压力容器标准专题文章 全国压力容器标准化技术委员会开设的“专家论坛”不定期地刊载专题文章,介绍压力 容器标准的知识及最新进展,希望借此满足广大标准用户开拓视野、增加知识的愿望,在您 和专家之间架起一座桥梁。本栏目竭诚欢迎专家赐稿,也欢迎您提出宝贵意见。全国压力容 器标准化技术委员会在此郑重提醒用户尊重专家的知识产权,避免可能产生法律纠纷的言论 和行为 论坛一:GB151-1999《管壳式换热器》概况(作者:朱巨贤) GB151-1999《管壳式换热器》出版在即,新版本有哪些重要修订?具体内容究竟发生 了哪些变化?修订的主要原则是什么?相信这些都是标准使用者所关心的。本栏目特邀本标 准的主编兰州石油机械研究所教授级高级工程师朱巨贤先生撰写专题文章为您介绍有关情 况,相信可以解答上述问题。请您先睹为快。 论坛二:卡门旋涡与塔振动(作者:谭蔚) JB4710-2000《钢制塔式容器》即将发行,有关风诱导振动的内容被列入到标准释义当 中。为便于大家了解此方面的内容,我们推出了天津大学化工学院副教授谭蔚博士的文章, 介绍风诱导振动产生的背景、机理和可能产生的危害,并提出了防止危害发生的方法 论坛三:压力容器设计中有关标准问题的探讨(作者:寿比南) GB150-1998《钢制压力容器》实施二年来,标准使用者相继提出了一些标准使用过程 中出现的问题,有些是使用者对标准理解的偏差,有些则值得进一步研究和探讨 寿比南先生重点讨论了GB150-1998《钢制压力容器》和新版《压力容器安全技术监察 规程》实施过程中的某些问题,提出了自己的见解,希望能够对使用者有所裨益 论坛四、各国钛容器规范现状(作者:黄嘉琥 由于历史文化传统、工业发展水平和社会经济制度和等的差异,世界各主要工业国家 的钛容器规范也难免存在不同之处,随着世界经济一体化进程的加剧,人们越来越需要了解 和掌握其他国家有关标准规范的内容,以便在已经到来的竞争中处于有利的位置。黄嘉琥先 生花费大量心血撰写了比较各国钛容器规范的文章,并提供了钛牌号和安全系数的比较,希 望本文为您开启了了解世界钛容器标准状况的窗口 GB151-1999《管壳式换热器》概况 兰州石油机械研究所教授级高级工程师朱巨贤 管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性,耐用性及经济性,在换热设备中始 终占有约70%的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视, 也为ISO国际标准化组织的所重视。因此出现了TEMA、AP660、JISB8249等一批管壳式 换热器标准,ISO目前也正在与AP联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标准。 我国自二十世纪七十年代开始相继编制了JB147《管壳式换热器制造技术条件》、《钢 制管壳式换热器设计规定》及GB151-89《钢制管壳式换热器》,并在历经十年后出现了修改 较大、与国际先进标准接轨更好的、但同时由于出版等原因未能按时出版的GB151-1999《管 壳式换热器》及其英文版,现就GB151-1999版修订概况介绍如下:
压力容器标准专题文章 全国压力容器标准化技术委员会开设的“专家论坛”不定期地刊载专题文章，介绍压力 容器标准的知识及最新进展，希望借此满足广大标准用户开拓视野、增加知识的愿望，在您 和专家之间架起一座桥梁。本栏目竭诚欢迎专家赐稿，也欢迎您提出宝贵意见。全国压力容 器标准化技术委员会在此郑重提醒用户尊重专家的知识产权，避免可能产生法律纠纷的言论 和行为。 论坛一：GB151-1999《管壳式换热器》概况（作者：朱巨贤） GB151-1999《管壳式换热器》出版在即，新版本有哪些重要修订？具体内容究竟发生 了哪些变化？修订的主要原则是什么？相信这些都是标准使用者所关心的。本栏目特邀本标 准的主编兰州石油机械研究所教授级高级工程师朱巨贤先生撰写专题文章为您介绍有关情 况，相信可以解答上述问题。请您先睹为快。 论坛二：卡门旋涡与塔振动（作者：谭 蔚） JB4710-2000《钢制塔式容器》即将发行，有关风诱导振动的内容被列入到标准释义当 中。为便于大家了解此方面的内容，我们推出了天津大学化工学院副教授谭蔚博士的文章， 介绍风诱导振动产生的背景、机理和可能产生的危害，并提出了防止危害发生的方法... 论坛三：压力容器设计中有关标准问题的探讨（作者：寿比南） GB150-1998《钢制压力容器》实施二年来，标准使用者相继提出了一些标准使用过程 中出现的问题，有些是使用者对标准理解的偏差，有些则值得进一步研究和探讨。 寿比南先生重点讨论了 GB150-1998《钢制压力容器》和新版《压力容器安全技术监察 规程》实施过程中的某些问题，提出了自己的见解，希望能够对使用者有所裨益。 论坛四、各国钛容器规范现状（作者：黄嘉琥） 由于历史文化传统、工业发展水平和社会经济制度和等的差异，世界各主要工业国家 的钛容器规范也难免存在不同之处，随着世界经济一体化进程的加剧，人们越来越需要了解 和掌握其他国家有关标准规范的内容，以便在已经到来的竞争中处于有利的位置。黄嘉琥先 生花费大量心血撰写了比较各国钛容器规范的文章，并提供了钛牌号和安全系数的比较，希 望本文为您开启了了解世界钛容器标准状况的窗口。 GB151-1999《管壳式换热器》概况 兰州石油机械研究所 教授级高级工程师 朱巨贤 管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始 终占有约 70％的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视， 也为 ISO 国际标准化组织的所重视。因此出现了 TEMA、API660、JISB8249 等一批管壳式 换热器标准，ISO 目前也正在与 API 联手并会同有关国家编 ISO 管壳式换热器标准。 我国自二十世纪七十年代开始相继编制了 JB1147《管壳式换热器制造技术条件》、《钢 制管壳式换热器设计规定》及 GB151-89《钢制管壳式换热器》，并在历经十年后出现了修改 较大、与国际先进标准接轨更好的、但同时由于出版等原因未能按时出版的 GB151-1999《管 壳式换热器》及其英文版，现就 GB151-1999 版修订概况介绍如下：
取消了“钢制”增加了铝、铜、钛有色金属 取消“钢制”这在我国压力容器标准体系中是个较大的变化,也是向国际先进标准靠拢 迈出的重要一步。有色金属制管壳式换热器国内过去有着众多的使用业绩,而随着工业向深 度发展,石油化工向深加工要效益,有色金属制管壳式换热器今后会有良好的发展前景,但 过去一直没有有色金属制管壳式换热器的设计、制造、检验与验收的综合性标准, GBl51-1999版解决了这一问题。下面简要地介绍一下铝、铜、钛的情况 1铝及铝合金 a在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性 b.在低温下具有良好的塑性和韧性 c.有良好的成型及焊接性能 d设计参数:P≤8MPa,-2690C≤t≤2000C。 2铜及铜合金 a.有优良的耐蚀性(如海军铜具有良好的耐海水腐蚀性) b.具有良好的导热性能 c.有良好的低温性能 d有良好的成型性能,但焊接性能稍差 e设计参数:纯铜t≤150oC;铜合金t≤200C f有GB8890《热交换器用铜合金管》标准。 3.钛、钛合金 a.具有适应面广的极佳的抗腐蚀性能; b.密度小(4510kg/m3),强度高(相当于20R); c.有良好的低温性能(TAl可用到-268oC) d表面光洁、粘附力小,且表面具有不湿润性: e.有GB3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》标准; f单位重量价格高,比一般钢材高20倍,但综合指数价格比(密度小且Φ25管可用δ =1.0或1.5mm壁厚)约为6-8倍,若设备寿命为8年时,钛及钛合金是最佳换热管 二、扩大了适用范围 本修订版参照TEMA-1999年版,扩大了适用范围: PN≤35MPa bDN≤2600mm; C. PNXDN≤1.75×104 MPaxmm 无论是TEMA-1988年版或GB151-89年版,其适用范围定得比较窄是避免浪费,因此 超参数范围的换热器建议用更为精确的分析设计:从而造成了许多大直径、低压力或高压力 中小直径的换热器,无法使用常规设计方法;但采用分析设计时会形成设计费用高、制造费 用高的负效应,因此压力容器和的换热器究竞是用常规设计、制造,还是采用分析设计、制 造,最终应落实到经济对比上。正是根据这一点,TEMA-1999、GB151-1999才扩大了DN 及DN×PN的乘积,从而既解决了大直径低压力的设计问题,又解决了高压力中低直径如加 氢换热器设计的问题。 管板计算有了较大的变化 1给出了a,b,c,d,e,f六种管板与相关元件(换热管、壳体、法兰)的连接型式, 概括了所有换热器的管板结构型式,能准确地引导设计者进行选择及计算 2U形管式换热器管板计算有了较大的变化:根据大量的试验研究,清华大学和北京石 化工程公司推出了更为精确的计算式。 3不适用部分在标准或标准释义中有了交待
一、取消了“钢制”增加了铝、铜、钛有色金属 取消“钢制”这在我国压力容器标准体系中是个较大的变化，也是向国际先进标准靠拢 迈出的重要一步。有色金属制管壳式换热器国内过去有着众多的使用业绩，而随着工业向深 度发展，石油化工向深加工要效益，有色金属制管壳式换热器今后会有良好的发展前景，但 过去一直没有有色金属制管壳式换热器的设计、制造、检验与验收的综合性标准， GB151-1999 版解决了这一问题。下面简要地介绍一下铝、铜、钛的情况： 1.铝及铝合金 a.在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性； b.在低温下具有良好的塑性和韧性； c.有良好的成型及焊接性能； d.设计参数：P≤8MPa，-269oC≤t≤200oC。 2.铜及铜合金 a. 有优良的耐蚀性（如海军铜具有良好的耐海水腐蚀性）； b.具有良好的导热性能； c.有良好的低温性能； d.有良好的成型性能，但焊接性能稍差； e.设计参数：纯铜 t≤150oC;铜合金 t≤200oC; f.有 GB8890《热交换器用铜合金管》标准。 3.钛、钛合金 a.具有适应面广的极佳的抗腐蚀性能； b.密度小（4510kg/m3），强度高（相当于 20R）； c.有良好的低温性能（TA1 可用到-268 oC）; d.表面光洁、粘附力小，且表面具有不湿润性； e.有 GB3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》标准； f.单位重量价格高，比一般钢材高 20 倍，但综合指数价格比（密度小且Φ25 管可用δ =1.0 或 1.5mm 壁厚）约为 6-8 倍，若设备寿命为 8 年时，钛及钛合金是最佳换热管。 二、扩大了适用范围 本修订版参照 TEMA-1999 年版，扩大了适用范围： a.PN≤35MPa； b.DN≤2600mm; c.PN×DN≤1.75×104MPa×mm 无论是 TEMA-1988 年版或 GB151-89 年版，其适用范围定得比较窄是避免浪费，因此 超参数范围的换热器建议用更为精确的分析设计；从而造成了许多大直径、低压力或高压力 中小直径的换热器，无法使用常规设计方法；但采用分析设计时会形成设计费用高、制造费 用高的负效应，因此压力容器和的换热器究竟是用常规设计、制造，还是采用分析设计、制 造，最终应落实到经济对比上。正是根据这一点，TEMA-1999、GB151-1999 才扩大了 DN 及 DN×PN 的乘积，从而既解决了大直径低压力的设计问题，又解决了高压力中低直径如加 氢换热器设计的问题。 三、管板计算有了较大的变化 1.给出了 a，b，c，d，e，f 六种管板与相关元件（换热管、壳体、法兰）的连接型式， 概括了所有换热器的管板结构型式，能准确地引导设计者进行选择及计算。 2.U 形管式换热器管板计算有了较大的变化：根据大量的试验研究，清华大学和北京石 化工程公司推出了更为精确的计算式。 3.不适用部分在标准或标准释义中有了交待
a.不布管区较大(K>10)时,按JB4732-92附录I进行设计 b管板与法兰搭焊的型式按J4732-92附录I计算: c非轴对称及管板内有大小不同的管孔时,不属GB151管辖 四、给出了孔桥宽度计算式 GBl51-89版根据不同的管板厚度,以表格的形式给出了标准孔桥宽B及最小孔桥宽度 Bmin,增加了铝、铜、钛后形成了管孔规格多且不同厚度的管板,要用插入法不方便,故 GBl51-1999采用了公式计算的方法,同时取消了Bmin数量为5个的限制(但仍保留了小 于等于4%的要求 五、修改了部分计算公式 1.平盖计算公式 在平盖强度计算式中原GB151-89版中,只给出了一个公式,然后分操作与预紧二种不 同工况只比较特征系数K值,这种做法在力学分析上是站不住脚的,因为操作与预紧除了 K值不同外,其许用应力也是不同的,故GB151-1999版给出了操作与预紧二种不同状态的 计算式。 根据BS5500及JSB8275的有关条文,介于平盖同样的理由,修改了浮头法兰计算式, 取消了Mp操作,Mo-预紧二者大者代入公式的传统做法,而是分别按操作与预紧二种工况 计算浮头法兰厚度。 六、修改了换热器级别的内涵 lGB151-89由于换热管精度问题把换热器分为Ⅰ、Ⅱ级而其全部差异只反映在管束上, 所以GBl51-1999改称I、Ⅱ级管束。 2由于高合金钢取消了普通精度级,新增加的铝、铜、钛换热管全部采用较高精度或高 精度级,故在GB151-199版中,I、Ⅱ级管束只反映在碳素钢和低合金钢管上。 七增加了奥氏体不锈钢焊管 根据我国奥氏体不锈钢焊管的技术与装备的进步,GB151-1999允许使用奥氏体不锈钢 焊管为换热管且控制如下: aP≤64MPa b.不得用于极度危害介质 c.中=0.85 控制P≤64MPa只是个过渡措施,待有一定业绩后拟取消 八、增加了换热管与管板的焊接型式 由于温度及压力的增高,GB151-89版的管头焊接型已不够用,故增加了要求高的连接 型式。同时在换热管与管板的焊接工艺评定中,明确了强度焊的定义,即参照ASME明确 规定了强度焊定义为:换热管与管板连接中承受换热管剪切强度的焊缝长度不小于1.4倍的 管子壁厚 九、焊接接头系数φ GB150-1998回避了无法进行无损检测时的φ值,但GB151对于固定管板换热器最后一 道B类焊接接头是回避不了的,故规定了“对于无法进行无损检测的固定管板式换热器, 壳程圆筒的环向焊接接头,当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴的金属垫板时, 其焊接接头系数为φ≡06”,这个φ=0.6是无法检査而必须靠施焊人员严格按照焊接工艺施 焊来保证的 十、修订了部分制造内容 1取消了GB151-894.13中“支座、垫板、补强圈和壳体塔接缝与任意相邻焊缝的距离 以及接管与壳体连接接头与任意相邻接接头的距离均不小于三倍的壳体壁厚且不小于
a.不布管区较大（K>1.0）时，按 JB4732-92 附录 I 进行设计； b.管板与法兰搭焊的型式按 JB4732-92 附录 I 计算； c.非轴对称及管板内有大小不同的管孔时，不属 GB151 管辖。 四、给出了孔桥宽度计算式 GB151-89 版根据不同的管板厚度，以表格的形式给出了标准孔桥宽 B 及最小孔桥宽度 Bmin，增加了铝、铜、钛后形成了管孔规格多且不同厚度的管板，要用插入法不方便，故 GB151-1999 采用了公式计算的方法，同时取消了 Bmin 数量为 5 个的限制（但仍保留了小 于等于 4％的要求）。 五、修改了部分计算公式 1.平盖计算公式 在平盖强度计算式中原 GB151-89 版中，只给出了一个公式，然后分操作与预紧二种不 同工况只比较特征系数 K 值，这种做法在力学分析上是站不住脚的，因为操作与预紧除了 K 值不同外，其许用应力也是不同的，故 GB151-1999 版给出了操作与预紧二种不同状态的 计算式。 2.浮头法兰 根据 BS5500 及 JISB8275 的有关条文，介于平盖同样的理由，修改了浮头法兰计算式， 取消了 Mp-操作，Mo-预紧二者大者代入公式的传统做法，而是分别按操作与预紧二种工况 计算浮头法兰厚度。 六、修改了换热器级别的内涵 1.GB151-89 由于换热管精度问题把换热器分为 I、II 级而其全部差异只反映在管束上， 所以 GB151-1999 改称 I、II 级管束。 2.由于高合金钢取消了普通精度级，新增加的铝、铜、钛换热管全部采用较高精度或高 精度级，故在 GB151-1999 版中，I 、II 级管束只反映在碳素钢和低合金钢管上。 七. 增加了奥氏体不锈钢焊管 根据我国奥氏体不锈钢焊管的技术与装备的进步，GB151-1999 允许使用奥氏体不锈钢 焊管为换热管且控制如下： a.P≤6.4MPa b.不得用于极度危害介质 c.φ=0.85 控制 P≤6.4MPa 只是个过渡措施，待有一定业绩后拟取消。 八、增加了换热管与管板的焊接型式 由于温度及压力的增高，GB151-89 版的管头焊接型已不够用，故增加了要求高的连接 型式。同时在换热管与管板的焊接工艺评定中，明确了强度焊的定义，即参照 ASME 明确 规定了强度焊定义为：换热管与管板连接中承受换热管剪切强度的焊缝长度不小于 1.4 倍的 管子壁厚。 九、焊接接头系数φ GB150-1998 回避了无法进行无损检测时的φ值，但 GB151 对于固定管板换热器最后一 道 B 类焊接接头是回避不了的，故规定了“对于无法进行无损检测的固定管板式换热器， 壳程圆筒的环向焊接接头，当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴的金属垫板时， 其焊接接头系数为φ=0.6”，这个φ=0.6 是无法检查而必须靠施焊人员严格按照焊接工艺施 焊来保证的。 十、修订了部分制造内容 1.取消了 GB151-89 4.13 中“支座、垫板、补强圈和壳体塔接缝与任意相邻焊缝的距离， 以及接管与壳体连接接头与任意相邻接接头的距离均不小于三倍的壳体壁厚且不小于
50mm”的不合理要求 2.放宽了U形弯管中小R的椭圆度要求,并规定Ri<2.5do时,U形弯管的椭圆度按小 于等于15%验收。 卡门旋涡与塔振动 天津大学化工学院副教授谭蔚 高耸的圆柱形钢制塔器是化工与石油化工生产中广泛应用的设备,一般约占工厂设备投 资总额的10-25%。随着大型化工企业的兴起与发展,高度与直径比大的塔器数量逐渐增多 塔振动的事故便频繁发生。1994年6月下旬,天津十四万吨乙烯工程中的高75米、重115 吨的乙烯精馏塔,每逢刮四级风时,在与风垂直的方向上,便剧烈地摇晃起来,塔顶振幅为 半米多,并伴随着很大的响声。据不完全的调查,近十年来,我国吉林、山东、盘锦、兰州 等地的化工厂中都曾发生大型精馏塔振动的事故,塔顶振幅最大的一次是14米!由于各个 塔的固有频率不同,振动时的风力,有的高达八级,有的仅三、四级。持续的剧烈振动不仅 无法维持生产的正常运行,还将使塔体应力过大,形成疲劳裂纹,甚至导致设备的破坏,人 员的伤亡,生产的停顿。如果遇到更大的风力,发生高振型的振动,危害性就更大了。 当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时,将在两个方向上产生振动。一种是顺风向的 振动,振动的风向与风的流向一致:;另一种是横风向的振动,振动的方向与风的方向垂直 也称风的诱发振动。在一定速度范围内,风在圆柱形的塔设备背后的两侧周期性交替地形成 旋涡并以相当确定的频率从柱体表面上脱落,在尾流中有规律地交错排列成两行,这就是通 常所说的卡门旋涡(见图1)。当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率,便会产生共振, 这便是风诱发的振动。 图1.卡门涡街 安装在室外的圆柱形设备一般同时存在顺风向和横风向振动,而横风向风振往往不容忽 视,甚至可能占到主导地位,比如:1972年上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺 风向大得多。历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。位于美国塔珂玛海峡上跨长853 米的大悬桥,在19米/秒的风速下,只经历1小时,便断裂坠毁。从五十年代至今,美、英、 日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生髙耸的圆柱形设备,如塔设备、烟囱、电视塔、灯柱 等剧烈振动甚至破坏的事例。在大海中,障碍物在共振时受到的侧向力比空气中的要大得多 正因如此,位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。从潜艇潜望镜里看到的目 标也将因镜杄的振动变得模糊不清。从卫星拍摄的照片上还曾看到海水流经小岛时产生的卡 门旋涡。架空电线的固有频率如果与卡门旋涡的频率一致,不仅发生抖动,还会发生翁鸣声, 就像用力拨动琴弦一般。 不仅风可能诱发高耸的塔设备发生振动,流体也可能诱发管束的振动。电场的空气预热 器中有许多传热管,当热的废气在管外流过形成的旋涡的频率等于空腔内的声频,便会引起 声共振。散发的噪声最高的记录是169分贝,比喷气式飞机发出的噪声还要大,远远超过人 耳正常情况下承受的能力。在列管式换热器中,为了获得较好的传热效率与更大的生产能力, 换热设备通常采取强化传热与设备大型化的措施。由于一般不可能将这些设备的结构设计成 具有承受流体力最小的尺寸和形状,这样的结构从流体动力学和结构动力学的角度来看是属 于不良绕流物体,故流体诱发振动的事故不断发生,使换热管相互碰撞、磨损从而导致泄漏
50mm”的不合理要求。 2.放宽了 U 形弯管中小 R 的椭圆度要求，并规定 Ri<2.5do 时，U 形弯管的椭圆度按小 于等于 15％验收。 卡门旋涡与塔振动 天津大学化工学院 副教授 谭 蔚 高耸的圆柱形钢制塔器是化工与石油化工生产中广泛应用的设备，一般约占工厂设备投 资总额的 10~25%。随着大型化工企业的兴起与发展，高度与直径比大的塔器数量逐渐增多， 塔振动的事故便频繁发生。1994 年 6 月下旬，天津十四万吨乙烯工程中的高 75 米、重 115 吨的乙烯精馏塔，每逢刮四级风时，在与风垂直的方向上，便剧烈地摇晃起来，塔顶振幅为 半米多，并伴随着很大的响声。据不完全的调查，近十年来，我国吉林、山东、盘锦、兰州 等地的化工厂中都曾发生大型精馏塔振动的事故，塔顶振幅最大的一次是 1.4 米！由于各个 塔的固有频率不同，振动时的风力，有的高达八级，有的仅三、四级。持续的剧烈振动不仅 无法维持生产的正常运行，还将使塔体应力过大，形成疲劳裂纹，甚至导致设备的破坏，人 员的伤亡，生产的停顿。如果遇到更大的风力，发生高振型的振动，危害性就更大了。 当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时，将在两个方向上产生振动。一种是顺风向的 振动，振动的风向与风的流向一致；另一种是横风向的振动，振动的方向与风的方向垂直， 也称风的诱发振动。在一定速度范围内，风在圆柱形的塔设备背后的两侧周期性交替地形成 旋涡并以相当确定的频率从柱体表面上脱落，在尾流中有规律地交错排列成两行，这就是通 常所说的卡门旋涡（见图 1）。当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率，便会产生共振， 这便是风诱发的振动。 图 1. 卡门涡街 安装在室外的圆柱形设备一般同时存在顺风向和横风向振动，而横风向风振往往不容忽 视，甚至可能占到主导地位，比如：1972 年上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺 风向大得多。历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。位于美国塔珂玛海峡上跨长 853 米的大悬桥，在 19 米/秒的风速下，只经历 1 小时，便断裂坠毁。从五十年代至今，美、英、 日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生高耸的圆柱形设备，如塔设备、烟囱、电视塔、灯柱 等剧烈振动甚至破坏的事例。在大海中，障碍物在共振时受到的侧向力比空气中的要大得多。 正因如此，位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。从潜艇潜望镜里看到的目 标也将因镜杆的振动变得模糊不清。从卫星拍摄的照片上还曾看到海水流经小岛时产生的卡 门旋涡。架空电线的固有频率如果与卡门旋涡的频率一致，不仅发生抖动，还会发生翁鸣声， 就像用力拨动琴弦一般。 不仅风可能诱发高耸的塔设备发生振动，流体也可能诱发管束的振动。电场的空气预热 器中有许多传热管，当热的废气在管外流过形成的旋涡的频率等于空腔内的声频，便会引起 声共振。散发的噪声最高的记录是 169 分贝，比喷气式飞机发出的噪声还要大，远远超过人 耳正常情况下承受的能力。在列管式换热器中，为了获得较好的传热效率与更大的生产能力， 换热设备通常采取强化传热与设备大型化的措施。由于一般不可能将这些设备的结构设计成 具有承受流体力最小的尺寸和形状，这样的结构从流体动力学和结构动力学的角度来看是属 于不良绕流物体，故流体诱发振动的事故不断发生，使换热管相互碰撞、磨损从而导致泄漏
破坏,还会产生高达120~150分贝的噪声。对较大型的装置,特别是处理有毒、易燃、易 爆或放射性物质的装置,发生破坏时后果将十分严重。据文献记载,美、英、德、法、加、 日、韩等许多国家都曾有过列管式换热器发生管束振动或声振动造成设备失效、工厂停产的 报导,有的经济损失每年高达5千万美元。我国北京、天津、上海等许多城市的化工厂、炼 油厂、热电厂中也曾发生换热器管束振动与声振动的事故,造成的经济损失数以百万元计。 因此风诱发振动和防振的研究受到各国工程界与学术界的重视 振动会对设备造成危害,通过改变设备的固有频率、增加设备的阻尼及采用扰流装置对 抑制振动有很大的作用。例如在塔的上部1/3塔高的范围内安装轴向翅片或螺旋型翅片的扰 流器(图2),可影响卡门涡流的形成,以减缓或防止塔的共振。国外也曾多次报道钢烟囱 被振坏的事例,有的烟囱上出现的裂纹长达半个圆周。但若在烟囱的顶部与地面之间设置缆 绳,缆绳上装有两个大弹簧以吸收振动时的能量,在烟囱上部的外表面焊接螺旋翅片以破坏 卡门旋涡;或者改变烟囱的固有频率,都能有效地防止烟囱的破坏。又如减少换热管子的跨 距或采用弹性模量较大的材料,均可提高管子的自振周期。在换热管子的外表面沿周向缠绕 金属丝或沿轴向设置金属条都可抑制或削弱周期性旋涡的影响 (a)轴向翅片(b)螺旋形翅片 图2.扰流器示意图 实际上,最经济与最有效的防振措施乃是在设计阶段认真地对塔设备进行振动分析。在 进行工程结构设计时,事先估计到卡门旋涡诱发振动的可能性,将有助于我们避免恶性事故 的发生。 压力容器设计中有关标准问题的探讨 全国压力容器标准化技术委员会秘书长寿比南 摘要 GB150-1998《钢制压力容器》实施二年来,标准使用者相继提出了一些标准使用过程 中出现的问题,有些是使用者对标准理解的偏差,有些则值得进一步研究和探讨。本文重点 讨论了GB150-1998《钢制压力容器》和新版《压力容器安全技术监察规程》实施过程中的 某些问题,并阐述了作者自己的见解,希望能够对使用者有所裨益。 前言 GB150-1998《钢制压力容器》实施后,国家于一九九九年颁布了新版《压力容器安全 技术监察规程》,使得压力容器的设计、制造、检验等环节得到了更为有效的控制。通过大 量的标准和法规宣贯活动以及压力容器标准提案审査制度的有效实施,我们从各方面收集到 些在标准使用过程中遇到的问题,其内容涉及到压力容器的设计、制造、检验及管理等诸 方面,我们对这些问题分别进行了研究并提出了相应的处理意见。为了使广大标准使用者能 够更好地理解和使用GB150及“容规”,保证压力容器产品的安全和质量,全国压力容器标 准化技术委员会在开设的网站:www.cnscpv.org.cn上先后公布了对《压力容器安全技术监 察规程》和压力容器标准条款的解释。本文拟就其中一些有共性的问题进行探讨,详细阐述 相关的标准和法规条款的含义,以期加深使用者对标准和法规的理解,使业内人员在压力容
破坏，还会产生高达 120～150 分贝的噪声。对较大型的装置，特别是处理有毒、易燃、易 爆或放射性物质的装置，发生破坏时后果将十分严重。据文献记载，美、英、德、法、加、 日、韩等许多国家都曾有过列管式换热器发生管束振动或声振动造成设备失效、工厂停产的 报导，有的经济损失每年高达 5 千万美元。我国北京、天津、上海等许多城市的化工厂、炼 油厂、热电厂中也曾发生换热器管束振动与声振动的事故，造成的经济损失数以百万元计。 因此风诱发振动和防振的研究受到各国工程界与学术界的重视。 振动会对设备造成危害，通过改变设备的固有频率、增加设备的阻尼及采用扰流装置对 抑制振动有很大的作用。例如在塔的上部 1/3 塔高的范围内安装轴向翅片或螺旋型翅片的扰 流器（图 2），可影响卡门涡流的形成，以减缓或防止塔的共振。国外也曾多次报道钢烟囱 被振坏的事例，有的烟囱上出现的裂纹长达半个圆周。但若在烟囱的顶部与地面之间设置缆 绳，缆绳上装有两个大弹簧以吸收振动时的能量，在烟囱上部的外表面焊接螺旋翅片以破坏 卡门旋涡；或者改变烟囱的固有频率，都能有效地防止烟囱的破坏。又如减少换热管子的跨 距或采用弹性模量较大的材料，均可提高管子的自振周期。在换热管子的外表面沿周向缠绕 金属丝或沿轴向设置金属条都可抑制或削弱周期性旋涡的影响。 (a)轴向翅片 (b)螺旋形翅片 图 2. 扰流器示意图 实际上，最经济与最有效的防振措施乃是在设计阶段认真地对塔设备进行振动分析。在 进行工程结构设计时，事先估计到卡门旋涡诱发振动的可能性，将有助于我们避免恶性事故 的发生。 压力容器设计中有关标准问题的探讨 全国压力容器标准化技术委员会 秘书长 寿比南 摘 要 GB150-1998《钢制压力容器》实施二年来，标准使用者相继提出了一些标准使用过程 中出现的问题，有些是使用者对标准理解的偏差，有些则值得进一步研究和探讨。本文重点 讨论了 GB150-1998《钢制压力容器》和新版《压力容器安全技术监察规程》实施过程中的 某些问题，并阐述了作者自己的见解，希望能够对使用者有所裨益。 前 言 GB150-1998《钢制压力容器》实施后，国家于一九九九年颁布了新版《压力容器安全 技术监察规程》，使得压力容器的设计、制造、检验等环节得到了更为有效的控制。通过大 量的标准和法规宣贯活动以及压力容器标准提案审查制度的有效实施，我们从各方面收集到 一些在标准使用过程中遇到的问题，其内容涉及到压力容器的设计、制造、检验及管理等诸 方面，我们对这些问题分别进行了研究并提出了相应的处理意见。为了使广大标准使用者能 够更好地理解和使用 GB150 及“容规”，保证压力容器产品的安全和质量，全国压力容器标 准化技术委员会在开设的网站：www.cnscpv.org.cn 上先后公布了对《压力容器安全技术监 察规程》和压力容器标准条款的解释。本文拟就其中一些有共性的问题进行探讨，详细阐述 相关的标准和法规条款的含义，以期加深使用者对标准和法规的理解，使业内人员在压力容
器设计、制造、检验等环节上能够正确地运用标准和法规。必须声明的是,本文只代表个人 观点,作者不对任何与本文技术内容有关的法律纠纷负责。 1.压力容器设计使用寿命问题 2.压力试验的免除问题 3.低温压力容器的界限问题 4.最大允许工作压力问题 1.压力容器的设计使用寿命问题 压力容器的设计使用寿命问题一直是我国的设计单位和设计者尽量避兔涉及和回避的 问题,其主要表现在以下两个方面:首先,受技术条件、管理体制和人员观念等因素的制约, 设计者对压力容器的设计使用寿命大都不愿或难以给出准确的预报值,从而导致压力容器超 期服役现象的存在;其次,由于缺乏相关标准和法规条文对超期服役的压力容器进行必要的 规定和限制,使得其使用和检验缺乏有效的依据,处理不好客观上会造成重大的安全隐患。 但由于种种原因,压力容器的设计使用寿命问题一直没有得到应有的重视 事实上,压力容器的设计使用寿命应该由设计者在图样上标注,设计者在设计时应考虑 到影响容器使用寿命的因素,主要有: ★材料的力学性能如高温蠕变和高温断裂对时间的依赖性 ★腐蚀裕量中包含的设计寿命因素 ★载荷如周期性载荷等的时间性 ★违规操作或恶劣环境等非正常因素。 因此,正确的设计途径应是:设计者在确定容器设计使用寿命的基础上,充分地考虑以 上四个因素的影响,合理地选择材料、确定腐蚀裕度、提出制造、检验和操作要求等等。 GB150-1998《钢制压力容器》的第3.352条明确规定:“应根据预期的容器寿命和介质 对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量”’也就是说腐蚀裕量等于年腐蚀速率乘以容器设计寿 命,在腐蚀速率中不仅包括介质对材料的腐蚀,也包括介质流动时对容器材料的冲蚀和磨蚀。 在标准中,由设计者确定的容器设计使用寿命是设计时确定腐蚀裕量的一个重要前提。无独 有偶,新版《压力容器安全技术监察规程》的第32条规定:“为防止压力容器超寿命运行引 发安全问题,设计单位一般应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命”,也明确了设计单 位在确定压力容器设计使用寿命上的责任。应该指出,压力容器的设计寿命不一定等于实际 使用寿命,它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计,其作用是提醒使用者, 当超过压力容器的设计寿命时应采取必要的措施如:经常测量厚度和缩短检验周期等。 压力容器的设计寿命是一个复杂的问题,涉及到材料选用、腐蚀基础数据、结构设计等 系列设计因素,能否准确地预计,反映了设计者的经验和水平。笔者认为,无论是按国际 压力容器设计的惯例,还是为了提高设计的水平和权威性,都应在图纸上标注压力容器的设 计使用寿命,这样做才能真正体现对用户和对设备安全高度负责的精神。 2.压力试验的免除问题 GB150-1998《钢制压力容器》的第39条规定:“对不能按38的规定作压力试验的容 器,设计单位应提出确保容器安全运行的措施,并在图样上注明。”许多标准使用者对此条 的理解存在偏差,归纳起来主要是需要弄清楚以下两个问题:一是在什麽情况下可以免除压 力试验?二是免除压力试验后需要采取那些措施? 事实上,压力试验的免除仅仅针对那些不可能进行压力试验的现场组焊的大型压力容
器设计、制造、检验等环节上能够正确地运用标准和法规。必须声明的是，本文只代表个人 观点，作者不对任何与本文技术内容有关的法律纠纷负责。 1. 压力容器设计使用寿命问题 2. 压力试验的免除问题 3. 低温压力容器的界限问题 4. 最大允许工作压力问题 1. 压力容器的设计使用寿命问题 压力容器的设计使用寿命问题一直是我国的设计单位和设计者尽量避免涉及和回避的 问题，其主要表现在以下两个方面：首先，受技术条件、管理体制和人员观念等因素的制约， 设计者对压力容器的设计使用寿命大都不愿或难以给出准确的预报值，从而导致压力容器超 期服役现象的存在；其次，由于缺乏相关标准和法规条文对超期服役的压力容器进行必要的 规定和限制，使得其使用和检验缺乏有效的依据，处理不好客观上会造成重大的安全隐患。 但由于种种原因，压力容器的设计使用寿命问题一直没有得到应有的重视。 事实上，压力容器的设计使用寿命应该由设计者在图样上标注，设计者在设计时应考虑 到影响容器使用寿命的因素，主要有： ★ 材料的力学性能如高温蠕变和高温断裂对时间的依赖性； ★ 腐蚀裕量中包含的设计寿命因素； ★ 载荷如周期性载荷等的时间性； ★ 违规操作或恶劣环境等非正常因素。 因此，正确的设计途径应是：设计者在确定容器设计使用寿命的基础上，充分地考虑以 上四个因素的影响，合理地选择材料、确定腐蚀裕度、提出制造、检验和操作要求等等。 GB150-1998《钢制压力容器》的第 3.3.5.2 条明确规定：“应根据预期的容器寿命和介质 对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量”，也就是说腐蚀裕量等于年腐蚀速率乘以容器设计寿 命，在腐蚀速率中不仅包括介质对材料的腐蚀，也包括介质流动时对容器材料的冲蚀和磨蚀。 在标准中，由设计者确定的容器设计使用寿命是设计时确定腐蚀裕量的一个重要前提。无独 有偶，新版《压力容器安全技术监察规程》的第 32 条规定：“为防止压力容器超寿命运行引 发安全问题，设计单位一般应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命”，也明确了设计单 位在确定压力容器设计使用寿命上的责任。应该指出，压力容器的设计寿命不一定等于实际 使用寿命，它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计，其作用是提醒使用者， 当超过压力容器的设计寿命时应采取必要的措施如：经常测量厚度和缩短检验周期等。 压力容器的设计寿命是一个复杂的问题，涉及到材料选用、腐蚀基础数据、结构设计等 一系列设计因素，能否准确地预计，反映了设计者的经验和水平。笔者认为，无论是按国际 压力容器设计的惯例，还是为了提高设计的水平和权威性，都应在图纸上标注压力容器的设 计使用寿命，这样做才能真正体现对用户和对设备安全高度负责的精神。 2. 压力试验的免除问题 GB150-1998《钢制压力容器》的第 3.9 条规定：“对不能按 3.8 的规定作压力试验的容 器，设计单位应提出确保容器安全运行的措施，并在图样上注明。”许多标准使用者对此条 的理解存在偏差，归纳起来主要是需要弄清楚以下两个问题：一是在什麽情况下可以免除压 力试验？二是免除压力试验后需要采取那些措施？ 事实上，压力试验的免除仅仅针对那些不可能进行压力试验的现场组焊的大型压力容
器,如:催化裂化装置中的有隔热层的大型反应器和再生器以及那些基础不能承受液压试验 时水的重量的压力容器等等。也就是说,压力试验之所以免除,是因为这些容器或者不具备 做压力试验的条件,或者根本就不允许做压力试验。总之,免除意味着不能做而不是不去做, 因此不能作为一般在制造厂内生产的压力容器不进行压力试验的依据。需要说明的是,这里 的压力试验系指耐压试验 压力试验免除的后果是减少了压力容器制造过程中的一个检验环节,当然需要采取相应 的补救措施以保证压力容器的质量和安全。所采取的措施取决于使用者和设计者对容器的要 求,一般性的措施如下: ★提高对压力容器材料的要求:即提高其化学成分、力学性能和检验的要求 ★提高结构设计的要求:即尽量采用全焊透接头、避免出现严重的几何不连续现象 ★提高无损检测的比例和级别 ★提高容器的超压泻放的能力 压力试验是设计者需要重点考虑的问题,是否可以免除以及免除后应采取哪些措施也是 设计者需要重点考虑的问题。设计者不能也不应该轻易提出免除压力试验的要求,更不应该 在设计阶段忽略了免除压力试验所应该采取的措施,而在制造完成后提出免除压力试验的要 求。新版《压力容器安全技术监察规程》第30条规定:“对不能进行耐压试验和气密试验性 试验的,应注明计算厚度、和制造及使用的特殊要求,并应与使用单位协商提出推荐的使用 年限和保证安全的措施”。在即将提交技术委员审查的GB150-1998《钢制压力容器》的标准 提案中,对于是否应免除压力试验,笔者提出了增加补充条款建议的提案,补充条款明确规 定:免除压力试验应“由设计单位技术负责人批准”。 3低温压力容器的界限问题 我国的低温压力容器界限一直人为地定义为-20℃,但其基础是以钢材U形缺口冲击试 样的统计数据为依据。1982年以后,钢材的韧性试验改用Ⅴ形缺口冲击试样作为技术指标 两者相差很大,并波及到我国低温压力容器的界限问题,并成为业内人士争论的焦点,目 前仍然是悬而未决的问题。按现代压力容器的设计理念,一台特定的压力容器是否属于低 温压力容器的范畴,应根据以下几个因素确定: ★压力容器所用材料的低温力学性能 ★压力容器材料的热处理状态 ★材料的厚度; ★容器材料中的应力状态(实际应力与许用应力相比)。 考虑到上述因素,GB150-1998《钢制压力容器》的427条已经对低温压力容器界限进 行了如下修正 a)使用温度低于0℃时:厚度大于25mm的20R,厚度大于38mm的l6MnR,15MnVR 和15 Mnvnr,任意厚度的18 MnMonbr、13 MnNiMobR和CrMo钢板 b)使用温度低于-10℃时:厚度大于12mm的20R,厚度大于20mm的16MnR,15MnVR 和5 Mnvnr 上述范围内的压力容器的低温冲击功指标根据钢板标准抗拉强度下限值按附录C确定 有提案者建议将此范围内的压力容器列入低温压力容器的管辖范围,其制造、检验等方面的 要求也应满足GB150-1998附录C的规定,目前该提案已提交技术委员审查 4最大允许工作压力问题
器，如：催化裂化装置中的有隔热层的大型反应器和再生器以及那些基础不能承受液压试验 时水的重量的压力容器等等。也就是说，压力试验之所以免除，是因为这些容器或者不具备 做压力试验的条件，或者根本就不允许做压力试验。总之，免除意味着不能做而不是不去做， 因此不能作为一般在制造厂内生产的压力容器不进行压力试验的依据。需要说明的是，这里 的压力试验系指耐压试验。 压力试验免除的后果是减少了压力容器制造过程中的一个检验环节，当然需要采取相应 的补救措施以保证压力容器的质量和安全。所采取的措施取决于使用者和设计者对容器的要 求，一般性的措施如下： ★ 提高对压力容器材料的要求：即提高其化学成分、力学性能和检验的要求； ★ 提高结构设计的要求：即尽量采用全焊透接头、避免出现严重的几何不连续现象； ★ 提高无损检测的比例和级别； ★ 提高容器的超压泻放的能力。 压力试验是设计者需要重点考虑的问题，是否可以免除以及免除后应采取哪些措施也是 设计者需要重点考虑的问题。设计者不能也不应该轻易提出免除压力试验的要求，更不应该 在设计阶段忽略了免除压力试验所应该采取的措施，而在制造完成后提出免除压力试验的要 求。新版《压力容器安全技术监察规程》第 30 条规定：“对不能进行耐压试验和气密试验性 试验的，应注明计算厚度、和制造及使用的特殊要求，并应与使用单位协商提出推荐的使用 年限和保证安全的措施”。在即将提交技术委员审查的 GB150-1998《钢制压力容器》的标准 提案中，对于是否应免除压力试验，笔者提出了增加补充条款建议的提案，补充条款明确规 定：免除压力试验应“由设计单位技术负责人批准”。 3.低温压力容器的界限问题 我国的低温压力容器界限一直人为地定义为-20℃，但其基础是以钢材 U 形缺口冲击试 样的统计数据为依据。1982 年以后，钢材的韧性试验改用 V 形缺口冲击试样作为技术 指标， 两者相差很大，并波及到我国低温压力容器的界限问题，并成为业内人士争论 的焦点，目 前仍然是悬而未决的问题。按现代压力容器的设计理念，一台特定的压力 容器是否属于低 温压力容器的范畴，应根据以下几个因素确定： ★ 压力容器所用材料的低温力学性能； ★ 压力容器材料的热处理状态； ★ 材料的厚度； ★ 容器材料中的应力状态（实际应力与许用应力相比）。 考虑到上述因素，GB150-1998《钢制压力容器》的 4.2.7 条已经对低温压力容器界限进 行了如下修正： a) 使用温度低于 0℃时：厚度大于 25mm 的 20R，厚度大于 38mm 的 16MnR，15MnVR 和 15MnVNR，任意厚度的 18MnMoNbR、13MnNiMoNbR 和 Cr-Mo 钢板； b) 使用温度低于-10℃时：厚度大于 12mm 的 20R，厚度大于 20mm 的 16MnR，15MnVR 和 15MnVNR。 上述范围内的压力容器的低温冲击功指标根据钢板标准抗拉强度下限值按附录 C 确定。 有提案者建议将此范围内的压力容器列入低温压力容器的管辖范围，其制造、检验等方面的 要求也应满足 GB150-1998 附录 C 的规定，目前该提案已提交技术委员审查。 4.最大允许工作压力问题
按GB150-1998《钢制压力容器》附录B中的B2.1条的定义,最大允许工作压力“指 在设计温度下,容器顶部所允许承受的最大表压力,该压力是根据容器壳体的有效厚度计算 所得,且取最小值”。最大允许工作压力的作用是设定容器超压限度的起始压力,充分利用 容器的圆整厚度,尽量拉大工作压力与安全阀或爆破片泻放压力之间的压力差,使压力容器 的工作更为平稳。当采用最大允许工作压力作为设定容器超压限度的起始压力时,在设计中 应考虑用最大允许工作压力代替设计压力进行压力试验。对此,GB150-1998《钢制压力容 器》附录B中的B41条已经有了明确规定。本文讨论的是容器最大允许工作压力的计算问 容器的最大允许工作压力应根据容器中包含的所有受压元件的设计条件和结构尺寸予 以确定,原则上依据各受压元件的有效厚度计算得到。容器的最大允许工作压力可按下式确 式中的分别代表容器圆筒、封头、法兰、开孔补强等受压元件依据各自的设计条件和结 构尺寸计算所得到的分别对应于该元件的最大允许工作压力。对设计者而言,是否需要提高 容器的超压限度,是决定是否采用最大允许工作压力进行压力试验前提条件。应该说,GB150 中的最大允许工作压力定义不够准确,笔者在送审的标准提案中已经给出了修订方案,即“该 压力是根据容器各承压元件的有效厚度计算所得,且取最小值。” 各国钛容器规范现状 原合肥通用机械研究所高级工程师黄嘉琥 钛容器主要用于耐腐蚀容器,也可用作低温容器,在航空航天中用作贮存液体燃料的容 器(钛材重量轻,比强度高)。由于钛材价格较高,一般只在钢、铝、铜等容器不能满足使 用要求时才采用钛容器。民用钛材中约有四分之三用于钛容器(含换热器),因而容器是钛 材的主要用户。 美国“钴炉及压力容器规范”ASME-1995,日本“压力容器(基础标准)”JISB8270-1993 以及“制冷用压力容器的结构”JSB8240-1986均将包含钛容器的各种材料的容器集中在 个总的容器规范中,而俄罗斯则将钢容器、铝和铜容器、钛容器、镍和镍合金容器等分别制 订成容器规范,其中钛容器标准尚属部标准(OCT)或指导性技术文件(PⅡPIM)如下: ★OCT26-106-1985“钛及钛合金焊制容器与设备一般技术条件” ★OCT26-01-279-1978(1982年实施)“钛制容器与设备强度计算公式与方法” ★PⅡPIM2601-114-1978“钛合金AT3制法兰联接的容器与设备强度与密封计算方 法 ★PⅡPIM26-01-102-1977“钛制容器与设备静载下开孔补强的计算公式与方法”。 ★PⅡPIM26-01-133-1981“钛及钛合金制容器与设备低周载荷下强度计算公式与 方法 法国容器规范 CODAP-1995(E)虽未列入钛容器的具体内容,但已规定了钛容器的安 全系数nb≥3。 我国劳动部1990年颁发的“压力容器安全技术监察规程”中已包含了钛容器的安全技术要 求。国家质量技术监督局已组织修订于1999年6月颁布,定于2000年1月1日起实施,其 中对钛容器的安全系数已由nb≥4改为nb≥3
按 GB150-1998《钢制压力容器》附录 B 中的 B2.1 条的定义，最大允许工作压力“指 在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力，该压力是根据容器壳体的有效厚度计算 所得，且取最小值”。最大允许工作压力的作用是设定容器超压限度的起始压力，充分利用 容器的圆整厚度，尽量拉大工作压力与安全阀或爆破片泻放压力之间的压力差，使压力容器 的工作更为平稳。当采用最大允许工作压力作为设定容器超压限度的起始压力时，在设计中 应考虑用最大允许工作压力代替设计压力进行压力试验。对此，GB150-1998《钢制压力容 器》附录 B 中的 B4.1 条已经有了明确规定。本文讨论的是容器最大允许工作压力的计算问 题。 容器的最大允许工作压力应根据容器中包含的所有受压元件的设计条件和结构尺寸予 以确定，原则上依据各受压元件的有效厚度计算得到。容器的最大允许工作压力可按下式确 定： 式中的分别代表容器圆筒、封头、法兰、开孔补强等受压元件依据各自的设计条件和结 构尺寸计算所得到的分别对应于该元件的最大允许工作压力。对设计者而言，是否需要提高 容器的超压限度，是决定是否采用最大允许工作压力进行压力试验前提条件。应该说，GB150 中的最大允许工作压力定义不够准确，笔者在送审的标准提案中已经给出了修订方案，即“该 压力是根据容器各承压元件的有效厚度计算所得，且取最小值。” 各 国 钛 容 器 规 范 现 状 原合肥通用机械研究所 高级工程师 黄嘉琥 钛容器主要用于耐腐蚀容器，也可用作低温容器，在航空航天中用作贮存液体燃料的容 器（钛材重量轻，比强度高）。由于钛材价格较高，一般只在钢、铝、铜等容器不能满足使 用要求时才采用钛容器。民用钛材中约有四分之三用于钛容器（含换热器），因而容器是钛 材的主要用户。 美国“钴炉及压力容器规范”ASME-1995，日本“压力容器（基础标准）”JIS B8270-1993 以及“制冷用压力容器的结构”JIS B8240-1986 均将包含钛容器的各种材料的容器集中在一 个总的容器规范中，而俄罗斯则将钢容器、铝和铜容器、钛容器、镍和镍合金容器等分别制 订成容器规范，其中钛容器标准尚属部标准(OCT)或指导性技术文件（PД PTM）如下： ★ OCT26-II-06-1985“钛及钛合金焊制容器与设备 一般技术条件”。 ★ OCT26-01-279-1978（1982 年实施）“钛制容器与设备 强度计算公式与方法”。 ★ PД PTM26-01-114-1978“钛合金AT3制法兰联接的容器与设备 强度与密封计算方 法”。 ★ PД PTM26-01-102-1977“钛制容器与设备静载下开孔补强的计算公式与方法”。 ★ PД PTM26-01-133-1981“钛及钛合金制容器与设备 低周载荷下强度计算公式与 方法”。 法国容器规范 CODAP-1995（E）虽未列入钛容器的具体内容，但已规定了钛容器的安 全系数 nb≥3。 我国劳动部 1990 年颁发的“压力容器安全技术监察规程”中已包含了钛容器的安全技术要 求。国家质量技术监督局已组织修订于 1999 年 6 月颁布，定于 2000 年 1 月 1 日起实施，其 中对钛容器的安全系数已由 nb≥4 改为 nb≥3
我国原化工部基建局批准颁布的化工设计标准有:CD130A8-1987“钛制设备设计技术规 定”和CD130A9-1987钛制设备技术条件”。由于CD标准不属于现行的国家标准、行业标 准和企业标准三级标准之列,其制订也较早,不便于行业使用。 我国陕西省地方标准中有: ★陕DB3464-1986“钛制焊接压力容器技术条件”。 ★陕DB3465-1986“钛制列管式换热器技术条件” ★陕DB3468-1986“钛制容器包装运输” ★陕DB3467-1986“钛及钛合金焊缝射线照相及底片等级分类法”。 陕DB标准中只有制造、检验方面的内容,而没有设计、材料、计算、结构方面的内容 此外,钛容器原本并不具有明显的地方特色,作为省标准很难得到全国行业的采用。 JB4730-1994压力容器无损检测”中己列有钛容器焊缝的射线、超声、渗透等无损检测 方法和评定分级 受国家质量技术监督局的委托,全国压力容器标准化技术委员会正在组织制订“钛制焊 接容器“,已处于定稿阶段,初步准备作为行业标准颁发。标准内容包含了设计、材料、计 算、结构、制造、检验等,其中钛容器的焊接则包括了焊丝、焊工考试规则、焊接工艺评定 焊接工艺规程、焊接试板力学性能检验等。附录中还列出了钛材在各温度下的规定残余伸长 应力及部分力学、物理和工艺性能 各国钛容器规范所列容器用钛的牌号列于表1。钛容器的安全系数列于表2。 表1 国家标准 度形工业纯钛 变形低合金钛 铸钛 美国ASME-1995F1Gr1F23 7 Gr. 9 Gr 12 F12 2k-3 7Gir.12F12 Gr 17 F12 和1种种种 12种 13种 JISB8270-199 斯BT1-00BT1 OCT26-01-279-19 Al TA2 TA3 Ti-O.1 -0.3Mo-0 CD130A8-1987 行业标准(起草中AOA1hA2A3A9 A10 ZTil Ti2 压力容器应用软件的特点与进展 全国化工设备设计技术中心站、计算机分委会 秦叔经教授级高级工程师、黄正林秘书长 在当前计算机技术已相当成熟的今天,CAD软件在工业设计中的应用越来越普遍。在 压力容器设计和制造行业中,对计算机软件的需求与依赖也日益加强。从八十年代初以来, 我国应用于压力容器行业的软件开发技术和市场也有了较大的发展,软件的应用使得我国压 力容器的设计水平有了大幅度的提高。特别是CAD软件在设计计算、工程图绘制方面与手 工相比较所具有的明显优势,使得任何参与大型项目设备设计和制造的单位都必须有各类相 应的软件。不拥有这些软件将不可能在激烈的市场竞争中获得项目,即使获得了项目,也难 以在设备设计和制造方面向用户提供高质量的产品 一个能使设计、制造工程师满意的应用软件应具备以下特点:
我国原化工部基建局批准颁布的化工设计标准有：CD130A8-1987“钛制设备设计技术规 定”和 CD130A9-1987“钛制设备技术条件”。由于 CD 标准不属于现行的国家标准、行业标 准和企业标准三级标准之列，其制订也较早，不便于行业使用。 我国陕西省地方标准中有： ★ 陕 DB3464-1986“钛制焊接压力容器技术条件”。 ★ 陕 DB3465-1986“钛制列管式换热器技术条件”。 ★ 陕 DB3468-1986“钛制容器包装运输”。 ★ 陕 DB3467-1986“钛及钛合金焊缝射线照相及底片等级分类法”。 陕 DB 标准中只有制造、检验方面的内容，而没有设计、材料、计算、结构方面的内容。 此外，钛容器原本并不具有明显的地方特色，作为省标准很难得到全国行业的采用。 JB4730-1994“压力容器无损检测”中已列有钛容器焊缝的射线、超声、渗透等无损检测 方法和评定分级。 受国家质量技术监督局的委托，全国压力容器标准化技术委员会正在组织制订“钛制焊 接容器“，已处于定稿阶段，初步准备作为行业标准颁发。标准内容包含了设计、材料、计 算、结构、制造、检验等，其中钛容器的焊接则包括了焊丝、焊工考试规则、焊接工艺评定、 焊接工艺规程、焊接试板力学性能检验等。附录中还列出了钛材在各温度下的规定残余伸长 应力及部分力学、物理和工艺性能。 各国钛容器规范所列容器用钛的牌号列于表 1。钛容器的安全系数列于表 2。 表 1 国家标准 变形工业纯钛 变形低合金钛 铸钛 美国 ASME-1995 F1 Gr.1 F2 Gr.2 F3 Gr.3 Gr.7 F7 Gr.9 Gr.12 F12 Gr.12 F12 Gr.16 Gr.17 F12 c-2 c-3 日 本 JISB8270-199 3 1 种 2 种 3 种 12 种 13 种 俄 罗 斯 OCT26-01-279-19 78 BT1-00 BT1- 0 OT4-0 AT3 中 国 CD130A8-1987 TA1 TA2 TA3 Ti-0.1 5Pd Ti-0.3Mo-0. 8Ni 行业标准(起草中)TAO TA1 TA2 TA3 TA9 TA10 ZTi1 ZTi2 压力容器应用软件的特点与进展 全国化工设备设计技术中心站、计算机分委会 秦叔经教授级高级工程师、黄正林秘书长 在当前计算机技术已相当成熟的今天，CAD 软件在工业设计中的应用越来越普遍。在 压力容器设计和制造行业中，对计算机软件的需求与依赖也日益加强。从八十年代初以来， 我国应用于压力容器行业的软件开发技术和市场也有了较大的发展，软件的应用使得我国压 力容器的设计水平有了大幅度的提高。特别是 CAD 软件在设计计算、工程图绘制方面与手 工相比较所具有的明显优势，使得任何参与大型项目设备设计和制造的单位都必须有各类相 应的软件。不拥有这些软件将不可能在激烈的市场竞争中获得项目，即使获得了项目，也难 以在设备设计和制造方面向用户提供高质量的产品。 一个能使设计、制造工程师满意的应用软件应具备以下特点：
1.符合工程应用特点,具备解决特定领域内设计、制造中绝大部分问题的功能。如应 用于压力容器设计的软件能对工程中所有常见设备和结构进行强度或刚度计算 2.软件是在符合当前软件技术潮流的操作平台上进行编制。使用方便,符合一般应用 软件的操作习惯。当前,所有的PC机都己采用 Windows操作系统,运行于DOS平台上的 软件由于其可操作性远落后于 Windows软件,特别是原依靠DOS中文系统的软件可能在 Windows系统中更本无法运行或引起 Windows系统的崩溃,故此类软件必须升级至 Windows 平台,否则将被淘汰 3.由于压力容器在运行时存在的危险性,其设计和制造必须严格遵循国家标准和规范, 并接受劳动部门的监督。因此,在规范和标准覆盖的范围内,其采用的算法和流程应完全符 合规范和标准。一般情况下,可不提供超出规范或标准的设计内容,以免引起使用者的误解。 如提供了这方面的内容,必须在用户手册和输出的计算结果中明确说明。 随着计算机软、硬件技术的发展,以及压力容器设计、制造行业本身的需求,目前压力 容器应用软件的功能也从常规设计向分析设计和制造方面扩展。如我国己出现了第一套完全 由自己开发编制且专用于压力容器设计的有限元分析软件VAS20,该软件的专业性和使用 方便性将使设备工程师无需软件培训即能得心应手的进行压力容器的分析设计。又如美国的 Codeware公司和 Coade公司都在其原己开发的ASME规范设计软件的基础上,又开发了应 用于制造厂的绘制工程图和设备报价软件,以及容器上接管和管道的有限元分析软件。 由于以上第3点所提及的理由,为了对广大将使用软件进行压力容器设计、制造的单位 负责,全国压力容器标准化技术委员会(以下简称容委会)和国家质量技术监督局锅炉压力 容器安全监察局要求所有应用于压力容器行业,并按照我国压力容器标准和规范编制或适合 我国标准和规范的商业性软件,应通过容委会计算机应用分技术委员会(以下简称计算分会) 的评审。整个评审过程包括以下步骤: 1.编制单位向计算分会申报;计算分会将对软件申报单位的资质和软件的应用范围和 所附文档进行审查。申报者必须是单位,而不能是个人。软件必须是应用于压力容器行业的 商业性软件,并附有相应的文档,如用户手册、算例、测试版的评价等 2.根据软件的功能和特点,计算分会将组织行业内有关专业的专家组成测试组,对该 软件的所有模块和功能进行具体操作,按照用户手册的说明有针对性的进行测试。每个测试 组成员写出各自的测试报告,经测试组内交流讨论后形成总的测试组意见 3.计算分会在本分会的委员中选定7-13人组成评审委员会,在软件的介绍、演示和 对测试组报告进行讨论后,给出对该软件的评审结论。 4.计算分会秘书处将申报材料、测试报告和评审结论等文件寄交计算分会全体委员 请各委员在审阅了所有材料后投票表决。以三分之二赞成票为评审通过 5.根据全体委员的投票结果,报容委会。如表决通过,由容委会和国家质量技术监督 局锅炉压力容器安全监察局向软件编制单位共同颁发该软件的评审证书 至今为止,通过评审并获得评审证书的压力容器用软件有 1.SW6-98V1.25,过程设备设计计算软件包,编制单位:全国化工设备设计技术中心 站 2. LANSYS V10,压力容器强度设计软件,编制单位:兰州石油机械研究所 3.料仓设计软件1.0,编制单位:成都市鹏业软件有限责任公司 4.VAS20,压力容器有限元分析软件,编制单位:北京飞箭软件有限公司。 通过评审,这些软件的可靠性有较大的保证,且都具备较强的技术支持和售后服务能力, 故应在压力容器设计中得到优先使用
1. 符合工程应用特点，具备解决特定领域内设计、制造中绝大部分问题的功能。如应 用于压力容器设计的软件能对工程中所有常见设备和结构进行强度或刚度计算。 2. 软件是在符合当前软件技术潮流的操作平台上进行编制。使用方便，符合一般应用 软件的操作习惯。当前，所有的 PC 机都已采用 Windows 操作系统，运行于 DOS 平台上的 软件由于其可操作性远落后于 Windows 软件，特别是原依靠 DOS 中文系统的软件可能在 Windows 系统中更本无法运行或引起 Windows 系统的崩溃，故此类软件必须升级至 Windows 平台，否则将被淘汰。 3. 由于压力容器在运行时存在的危险性，其设计和制造必须严格遵循国家标准和规范， 并接受劳动部门的监督。因此，在规范和标准覆盖的范围内，其采用的算法和流程应完全符 合规范和标准。一般情况下，可不提供超出规范或标准的设计内容，以免引起使用者的误解。 如提供了这方面的内容，必须在用户手册和输出的计算结果中明确说明。 随着计算机软、硬件技术的发展，以及压力容器设计、制造行业本身的需求，目前压力 容器应用软件的功能也从常规设计向分析设计和制造方面扩展。如我国已出现了第一套完全 由自己开发编制且专用于压力容器设计的有限元分析软件 VAS2.0，该软件的专业性和使用 方便性将使设备工程师无需软件培训即能得心应手的进行压力容器的分析设计。又如美国的 Codeware 公司和 Coade 公司都在其原已开发的 ASME 规范设计软件的基础上，又开发了应 用于制造厂的绘制工程图和设备报价软件，以及容器上接管和管道的有限元分析软件。 由于以上第 3 点所提及的理由，为了对广大将使用软件进行压力容器设计、制造的单位 负责，全国压力容器标准化技术委员会（以下简称容委会）和国家质量技术监督局锅炉压力 容器安全监察局要求所有应用于压力容器行业，并按照我国压力容器标准和规范编制或适合 我国标准和规范的商业性软件，应通过容委会计算机应用分技术委员会（以下简称计算分会） 的评审。整个评审过程包括以下步骤： 1. 编制单位向计算分会申报；计算分会将对软件申报单位的资质和软件的应用范围和 所附文档进行审查。申报者必须是单位，而不能是个人。软件必须是应用于压力容器行业的 商业性软件，并附有相应的文档，如用户手册、算例、测试版的评价等。 2. 根据软件的功能和特点，计算分会将组织行业内有关专业的专家组成测试组，对该 软件的所有模块和功能进行具体操作，按照用户手册的说明有针对性的进行测试。每个测试 组成员写出各自的测试报告，经测试组内交流讨论后形成总的测试组意见。 3. 计算分会在本分会的委员中选定 7－13 人组成评审委员会，在软件的介绍、演示和 对测试组报告进行讨论后，给出对该软件的评审结论。 4. 计算分会秘书处将申报材料、测试报告和评审结论等文件寄交计算分会全体委员， 请各委员在审阅了所有材料后投票表决。以三分之二赞成票为评审通过。 5. 根据全体委员的投票结果，报容委会。如表决通过，由容委会和国家质量技术监督 局锅炉压力容器安全监察局向软件编制单位共同颁发该软件的评审证书。 至今为止，通过评审并获得评审证书的压力容器用软件有： 1. SW6－98 v1.25，过程设备设计计算软件包，编制单位：全国化工设备设计技术中心 站； 2. LANSYS v1.0，压力容器强度设计软件，编制单位：兰州石油机械研究所； 3. 料仓设计软件 1.0，编制单位：成都市鹏业软件有限责任公司； 4. VAS2.0，压力容器有限元分析软件，编制单位：北京飞箭软件有限公司。 通过评审，这些软件的可靠性有较大的保证，且都具备较强的技术支持和售后服务能力， 故应在压力容器设计中得到优先使用