術(shù)文件應(yīng)按照TSG 21—2016中1.9條和3.1.5條的規(guī)定進(jìn)行技術(shù)評(píng)審,評(píng)審時(shí)應(yīng)提供：試驗(yàn)件設(shè)計(jì)和制造文件,包括試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖樣、材料質(zhì)量證明文件、制造過程工藝文件、檢驗(yàn)記錄和其他相關(guān)文件；驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)報(bào)告,包括試驗(yàn)測試設(shè)備、實(shí)驗(yàn)程序、試驗(yàn)過程記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)論,并按技術(shù)評(píng)審流程完成技術(shù)評(píng)審。

此過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且在容器的結(jié)構(gòu)形狀、材料、制造技術(shù)要求等技術(shù)條件發(fā)生變化時(shí),首次試制仍應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證性爆破試驗(yàn),并經(jīng)過技術(shù)評(píng)審,這無疑增大了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本和人力成本,對鑄造容器的多樣性發(fā)展產(chǎn)生不利影響。另一方面,GB/T 150.1—2011中的規(guī)范性附錄C“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力”是否適用于鑄鐵壓力容器還有待商榷[7]。

4 與國際標(biāo)準(zhǔn)相比

EN 13445-6和ASME-Ⅷ同樣提出了規(guī)則設(shè)計(jì)、分析設(shè)計(jì),對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄鐵壓力容器或其零部件的強(qiáng)度無法精確計(jì)算或?qū)?qiáng)度計(jì)算結(jié)果得不到安全保證時(shí),還可用驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)方法求得最大許用工作壓力,EN 13445-6甚至提出了疲勞分析設(shè)計(jì)。

以球墨鑄鐵為例,對國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)在材料、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)、無損檢測、熱處理和耐壓試驗(yàn)要求等方面進(jìn)行比較,見表1、表2、表3。

表1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中鑄鐵壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)要求比較

表2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中鑄鐵壓力容器部分制造技術(shù)要求比較

表3 EN 13445-6中關(guān)于鑄鐵壓力容器無損檢測的組合方式

對于首次試制的鑄造壓力容器在設(shè)計(jì)、制造方面都可能不太成熟,出現(xiàn)缺陷的概率較大,所以無論國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還是國外標(biāo)準(zhǔn)對首次試制鑄造壓力容器的無損檢測都十分重視[1]。另外,陳志平[13]等利用數(shù)值模擬軟件模擬分析得出球墨鑄鐵制造時(shí)是否進(jìn)行去應(yīng)力退火對容器承內(nèi)壓性能的影響十分有限,由此可知國外標(biāo)準(zhǔn)在熱處理方面更靈活。

由以上對比分析可知,國外標(biāo)準(zhǔn)相比于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)較小,容器壁厚較薄,且可以靈活選用所需生產(chǎn)工序,技術(shù)較為先進(jìn),降低了經(jīng)濟(jì)成本、人力成本和時(shí)間成本,產(chǎn)品競爭性較強(qiáng)。但是如果采用EN 13445-6或ASME-Ⅷ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行國內(nèi)鑄造壓力容器設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收,應(yīng)按照TSG 21—2016中 3.1.1（3）條的規(guī)定向原國家質(zhì)檢總局提供符合性聲明和比照表,另一方面采用國外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相當(dāng)于降低了安全系數(shù),仍需按照TSG 21—2016中3.2.1.1條的規(guī)定進(jìn)行技術(shù)評(píng)審,程序更為煩瑣,過程更耗時(shí)耗力。

5 與國內(nèi)鑄鐵鍋爐法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求相比

TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[14]中鑄鐵鍋爐專項(xiàng)要求中對鑄鐵鍋爐的允許使用范圍、材料、設(shè)計(jì)、制造、使用方面做出了具體規(guī)定,其設(shè)計(jì)部分的12.3.2條冷態(tài)爆破驗(yàn)證試驗(yàn)中詳細(xì)規(guī)定了需要爆破驗(yàn)證試驗(yàn)的情況、爆破試驗(yàn)數(shù)量、爆破試驗(yàn)壓力及整體性驗(yàn)證水壓試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)要求,并明確了由具有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計(jì)文件鑒定機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場見證,根據(jù)TSG G0001—2012中3.2條的規(guī)定,鍋爐本體的設(shè)計(jì)文件經(jīng)原國家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的設(shè)計(jì)文件鑒定機(jī)構(gòu)鑒定合格后即可投入生產(chǎn),無須經(jīng)過原國家質(zhì)檢總局的技術(shù)評(píng)審環(huán)節(jié),相比于壓力容器制造單位首次試制鑄造壓力容器如果采用驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)須通過原國家質(zhì)檢總局的技術(shù)評(píng)審,不僅有了較大的可操作性,而且有了具體的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)和技術(shù)要求。

6 結(jié)束語

由以上分析可知,目前我國的鑄造壓力容器在規(guī)則設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)方面法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)適用性不足,基礎(chǔ)研究薄弱,應(yīng)用局限性較大；驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)GB/T 150.1—2011中規(guī)范性附錄C有待商榷,另外須經(jīng)過原國家質(zhì)檢總局技術(shù)評(píng)審,需要投入大量的人工成本和時(shí)間成本,對企業(yè)來說是一個(gè)較大的挑戰(zhàn),對鑄造壓力容器的多樣性及鑄造壓力容器制造企業(yè)數(shù)量的發(fā)展產(chǎn)生不利影響；與國外標(biāo)準(zhǔn)相比存在標(biāo)準(zhǔn)更新滯后,基礎(chǔ)研究不足,產(chǎn)品競爭力不強(qiáng)；與國內(nèi)其他鑄造承壓設(shè)備法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)相比可操作性不足。

因此,加強(qiáng)對鑄造壓力容器的研究,加快相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),增強(qiáng)鑄造壓力容器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持和國際競爭力是目前急需解決的問題；在技術(shù)評(píng)審方面給予企業(yè)相應(yīng)的政策支持,另外,企業(yè)自身的技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定對鑄造壓力容器的發(fā)展也是非常必要的。