壓力容器筒體最小厚度要求的討論

張志遠(yuǎn)，齊　波（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

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壓力容器筒體最小厚度要求的討論

張志遠(yuǎn)，齊波
（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

摘要：比較了GB150、ASMEVIII和德國AD規(guī)范中關(guān)于壓力容器筒體最小壁厚的要求，對要求壓力容器筒體最小壁厚的原因及各標(biāo)準(zhǔn)對此做出不同規(guī)定的依據(jù)進(jìn)行分析和討論。

關(guān)鍵詞：壓力容器；筒體；最小厚度

壓力容器的壁厚一般是根據(jù)設(shè)備承受的內(nèi)外載荷，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的公式進(jìn)行計算后再加上腐蝕裕量和負(fù)偏差并圓整后所得出的。這樣得出的壁厚往往不能滿足制造、運輸、吊裝以及內(nèi)壓失穩(wěn)等方面的要求。因此各國標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了有關(guān)最小厚度的要求，筆者匯總并分析了各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于最小壁厚的要求，并對此展開討論。

1　要求壓力容器筒體最小壁厚的原因

在低壓情況下，按照內(nèi)壓公式計算并加腐蝕裕量及負(fù)偏差圓整得出的壁厚一般比較小。直接采用該壁厚制造往往會出現(xiàn)設(shè)備造價急劇增加，甚至出現(xiàn)設(shè)備難以制造成形或無法運至現(xiàn)場安裝的現(xiàn)象。要求壓力容器筒體最小壁厚的原因如下：

a.制造薄圓筒的過程中，需維持必要的圓度和剛度。為維持圓筒圓度和剛度，需要用大量的輔助措施，并消耗大量的輔助鋼材。如在制造過程中需使用類似內(nèi)加強圈的圓環(huán)形工裝將筒節(jié)撐圓，特別是兩個筒節(jié)的對接邊緣處。為維持筒體圓度和剛度而耗費的人工費用、設(shè)備費用及輔助鋼材費用等往往不菲。

b.一般情況下，筒壁過薄的圓筒，尤其是筒體直徑較小的圓筒宜采取單面焊雙面成形的焊接方法。該方法在焊接薄壁容器時，易出現(xiàn)未焊透、燒穿及背面成形不良等缺陷。即便背面加墊板，也因墊板不易貼緊，根部易產(chǎn)生焊接缺陷。同時，在壓力容器筒體組對時，難免存在錯邊和角變形等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象對壁厚較薄的筒體焊接質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于厚壁圓筒。因此對壁厚過薄的筒體，要求完全焊透且背面有良好的焊縫頗為困難。所以一般需要保證筒體壁厚不能過薄，以保證焊接質(zhì)量。

c.在運輸和吊裝過程中，為了不使變形過大，往往需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。運輸過程中，一般需要用制作運輸支撐設(shè)施和支架，并采用柔軟的材料包裝；吊裝過程中，由于薄壁容器剛度不夠，需對筒體進(jìn)行臨時加固。這些防護(hù)措施勢必會增加成本。

2　GB150和ASMEVIII標(biāo)準(zhǔn)對壓力容器筒體最小壁厚的要求

各版本的GB150標(biāo)準(zhǔn)和ASMEVIII標(biāo)準(zhǔn)，均對鋼制壓力容器筒體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度有所規(guī)定，具體見表1。

3　對各版GB150標(biāo)準(zhǔn)和ASMEVIII標(biāo)準(zhǔn)中最小壁厚要求的分析

從表1可以看出，GB150-1989對碳素鋼和低合金鋼制壓力容器筒體最小壁厚的要求很嚴(yán)。GB150-1998 和 GB150-2011則只提出了對碳素鋼和低合金鋼最小壁厚3 mm的要求。各本版本對高合金鋼筒體的最小壁厚要求均為2 mm。

GB150-1989的最小壁厚要求是參考美國機械工程師學(xué)會曾推薦的公式（δmin=0.01D+2.54 mm）和前蘇聯(lián)《石油生產(chǎn)機器與設(shè)備》中的公式（當(dāng)DN ≤1 200 mm時，δmin=0.01D+2.54 mm；DN＞1 200 mm時，δmin=0.01D+4 mm）提出的，較全面地考慮了碳素鋼和低合金鋼制壓力容器在運輸、制造和吊裝方面的最小壁厚要求。

表1　各版本GB150標(biāo)準(zhǔn)及ASMEVIII對壓力容器筒體最小厚度的要求［1-4］Table 1　The pressure vessel shell's minimum thickness stipulated in GB150 Standard and ASMEVIII

GB150-1998和GB150-2011對碳鋼最小壁厚的要求及各版本對高合金鋼最小壁厚的要求更多的是為焊接需求考慮的。其他方面的要求則需要設(shè)計者根據(jù)實際情況進(jìn)行考慮。

GB150-1989推出時，筆者認(rèn)為是考慮當(dāng)時整個行業(yè)的水平及基礎(chǔ)設(shè)置水平等原因，對壁厚提出了較嚴(yán)格的要求。GB150-1998去掉了很多要求，釋義中的解釋是“參照國外標(biāo)準(zhǔn)及總結(jié)實踐經(jīng)驗”，并未明確說明。出于對我國整體工業(yè)水平的進(jìn)步，基礎(chǔ)交通設(shè)置水平的提升以及各壓力容器制造企業(yè)裝備力量、人員素質(zhì)、管理水平的不斷提高等原因考慮，從而將低了這方面的要求。

ASMEVIII對最小壁厚的考慮和GB150-1998及GB150-2011的類似，但要求更加細(xì)化，同時對設(shè)計者需考慮的其他載荷做出了明確要求。

德國AD規(guī)范對最小壁厚的要求最為寬松，最小壁厚要求僅為2 mm，且包括腐蝕裕量。除對厚度要求很低外，還明確指出，當(dāng)由于工藝需要或受壓容器的應(yīng)用允許這樣做時，在形狀不變形不受損害時及制造上許可時可不滿足最小壁厚的要求。可以認(rèn)為，德國AD規(guī)范將最小壁厚的選擇更多的交給了各設(shè)計制造單位，規(guī)范只做出了最基本的要求。

4　討論和建議

（1）雖然GB150-2011已經(jīng)采取基于失效模式的設(shè)計理念，但由于我國設(shè)計人員水平良莠不齊，再加之很多設(shè)計人員難以在短時間內(nèi)改變思路。因此建議國標(biāo)可參考ASME標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)受到UG22所列外壁載荷時，根據(jù)情況需要應(yīng)增設(shè)加強元件或其他附加支撐的方法來防止容器的超應(yīng)力或較大變形），對所需考慮的常見載荷進(jìn)行提示，以減少因沒考慮某種載荷而造成設(shè)計不合理的現(xiàn)象。

（2）由于我國實行的是壓力容器制造和設(shè)計單位分離的實際做法，很多壓力容器設(shè)計人員制造經(jīng)驗相對缺乏。設(shè)計人員往往難以完善地考慮因制造、運輸及吊裝等所需的最小壁厚要求。為此，很多大型設(shè)計院的工程規(guī)范、大型企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對此做出額外要求，如中石化的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0700-2008《中國石化煉化工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)·壓力容器技術(shù)規(guī)定》即對碳鋼和低合金鋼殼體最小壁厚做出了額外規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)針對不同直徑區(qū)間的設(shè)備，做出了不同的筒體最小壁厚要求。筆者認(rèn)為國標(biāo)中可增加最小壁厚推薦公式，或者不同內(nèi)徑容器的最小壁厚推薦值，避免因設(shè)計人員未妥善考慮最小壁厚問題而給制造、運輸及吊裝等工作造成麻煩。

（3）隨著我國焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，氬弧焊和等離子焊已普及，各種新式焊接方法、新式自動焊機不斷涌現(xiàn)；加之我國壓力容器生產(chǎn)企業(yè)裝備力量的不斷加強，有能力對薄壁筒體焊接影響較大的錯邊、角變形等現(xiàn)象進(jìn)行控制。因此，焊接筒體壁厚小于3 mm的筒體，對很多制造廠家尤其是專做薄壁容器的廠家已無技術(shù)瓶頸。因此，筆者認(rèn)為參照德國AD-1985規(guī)范的要求，降低對碳素鋼和低合金鋼3 mm的最小壁厚要求，或?qū)⒃搹娭菩砸?guī)定改為建議性規(guī)定具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

［1］GB150-1989，鋼制壓力容器［S］.北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1989.

［2］GB150-1998，鋼制壓力容器［S］.北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1998.

［3］GB150-2011，壓力容器［S］.北京：中華人民共和國國家質(zhì)量檢驗檢疫總局，2011.

［4］薛大年，譯.德國AD壓力容器規(guī)范［R］.上海：化學(xué)工業(yè)部設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站，1990.

Discussion on Shell’s Minimum Thickness Requirements for Pressure Vessels

ZHANG Zhi-yuan，QI Bo
（Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.，Ltd.，Gansu Lanzhou730060，China）

Abstract：The requirements for shell's minimum thickness of the pressure vessel stipulated in GB150，ASME VIII and AD codes were compared，and the reasons were discussed.

Keywords：Pressure vessel；Shell；Minimum thickness

中圖分類號：TQ 051.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0194-02

收稿日期：2015-11-09

作者簡介：張志遠(yuǎn)（1984-），男，寧夏回族自治區(qū)固原市人，工程師，2006年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，研究方向：從事化工機械設(shè)備研究工作。E-mail：153163456@qq.com。