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壓力容器設計中有關標準問題的探討

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壓力容器設計中有關標準問題的探討全國壓力容器標準化技術委員會秘書長壽比南
摘要
GB150-1998《鋼制壓力容器》實施二年來，標準使用者相繼提出了一些標準使用過程中出現的問題，有些是使用者對標準理解的偏差，有些則值得進一步研究和探討。本文重點討論了GB150-1998《鋼制壓力容器》和新版《壓力容器安全技術監察規程》實施過程中的某些問題，并闡述了作者自己的見解，希望能夠對使用者有所裨益。
前言
GB150-1998《鋼制壓力容器》實施后，于一九九九年頒布了新版《壓力容器安全技術監察規程》，使得壓力容器的設計、制造、檢驗等環節得到了更為有效的控制。通過大量的標準和法規宣貫活動以及壓力容器標準提案審查制度的有效實施，我們從各方面收集到一些在標準使用過程中遇到的問題，其內容涉及到壓力容器的設計、制造、檢驗及管理等諸方面，我們對這些問題分別進行了研究并提出了相應的處理意見。為了使廣大標準使用者能夠更好地理解和使用GB150及“容規”，壓力容器產品的安全和質量，全國壓力容器標準化技術委員會在開設的網站：
www.cnscpv.org.cn上先后公布了對《壓力容器安全技術監察規程》和壓力容器標準條款的解釋。本文擬就其中一些有共性的問題進行探討，詳細闡述相關的標準和法規條款的含義，以期加深使用者對標準和法規的理解，使業內人員在壓力容器設計、制造、檢驗等環節上能夠正確地運用標準和法規。必須聲明的是，本文只代表個人觀點，作者不對任何與本文技術內容有關的法律糾紛負責。
1. 壓力容器的設計使用壽命問題
壓力容器的設計使用壽命問題一直是我國的設計單位和設計者盡量避免涉及和回避的問題，其主要表現在以下兩個方面：首先，受技術條件、管理體制和人員觀念等因素的制約，設計者對壓力容器的設計使用壽命大都不愿或難以給出準確的預報值，從而導致壓力容器超期服役現象的存在；其次，由于缺乏相關標準和法規條文對超期服役的壓力容器進行必要的規定和限制，使得其使用和檢驗缺乏有效的依據，處理不好客觀上會造成重大的安全隱患。但由于種種原因，壓力容器的設計使用壽命問題一直沒有得到應有的重視。
事實上，壓力容器的設計使用壽命應該由設計者在圖樣上標注，設計者在設計時應考慮到影響容器使用壽命的因素，主要有：
★ 材料的力學性能如高溫蠕變和高溫斷裂對時間的依賴性；
★ 腐蝕裕量中包含的設計壽命因素；
★ 載荷如周期性載荷等的時間性；
★ 違規操作或惡劣環境等非正常因素。
因此，正確的設計途徑應是：設計者在確定容器設計使用壽命的基礎上，充分地考慮以上四個因素的影響，合理地選擇材料、確定腐蝕裕度、提出制造、檢驗和操作要求等等。
GB150-1998《鋼制壓力容器》的第3.3.5.2條明確規定：“應根據預期的容器壽命和介質對金屬材料的腐蝕速率確定腐蝕裕量”，也就是說腐蝕裕量等于年腐蝕速率乘以容器設計壽命，在腐蝕速率中不僅包括介質對材料的腐蝕，也包括介質流動時對容器材料的沖蝕和磨蝕。在標準中，由設計者確定的容器設計使用壽命是設計時確定腐蝕裕量的一個重要前提。無獨有偶，新版《壓力容器安全技術監察規程》的第32條規定：“為防止壓力容器超壽命運行引發安全問題，設計單位一般應在設計圖樣上注明壓力容器設計使用壽命”，也明確了設計單位在確定壓力容器設計使用壽命上的責任。應該指出，壓力容器的設計壽命不一定等于實際使用壽命，它僅僅是設計者根據容器預期的使用條件而給出的估計，其作用是提醒使用者，當超過壓力容器的設計壽命時應采取必要的措施如：經常測量厚度和縮短檢驗周期等。
壓力容器的設計壽命是一個復雜的問題，涉及到材料選用、腐蝕基礎數據、結構設計等一系列設計因素，能否準確地預計，反映了設計者的經驗和水平。筆者認為，無論是按國際壓力容器設計的慣例，還是為了提高設計的水平和權威性，都應在圖紙上標注壓力容器的設計使用壽命，這樣做才能真正體現對用戶和對設備安全高度負責的精神。
2. 壓力試驗的免除問題
GB150-1998《鋼制壓力容器》的第3.9條規定：“對不能按3.8的規定作壓力試驗的容器，設計單位應提出確保容器安全運行的措施，并在圖樣上注明。”許多標準使用者對此條的理解存在偏差，歸納起來主要是需要弄清楚以下兩個問題：一是在什麼情況下可以免除壓力試驗？二是免除壓力試驗后需要采取那些措施？
事實上，壓力試驗的免除僅僅針對那些不可能進行壓力試驗的現場組焊的大型壓力容器，如：催化裂化裝置中的有隔熱層的大型反應器和再生器以及那些基礎不能承受液壓試驗時水的重量的壓力容器等等。也就是說，壓力試驗之所以免除，是因為這些容器或者不具備做壓力試驗的條件，或者根本就不允許做壓力試驗。總之，免除意味著不能做而不是不去做，因此不能作為一般在制造廠內生產的壓力容器不進行壓力試驗的依據。需要說明的是，這里的壓力試驗系指耐壓試驗。
壓力試驗免除的后果是減少了壓力容器制造過程中的一個檢驗環節，當然需要采取相應的補救措施以壓力容器的質量和安全。所采取的措施取決于使用者和設計者對容器的要求，一般性的措施如下：
★ 提高對壓力容器材料的要求：即提高其化學成分、力學性能和檢驗的要求；
★ 提高結構設計的要求：即盡量采用全焊透接頭、避免出現嚴重的幾何不連續現象；
★ 提高無損檢測的比例和級別；
★ 提高容器的超壓瀉放的能力。
壓力試驗是設計者需要重點考慮的問題，是否可以免除以及免除后應采取哪些措施也是設計者需要重點考慮的問題。設計者不能也不應該輕易提出免除壓力試驗的要求，更不應該在設計階段忽略了免除壓力試驗所應該采取的措施，而在制造完成后提出免除壓力試驗的要求。新版《壓力容器安全技術監察規程》第30條規定：“對不能進行耐壓試驗和氣密試驗性試驗的，應注明計算厚度和制造及使用的特殊要求，并應與使用單位協商提出推薦的使用年限和安全的措施”。在即將提交技術委員審查的GB150-1998《鋼制壓力容器》的標準提案中，對于是否應免除壓力試驗，筆者提出了增加補充條款建議的提案，補充條款明確規定：免除壓力試驗應“由設計單位技術負責人批準”。
3.低溫壓力容器的界限問題
我國的低溫壓力容器界限一直人為地定義為-20℃，但其基礎是以鋼材U形缺口沖擊試樣的統計數據為依據。1982年以后，鋼材的韌性試驗改用V形缺口沖擊試樣作為技術指標，兩者相差很大，并波及到我國低溫壓力容器的界限問題，并成為業內人士爭論的焦點，目前仍然是懸而未決的問題。按現代壓力容器的設計理念，一臺特定的壓力容器是否屬于低溫壓力容器的范疇，應根據以下幾個因素確定：
★ 壓力容器所用材料的低溫力學性能；
★ 壓力容器材料的熱處理狀態；
★ 材料的厚度；
★ 容器材料中的應力狀態（實際應力與許用應力相比）。
考慮到上述因素，GB150-1998《鋼制壓力容器》的4.2.7條已經對低溫壓力容器界限進行了如下修正：
a) 使用溫度低于0℃時：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鋼板；
b) 使用溫度低于-10℃時：厚度大于12mm的20R，厚度大于20mm的16MnR，15MnVR和15MnVNR。
上述范圍內的壓力容器的低溫沖擊功指標根據鋼板標準抗拉強度下限值按附錄C確定。有提案者建議將此范圍內的壓力容器列入低溫壓力容器的管轄范圍，其制造、檢驗等方面的要求也應滿足GB150-1998附錄C的規定，目前該提案已提交技術委員審查。
4.允許工作壓力問題
按GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B中的B2.1條的定義，允許工作壓力“指在設計溫度下，容器頂部所允許承受的表壓力，該壓力是根據容器殼體的有效厚度計算所得，且取小值”。允許工作壓力的作用是設定容器超壓限度的起始壓力，充分利用容器的圓整厚度，盡量拉大工作壓力與安全閥或爆破片瀉放壓力之間的壓力差，使壓力容器的工作更為平穩。當采用允許工作壓力作為設定容器超壓限度的起始壓力時，在設計中應考慮用允許工作壓力代替設計壓力進行壓力試驗。對此，GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B中的 B4.1條已經有了明確規定。本文討論的是容器允許工作壓力的計算問題。
容器的允許工作壓力應根據容器中包含的所有受壓元件的設計條件和結構尺寸予以確定，原則上依據各受壓元件的有效厚度計算得到。容器的允許工作壓力可按下式確定：
式中的分別代表容器圓筒、封頭、法蘭、開孔補強等受壓元件依據各自的設計條件和結構尺寸計算所得到的分別對應于該元件的允許工作壓力。對設計者而言，是否需要提高容器的超壓限度，是決定是否采用允許工作壓力進行壓力試驗前提條件。應該說，GB150中的允許工作壓力定義不夠準確，筆者在送審的標準提案中已經給出了修訂方案，即“該壓力是根據容器各承壓元件的有效厚度計算所得，且取小值。”

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