劉復田
(上海工業鍋爐研究所 上海 200071)
我國工業鍋爐標準建設:回顧、比較和展望
劉復田
(上海工業鍋爐研究所 上海 200071)
本文詳細介紹上世紀80年代開始的采用國際及先進國家標準的工作;并將我國標準與BS 2790及歐洲EN 12953.3鍋殼鍋爐標準作對比分析;以及提出關于我國鍋爐標準體系建設的建議。
鍋殼鍋爐 國際標準 英國BS 2790 德國TRD 歐洲EN 12953.3
我國鍋爐工業最早出現于1843年五口通商后,在租界里帶來了鍋爐,為解決安裝與修理,在我國出現了為它們服務的修理、制造配件的工場。后發展為生產一些小型立式和臥式鍋爐。關于鍋爐標準的制訂則是在解放以后進行。
我國工業鍋爐標準化的發展,是隨著鍋爐工業發展而發展的。在解放以前,我國雖有十幾家工廠,均以修配和仿制一些小容量鍋爐為主,是作坊式生產。根本成不了一種工業行業,制造工藝和技術要求,都只是抄襲進口鍋爐的藍圖上條文,所以談不上有廠標和單個產品標準。
1.1 第一階段
從上世紀50年代至60年代初,全盤學習蘇聯,引進了設計、工藝、標準、管理等。當時我國一無所有,得此技術支援,的確使鍋爐行業發展很快。然而這些都是對電站鍋爐,對工業鍋爐還是循著原來方式生產,只不過得到幾種水管鍋爐圖紙(k-2、k-4、ДkB等),一些鍋殼鍋爐還是舊的英國爐型。
上世紀60年代初勞動部頒布《蒸汽鍋爐安全規程》(1961年),勞動部、一機部聯合頒布《火管鍋爐受壓元件強度計算暫行規定》(1961年),一機部的(DZ)173—62《水管鍋爐受壓元件強度計算暫行規定》。這些基本上是蘇聯模式。
1.2 第二階段
上世紀60年代中期至70年末,這10年是“文革”期間,幾乎一切停頓,但由于鍋爐是受壓設備,在此期間爆炸事故頻繁,國家重視,于70年代初,組織了行業內的一些工廠編制了鍋爐各部件的制造技術條件,于1975年公布了17項標準,作為部頒標準,其基礎還是以哈鍋廠一些廠標為主(實質上還是蘇聯的),結合國內一些實際情況制定的。
至上世紀80年代初,國家著手制修訂新的標準。機械部于1984年頒布了JB 3622—84《鍋殼式鍋爐受壓元件強度計算》[1],正式廢止了1961年頒布的“暫行規定”,這是包括立式、臥式各種結構的較全面的鍋殼鍋爐標準。根據國內常用的爐型,參照了當時僅能收集到的日本和英國標準,吸收了他們對一些結構的新的計算公式和方法,特別是上世紀80年代初,剛改革開放開始進口一些油爐,國內工廠也準備生產油爐,標準適時地加入了波形爐膽的計算公式。該標準的頒布執行,大大促進了鍋殼鍋爐技術發展,并提高了產品質量和可靠性。
1.3 第三階段
上世紀80年代至90年代,是國家改革開放,大量國外資料、標準和技術設備的被引進。并提出采用國際及國外標準,鍋爐采標的對象怎樣選,對工業鍋爐特別是鍋殼鍋爐又該怎樣。此時各國標準也容易收集到,如英、德、日3國關于鍋殼鍋爐標準較全面。行業深感1984版標準已不敷使用,遂組織各方面教授、專家于1992年開始修訂新鍋殼鍋爐標準。
在修訂過程中遵循采標的要求,深入理解國外標準的先進性,又結合國內經驗,修訂3622-84,改為國家標準GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》[2]。該標準的主要特點是在吸收國外最新技術時(主要是BS 2790—92《焊接結構鍋殼鍋爐設計和制造規范》),也把我國10年來自己創造并經過長期運行考驗的安全結構列入,如拱型管板、螺紋煙管等項,還把當時已逐漸出現的鑄鐵鍋爐也作為附錄列于后。該標準已很接近當時國際先進水平。標準頒布后深受工廠歡迎,經過17年的使用,對推動工業鍋爐技術發展做出了有益貢獻。
1.4 第四階段
隨著國際技術交流的頻繁和國內科研發展及生產實踐的需要,標準也應及時修改。在修改中吸收了歐洲EN 12953“鍋殼鍋爐”標準相關內容,于2013年頒布GB/T 16508.1~16508.8—2013《鍋殼鍋爐》[3]。在GB/T 16508.3中主要改進的內容:依據理論分析,有限元計算方法,應力測定結果,放寬了一些不合理過嚴內容,如明顯減少了下腳圈,平端蓋厚度;放寬了凸形封頭人孔尺寸的限制及筒殼上大孔與孔排的加強計算規定;參照國外標準減少了煙管厚度等。
2.1 BS 2790與ISO 5730《焊接結構固定式鍋殼鍋爐》間的關系
在1968年ISO(國際標準化組織)頒布的ISO/ R831《固定式鍋爐建造規范》是第一份關于鍋爐的國際標準,作為國際貿易時須遵循的規定,但其又非正式文本,僅為推薦書(recommendation),且內容不多,于鍋殼鍋爐則更少,不敷使用。至1997年廢止了,看來是過于簡單,技術要求低,很多國家標準都高于它。
1973年,由ISO/TC11/WG10組織編寫鍋殼鍋爐標準,當時WG的負責人是英國人福克斯,成員中歐洲人較多。1981年完成ISO/DP5730(建議草案),直至1992年12月才完成。頒布了ISO 5730《焊接結構固定式鍋殼鍋爐》[4],是當時集各先進國家之大成,具有國際先進水平的標準。其實就其內容與英國標準BS 2790進行對比的話,可用福克斯說的一句話來概括,ISO 5730只是將BS 2790的某些曲線向兩端延伸了一些,以及某些公式的系數作了些修改而已。這就是說ISO 5730是以BS 2790為基礎,加進了德、法和其它歐洲國家的意見,其中也采納了我國代表團的意見,就是焊后熱處理厚度由≥20mm改為≥30mm。
2.2 BS 2790與EN 12953《鍋殼鍋爐》間的關系
從上世紀末受歐洲委員會和歐洲自由貿易協會的委托由CEN/TC269“鍋殼和水管鍋爐”技術委員會負責編制“鍋殼鍋爐”標準。其秘書長由德國DIN擔任,經幾年的編制,最后于2002年5月正式頒布。并明確規定“CEN成員應履行CEN/CENELEC內部條例,該條例規定了將歐洲標準作為唯一的國家標準的條件。”[5]
綜觀該標準全文,很明顯地看出,在其前言及目錄內容,基本上與德國TRD《蒸汽鍋爐技術規程》所列目錄接近。而在EN 12953—3(第三部份受壓元件設計和計算)這一章的內容其基本框架與BS 2790很接近,當然很多方面又有TRD的內容,因而可以說EN 12953是英、德兩國鍋殼鍋爐標準的混合體,而且都比兩者有所提高。這就是BS與ISO及EN關于鍋殼鍋爐標準之間的相互關系,說明了鍋殼鍋爐在英國出現最早,幾百年的發展,在理論、技術各方面均較成熟,標準也較先進,故受到歐洲和國際的認可,所以關于鍋殼鍋爐的標準,總的是以BS為基本框架。
上世紀80年代,國家提出采用國際及國外標準,當時的提法是采標是最廉價的引進。“標準化工作是牽一發而動全身的工作,是牛鼻子,一定要抓住,而采用國際標準則是牛鼻子的牛鼻子。”[6]
當時提出采標的三種模式。
第一種是等同采用。就是將國外標準譯成中文,僅作編輯性修改,內容及條文不作任何修改,就作為我國標準編號執行。如GB/T 19000質量管理體系與ISO 9000的內容與條文編排都一樣,此即為等同采用。
第二種是等效采用。是將國外標準與我國標準進行對比,找出差距,經分析后,根據國內實際情況,對差距不大的則完全采用。對一些差距較大的,又分成二種,一種是經過努力,能達到的就盡量采用。還有一種當下一時達不到的就先放一放,而使主要的方面能達到類似效果的,即為等效采用。
第三種是選擇采用。經對比后認為差距很大,難以等效采用,就擇其主要條款,對產品質量影響較大,需要盡快趕上去的,就先采用,列入我國標準,大力推廣實施的,謂之選擇采用。
對采標的幾種做法,各行業根據自己的情況:技術水平、設備條件、工藝條件、管理水平來決定自己的做法。
我國工業鍋爐行業是一個工廠眾多(80年代初C級以上廠有201家,E級廠有355家),但又是個落后的行業,技術力量分散、設備陳舊、工藝落后,處于半手工半機械的生產方式和管理模式。基于這種情況,我國制定的相應標準也必然是較落后的。
因此在剛開始采標時,我國與國際和國外標準差距很大,行業決定先采用當時通用的國際標準ISO/R831《固定式鍋爐建造規范》[7],采用模式則是選擇采用,對其中有關工業鍋爐(包括鍋殼鍋爐)規定的設計、工藝、檢測等方面的內容進行認真分析,最后選擇其中五條。例如:管子應先水壓試驗;射線探傷采用象質計;鋼板打鋼印等規定。對促進產品質量和管理提高作用較明顯的制訂進了《工業鍋爐產品質量分等規定》的行業標準,以作為機械部對工廠產品質量評比的五條合格標準。
到上世紀90年代初,經過近10年的采標宣貫活動,并對近200家工廠產品質量進行檢查,提出工廠產品質量和質量管理上的整改建議,經過各廠領導和全體職工的努力,收效確實很大,提高較快。加之,在這段時期內,進口大量鍋殼鍋爐,隨之也引進了技術、工藝、設備。這時對國外一些標準已較了解和熟悉了。故在1992年修訂JB 3622—84標準時,已有了一定的生產實踐,科學實驗的經驗。所以在采標時已有能力對國外幾個較先進標準進行分析比較。
當時對美國ASME鍋爐和壓力容器規范中第一分冊《動力鍋爐》[8],英國BS 2790—1992《焊接結構鍋殼鍋爐設計和制造規范》[9],德國TRD《蒸汽鍋爐技術規程》[10]—1986,日本JIS B 8201—1977《陸用鋼制鍋爐構造》[11],進行了認真學習和分析,經研究認為:
ASME的動力鍋爐分冊,其內容主要是適用于大型水管鍋爐——動力鍋爐,火管鍋爐僅是其中的一個章節,內容很少,不敷使用。
JIS B 8201是參照ASME的模式,德國TRD雖有很多鍋殼鍋爐的內容,但其與水管鍋爐是并在一起的,公式和符號表示方式,與我國標準很大不同,我們都不太熟悉,但其內容與英國BS 2790較接近。而BS 2790則完全是鍋殼鍋爐的內容,比較全面、豐富、具體。另外BS 1113是完全是水管鍋爐內容,這與我國標準體系一樣。所以在修訂時,主要采用BS 2790的相應要求,但還是等效采用,并結合我國幾十年的經驗,完成的GB/T 16508—96確實很接近先進國家的標準。
我國GB 16508—2013《鍋殼鍋爐》第3部分與BS 2790、EN 12953.3—2009的對比分析因內容極多,無法全面顧及,僅選幾條重要條文對比。
4.1 最大允許壓力、計算壓力
BS 2790:設計壓力P就是所給定的受壓部件計算公式中的壓力。在需要時,當確定設計壓力時應考慮水柱靜壓頭,對于熱水鍋爐,應考慮瞬時裕量。當靜壓頭不超過鍋爐工作壓力的10%時,就不必考慮靜壓頭。設計壓力不得低于任何安全閥啟跳時的最高壓力。
EN 12953.3:最大允許壓力是鍋爐設計的最大壓力,并且應在鍋殼鍋爐的最高點測得。計算壓力應不小于最大允許壓力與靜壓頭的總和,若后者小于最大允許壓力的3%,則可忽略靜壓頭的影響。安全閥設定壓力不應超過最大允許壓力。
GB 16508:以工作壓力為基準,考慮安全閥整定壓力和水柱靜壓頭的附加壓力,確定受壓元件的計算壓力。
這樣GB 16508的計算壓力與BS 2790一樣,但高于EN 12953.3。而EN 12953.3是由歐洲委員會于2002年5月正式頒布,明確規定了將此歐洲標準作為唯一的成員國的國家標準。是集BS、TRD及歐洲其它國家標準為一體的標準,是比較先進的,所以應采用EN 12953.3的規定為好。
4.2 計算溫度
BS 2790:用于計算設計應力的設計溫度t應是所考慮部件處理與預計運行條件相符合壓力下的金屬平均溫度,此溫度不小于250℃。
對于與火焰直接接觸的鍋爐管板,當實際入口煙溫大于800℃時,其設計溫度可按附錄C及下列公式給出的t0值來確定:t0=52.4(H/A)0.25。
EN 12953.3:計算溫度t應是金屬平均溫度,并根據其中a)~e)來確定。
a)~e)的規定與BS 2790基本上一樣,只是編輯文字上有些不同。但還是有二點與BS 2790不同的地方:
1)最重要的是它提到BS 2790的“用于設計應力的設計溫度t……,不小于250℃”。也就是不必以250℃計算。
2)對于與火焰直接接觸的管板,煙溫大于800℃,其設計溫度可按附錄A及下列公式給出的值以tG確定:tG=51(H/A)0.25。
公式中的系數是51,而不是52.4,相差2.74%,而其附錄A與BS 2790的附錄C也基本一樣,且其中的曲線圖12幅也完全一樣,僅文字敘述上有些不同。
GB 16508:受壓元件計算溫度取內外壁算術平均值中最大值。計算溫度tC按熱力計算確定,在與溫度600℃~ 900℃及以下煙氣接觸的部件一般tmave+25~50℃不等;900℃以上則tmave+70~110℃。用表列各種元件的型式而定。雖說偏保守,但較簡單。同時也規定當計算溫度小于250℃時,不必再按250℃計算,這與EN 12953.3一樣。
4.3 爐膽與封頭平板拉撐布置等
關于爐膽與封頭平板之間的拉撐布置、呼吸空位、主圓、次圓、支撐點的規定,圖示二者基本一樣。我國標準的規定與兩者基本相同。
4.4 用拉撐來支撐的平板厚度
用拉撐來支撐的平板厚度由下列公式決定:

而式(1)中的常數值j有一張表,列出各種支撐方式的j值,共27項。

式(2)中b、y與BS 2790式中b、y含義一樣,規定也一樣。C4也是常值,與BS 2790式中j的含義一樣。也是一張27項的表列,常數值也一樣。

式(3)表述一樣,但常數與兩者有些不同,其常數j用表列27項,很詳細。GB 16508較簡單,但數值較兩者略大,因而較安全。
4.5 關于焊后熱處理
BS 2790:“對完工的鍋爐,在水壓試驗前,在任一焊接連接處的厚度超過30mm的情況下”。
EN 12953.3:“在任何焊接接頭處,當壁厚超過35mm時應進行焊后熱處理。”其中注:當材料沖擊特性至少為50J時,允許將該極限值提高至40mm。
GB 16508:對碳鋼的元件焊后熱處理厚度規定為>30mm,與BS 2790一樣,又嚴于EN 12593.3,看來無必要。
4.6 受內壓的直管厚度
受內壓的直管厚度,按下列公式計算:

式中:
do——管子內徑;c = 0.75mm
然而,承受內壓力管子壁厚絕不應小于表1所給定值。

表1 受內壓管子的最小壁厚

式中:
d。——管子內徑。

式中:
d。——管子外徑。基本一樣,但沒用表列規定最小壁厚。
4.7 受外壓的直管厚度
受外壓的直管厚度,按下列公式計算:

式中:
D——管子外徑;
c = 0.75mm
f1=0.8f,此處f是設計應力(N/mm2)。
然而,受外壓的壁厚絕不應小于表2所給定值。

表2 BS 2790受外壓直管的最小壁厚

式中:
d。——管子外徑;
c2= 0.75mm;
f——是設計應力(N/mm2)。
這里,EN 12953.3標準對受內壓、外壓只用1張表來表示。厚度絕不應小于表3所規定值。

表3 EN 12953.3受外壓直管的最小壁厚
BS 2790:從表1、表2所列可以看出受外壓時的管子壁厚較受內壓管子的壁厚要厚一些。
EN 12953.3:從表3所列來看,它接近于BS 2790的受內壓管子所需的壁厚,又明顯薄于BS 2790的受外壓管子的壁厚。
GB 16508:無受外壓的直管壁厚的計算公式和表列值。
4.8 爐膽
●4.8.1 平直爐膽
EN 12953.3與BS 2790所列公式中的要素都一樣,只是一二個常數有些差異,可能是在導出過程中的一些不同。
BS 2790只規定最小厚度不小于7mm,且不應大于22mm。
而EN 12953.3則增加了:對直徑≤400mm的平直爐膽厚度應不小于6mm;若直徑>400mm則厚度不小于7mm。膨脹環式爐膽最小壁厚應不低于10mm;任何情況下平直爐膽的厚度不得超過22mm。
GB 16508:計算公式與BS 2790、EN 12953.3一致,厚度規定為不應小于8mm,且不大于22mm,當內徑不大于400mm時,厚度不小于6mm。
我國對臥式平直爐膽計算長度有規定,一般不宜超過2m,這是考慮,長度過大膨脹量大會對前后管板產生較大的交變應力。而BS 2790是“不應超過3m”。
●4.8.2 波形爐膽
兩者的公式一樣,對壁厚的最小值和最大值的規定也一樣,不應小于10mm,也不能大于22mm。如圖1所示。

圖1 波形爐膽示意圖
GB 16508:公式較BS 2790、EN 12953.3簡單得多。
●4.8.3 回燃室
兩者都規定按平直爐膽的公式計算。對壁厚的最小和最大值的規定也一樣,不應小于10mm,且不大于35mm。但是EN 12953.3在這里提出“在使用非圓形幾何圖形處,當采用不同半徑的板時,壁厚應采用最大半徑來計算。其計算方法在附錄B中有詳細規定”。
這一段規定就是近年來大家看到的許多德國進口的爐子的回燃室采用了“非圓形幾何圖形”。如兩端是半圓形中間為平板連接的結構,有的還有一個大圓形與一個小圓形相連接的結構,稱之為童鞋形。這無疑是德國TRD的內容。
GB 16508:也按平直爐膽公式計算。厚度規定也一樣,但無“非圓形幾何圖形”結構的計算規定,這與EN 12593.3不一樣,看來以后可考慮采用這種結構,因這種結構可壓縮鍋內空間。
●4.8.4 波形爐膽的縱向截面的規定
BS 2790:對7種波距和波深都給出了波形爐膽的縱向截面積F和一個完整波形面積繞其中性軸的二次矩I。
EN 12953.3:只提出2種波距和波深的結構形式,給出了F、I的值。而這2種的F、I的表列值與BS 2790完全一樣。
從波形爐膽的波距和波深數量的變化,不僅可以看出簡化了結構,更對照TRD就只有這兩種,說明EN 12953.3吸收了TRD的意見。
GB 16508:波距和波深列出3種:150×38;150×41;200×75-δ。較BS 2790型式少,較EN 12953.3多,且波深與EN 12953.3不同。

表4 波距和波深尺寸的規定
●4.8.5 加強筋和膨脹環
其公式計算、圖示,及F、I的表列值,BS 2790和EN 12953.3均一樣,此不詳述。
GB 16508:公式、圖示及F、I的表列值與BS 2790、EN 12953.3均一樣。
從上述主要幾條對比來看,我國的標準已與BS 2790、EN 12953.3很多地方一致,或基本相同。另外,我國又有自己的創新的地方。
1)關于焊后熱處理,在1982年討論ISO/DP 5730時,當時規定在任何焊接處,當壁厚超過20mm時就必須熱處理。我國代表提出可放寬至30mm,因我國有幾十萬臺鍋爐>20mm,運行三十多年都安全的,這一工業性試驗無一因未退火而出故事。得到各國代表的采納,將原規定由20mm改為30mm。同時也為BS 2790修改成92版時所采納。
2)拱形管板的結構,國外標準中沒有,我國經多年進行有限元計算的結果與應力測定作了對比,得出二者膜應力分布趨勢基本一致,應力值很少,完全可以按橢球形封頭公式計算,且取消了拉撐件改善了膜應力,二十年的運行經驗證明是安全的。
3)波形爐膽慣性矩通用公式是我國專家自行推導的,首次列入標準,國外標準尚未給出通用公式。
4)對我國廣泛采用的螺紋煙管進行了理論分析與實驗研究,證實力學性能頗佳,列入標準后提高傳熱效果,工廠廣泛使用,節約了材料,國外標準無此結構,近年來法國制造商對此頗感興趣,多次前來咨詢技術問題。
我國鍋爐標準體系經歷了從無到有,從簡單到逐步完善的過程,但道路并不平坦,而且比較曲折。
5.1 我國標準發展歷程
我國標準體系從上述內容來看,當建國之初,提倡靠向前蘇聯,這是當時歷史條件所決定的。無可非議,不能全盤否定,也確實使我們學習到許多知識。開放以后強調采標,向歐美學習,當然向先進技術學習,也是需要的。但問題是如何將兩種不同的模式很好的融合成適合我國國情的模式。
我國上世紀50年代初幾乎全是前蘇聯模式,法規、國家標準、行業標準,幾乎無廠標(至少工業鍋爐行業是如此)。而鍋爐的行業標準(JB1609,1610……等17項標準)實際是零部件的制造技術規范。工廠按此生產的就是合格產品,各廠就不再制訂自己的廠標。在計劃經濟模式下,無競爭機制,工廠對不斷提高產品質量的積極性不高,加之又不執行優質優價的激勵機制,故工業鍋爐產品長期質量不高。當國家一經開放,國外產品大量涌入,相比之下我國產品質量與其相差很大,競爭不過人家,這就是我國制造技術規范水平不高的原因。
西歐各國只有國家標準,如英國BS 2790(鍋殼鍋爐)和1113(水管鍋爐),德國的TRD。其中只對一些重大和關鍵結構作了明確的尺寸和公差要求,對一般性的制造規范是不涉及的。而各廠根據自己工藝、設備條件,制定出制造技術規范,這些規范必須符合其國家標準,而且為了取得較多的市場份額,各廠都不斷修改自己的規范以促進產品質量的提高,所以它是保密的。
我們要做的工作是詳細、全面了解幾個先進國外的標準體系,對比我國的體系,吸收其科學、先進合理的部份,結合我國幾十年科研成果和生產實踐經驗,建立起適合我國國情的標準體系。使工廠能接受,并能促進技術水平的發展,這才是我們需要做的工作。
5.2 應大力促進工廠制定廠標
現已將JB 1609、1610等十幾項標準廢止了,將一些重要的規定寫入GB/T 16508.1~16508.8—2013中是很好的,國家應規定工廠必須制定廠標,無標準不得生產相應產品,以提高產品質量,并適應鍋爐標準體系的要求。
[1] JB 3622—1984 鍋殼鍋爐受壓元件強度計算[S].
[2] GB/T 16508—1996 鍋殼鍋爐受壓元件強度計算[S].
[3] GB/T 16508.1~16508.3—2013 鍋殼鍋爐[S].
[4] ISO 5730—1992 固定式焊接結構鍋殼鍋爐[S].
[5] EN 12953—2009 鍋殼鍋爐[S].
[6] 龍建南.我國鍋爐及輔機標準化工作四十年[Z].
[7] ISO/R 831—1968 固定式鍋爐建造規程[S].
[8] ASME/BPVC 鍋爐及壓力容器規范[S].
[9] BS 2790—1992 焊接結構鍋殼鍋爐設計和制造規范[S].
[10] TRD 蒸汽鍋爐技術規程(1986版)[S].
[11] JIS B 8201—1977 陸用鋼制鍋爐構造[S].
Shell Boiler Standard Construction in China: Review, Comparison and Outlook
Liu Futian
(Shanghai Boiler Research Institute Shanghai 200071)
This paper introduces the work of adoption international standards and standards from advanced countries in detail from the 1980s; and takes contrastive analysis between our standards , British standard BS 2790 and European standard EN 12953.3 for shell boiler, and raises recommendations on standardization system of boilers for the country.
Shell boiler International standard British BS 2790 Germany TRD European standard 12953.3
X933.2
B
1673-257X(2016)12-0014-07
10.3969/j.issn.1673-257X.2016.12.004
劉復田(1934~),男,本科,標準室主任,教授級高工,從事鍋爐設計、制造、標準化等工作。
2016-04-01)