GB150和ASMEⅧ-1压力容器设计、审核常见问题及典型实

GB150和ASMEⅧ-1压力容器设计、审核常见问题及典型实例解析华东理工大学丁伯民2013.10.16～18杭州前言GB150相当多的内容主要引自ASMEⅧ-1。几十年来，ASMEⅧ-1各版修改时其章节号从不改变，内容上也只是增加，少有修改，更无反复。与之相比，GB150则相差甚远。本版相当多的修改主要是旧版有不够妥当之处，但修改后调整了许多章节编号，致使不太熟悉旧版的用户很难厘清本版到底修改或增、删了哪些内容，更不清楚某些修改的原因。加上同一主题在不同相关章节表达的相互不协调、疏漏以及矛盾，甚至某些释义内容和正文的不一致，引用ASMEⅧ-1时的疏漏。技术上还存在的某些可予商榷之处，在执行中更会引起疑惑甚至问题。本班从设计的基本原理出发，分析GB150和ASMEⅧ-1规定的制订依据，对照后对某些难点以及存在的问题进行讲解和分析，以及对标准可予商榷时在执行中应予注意之处或应如何处理等方面进行讨论。ASMEⅧ-1各版前言压力容器建造规则GB150(2011版)引言引用ASME的“建造”一词时，确是不包括还是遗漏了“材料”二字我国标准各版名称沿革版本名称1967钢制化工容器设计规定(试行)1977钢制石油化工压力容器设计规定1982钢制石油化工压力容器设计规定1985钢制石油化工压力容器设计规定1989GB150钢制压力容器1998GB150钢制压力容器2011GB150压力容器(初稿称为固定式压力容器)实际上各版内容都是沿袭前版2011版GB150修改、补充内容(1)原因、修改后的商榷(关于疲劳设计)主要是在“宣贯”和“标准释义”中未提及，但确是修改了的、用户以为并未修改而容易疏漏的(相当一部分是本人所提)、以及原GB150的疏漏仍未改正等的内容。标准指出：适用范围，取消了不适用于要求疲劳分析的容器(原因解释)。修改为:对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，经设计单位技术负责人批准，可按本标准设计，并按JB4732补充疲劳分析和评定，同时满足其相关制造要求。商榷：(1)由技术负责人而不是由标准负责。(2)“释义”P.145和P.147中的疑虑。2011版GB150修改、补充内容(2)原因、修改后的商榷(关于疲劳设计)峰值应力，特征:不会引起任何显著的变形，之所以对强度有害仅因为是一种可以导致疲劳裂纹或脆性断裂的可能原因(并不是说只是峰值应力才会导致疲劳裂纹或脆性断裂，其他各类应力都不会导致疲劳裂纹或脆性断裂，在不需疲劳分析和非低温时，对峰值应力可以“视而不见，听之任之”)。应力分类及其限制条件①Pm≤Sm②PL≤max〔1.5Sm，σs〕③Pm(PL)+Pb≤max〔1.5Sm，σs〕④Pm(PL)+Pb+Q≤max〔3Sm，2σs〕⑤Pm(PL)+Pb+Q+F≤2Sa要求5个条件同时满足即同时限制各种失效模式2011版GB150修改、补充内容(3)原因、修改后的商榷(关于疲劳设计)疲劳设计是以包括峰值应力在内的总应力幅为基础，即一次和二次应力当然也会引起疲劳和脆断，而不是以峰值应力幅为基础。GB150所列的两种开孔补强设计法都不能用于疲劳设计！？)。ASME的规定：Ⅷ-1条款解释07-47，Ⅷ-2的4.1.1.4节。EN也如此。GB150标准释义P.145和P.147：2011版GB150修改、补充内容(4)原因、修改后的商榷(关于疲劳设计)在开孔接管区，和存在一次、二次应力相同，峰值应力也客观存在，只是在标准所列的两种补强设计方法中并未计入。在需要进行疲劳分析确定其总应力时，应把包括峰值应力在内的一次和二次应力(即总应力)都予计入。方法很多，可以引入应力集中系数或疲劳强度减弱系数，或直接用数值解求得其总应力，如满足疲劳寿命评定要求，则该已满足补强要求的开孔接管当然可予接受。并非标准释义所指“不适用于疲劳容器的开孔补强”或“分析法与等面积法一样，不能用于疲劳设计”。2011版GB150修改、补充内容(5)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)外压容器(补充了)(例如真空容器、液下容器和埋地容器)。外压容器以内压进行耐压试验。原标准一直认为带夹套的容器为外压容器(从77版到85版的设计规定都这样称，至89和98版GB150则迴避，但《设计工程师培训教程》P.169仍把带夹套容器称为外压容器，业内受此影响可能仍这样认为。会带来的问题。“外压容器和真空容器以内压进行液压试验”从而导致如下图所示带夹套的容器(外压容器)在进行液压试验时引起了问题。内容器常压，夹套(0.8MPa)，把内容器视为外压容器，按PT=1.25P2试验，则按常压设计的封头和法兰承受不了，如封头和法兰按P2(0.8MPa)设计，则增加了成本;如按多腔容器试验，则在夹套中试压时内筒壁受不了外压，如两侧同时充压，又无法检漏。2011版GB150修改、补充内容(6)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)如内容器为真空，夹套为0.2MPa，则内容器带夹套部分设计压力为0.3MPa。内容器如按真空(或多腔)容器PT=1.25P1试内压，为0.125MPa，夹套按内压容器试压，为0.25MPa，试压结果尚达不到0.3MPa的设计压力，压力试验走过场。在压力容器行业中实际上并无真正意义上的外压容器。新GB150改为“外压容器(例如真空容器、液下容器和埋地容器)是否妥当，可酌。似称为真空容为妥。2011版GB150修改、补充内容(7)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)对“外压或轴向受压圆筒几何参数计算图(用于所有材料)”改为“外压应变系数A曲线”(球壳和轴向压缩圆筒都由结构尺寸直接列出了A值，而不是查图)。外压球壳：，并无物理意义。轴向受压缩圆筒：，并无物理意义。0.125/oeAR0.094/eoAR2011版GB150修改、补充内容(8)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)对外压元件设计中的图4-1，补充了1998版原图在引用ASMEⅧ-1中对注2的漏引。且个别图形仍误引(未跟上历版ASMEⅧ-1因疏忽致错、从2010年版起所作的修改，包括.3图5-17的问题)。新版对此注2内容补充在外压圆筒稳定性校核中(P.95,4.3节)，使不熟悉的用户未予注意，而对锥壳或折边段的厚度误按P.131图5-16的方法去做而出错。相应地，标准并未强调锥壳两端都是支撑线或有一端或两端并非支撑线时对锥壳设计的区别。2011版GB150修改、补充内容(9)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)外压圆筒形容器设计中支撑线的示意外压圆筒的计算长度2011版GB150修改、补充内容(10)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)上图中夹套对内筒的连接如采用左图结构，则难以满足作为“支撑线”的要求2011版GB150修改、补充内容(11)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)ASMEⅧ-1：注1:当锥壳与圆筒或折边与圆筒的连接处不是支撑线时，锥壳、折边段或带折边锥壳的厚度不能小于相连接圆筒的最小需要厚度。当连接处为无折边时，应满足附录1-8的(强度)加强要求。注2:应采用图示尺寸L，连接处各筒节直径和相应的厚度，变径段的厚度按注1确定。注3:当连接处(包括无折边或带折边)是支撑线时，其惯性矩(刚度)应按附录1-8计算，且当为无折边时，还应满足附录1-8的(强度)加强要求。注意：ASME明确，仅当锥壳(一端或两端)对圆筒的连接处不属支撑线时，应按此处的注设计锥壳壁厚。2011版GB150修改、补充内容(12)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)ASMEⅧ-1：GB150从未引入这一说明，加上4.3节和5.6.6节的规定，使用户不知所以。2011版GB150修改、补充内容(13)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)GB150：4.3外压圆筒的稳定性校核4.3.1计算长度的确定圆筒计算长度，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，见图4-1。其中应满足：图a-2）和图c-2）中锥壳或折边段的有效厚度不得小于相连接圆筒的有效厚度；计算时应采用图示的L、各段直径和相应的厚度。5.6.6受外压锥壳5.6.6.1锥壳承受外压时，锥壳的计算长度取当量长度L，其计算如下：5.6.6.2外压锥壳的计算：锥壳承受外压，所需要的有效厚度按下述方法和步骤确定(即并未注明此处仅适用于两端都是支撑线时)。2011版GB150修改、补充内容(14)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)两端都属支撑线时当量长度Le的确定，据此设计锥壳壁厚带折边后Le缩短，Di减小，提高了承压能力，所以可由设计人员任选是否要带折边2011版GB150修改、补充内容(15)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)内压和外压锥壳都用此表，即内压时如α＞60°也按平盖设计内压和外压锥壳都用此表，即外压锥壳半顶角大于某值时也规定要带折边2011版GB150修改、补充内容(16)原因、修改后的商榷(关于外压元件设计)轴向压缩许用应力在89版以前各版都列在许用应力节，98版取消，改列在卧式容器标准中。本版又改回，列在.1的4.4.5、即轴向压缩许用应力节。2011版GB150修改、补充内容(17)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)参照ASMEⅧ-1，补充了整体法兰的刚度校核要求，但未引用带颈活套法兰和不带颈活套法兰和按活套法兰设计的任意法兰、以及反向法兰的刚度校核要求(任意法兰按整体还是活套法兰设计的界定都参照ASMEⅧ-1)。对ASMEⅧ-1“对于非致死和非易燃的流体，按温度范围为-29℃至186℃以内，操作压力并未超过1035kPa设计的操作，成功的操作经验可以作为法兰刚度规则的一种替代。”改为“在相同操作条件下有成功的使用经验时，可以免除刚度校核”。除设计内容外，对装配并无相应的配套措施。2011版GB150修改、补充内容(18)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)GB150标准释义2011版GB150修改、补充内容(19)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)ASMEⅧ-1(并非说带颈活套法兰按整体法兰计算)：2011版GB150修改、补充内容(20)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)(1)由于规定了带颈的活套法兰按整体法兰计算，而长颈对焊法兰在满足应力校核条件时刚度会自动得到满足，编者也误解为带颈活套法兰的应力计算公式不仅在形式上而且在实质上也和整体法兰相同(但对系数FⅠ和VⅠ应取FL和VL者外)，在满足应力校核条件时刚度也会自动得到满足。且压力对带颈活套法兰也直接接触。其实此二者的应力计算模型和锥颈上应力所在位置全部不同，且由于未和圆筒相连接而导致在同样厚度时法兰环的旋转角度更大，对带颈活套和不带颈活套法兰应对刚度进行校核。(2)对完全按法兰原理设计的反向法兰，也未引入刚度校核要求。2011版GB150修改、补充内容(21)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)GB150引用ASME的此图时删去了说明，致对带颈活套法兰等厚度颈部的法兰引起迷惑2011版GB150修改、补充内容(22)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)(3)“在相同操作条件下有成功的使用经验时，可以免除刚度校核”的条文会使用户为难，且此处全部照引ASMEⅧ-1，惟独此处不引？在表7-5中补充了带颈活套法兰的系数f和VL、FL。对反向法兰操作力矩中的力臂尺寸计算作了改正(.3的7.6.3.2节)。对平盖上大开孔的适用范围由d＞0.5D修改为d≥0.5D，连同对反向法兰适用范围为K≤2(即d≥0.5D)，以及对平盖上开孔的适用范围规定为d≤0.5D，引起d=0.5D的开孔可按开孔补强或反向法兰、平盖大开孔二者设计的不确定问题。2011版GB150修改、补充内容(23)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)法兰受载模型整体带颈、活套带颈、活套法兰应力，系数f=锥颈小端应力/锥颈大端应力，带颈活套法兰小端处并无应力。2011版GB150修改、补充内容(24)原因、修改后的商榷(关于法兰设计)带颈反向法兰不带颈反向法兰受载分析外周边三项、内周边一项应力仅适用于d/D＞0.52011版GB150修改、补