超高压容器规范标准最新进展

   摘 要: 对美国机械工程师协会 ASME BPVC Ⅷ － 3《高压容器建造另一规则》、日本高压技术协会HPIS C － 106《高压容器标准》、日本高压气体安全协会 KHKS 0220《超高压气体设备标准》及我国 TSG  Ｒ0002《超高压容器安全技术监察规程》进行了全面介绍，包括其制订背景、主要内容、技术特点、近年来修订情况等。最后简要介绍了中国超高压容器标准制订工作中着力解决的若干问题。   关键词: 超高压容器; 规范标准; 进展; 设计方法

  引言目前，超高压容器应用日趋广泛，它是聚乙烯生产、等静压处理、人造水晶、食品高压加工等行业不可或缺的关键设备。

　　超高压容器工作条件苛刻，为保障超高压容器的安全，同时考虑其在材料、设计制造、检测等方面的特殊性，美国、日本已经相继制定了超高压容器标准或规范。这些国际上最新的规范标准普遍引入了先进的设计理念、设计方法，如基于失效模式的设计理念，弹塑性分析、断裂力学评定等设计方法，大大提高了设计的可靠性，从而在保证容器本质安全的同时，降低了设计系数。

　　同时，我国也已颁布 TSG Ｒ0002《超高压容器安全技术监察规程》［1］( 以下简称《规程》) 。该规程是超高压容器安全监察和监督检验的重要依据。然而，我国现有压力容器标准体系中仍没有适用于超高压容器的国家标准，这严重制约了超高压容器制造业及其相关产业的发展。为适应这一需求，目前我国正在制订首部超高压容器国家标准。

　　文中对国外主要超高压容器规范标准及我国《规程》进行了全面介绍，包括其制订背景、主要内容、技术特点、近年来修订情况等，并简要介绍了我国超高压容器标准制订工作中着力解决的若干问题。

　　1国外超高压容器规范标准从 20 世纪 70 年代开始，随着技术的积累和超高压容器数量的增长，美国、日本相继制定了超高压容器规范标准。而其他发达工业国家虽然都有各自的压力容器标准体系，但适用于超高压容器的标准仍未见到。

　　目前，国外主要的超高压容器标准有: 美国机械工程师协会( ASME) 颁布的锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第 3 分篇 《高压容器建造另一规则》［2］( 简称 ASME Ⅷ － 3) 、日本高压气体安全协会颁布的 KHKS 0220 《超高压气体设备标准》［3］( 简称 KHKS 0220) 、日本高压技术协会颁布的 HPIS C － 103 《超高压圆筒容器设计指针》［4］ ( 简称HPIS C － 103 ) 和 HPIS C － 106 《高压容器标准》［5］( 简称 HPIS C － 106) 。图 1 示出了它们的发展沿革，以下将分别予以介绍。

　　美国、日本超高压容器标准及我国《规程》的发展历程1符号说明2质量控制系统3向锅炉及压力容器委员会提交技术咨询书的方式4安全阀泄放量校验实验室要求5铭牌的粘接6用射线照相法测定焊缝中圆形显示时的显示图验收标准A制造数据报告准备指南B设计条件再确认C授权证书填写指南D断裂力学计算E结构细节FASME 锅炉压力容器规范对新材料的批准G卡箍连接件设计H开孔与补强ASME Ⅷ － 3 的制订遵循了以下原则［7 － 8］: 尽可能采用 ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第 2 分篇《压力容器建造另一规则》( 简称 ASME Ⅷ－2) 和 ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅲ卷《核设施部件构造规则》中的相关设计技术。ASME Ⅷ－3 与其他分篇的对比见表 1。

　　塑性失效设计准则静强度设计采用 von Mises 屈服准则、疲劳强度设计采用 Tresca 屈服准则较少的公式法; 多用弹性、弹塑性应力分析; 强制性疲劳评定，可选的断裂力学评定严格的材料要求; 必须进行冲击或其他断裂韧性试验; 断裂韧性指标较高最严格的无损检测要求，对接焊缝必须用100% UT 或者 ＲT除特殊规定外，必须采用 1 型对接接头; 多采用非焊接的螺纹、卡箍或法兰连接的端部封头设计准则弹性失效设计准则塑性失效设计准则屈服准则最大主应力屈服准则von Mises 屈服准则设计方法多用公式法; 较少的应力分析公式法; 弹性、弹塑性应力分析; 疲劳评定可豁免材料材料要求较少，冲击试验可豁免更多的材料要求，冲击试验可豁免无损检测无损检测可豁免严格的无损检测要求，广泛使用 UT，MT，ＲT，PT制造与焊接根据焊缝等级，采用不同类型的对接、角接、搭接接头根据焊缝等级，采用不同类型的对接、角接接头ASME Ⅷ － 3 是一部内容相对完整的超高压容器标准，包括设计压力 69 MPa( 10000 psi) 以上金属压力容器的材料、设计、制造、超压泄放、无损检测、试验和标记等要求。标准没有给出适用压力上限，但据标准编制者 Mraz［11］的描述，应该在 1400 MPa 左右。有以下主要内容及特点。

　　( 1) 考虑容器塑性垮塌、疲劳、棘轮、屈曲和脆性断裂等失效模式;

  ( 2) 筒体最小壁厚按塑性失效设计准则确定，以全屈服压力取安全系数 2 作为圆筒的允许设计压力，而不直接给出壁厚公式;

  ( 3) 采用塑性分析法( 极限载荷法) 或应力分类法对容器结构进行静强度设计;

  ( 4) 疲劳评定时，若容器未能满足“未爆先漏”条件，则必须按断裂力学方法计算疲劳寿命; 若满足“未爆先漏”，则既可按应力—寿命( S—N) 曲线、也可按断裂力学方法计算疲劳寿命; 评定时除进行表面粗糙度、温度修正外，还必须考虑平均应力和由自增强、多层容器及焊接等带来的残余应力对疲劳寿命的影响;

  ( 5) 由于较多地使用了韧性较低的高强钢， 为降低容器发生脆断的可能，材料必须作最薄弱 方向的冲击试验，夏比( V 型缺口) 冲击功的要求值约为 ASME Ⅷ － 2 的 2 倍; 同时为排除超尺寸的裂纹，所有对接接头、板材和锻件等都应进行100% 超声或射线检测;

  ( 6) 对容器的自增强设计、多层及绕丝结构、相关部件、焊接方法等均提出了详细、严格的 要求。

　　自 1997 年颁布后，ASME Ⅷ － 3 的整体框架变动不大，而其内容上的变动主要集中在设计要求部分( KD) 。与最初版相比，设计方法的主要有以下改动( 以 2013 版为例) 。

　　( 1) 取消对实验室用小容器疲劳免除评定的条款，即 ASME Ⅷ － 3 范围内的所有容器均需进行疲劳或断裂力学评定( KD － 140) ;

  ( 2) 根据容器开、闭端情况及径比 K 的不同， 给出两种允许设计压力计算公式( KD － 221． 1) 。对于闭端容器及径比 K ＞ 2． 85 的开端容器，由原本采用的全屈服压力公式改为流变应力爆破压力公式，安全系数由 2 调整至槡3。流变应力式采用“流变应力”( σs + σb ) /2 作为等效屈服强度，由于考虑了实际材料的硬化效应，计算值与真实容器破坏数据更加吻合;

  ( 3) 参考 2007 年 ASME Ⅷ － 2 的重写，增加了弹塑性应力分析法( KD － 230) 、防止局部失效的具体评定方法( KD － 232) 及用于焊缝疲劳评定的等效结构应力法( KD － 340) ;

  ( 4) 与ASME Ⅷ － 2 相同，全面引入数值分析技术，将静强度分析中的 Tresca 屈服准则改为von Mises 屈服准则( KD － 231． 3) 。主要原因有:一是 von Mises 屈服准则更便于商业有限元软件实际应用; 二是 von Mises 屈服准则也更加符合有关试验结果;

  ( 5) 考虑到应力分类法会随径比增大而产生·50·不保守的评定结果，将其应用范围限定在径比1． 25以内( KD － 200) ;

  ( 6) 取消原“KD － 10 型槽绕带式容器特殊设计要求”，增加“KD － 10 临氢容器特殊设计要求”。

　　1.2HPIS C － 103《超高压圆筒容器设计指针》

　　20 世纪 70 年代，日本所采用的压力容器 JIS 标准中，JIS B8243《压力容器的建造》［12］ 适用压力最大值为 30 MPa，JIS B8250《压力容器的建造( 特定标准) 》［13］最高也仅适用到 100 MPa。为适应压力在 100 MPa 以上容器的需要，日本高压技术协会于1977 年成立“超高压设备设计标准委员会”，并于 1980 年颁布了推荐性协会标准 HPIS C－ 103《超高压圆筒容器设计指针》。该标准适用于设计压力为 100 ～ 1000 MPa 的容器，按照材料、静强度设计、疲劳设计、制造及加工、耐压试验与 检查等部分进行编排。

　　该标准仅以厚壁圆筒筒体作为设计对象，其 静强度计算以 Faupel 爆破压力公式作为基础，爆破安全系数取 2． 5。并以 Langer［14］提出的疲劳寿 命模型为基础作疲劳设计，根据材料的抗拉强度 差异给出不同的疲劳设计曲线。值得注意的是， 在 HPIS C － 103 之后颁布的 ASME Ⅷ － 3 中，虽同样采用 Langer 疲劳寿命模型，但对平均应力的修正及安全系数的选取与 HPIS C － 103 有所不同: HPIS C － 103 已计入平均应力最大可能的影响而对 S—N 曲线进行了 Goodman 修正，相对于应力和循环次数的安全系数分别取 1． 6 和 15; ASME Ⅷ － 3 则未对 S—N 曲线进行平均应力修正，而是在计算中具体给出了修正公式，同时相对 于应力和循环次数的安全系数分别取 2 和 20。

　　HPIS C － 103 是第一部为超高压容器设计者提供依据的建造规范，虽然内容仅限于容器的筒体部分，但仍具有很高的参考价值。我国超高压规程最初就参考了其中诸多内容［15 － 17］。

　　在 1997 年美国颁布内容更为全面的 ASME Ⅷ － 3 之后，日本高压技术协会于同年成立“高压容器设计分委员会”，对 ASME Ⅷ － 3 展开研究， 最终于 2005 年颁布了 HPIS C － 106《高压容器标准》［5］，其最新版标准目录如下。