独联体五国压力容器认证与设计

独联体五国压力容器认证与设计

周洪宇,李振武,王亮

(1.北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司,北京 100089;2.欧测国际认证检验集团上海200041)

摘要:对独联体五国压力容器的CU TR 032/2013认证时设备的划类进行了介绍,同时介绍了GOST规范在压力容器强度计算和设计与ASME和GB规范的区别,希望能给参与这些地区压力容器设计的工程师提供参考。

关键词:压力容器,CU TR 032/2013认证,GOST规范,强度计算

Pressure Vessel Registration and Design of Russia,Kazakhstan, Belarus, Armenia and Kyrgyzstan

Abstract: Pressure vessel classification per CU TR 032/2013 and strength calculation in accordance with GOST codes, and then compared with ASME and GB codes. It is hoped that it will offer some help for pressure vessel engineers during their works with GOST pressure vessel.

Key words:  pressure vessel;CU TR 032/2013 registration; GOST codes; strength calculation

近年来由于国内压力容器市场日趋饱和,越来越多的压力容器设计和制造单位在寻求着国际上的石化建造项目。与此同时,一带一路的政策使得中国与俄联邦国家在各个领域的合作进一步加深,这为中国压力容器设计和制造产能外输,带来很好的渠道。

压力容器是属于政府部门监管较严的商品之一,因此在俄联邦国家中也有自己的一套监管体系和强度设计及制造规范体系。目前为止,CU TR 032/2013法规和GOST规范适用于俄罗斯,白俄罗斯,哈萨克斯坦,亚美尼亚和吉尔吉斯斯坦(下称独联体五国)。俄联邦国家的规范根据优先等级分为:国家级规范GOST;行业规范OST;指导性文件RD;技术指导文件RTM。

目前在中国设计制造的GOST压力容器主要有两种方式:第一种是按照ASME+GOST规范建造,采用ASME材料,这样的方式主要是国际工程公司或业主在独联体国家承建或投资的项目;第二种是按照GB+GOST规范建造,采用国标材料,这样的方式主要是国内的工程公司在独联体国家承建或投资的项目。无论采用上面的哪种方式都离不开对GOST规范的理解。为此,本文将对独联体国家压力容器的认证和强度设计标准进行介绍,同时与GB和ASME规范进行对比。

  1. 设备分类与认证

1.1压力容器的分类

压力容器认证是根据CU TR 032/2013[1]执行的,是用于独联体五国的压力容器和压力管道的强制性认证要求。CU TR 032/2013是“压力设备的联合海关技术规程”,是于2014年2月1日起开始强制实施的。该规程根据容器的体积,介质最大允许工作压力与体积的乘积,最大允许工作压力和介质的特性进行分类,具体分类如下:

表1:盛装第一组气体介质的设备分类

Table1:Categories receptacles for gases and used for working environments group 1

类别 体积(m³) 最大允许工作压力乘以体积(MPa.m³) 最大允许工作压力(MPa)
1 >0.001 (0.0025,0.005] >0.05
2 >0.001 (0.005,0.02] >0.05
3 (0.0001,0.001] 不考虑 (20,100]
>0.001 (0.02,0.1] >0.05
4 (0.0001,0.001] 不考虑 >100
>0.001 >0.1 >0.05

表2:盛装第二组气体介质的设备分类

Table2: Categories receptacles for gases and used for working environments Group 2

类别 体积(m³) 最大允许工作压力乘以体积(MPa.m³) 最大允许工作压力(MPa)
1 >0.001 (0.005,0.02] >0.05
2 >0.001 (0.02,0.1] >0.05
3 (0.0001,0.001] 不考虑 (100,300]
(0.001, 1] (0.1,0.3] >0.05
>1 不考虑 (0.05,0.4]
4 (0.0001,0.001] 不考虑 >300
(0.001,1] >0.3 >0.4
>0.001 不考虑 >0.4

表3:盛装第一组液体介质的设备分类

Table3:Categories receptacles for liquids and used for working environments group 1

类别 体积(m³) 最大允许工作压力乘以体积(MPa.m³) 最大允许工作压力(MPa)
1 >0.01 >0.02 (0.05,1]
2 >0.001 >0.02 (1,50]
(0.0001,0.001] 不考虑 >50
3 >0.001 不考虑 >50

表4:盛装第二组液体介质的设备分类

Table 4: Categories receptacles for liquids and used for working environments Group 2

类别 体积(m³) 最大允许工作压力乘以体积(MPa.m³) 最大允许工作压力(MPa)
1 >0.01 >1 (1,50]
2 (0.0001,0.01] 不考虑 >100
>0.01 >1 >50

注:第一组介质包含易燃,易氧化,易爆,有毒和高度有毒气体,蒸汽和单相态为液体的,以及他们的混合物;第二组是除第一组外均为第二组。

表5:盛装蒸汽,热水锅炉和火焰直接加热设备的分类

Table5: Categories of steam, hot water boilers and vessels fired

类别 体积(m³) 最大允许工作压力乘以体积(MPa.m³) 最大允许工作压力(MPa)
1 (0.002,0.1] ≤0.005 >0.05
2 (0.002,0.4] (0.005,0.02] (0.05,3.2]
3 (0.002,1] (0.02,0.3] (0.05,3.2]
4 (0.002,0.1] 不考虑 >3.2
(0.01,1] >0.3 >0.3
>1 不考虑 >0.05

设备的分类的目的是根据设备对人身安全影响的不同,需要提供不同的认证材料,以确保设备的安全性和可靠线性。

1.2独联体五国压力容器认证技术文件清单

a)设备技术护照

b)安全论证

c)设备总装图

d)保险装置说明书(当有符合设计文献的说明书时)

e)保险装置通过能力的计算书(当有符合设计文献的计算书时)

f)设备强度计算书或应力分析

h)使用说明书

i)图纸、示意图、计算书以及其他与供货合同相符的文献

1.3设备符合GOST技术规范要求的宣告根据以下模式进行

  1. a) 宣告模式1(1d)

适用于第1类和第2类连续批次的设备,且申请人需办理该技术规范第45条规定的整套文件,对生产进行监督,并采取措施使生产过程保证设备符合该技术规范的要求,在检测实验室或委托的检测实验室对样品进行检验,进行合格宣告和宣告注册;

  1. b) 宣告模式2(2d)

适用于第1类和第2类单批次设备(单个产品),且申请人需办理该技术规范第45条规定的整套文件,在检测实验室或委托的检测实验室对样品进行检验,进行合格宣告和宣告注册;

  1. c) 宣告模式3(3d)

适用于第1类和第2类连续批次的设备元件以及第1类和第2类设备产品配件,且申请人需办理该技术规范第45条规定的整套文件,对生产进行监督,并采取措施使生产过程保证设备元件和产品配件符合该技术规范的要求,在委托的检测实验室对样品进行检验,进行合格宣告和宣告登记注册;

  1. d) 宣告模式4(4d)

适用于第1类和第2类单批次设备元件以及第1类和第2类设备产品配件,且申请人需办理该技术规范第45条规定的整套文件,在委托的检测实验室对样品进行检验,进行合格宣告和宣告注册;

  1. e) 宣告模式5(5d)

适用于第1类、第2类、第3类以及第4类设备,对于使用了固定接头的设备,在下列情况下,设备的最终装配要在设备使用地完成:在设备使用地设备安装之前,不能进行充分的检测;在设备研发(设计)和生产时,未使用该技术规范第36条规定的标准,包括一些改装设备。在使用模式5(5d)时,申请人要办理在该技术规范第45条中规定的整套文件,对生产进行监督,并采取措施使生产过程保证设备符合该技术规范的要求,向认证机构递交申请,用于检验设备的类型;

认证机构根据从申请人处获得的文件,进行设备类型的研究。如果申请人未采用该技术规范第36条规定的标准,认证机构会评估用所申请的要求代替这些标准要求的可能性。

根据申请人提交的文件,设备了类型的研究按照以下方式进行:

样品代表了以后生产的所有设备;

研究提交的材料、样品或设备主要(关键)组成部分的检测;

当设备类型的检验结果是积极的,认证机构给申请人办理和发放统一形式的设备类型证明书,统一形式由欧亚经济委员会的决议批准。该证明书是符合性宣告不可分割的

一部分,该证明书包括对设备的申请需求,被认可的、足够的证明设备符合该技术规范要求的证明材料,这些都会在检查设备是否遵守该技术规范要求的过程中用到,检查由

国家监督机构实施;

申请人办理符合性宣告并依据法定程序进行注册登记。

1.4设备合格证认证按照以下模式办理

  1. a) 认证模式1(1c)

适用于连续批次的设备,且:申请人要办理该技术规范第45条规定的整套文件,并向认证机构递交认证申请;认证机构从申请人处选取用于检测的样品;受委托的检测实验室对设备样机进行检测;认证机构对制造商的生产状况和设备样机测验结果进行分析,如果检测结果是积极的,将给申请人发放合格证;认证机构通过在受委托的检测实验室进行样品行检测和(或)对生产状况进行分析,对已获得合格证的设备进行审定检查;

  1. b) 认证模式3(3c)

适用于单批次设备,且:申请人要办理该技术规范第45条规定的整套文件,并向认证机构递交认证申请;认证机构或受委托的检测实验室从申请人处选取用于检测的样品;受委托的检测实验室对设备样机进行检测;认证机构对设备样机的检测结果进行分析,如果分析结果是积极的,将给申请人发放合格证;

  1. c) 认证模式4(4c)

适用于单个产品,且:申请人要办理该技术规范第45条规定的整套文件,并向认证机构递交认证申请,申请要包含单个产品的识别特征;认证机构通知申请人关于申请的决定,包括进行认证的条件;受认证机构委托的检测实验室,对单个产品进行检测;认证机构对单个产品的检测结果进行分析,如果分析结果是积极的,将给申请人发放合格证;

  1. GOST压力容器设计

2.1 通用要求

就设备而言,CU TR 032/2013规程仅是对设备的建造提出了相应的一些要求,例如许用应力的取法,水压试验压力的取值等等;而对于强度计算却没有要求一定按照GOST[2]规范进行,因此目前遇到最多的情况就是设备按照ASME[3]或GB[4]设计,然后按照GOST进行验证性的强度计算,以此来满足CU TR 032/2013认证的需要。所以,接下来将主要介绍GOST在强度计算中的特殊要求,并与ASME和GB规范进行简单地对比:

表6:GOST、ASME和GB的耐压试验许用应力取值

Table 6: Hydrostatic test pressure per GOST、ASMEand GB code

焊缝系数,GOST规范对于焊缝系数的要求不仅考虑质量控制(不仅仅是无损检测),还会考虑焊接方法,如下是常见的焊缝系数取法:

表7:GOST焊缝系数取法

Table 7: Weld joint efficiencyper GOST code

附加厚度的要求,当腐蚀裕量与材料负偏差之和不超过名义板厚的5%时,是不需要将该部分计入到计算需要厚度中,ASME的规定是min (0.25;6%名义壁厚)mm时不考虑到计算需要厚度中,GB无该方面的要求。ASME和GB均需要考虑封头在成型时引起的加工偏差,然而对于GOST规范,当封头的成型减薄率不超过名义壁厚的15%时,均不需要考虑成型减薄,根据目前中国的封头制造厂的制造能力,绝大部分的封头是不需要考虑成型减薄的。但从目前的项目执行情况来看,都是需要考虑的,尤其是国外工程公司的项目。

2.2 筒体、封头和平盖

筒体,封头在进行常规强度计算时,要求设计温度不超过材料的蠕变温度,当没有明确的数据来定义蠕变温度时,碳钢按照不超过380℃,低合金钢不超过420℃,奥氏体不锈钢不超过525℃来进行考虑,当温度超过该限制时,补充相应的ASME和GB的计算,CU TR 032/2013在认证过程中也是认可的。GOST对筒体的计算公式与GB是一样的,与ASME和GB相比,关于筒体的计算,GOST规范有以下几个特点:

  1. 外压计算时不考虑加强圈能否作为支撑线,而是将其有效惯性矩折算到筒体的刚度系数中,然后计算整体和两个加强圈间筒体能承受的最大外压,同时还将2倍外压当作内压计算需要厚度(焊缝系数取1.0),取三个计算值的最小值作为设备的实际能承受的外压
  2. 当设备承受外力,弯矩,剪力时,会根据设备的结构和几何尺寸计算出极限的承载能力,然后进行组合强度计算,即:

3.外压安全系数为4,这相对GB和ASME来说都要小;

封头的强度计算,GOST关于2:1椭圆封头和球形封头的计算公式是相同的,对于常用的10%的蝶形封头,GOST的计算就与ASME和GB的不一样,其计算公式如下:

蝶形封头的需要厚度考虑了转角部分和球面部分的厚度,从上面的计算公式可以看出,当壁厚与直径小道一定程度时,按照GOST计算的封头需要厚度就会大于ASME和GB的需要厚度。

平盖的强度计算,GOST规范关于平盖的强度计算与ASME和GB非常类似,即通过特定的结构特征系数,与计算直径和计算压力共同决定平盖的厚度。区别在于,首先GOST的平盖计算公式中还包含有开孔削弱系数,根据GOST规范,平盖上的开孔补强都得通过增加平盖的厚度来实现,而ASME和GB可以采用等抗弯截面和整体增加平盖厚度的方式来补强,其次GOST规范能计算带径向筋板的加强型平盖,这与GB类似,最后GOST规范计算平盖的厚度不仅是平盖本身厚度,当为螺栓连接时,还需考虑垫片和螺栓处平盖的需要厚度,另外需要注意的是GOST明确规定了,如果平盖带隔板槽时,平盖的厚度为隔板槽底部的厚度。

2.3开孔补强

GOST规范的开孔补强是基于极限平衡推导的计算公式,这与GB中的等面积补强和分析法补强以及ASME中的等面积和压力面积法有很大的区别,与ASME和GB相比GOST计算有如下特点:

  • 适用范围大,在没有外部载荷作用时,筒体和锥壳上允许等径开孔;在有外部载荷作用时,允许最大开孔率为8;而对于凸形封头,无论有无外载荷,允许最大开孔率为0.6。
  • 所需面积小,在忽略材料强度差异和负偏差时,开孔处需要的补强面如下:

 

 

 

 

 

 

2.4 管口局部载荷

在GOST规范中关于局部载荷计算由GOST R52857.3和GOST R52857.9两部分组成,两部分的区别和适用条件见下表:

表8:GOST R52857.3与GOST R52857.9的比较

Table 8:Comparison of GOST R 52857.3 and GOST R 52857.9

计算内容 GOST R52857.3 GOST R52857.9
载荷 静载荷 静载荷+循环载荷
校核内容 静载荷联合作用+单一载荷下的静强度 静载荷联合作用
疲劳分析 不能
应力校核 接管纵向应力+稳定性 接管纵向

2.5 设备法兰

根据GOST规范,法兰环的计算需要厚度,对于密封面结构形式为突面,凸面,槽面,环连接面的法兰,法兰环的厚度应包含密封面的厚度;ASME是密封面高度或槽的深度对于1.5mm时,必须在法兰考虑密封凸台或密封槽的尺寸,反之可以不考虑;GB是榫槽,凹凸及平面时,需额外考虑密封面的尺寸;

对于WN的法兰,颈部斜度不超过1:2.5(0.4),且当颈部斜度超过1:3(0.33)时,法兰需带直边段,且长度不超过1.5倍的颈部小端厚度。

ASME和GB在计算法兰强度和刚度时都是按照腐蚀后的数据进行计算,而GOST则是在计算强度时考虑腐蚀余量,在计算刚度时不考虑腐蚀;

法兰计算,GOST规范与ASME和GB差别较大,详见如下表格:

表9:GOST、ASME和GB法兰计算对比(WN为例)

Table 9:Flange calculation comparison of GOST、ASMEand GB(set WN type as an example)

从上面的法兰计算载荷可以看出,GOST规范将法兰在预紧和工作状态下的内压盲板力,热胀载荷,外部力和弯矩等载荷都将折算到预紧和操作条件下的螺栓载荷中了,这导致GOST的螺栓载荷比ASME和GB的大很多,因此在对法兰进行强度校核时,即便是GOST的安全系数较小,确定出来的许用值较大,法兰也会因为计算载荷较大而不能通过强度计算。国标标准设备法兰尺寸按照GOST进行强度计算,几乎没有能满足强度要求的,主要问题就出在了颈部大端的应力计算上。

2.6 管板

GOST规范对换热器管板的计算相对ASME和GOST规范要简单很多,相比较而言GOST对管板的计算有如下特点:

  • 管板兼做法兰时不计算螺栓载荷,不计算法兰弯矩,也不计算和校核壳体法兰应力,减少了计算链的长度[5]
  • 管板与壳程连接处给出应力增大系数,用以来考虑疲劳时,结构不连续的应力集中;
  • 若设计文件中没有规定,固定管板最少考虑2000次的压力疲劳循环[5]
  • 管板的厚度不得小于对接法兰环的厚度;
  • 涵盖空冷器的强度计算

呈现膜状流动,管箱有多块分成隔板,不允许溢流时,管板有刚度要求,在计算中发现,决定管板的厚度往往是管板的刚度,如下是GOST规范对不同直径的管板刚度要求:

表10:GOST管板刚度要求

Table 10:Stability requirements per GOST code

2.7 有限元分析

与Annex C EN 13445-3 和 Part 5 (5.2.2) ASME Code VIII. 2类似,GOST的有限元分析,名义弹性应力及其限制条件如下:

2.8 材料要求

材料,制造,无损等要求与GOST R 52630中的设备分类有关。GOST R 52630“钢制焊接容器的通用技术规程”[6]中根据设备的设计压力,金属壁温和介质特性将设备分为如下五类:

表11:GOST R 52630的设备分组

Table 11:Clarification per GOST R 52630 code

GOST R 52630-2012是俄罗斯关于钢制焊接压力容器的通用技术要求,主要适用于操作压力小于21MPa,真空度不低于0.665kPa且设计温度不低于﹣70℃的压力容器。其内容涵盖了压力容器设计,材料,制造,检验,质量控制,标记,涂装,储运等多方面的要求,而设备的分类的目的是根据设备危害程度的不同,对设备建造提出不同的要求,例如焊缝质量的控制,无损比例的要求等。

GOST规范对材料的要求直接规定了材料的适用温度范围和压力范围。另外GOST规范也是认可ASME和EN规范的材料的,只要能满足相应的GOST规范的要求。一般情况下取相应的材料的许用应力是按照GOST规范执行,当然也有一些认证公司(notify body)要求按照较低的规范取许用应力,例如ASME材料按照ASME取许用应力。GOST规范对材料的特殊要求如下:

  • GOST R 52630中的1~4组设备中的平盖必须是锻件材料;
  • 非镇静钢不得用于:液化气,易燃易爆介质,GOST 12.1.007中的1组和2组介质,以及能导致腐蚀断裂,硫化氢腐蚀和脱层的介质;
  • 碳钢、低合金钢的碳含量不得高于035%;
  • 当受压板材厚度超过30mm时,需要进行UT检测,满足GOST 22727中的1组要求;
  • 当碳钢和低合金钢锻件用于压力超过3MPa,且直径超过和/或厚度超过50mm应进行UT检测,检测比例不得低于50%;
  • 用作焊接平盖的锻件(高合金钢除外),在平盖端部沿着设备轴线方向的区域需进行UT检测;
  • 紧固件材料的热胀系数与法兰材料的热胀系数应控制在10%以内,当超出该限制时,应考虑热胀差引起的载荷;
  • 螺母的硬度应比螺栓/柱的硬度低,但不得超过15HB;

2.9 结构设计要求

在结构设计上GOST规范有一些却别与ASME和GB的要求,具体如下:

  • 设备直径超过800mm时,必须有人孔且内径不小于400mm;当设备直径小于800mm时,需要设置检测口,直径不小于80mm;夹套,管壳式换热器,带可拆封头的设备和介质为GOST 12.1.007中的1组合2组,且不会产生腐蚀或材料脱层的情况除外;
  • 人孔盖的重量超过20kg时,需要设置转动装置;
  • 鞍座的包角应大于等于120°,垫板的包角应等于鞍座的包角加20°

2.10 制造要求

与ASME和GB相比,GOST在制造中有如下的特殊要求:

  • 当设备筒体直径不超过1000mm时,不得有两道纵缝;
  • 当设备组装好后,不计封头的情况下,长度偏差≤min(±3%,±50mm);线性度不超过2mm/m,且长度超过15m时线性度不超过30mm;
  • 筒体的制造偏差按照如下进行计算:

表12:GOST R 52630无损检测要求

Table 12:NDE requirements per GOST R 52630 code

设备组别 RT或UT的检测比例要求
1,2 100%
3,4 50%
5 25%
  1. 结束语

按照GOST规范进行强度计算并不是CU TR 032/2013认证的必要条件,也可以执行ASME,EN和GB规范,这与PED认证类似,需要附一个安全吻合性声明。但是目前绝大多数项目都要求执行其他强度规范的同时附上GOST的强度计算报告,另外认证时,强度计算书必须是俄文的。GOST规范在强度计算方面的要求与ASME和GB都是迥然不同的,其计算理论相对而言更加的合理,因此在强度计算方面,能满足ASME和GB强度要求的,大多数情况下是能满足GOST的强度计算要求的。同时GOST规范对压力容器制造的要求与ASME和GB相比有一些独特的地方。本文比较了GOST与ASME和GB的区别,本文指出了重要的条款要求,供设计人员参考。

参考文献

[1] Technical Regulations Customs Union On the safety equipment of high pressure[S].

[2] GOST R 52857.1~12-2007,容器及设备强度计算的规范和方法[S].

[3] ASME VIII-1,压力容器建造规则[S].2015.

[4] GB150.1~4-2011,压力容器[S].

[5] 栾春远压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范[M]. 北京:中国水利水电出版社,2012.

[6] GOST R 52630-2012,钢制焊接容器及设备通用技术条件[S].

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