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压力容器标准

目录

一、标准的产生……………………………………………………………………2

二、ASME规范………………………………………………………………………2

三、GB150和JB4732标准…………………………………………………………3

3.1GB150标准………………………………………………………………………3

3.2JB4732标准………………………………………………………………………4

四、ASME和GB150\JB4732的区别…………………………………………………4

4.1主要压力容器标准的对应关系…………………………………………………4

4.2两种压力容器标准对应关系……………………………………………………4

4.3材料………………………………………………………………………………5

4.4标准制、修订和管理……………………………………………………………5

4.5设计思想和安全系数……………………………………………………………6

4.6焊接接头及接头系数……………………………………………………………7

4.7强度计算…………………………………………………………………………8

4.8外压圆筒加强圈的设置…………………………………………………………9

4.9开孔和开孔尺寸…………………………………………………………………9

4.10焊工考试和管理………………………………………………………………9

4.11焊后热处理…………………………………………………………………10

4.12产品试板……………………………………………………………………11

五、学习体会………………………………………………………………………11

一、标准的产生

　美国ASME锅炉及压力容器规范是由美国机械工程师学会（ASME）的锅炉及压力容器委员会（BPVC）制定的,是世界上应用最早的标准之一,现已被公认为世界上技术内容最为完整、应用最为广泛的压力容器标准。

经过几十年来压力容器设计、制造经验的积累总结和完善,我国也已形成以GB150—1998《钢制压力容器》为核心的一系列压力容器产品标准、基础标准和零部件标准,并以此构成了压力容器标准体系的基本框架。

《压力容器安全技术监察规程》（以下简称《容规》）主要解决安全技术监督问题,而不是产品标准。

我国作为产品的设计和制造者,遵守容器安全技术监察规程和标准是一致的。

如果标准与《容规》中的规定相抵触时,应以后者为准。

目前,国内压力容器标准体系在大多数领域内都有与国外标准相对应的标准,技术内容在总体上也达到了国际先进标准的水平随着我国经济融入全球经济一体化进程的不断深入,外商在华投资或承包国内外项目时,或国内公司承包国外项目时,出现了许多要求压力容器按照国外标准进行设计制造,并要求监检单位按国外标准监检的情况。

此外还经常遇到一些要求设备由国内设计制造,而安装使用在国外的情况,这些涉外项目经常遇到压力容器使用标准的问题。

对于相关的工程技术人员来说,将我国的压力容器标准与ASME规范进行比较、分析,有助于项目实施过程中对两种标准体系的理解和运用。

二、ASME规范

ASME的内容及与压力容器有关的标准：

目前，ASME规范共有十二篇，包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等内容：

Ⅰ：

动力锅炉铸造规则。

Ⅱ：

材料。

Ⅲ：

核设施部件建造规则。

Ⅳ：

采暖锅炉建造规则。

Ⅴ：

无损检测。

Ⅵ：

采暖锅炉维护和运行推荐规则。

Ⅶ：

动力锅炉维护推荐指南。

Ⅷ：

压力容器建造规则。

Ⅸ：

焊接和钎接工艺，焊工、钎焊工、焊接和钎接操作工评定标准（焊接和钎接评定标准）。

Ⅹ：

纤维增强塑料压力容器建造规则。

Ⅺ：

核电站部件运行中检测标准。

Ⅻ：

运输罐的铸造和连续使用规则。

篇幅庞大，内容丰富，且修订更新及时，全面包括了锅炉和压力容器质量保证的要求，ASME规范每三年出版一个新的版本，每年有两次增补。

在形式上，ASME规范分为4个层次，即规范（Code）、规范案例（CodeCase）、条款解释（Interpretation）及规范增补（Addenda）。

ASME规范中与压力容器设计有关的主要是第Ⅱ篇《材料》、第Ⅲ篇《核电厂部件建造规则》、第Ⅴ篇《无损检测》、第Ⅷ篇《压力容器》、第Ⅹ篇《玻璃纤维增强塑料压力容器》、第Ⅺ篇《核电厂部件在用检测规则》和第Ⅻ篇《移动式容器建造和连续使用规则》。

第Ⅲ篇包括核1级部件、核2级部件、核3级部件、混凝土安全壳、乏燃料和高放射性肥料储运运用容器等。

第Ⅷ篇又分为三册：

第1册《压力容器》，第2册《压力容器另一规则》和第3册《高压容器另一规则》，以下分别简称为ASMEⅧ-1、ASMEⅧ-2和ASMEⅧ-3。

三、GB150和JB4732标准

3.1GB150标准

GB150-2011为GB150-1998的最新代替版，名称亦由《钢制压力容器》更改为《压力容器》（Pressurevessels），并于2012年3月1日实施。

内容由通用要求，材料，设计，制造、检验和验收四部分组成。

GB150.1-2011为第一部分：

通用要求。

GB150.2-2011为第二部分：

材料

GB150.3-2011为第三部分：

设计

GB150.4-2011为第四部分：

制造、检验和验收。

本书2011-11-21发布，2012-03-01实施。

本标准适用的设计压力：

钢制容器不大于35Mpa，其他金属材料制容器按相应引用标准确定。

设计温度范围为-269~900摄氏度，钢制容器不得超过按GB150.2中列入的材料允许使用温度范围，其他金属材料制容器岸本部分相应引用标准中列入的材料允许使用温度确定。

下列容器不在本标准范围内：

1）设计压力低于0.1MPa且真空度低于0.02MPa的容器；

2）《移动式压力容器安全监察规程》管辖的容器；

3）旋转或往复运动机械设备中子程序整体或作为部件的受压器室（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）；

4）核能装置中存在中子辐射损伤失效风险的容器；

5）直接火焰加热的容器；

6）内直径（对非圆形截面，指截面内边界的最大几何尺寸，如：

矩形为对角线，椭圆为长轴）小于150mm的容器；

7）搪玻璃容器和制冷空调行业中另有国家标准的容器。

3.2JB4732标准

JB4732是中国第一部压力容器分析设计的行业标准，该标准与GB150同时实施，在满足各自要求的前提下，设计者可以选择其中之一适用，但不得混用。

与GB150相比，JB4732允许采用较高的设计应力强度，在相同的设计条件下，容器厚度可以减薄，重量可以减轻，一般推荐用于质量大、结构复杂、操作系数较高的压力容器设计。

做疲劳分子的压力容器，必须采用分析设计。

四、ASME和GB150\JB4732的区别

4.1主要压力容器标准的对应关系如表4-1

表4-1主要压力容器标准的对应关系

我国主要压力容器标准

ASME规范

（1）GB150《钢制压力容器》

（2）JB4734<铝制压力容器》

（3）JB4745《钛制压力容器》

第Ⅷ卷第一分册

JB4732《钢制压力容器————分析设计标准》

第Ⅷ卷第二分册

JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》

第Ⅸ卷

JB4730《压力容器无损检测》

第Ⅴ卷

4.2两种压力容器标准对应关系

我国压力容器标准分类相对较细,基本按容器类型及容器主体材料来分别制订相应标准,如钢制压力容器、铝制压力容器、卧式容器、塔式容器及球形储罐等。

ASME规范并不按容器类型分别制定相应的标准,只是在设计中引不同的载荷规范。

两者主要压力容器标准的对应关系见表4-2。

表4-2　主要压力容器标准对应关系

我国主要压力容器标准

适用

压力范围

ASME规范

适用压力范围

GB150—1998《钢制压力容器》

≤35MPa

第Ⅷ卷第一分册

≤20MPa

JB4734—2002《铝制压力容器》

≤35MPa

第Ⅷ卷第一分册

≤20MPa

JB4745—2002《钛制压力容器》

≤35MPa

第Ⅷ卷第一分册

≤20MPa

JB4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准》

≤100MPa

第Ⅷ卷第二分册

≤70MPa

《超高压力容器》（制定中）

>100MPa

第Ⅷ卷第三分册

>70MPa

JB4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》

第Ⅸ卷

JB/T473011～473016—2005《承压设备无损检测》

第V卷

4.3材料

虽然GB150、《容规》、ASME规范中都有专门章节对压力容器用材的标准、牌号及要求进行规定,但在体系上有很大的差别。

（1）构成体系：

ASME规范把压力容器用材标准列为规范第二卷,是规范的一个重要组成部分。

我国标准按照不同的类型、用途分别编制了不同的钢材标准,并形成了一个较为完整的体系,其中主要有GB6654—1996《压力容器用钢板》、GB3531—1996《低温压力容器用低合金钢板》、GB8163—87《输送流体用无缝钢管》,GB/T4237—1992《不锈钢热轧钢板》、GB/T3077—1999《合金结构钢》、GB/T3274—1988《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》等标准。

钢材的牌号、等级少于ASME规范,GB150在材料的选用方面进行了补充。

（2）使用范围：

ASMEⅧ21规定,非本卷许可的其它材料不得采用,而GB150允许使用标准以外的材料,只要其符合规定的成分和技术要求就可以使用。

（3）生产许可：

ASME规范的前言明确地指出,按认可的材料标准生产的材料对其生产国家没有限制;采用国内生产的经认可的材料或按照国内标准设计有利于降低制造成本。

4.4标准制、修订和管理

我国的压力容器国家标准是由全国压力容器标准化技术委员会负责编制、修订工作,由各地安全监察部门依据国家锅炉压力容器安全监察局的有关法规、规程来控制、监督压力容器的设计、制造和检验各环节,保证产品质量和安全使用。

我国标准更强调结构设计能力和制造厂的总体生产装备能力,重视产品的最终检验。

BPVC定期召开会议,研究ASME规范的修订工作,安全监察和管理工作是通过授权检验机构对建造方取证审查、授权检查和注册登记工作,配合使用压力容器产品的有关法令、法规、行业规定等完成的。

美国的标准法规给制造厂以较多的选择,强调生产经验和过程责任,重视压力容器生产过程控制程序和质量体系。

4.5设计思想和安全系数

ASME规范中将设计作为独立的一方,规范中提及的设计是作为压力容器建造方工作的一个环节,是容器制造厂工作内容的一部分,而不是建造方以外的另一方。

GB150和《容规》中明确地把设计作为独立于制造的另一方,实行设计许可证制度,标准中规定了设计单位的职责。

　设计思想和许用应力GB150和ASME都采用了一次薄膜应力或最大直接应力不得超过许用应力这一设计思想。

但两个标准中规定的安全系数有所不同,主要依据的是经验、试验证据和理论评估,同时与其规定的材料标准、计算方法、制造要求和检验要求相适应。

GB150与ASME规范所使用的许用应力差别见表2。

表中,σb为钢材标准抗拉强度下限值,σs（σ0.2）为钢材标准常温屈服强度（或0.2%屈服强度）,σts（σt012）为钢材在设计温度下的屈服强度（或者0.2%屈服强度）,σtD为设计温度下钢材经10×104h断裂的持久强度的平均值,σtn为钢材在设计温度下经10×104h蠕变率为1%的蠕变极限,MPa。

ST为室温下规定的最小抗拉强度,SY为室温下规定的最小屈服强度,Stc为设计温度下产生（0.01/1000）h蠕变率的平均应力;St012为钢材在设计温度下0.2%的最小屈服强度,StY为设计温度下规定的最小屈服强度,StR为设计温度下10×104h断裂的持久强度的平均值,ksi。

如表4-3

表4-3　许用应力对比MPa

材料

标准

许用应力取下列各值中的最小值

碳钢

GB150

σb/3.0σs/1.6σst/1.6σDt/1.5σtn/1.0

低合金钢

ASMEⅧ-Ⅰ

ST/3.5SY/1.5StY/1.5StR/1.5StC/1.0

高合金钢

GB150ASMEⅧ-Ⅰ

σb/3.0σ0.2/1.5σt0.2/1.5σtD/1.5σtn/1.0ST/3.5S0.2/1.5St0.2/1.5StR/1.5Stc/1.0

压力容器的基本设计思想是一次薄膜应力或最大直接应力不得超过需用应力。

计算应力依据的理论是最大应力理论。

各国压力容器标准中都应用了这一设计思想，标准中公布的需用应力的安全系数，它比测定的性能值低：

a应力评估方法的复杂程度；b一定程度的应力集中及其类型；c材料一定程度的不均匀性；d集合因素；e焊接接头中存在缺陷。

各国标准中规定的安全系数有所不同，主要依据的是经验、实验数据和理论评估，同时与其规定的材料标准、计算方法、制造要求您要求相适应。

我国压力容器标准与ASME规范所使用的安全系数差别见下表4-4：

表4-4安全系数对比

标准

材料

安全系数

标准

材料

安全系数

GB150

碳钢、低合金

钢、高合金钢

3.0

ASME规范第Ⅷ卷第一分册

碳钢、低合金钢

高合金钢

3.5

JB4732

碳钢、低合金

钢、高合金钢

2.6

ASME规范第Ⅷ卷第二分册

碳钢、低合金钢、高合金钢

3.0

4.6焊接接头及接头系数

ASME和GB150对焊接接头的分类是一样的,均为A、B、C、D这4类,针对不同接头型式的焊接接头系数和检验要求有所区别。

ASME规范中,焊接接头系数仅取决于该焊接接头型式和无损检测程度,而与任何其他接头的无损检测程度无关,即1台容器不同的接头可以使用不同的焊接接头系数,对A、B、C、D这4类焊接接头都规定了焊接接头系数,同时允许采用降低焊接接头系数而免除无损检测要求。

GB150中,焊接接头系数特指A、B类焊接接头,且以射线和超声检测为准,不允许降低焊接接头系数而免除无损检测要求,产品制造完成后必须对A、B类接头进行射线或超声检测,C、D类焊接接头只要求在限定条件下进行磁粉或渗透检测。

现以母材为钢的焊接接头为对象作比较,见下表4-5：

表4-5焊接接头的比较

名称

接头型式

无损检测程度

100%检测

局部检测

无检测

我国标准

双面焊或相当于双面焊全焊透的对接焊缝

钢

铝

钢

铝

钢

铝

单面焊对接焊缝（带金属垫板）

1.0

0.85

0.90

0.85

0.80

0.85

-

-

0.90

0.80

0.85

0.80

0.70

0.80

-

-

ASME规范

双面焊或相当于双面焊全焊透的对接焊缝

1.0

0.75

0.70

单面焊对接焊缝（带金属垫板）

0.9

0.80

0.65

单面焊对接焊缝（不带金属垫

板）

-

-

0.60

双面满角焊搭接接头

-

-

0.55

单面满角焊搭接接头（加塞焊）

-

-

0.50

单面满角焊搭接接头（不加塞焊）

-

-

0.45

4.7强度计算

在压力容器设计时，主要考虑了两种失效理论：

一是过量的弹性变形，包括基于弹性理论的弹性失稳；另一个是由于过量的弹性变形和塑性失稳，即增量跨塌，设计时通常假定弹性失效。

弹性失效是假定当材料已经达到弹性极限时发生的失效，超过这一极限将会发生过量变形或断裂破坏。

对于金属材料，弹性极限是以拉伸强度、屈服强度和断裂强度三项来测定。

测定弹性失效的三个通用理论是最大主应力理论、最大剪应力理论和变形能理论。

各国压力容器标准都应用了上述强度理论用于压力容器的设计，但具体的计算公式却存在着差异。

现将国GB150和ASME规范第Ⅷ卷第一分册有关受内压时的设计计算公式作一比较

如下表4-6：

表4-6设计计算公式比较

比较项目

GBl50

ASME第Ⅷ卷第一册

圆筒形壳体

δ=PcDi/（2[σ]tφ-Pc）

t=PR/（SE-0.6P）,环向应力t=PR/（2SE+0.6P），纵向应力

环形壳体

δ=PcDi/（4[σ]tφ-Pc）

t=PR/（2SE-0.2P）

椭圆形封头

δ=PcDi/（2[σ]tφ-0.5Pc），标准型δ=KPcDi/（2[σ]tφ-0.5Pc），非标准型

t=PD/（2SE-0.6P）

碟形封头

δ=MPcDi/（2[σ]tφ-Pc）

t=0.885PL/（SE-0.1P）

半球形封头

δ=QPcDi/（2[σ]tφ-Pc）

t=PL/（2SE-0.2P）

锥段和锥形封头

δ=PcDc/（2[σ]tφ-Pc）Cosa

t=PD/[2Ccsa（SE-0.6P）]

注：

Pc—计算压力；Di--内直径；[σ]t—设计温度下材料的许用应力；δ-计算厚度；φ-焊接接头系数；K、M、旷-相关的形状系数，a-锥壳半顶角，t--最小需要厚度，P--设计内压力，R-所计算的内半径，S-最大许用应力值，St-容器设计温度下材料的应力值，E—焊接接头系数，L-球形或碟形封头球面部分的内半径，Sm—试验温度下材料的应力强度值，Smt--容器设计温度下材料的应力强度值。

4.8外压圆筒加强圈的设置

加强圈可设置在容器的内部或外部，应整圈围绕在圆筒的圆周上，容器内部的构件如塔盘等，若设计成起加强作用时，也可作加强圈用。

加强圈与圆筒之间可采用连续或间接的焊接，当加强圈设置在容器外面时，加强圈每侧间断焊接的总长度应不少于圆筒外圆周长的1／2，当设置在容器里面时，应不少于圆筒内周长的1／3。

对于上述加强圈设置准则，我国压力容器标准与ASME规范是一致的。

ASME规范中规定每段填角焊缝的长度应不小于51mm，相邻两段之间的最大净距为：

外加强圈8t，内加强圈12t，t为加强圈连接外壳体的壁厚。

在符合ASME规范的有关条件时还允许加强圈一侧填角焊缝为连续的焊接，另一侧为间断焊的焊接，焊接段的长度应不小于51mm，相邻两焊段间的最大净距应为24t。

而在我国压力容器标准中，并未规定每段填角焊缝的长度，同时也未建议使用一侧连续焊，而另一侧为间断焊。

4.9开孔和开孔尺寸

我国GBl50规定壳体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形，当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2．0，而ASME规范第Ⅷ卷第一分册则允许孔的长径与短径之比大于2，0，但应增强短径方向的补强以避免扭转力矩产生的过度变形，且形状不仅限于圆形、椭圆形和长圆形，但其所有转角应具有适当的半径。

同时两者在开孔尺寸的限制上存在着差异，见表4-7。

表4-7开孔尺寸的限制对比

对比项

GBl50

ASME规范第Ⅷ卷第一分册

圆筒上开孔

Di≤1500mm时，开孔最大直径

d≤Di/2,且d≤520mm

Di≤1520mm时，开孔最大直径

d≤Di/2,且d≤508mm

开孔尺寸也可超出前面的限制，但需按大开孔进行补强

Di>1500mm时，开孔最大直径d≤Di/3,且d≤1000mm

Di>1520mm时，开孔最大直径d≤Di/3,且d≤1000mm

凸形封头

d≤Di/2

经正确朴强后开孔尺寸不加限制

锥壳

d≤Di/3

4.10焊工考试和管理

焊接压力容器的焊工必须经焊接技能评定或考试，取得焊工合格证后，才能在有效期内担任合格项目范围内的焊接工作。

最新出版的《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》与ASME规范第Ⅸ卷在许多方面的要求是一致的，但也存在一些差别，见下表4-8：

表4-8焊工考试和管理对比

项目

锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则

ASME规范第Ⅸ卷

焊工考试（评定）组织、实施单位

经所在地市级（及以上）安全监察机构批准，报省级安全监察机构备案的焊工考试委员会

持有ASME认证证书的压力容器制造厂

考试（评定）内容

基本知识理论考试和焊接操作技能考试

焊接操作技能考试

焊工合格证有效期

三年，在合格项目有效期满前3个月由焊工考委会安排复考或免考等事宜（50岁以上焊工不能免考），中断受监察设备焊接6个月的需重考。

未规定有效期限，但焊工或焊接操作工某一焊接方法在6个月或更长时间内没有操作过，则他的该项资格被中止

评定方法和检验项目

对试件进行外观检查、射线透照、弯曲试验

对试件进行射线透照，或对试件进行弯曲试验，或对其首次产品焊缝进行射线透照

合格证有效使用区域

有效期内的焊工合格证，在全国各地同等有效

仅在负责考试（评定）的压力容器制造厂内有效

4.11焊后热处理

ASME按照焊接母材的分组号分别详细规定了各组材料必须进行热处理和非强制性热处理的范围,以及各组材料在不同厚度时的热处理要求。

GB150则概括性地规定了须热处理的范围以及热处理的方法,但基本涵盖了各种情况对材料热处理的要求。

二者焊后热处理方法的具体规定略有差异,见下表4-9：

表4-9热处理方法比较

比较项

GB150

ASME

进炉时炉温

≤400℃

≤427℃

400℃以上时加热速率

≤（5000/δ）℃/h,且不大于200℃/h

≤（10160/δ）℃/h,且不大于222℃/h

升温时各部分温度差

任意5000mm长度内不大于120℃

任意4600mm长度内不大于139℃

升温时各部分最高与最低温度差

≤65℃

≤83℃

400℃以上时炉内降温速率

≤（6500/δ）℃/h,且不大于260℃/h

≤（12700/δ）℃/h,且不大于278℃/h

注:

δ为焊接接头处钢材厚度,mm。

4.12产品试板

为了检验产品焊接接头和其他受压元件的力学性能和弯曲性能,《容规》里明确规定对压力容器纵焊缝应制作焊接试板,制取试样进行拉伸、冷弯和必要的冲击试验,凡属下列情况之一的压力容器应每台制作产品焊接试板:

（1）移动式压力容器（批量生产的除外）。

（2）设计压力大于10MPa的压力容器。

（3）现场组焊的球形储罐。

（4）使用有色金属制造的中、高压容器或使用σb≥540MPa的高强度钢制造的压力容器。

（5）异种钢（不同组别）焊接的压力容器。

（6）设计图样上或用户要求按台制作产品焊接试板的压力容器。

（7）GB150中规定应每台制作产品焊接试板的压力容器。

而ASME规范第Ⅷ卷第一分册对常规经过焊接工艺评定合格的不要求做产品焊接试板,而下述情况则要求按规范规定制作产品焊接试板。

（1）对于焊接接头系数不大于0.8,以ASME规范给定的任一压焊焊接方法（电阻焊除外）制作的接头,在其容器或零件上此类焊缝应制作产品焊接试板,试样可取自壳体本身或取自纵焊缝的延长部位。

容器无纵焊缝时可取自容器相同材质、相同厚度且按相同工艺焊制的试板,并裁取1件小截面拉伸试样和2件侧弯试样进行试验。

（2）若焊接工艺评定要求做焊缝及热影响区冲击试验时,容器冲击试板应从用于单台或多台容器几炉钢号中的某一炉钢板上制取。

对于A类接头,试板应尽可能成为产品接头端部的延长部分,以使试板焊接件尽可能接近于容器焊接接头的质量和形式。

对于焊接工艺与A类接头不同的B类接头,试板应在与制造容器相同的焊接条件下焊接,使用同样型式的设备、位置和焊接工艺,且焊接应与产品的焊接同时进行,或在即将开始