球墨铸铁制压力容器国内外法规标准比较

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1、球墨铸铁制压力容器国内外法规标准比较球墨铸铁制压力容器国内外法规标准比较陈志平,马跃,方舟,余雏麟,王雷(浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027)摘要:球墨铸铁因其良好的力学性能和铸造性能,被越来越多地应用于制造压力容器,球墨铸铁制压力容器相关标准也开始引起业内的重视.基于美国ASME一1和欧盟EN134456的球墨铸铁制压力容器标准,结合国内相关标准和TSGR0004-2009(固定式压力容器安全技术监察规程,分析比较各国球墨铸铁制压力容器法规标准在适用范围,材料,设计,制造,检验与验收等方面的异同,指出了欧盟标准EN134456所采用的应力分析设计,疲劳分析及无损检测方面的先进之处,

2、同时对我国制订球墨铸铁制压力容器相关标准提出了一些建议.关键词:球墨铸铁;压力容器;标准中图分类号:T一651;T一652;TQo51.3文献标识码:B文章编号:10014837(2010)11003405doi:10.3969/j.issn.10014837.2010.11.007ComparisonofStandardsandRegulationsforPressureVesselsConstructedfromSpheroidalGraphiteCastIronbetweenNativeandAbroadCHENZhiping,MAYue,FANGZhou,YUChulin,WANGLe

3、i(InstituteofProcessEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Moreandmorepressurevesselsconstructedfromspheroidalgraphitecastironareusedinrecentyearsresultfromtheexcellentmechanicandcastcharacteristicofspheroidalgraphitecastiron.NotonlyASME一1andEN134456arefocused.butalsosomenativere

4、latedstandardsandregulationsaretakenintothecomparisonsuchasTSGR0004-2009.Mainpansofthestandardslikescope,materi-als,design,founding,inspectionandtestingofcastingsarecomparedtofindthesimilaritiesanddiffer-encesinthepaper.Thecomparisonshowsagreatadvantageousindesignbyanalysis,assessmentoffatiguelifean

5、dnondestructiveinspectionofEN134456.Alsosomesuggestionsaremadetotheprepa-rationofreleasingournativestandardsforpressurevesselsconstructedfromspheroidalgraphitecastiron.Keywords:spheroidalgraphitecastiron;pressurevessels;standards0引言球墨铸铁具有良好的力学性能和铸造性能,目前在压力容器行业得到了越来越多的应用,如造纸机械用球墨铸铁烘缸,外形复杂的压缩机级问冷却器壳体等

6、.球墨铸铁制压力容器(以下简称球铁容器)无需焊接,一次铸造成型,可保证器身的完整性和密封的可靠性,而无缝结构更可发挥其优越的屏蔽性能.20世纪8O年代,德国率先研制成功球墨铸铁核乏燃料储运容器,其制造成本较传统的不锈钢或锻钢铅屏蔽容器大幅降第27卷第11期压力容器总第216期低.随着球铁容器应用范围不断扩大,其标准的建设也得到了世界各国的重视.欧美发达国家均已颁布了相应的法规标准.美国在ASME一1j2中引入UCD篇球墨铸铁制压力容器的要求,欧盟则于2002年颁布了EN13445第6部分球墨铸铁制压力容器和部件的设计制造要求,并在20022009年间不断以增补的形式对其材料,设计,检测等内容进

7、行了扩充和完善.与欧美相比,我国尚未制订相关的国家标准,国家质检部门在TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程43(以下简称固定式容规)中仅规定了球铁容器的适用范围,安全系数和压力试验等基本要求.而颁布于1993年的化工行业标准HG20531铸钢,铸铁容器是目前国内唯一有关球铁容器的行业标准,但因发布年代较早,其中很多条款已不适用.文中比较了欧,美,中3国球铁容器法规标准的适用范围,材料,设计,制造,检验与验收等方面的内容及差异,可供球铁容器的相关设计,制造,检验单位技术人员参考.1适用范围各国法规标准都在总则部分对球铁容器的设计压力,设计温度,承装介质等适用范围做出规定.表1

8、综合列出了EN134456,ASME一1UCD和我国固定式容规所适用的设计压力和设计温度范围.表1各国标准中球铁容器的设计压力和设计温度范围标准名称ASME一1EN134456固定式容规P?10000设计压力P7MPaP1.6MPaMPa?L设计温度一29345一403OHDl03o0注:设计温度与标准中规定的材料相关,表中温度为各标准铁素体球墨铸铁牌号的综合设计温度范围.欧盟标准通过2004年的增补加入了奥氏体球墨铸铁牌号,已将其标准的适用温度范围扩大至一196540t2.由表1可见,欧盟标准设计温度最低可达一40,我国仅为一10,可见我国球铁容器设计温度的上限虽然与欧美标准很接近,但设计温

9、度的下限要高于欧美标准.同时,美国球铁容器的设计压力最高可达7MPa,而我国则限制到1.6MPa,反映出我国对球铁容器设计压力的限制较为保守.此外,欧盟EN134456还允许球铁容器承受一定的疲劳载荷,在其2002年版标准的总则中提出了疲劳分析的相关内容,在2004年增补中正式将这部分内容作为附录D引入标准,并在2006和2008年的增补中完善了该部分内容.2材料2.1牌号各国法规标准都规定了球铁容器可选用的球墨铸铁材料牌号:美国ASME一1仅允许SA一395用于制造球铁容器;欧盟EN134456则限于EN15636j中ENGJS一35022和ENGJS一40018相关的6种牌号;我国固定式容

10、规允许使用的球墨铸铁牌号为GB/T1348-2009H中的QT40018R和QT40018L.2.2力学性能力学性能是选取压力容器制造材料的重要依据.表2歹U出SA395,ENGJS一40018,QT40018R3种常用球墨铸铁牌号的主要力学性能.比较后发现,各牌号的主要力学性能指标很接近,且欧盟ENGJS一40018和我国QT40018R的抗拉强度,屈服极限和断后伸长率是完全相同的.除拉伸力学性能指标外,我国GB/T1348和欧盟EN1563还对材料的冲击韧性提出了附加要求,且两标准对应牌号的冲击功指标基本相同.女口表2中ENGJS一40018和QT40018R单铸试块的最小冲击功平均值同为

11、14./J?cm,而个别值同为11o/J?cm.由此可见,我国QT40018R(L)与欧盟对应材料牌号的各项力学性能基本一致.我国2009年修订发布的球墨铸铁标准GB/T1348-2009较旧版GB/Tl3481988引人了新牌号QT35022,其力学性能与欧盟EN134456中的ENGJS一35022接近,而欧盟EN134456已将ENGJS一35022列为球铁容器的制造材料,因而经必要的论证程序后也可考虑将QT35022R(L)引入我国球铁容器制造材料.球墨铸铁制压力容器国内外法规标准比较Vo127.Nol12010主要力学性能冲击韧性铸件厚度O”bO”026最小冲击值n/J?cm标准类别

12、牌号/mm/MPa/MPa/%HB室温23-t-5oC最小值3个试样平均值个别值美国ASMESA395SA395(604018)41418143187单铸试块ENG-JS一40018400250181351801411欧盟304oo250181411EN1563附铸试块ENGJS一40018U>3O60390250151351801411>6020037024O12129单铸试块QT40018R400250181201751411中国30400250181411GB/T13482009附铸试块QT40018AR>3O6O390250151201751411>602003

13、70240121292.3许虚力材料的许用应力是确定压力容器壁厚的基本参数之一,各国球铁容器标准都对球铁材料的许用应力取值给出了不同的规定:(1)我国固定式容规在第3.8条规定:”球墨铸铁室温下抗拉强度安全系数应当不小于8.0”.(2)美国ASME一1表UCD一23中给出了材料SA395在许用温度范围下的最大许用应力为12ksi(82.7MPa),及最小抗拉强度60ksi(414MPa),并要求根据UG一24选取80%100%的”铸造质量系数”.故可推算ASME球墨铸铁材料的抗拉强度安全系数在5.06.25之间.(3)欧盟的EN134456:2009在5.2.2.2条给出了许用应力计算公式:厂

14、:(1)o式中R曲.:.2%塑性变形下的屈服极限,MPC温度影响因子C检测影响因子C,壁厚影响因子S安全因子式(1)考虑了操作温度,材料厚度,设计方法以及产品检测方式等对设计的综合影响,引入各类影响因子,而不是像中美标准简单地给出安全系数或许用应力,使材料的性能得以充分地发挥,从而降低产品的制造成本.欧盟标准EN134456对球墨铸铁许用应力取值方法也历经多次变革.2002年较早的版本仅规定式(1)中的s为3,并解释”对于0.2%塑性变形的屈服极限综合引入3.33.75的安全系数”.为便于同中美标准的安全系数比较,根据ENGJS一40018的屈服极限和抗拉强度的大小折算后,当S=3时,欧盟标准

15、材料的抗拉强度安全系数取值在5.36.0之间.其后,欧盟标准在2006年对S的取值方法进行了修订,要求根据表3确定s取值,增加了.s取2的情况.同样可推算出当S=2时,材料的抗拉强度安全系数约在3.54.0.即根据不同的安全因子,现行的EN134456材料抗拉强度安全系数取值范围为5.36.0或3.54.0.表3EN134456安全因子和检测因子的选取无损检安全因子检测因子静载条件下动载条件下测要求SCQ设计方法设计方法SFA不要求3.0O.8DFADBFEFADBADBE(SFA)要求2.00.9DFAEFA注:DBF:常规设计;DBA=分析设计;DBE=通过试验方法设计;SFA=简单疲劳分

16、析;DFA=详细疲劳分析;EFA=通过试验的疲劳分析;为不推荐使用.综上可见,我国球铁容器设计时安全系数取值较欧美偏大.由于各国材料性能接近,过大的安全系数致使球铁容器壁厚偏厚,导致材料和能源的浪费及制造成本的大幅增加.欧盟标准独树一帜地在安全系数方面引入多种影响因子进行控制,显示出其更为灵活,先进的一面.第27卷第11期压力容器总第216期2.4化学成分化学成分是影响球墨铸铁材料力学性能的重要因素,对其检测也是质量控制的重要手段.ASME一1UCD要求球墨铸铁应符合ASMEIISA395中有关C,Si,P含量的具体要求.EN134456则在其6.3条提出应控制铁素体球墨铸铁中c,Si,Mn,

17、P,S和Mg的含量.我国GB/T1348规定材料的化学成分由供方自行决定,有特殊要求时应由供需双方协定.2.5金相组织材料的微观金相组织作为球墨铸铁重要的检测指标,反映了铸造产品的质量和力学性质.ASME1ISA395在7.3.1条规定:应保证球墨铸铁的单铸试块和附铸试块的金相为铁素体基体,并不允许包含碳化物杂质,且I和型的石墨形态应占总量的90%以上;我国HG20531根据GB/T9441对球墨铸铁球化级别的划分,要求4级以上为合格.3设计3.1常规设计方法对于常规设计,球铁容器和钢制压力容器采用相同的强度计算理论,设计公式和校核条件也基本一致.为此,各国球铁容器标准均引用各自标准体系下钢制

18、压力容器标准的设计方法.如:HG20531引用GB1501989,ASME一1UCD采用其通用篇UG的要求,EN134456则引用EN134453中相关条款.3.2分析设计和通过试验的设计方法欧盟标准EN134456还引入分析设计方法.EN134456:2009在5.2.2.1条中提出:“如果由于构件的外形或载荷条件,无法采用EN134453:2009及附录G所提供的常规设计方法时,可以采用分析设计方法(DBA)或通过试验的设计方法(DBE).并在5.2.2.1.4条中对如何采用EN134453:2009中相关”分析设计方法”的内容做出了解释.此外,EN134456:2009中5.2.2.1.

19、5和5.2.2.1.6条还提出了”通过试验的设计方法”,并对该方法进行了规定和解释,给出了通过水压爆破试验取得分析设计厚度e.和最小厚度e的计算公式及爆破试验的操作规程.3.3疲劳设计方法欧盟标准EN134456明确提出球铁容器可以采用疲劳设计方法.EN134456:2009在4.1条中定义了循环载荷工况,并在其附录D中给出了简单疲劳评定和详细疲劳评定的方法,许用循环次数的确定以及疲劳设计曲线等内容.4制造,检验与验收4.1制造热处理能够有效去除铸件内部的残余应力,提高铸件的力学性能.各国球铁容器标准都给出了铸件热处理的具体规定:(1)ASME在SA395中4.i和4.2条规定:除特殊说明外,

20、必须对铸件进行铁素体化热处理,而去应力退火则可根据供需双方的协议来进行.(2)EN134456中5.3.1条规定:可以采用延长开箱时间,让铸件在砂型中逐渐冷却后再空冷的方式进行热处理.当此过程不能有效地消除铸件内部的残余应力时,应根据供需双方的协议对铸件进行去应力退火.(3)我国的HG20531在5.4.1条明确规定:铸造受压元件必须进行热处理;如订货时无特殊要求,热处理工艺可由制造单位决定.JtLF,球墨铸铁件在制造和检验的过程中会暴露一些缺陷,有些缺陷是可以修补的.对于承压部件的缺陷,现在比较成熟的工艺是用螺塞或塞子进行修补.各国标准对修补方法和条件都做出了相应规定:(1)ASME一1UC

21、D一78分造成渗漏和未造成渗漏两种类型的缺陷对修补的方法进行了规定:对于造成渗漏的穿透性缺陷,一般采用螺塞进行修补,而对于未造成渗漏的缺陷在保证强度的前提下可以采用普通塞子进行修补.ASME还同时给出了相邻缺陷可修补的条件及修补后的合格标准.(2)EN134456没有给出修补的具体条款,但规定不得采用焊接的方式进行修补.(3)HG20531在5.6.2条规定铸铁受压元件加工后表面的微小缺陷不允许焊补,但允许用螺纹塞头进行修补.4.2无损检测4.2.1无损检测的方法球墨铸铁制压力容器国内外法规标准比较无损检测是容器质量检验的关键环节,也是产品安全的重要保障.同钢制压力容器,铸件表面和近表面的缺陷

22、可采用磁粉或渗透检测,而铸件内部的缺陷则可采用射线或超声检测.4.2.2无损检测的比例首批试制的产品由于设计和工艺的不成熟,存在缺陷的概率较非首批产品要大,因此各国标准都提出首批产品的检测比例应高于非首批产品.ASME要求首批5件中至少选3件在关键截面处解剖或射线照相,而批量生产只需5件中抽1件进行解剖或照相检测.欧盟EN134456则是利用表4,根据试制,预生产,批量生产进行分类,并结合检测因子给出了无损检测的组合方式.表4EN134456无损检测方式的确定检测磁粉超声/切片外观壁厚项目因子CQ检测射线检测检测检查检测试制0.8一+产品0.9+0.8一+(10%)+预生产0.9+(1件)+批

23、量0.8一+生产0.9+注:”+”表示需要;”一”表示不需要.4.2.3无损检测合格标准根据各自无损检测的标准体系,各国球铁容器标准均规定了无损检测应达到的合格标准,见表5.表5中HG20531采用的磁粉和渗透检测标准颁布年代较早,近年来已被新颁布的GB/T9444-2007铸钢件渗透探伤检测和GB/T9443-20074铸钢件磁粉探伤检测更新.此外,我国还新颁布了铸件的射线和超声检测的国家标准:GB/T5677-2007铸钢件射线照相检测标准,GB/T7233.1_2009铸钢件超声检测第1部分:一般工程用途铸钢件和GB/T7233.22010铸钢件超声检测第2部分:高承压铸钢件.基本建成了

24、铸件无损检测的标准体系.4.3耐压试验为考核铸造缺陷对球铁容器安全的影响,各国压力容器标准都要求对制造完毕的容器进行耐压试验.我国固定式容规规定球铁容器的耐压试验仅限于液压试验,且耐压试验压力为设计压力或压力容器铭牌上规定的最高允许工作压力的2倍.标准磁粉检测渗透检测射线检测超声检测按附录6执行按附录8执行按ASMEV中第2章执行,按ASMEV中第5章执ASME验收按一1附录7验收按一1附录7验收按一1附录7行,验收按一1附录7EN1369:1996磁粉检EN13711:1997渗透EN12681:2003射线检EN126803:2003球EN134456测标准,验收不低于到检测标准,验收不低

25、于测,验收按照EN13445墨铸铁超声检测,验收SP02/CP02和LP2/SM3和LM4/AM4级6中7.1.9条应不低于到3级合格AP2级GB/T9444-88铸钢件GB/T944388铸钢件射线照相检测应无任何未采用超声检测HG20531磁粉探伤及缺陷显示渗透探伤及缺陷显示缺陷迹痕的方法迹痕的方法ASME一1中UCD一99条也要求:”按照UG一99所规定的方法进行液压试验,但试验压力应为最大许用工作压力的两倍.”欧盟标准EN134456在确定耐压试验压力时,依然采用包含多种影响因子的计算公式,通过相应的温度因子,检测因子来区分不同的设计工况.欧盟的EN134456在7.2.2中规定:所有

26、承压部件都应该通过水压试验且试验压力不应小于式(2)的计算值.(2)式中P,水压试验压力,MPaP设计压力,MPa取相关参数的界限值:C=0.82,C.=0.8时,Pr=2.18Pd;取Cr=1,C0=0.9时,P=1.59P.即欧盟的液压试验压力为1.592.18倍的设计压力.4.4液压破坏性试验当容器结构复杂,其各部件的强度很难准确计算时,可以通过液压破坏试验来确定和校核试制产品的最大许用工作压力,以保证设计的安全性.我国固定式容规中(下转第44页)CPVT关于我国球罐技术精细化的几点思考VoW7.Nol12010增加,需要开发各类型深冷球罐,该方面技术我国尚处于起步阶段,和国外差距很大.

27、由于涉及材料,结构,保冷等诸多因素,该类球罐将有着广阔的发展空间;对于特定有较高腐蚀的介质,开发耐腐蚀性复合板球罐技术,对于保证耐腐蚀性,同时合理利用材料资源有着重要意义.参考文献234韩伟基.中国球形容器建设回顾与展望(续)J.石油工程建设,1999,25(2):14,61,窦万波.我国乙烯球罐现状及国产化中技术要点分析J.压力容器,2006,23(6):3942.贺匡国.压力容器分析设计基础M.北京:机械工业出版社,1995:38.陈学东,王冰,艾志斌,等.以风险与寿命为基准的承压设备设计与制造J.压力容器,2007,24(10):15.陈学东,艾志斌,李景辰,等.压力容器风险评估技术在国

28、家安全技术规范中的采用J.压力容器,2008,25(12):14.秦晓钟.国内外球形容器用钢概况J.压力容器,1995,12(1):5661.张运川.球形贮罐自动化焊接技术的进展J.压力容器,1997,14(4):4956,71.袁涛,曹怀祥,祝卫国,等.TOFD超声成像检测技术在压力容器检验中的应用J.压力容器,2008,25(2):5860.王嘉麟,侯贤忠.球形储罐焊接工程技术M.北京:机械工业出版社,1999.收稿日期:20100925修稿日期:20101023作者简介:窦万波(1963一),男,教授级高工,主要从事压力容器及其材料,焊接技术研究工作,通信地址:230031安徽省合肥市合

29、肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全技术中心,Email:douwanbo.(上接第38页)4.9.2(a)条规定:”首次试制的产品,应当进行液压破坏试验,以验证设计的合理性,若试验不合格,则不得转入批量制造,试验应当有完整的方案和可靠的安全措施.”ASME一1和EN134456中也在相关条款中提出了水压爆破试验的要求和具体操作规程.5总结与展望经对欧,美,中3国球铁容器法规标准综合比较可见,欧盟标准EN134456在安全系数的确定,无损检测方式,爆破试验压力计算等方面都引入了”影响因子”,并贯穿于设计,制造,检验与验收的全过程,使得其整个标准灵活紧凑,自成体系,具有较突出的优势.相比之下,

30、我国固定式容规规定的球铁容器安全系数取值偏大,致使所设计的球铁容器壁厚偏厚,制造成本大幅增加,削弱了产品竞争力.同时,我国尚无球铁容器的国家标准,唯一现行的化工行业标准HG20531制订年代久远,所引用的标准严重老化,许多条款已不适用,制约了球铁容器的推广应用.因而重新制订球铁容器的行业标准乃至国家标准是十分必要的.?4J4?参考文献SiempelkampNukleartechnik.CastorNuclearWasteTransportProductionEB.Castor,2007,ASME一1.RulesforConstructionofPressureVes.selsS.2010.EN

31、134456,RequirementsfortheDesignandFabri?cationofPressureVesselsandPressurePartsConstrue.tedfromSpheroidalGraphiteCastIronS.2009.TSGR0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程S.HG20531-1993,铸钢,铸铁容器S.EN1563:1997,FoundingSph.eroidalGraphiteCastIronS.GB/T1348-2009,球墨铸铁件S.ASME11.Matedals.PartAFerrousMaterialSpeci”ficationsS.收稿日期:20101018作者简介:陈志平(1965一),男,教授,博士生导师,主要从事压力容器安全保障技术与创新设计研究,通信地址:310027浙江省杭州市浙大路38号浙江大学化工机械研究所,Email:zhiping.1Jj111jJ12345678