墨鑄鐵制壓力容器國內(nèi)外法規(guī)標準比較

1、球墨鑄鐵制壓力容器國內(nèi)外法規(guī)標準比較球墨鑄鐵制壓力容器國內(nèi)外法規(guī)標準比較陳志平,馬躍,方舟,余雛麟,王雷(浙江大學化工機械研究所,浙江杭州310027)摘要:球墨鑄鐵因其良好的力學性能和鑄造性能,被越來越多地應用于制造壓力容器,球墨鑄鐵制壓力容器相關(guān)標準也開始引起業(yè)內(nèi)的重視.基于美國ASME一1和歐盟EN134456的球墨鑄鐵制壓力容器標準,結(jié)合國內(nèi)相關(guān)標準和TSGR0004-2009(固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程,分析比較各國球墨鑄鐵制壓力容器法規(guī)標準在適用范圍,材料,設計,制造,檢驗與驗收等方面的異同,指出了歐盟標準EN134456所采用的應力分析設計,疲勞分析及無損檢測方面的先進之處,

2、同時對我國制訂球墨鑄鐵制壓力容器相關(guān)標準提出了一些建議.關(guān)鍵詞:球墨鑄鐵;壓力容器;標準中圖分類號:T一651;T一652;TQo51.3文獻標識碼:B文章編號: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引言球墨鑄鐵具有良好的力學性能和鑄造性能,目前在壓力容器行業(yè)得到了越來越多的應用,如造紙機械用球墨鑄鐵烘缸,外形復雜的壓縮機級問冷卻器殼體等

6、.球墨鑄鐵制壓力容器(以下簡稱球鐵容器)無需焊接,一次鑄造成型,可保證器身的完整性和密封的可靠性,而無縫結(jié)構(gòu)更可發(fā)揮其優(yōu)越的屏蔽性能.20世紀8O年代,德國率先研制成功球墨鑄鐵核乏燃料儲運容器,其制造成本較傳統(tǒng)的不銹鋼或鍛鋼鉛屏蔽容器大幅降第27卷第11期壓力容器總第216期低.隨著球鐵容器應用范圍不斷擴大,其標準的建設也得到了世界各國的重視.歐美發(fā)達國家均已頒布了相應的法規(guī)標準.美國在ASME一1j2中引入UCD篇球墨鑄鐵制壓力容器的要求,歐盟則于2002年頒布了EN13445第6部分球墨鑄鐵制壓力容器和部件的設計制造要求,并在20022009年間不斷以增補的形式對其材料,設計,檢測等內(nèi)容進

7、行了擴充和完善.與歐美相比,我國尚未制訂相關(guān)的國家標準,國家質(zhì)檢部門在TSGR0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程43(以下簡稱固定式容規(guī))中僅規(guī)定了球鐵容器的適用范圍,安全系數(shù)和壓力試驗等基本要求.而頒布于1993年的化工行業(yè)標準HG20531鑄鋼,鑄鐵容器是目前國內(nèi)唯一有關(guān)球鐵容器的行業(yè)標準,但因發(fā)布年代較早,其中很多條款已不適用.文中比較了歐,美,中3國球鐵容器法規(guī)標準的適用范圍,材料,設計,制造,檢驗與驗收等方面的內(nèi)容及差異,可供球鐵容器的相關(guān)設計,制造,檢驗單位技術(shù)人員參考.1適用范圍各國法規(guī)標準都在總則部分對球鐵容器的設計壓力,設計溫度,承裝介質(zhì)等適用范圍做出規(guī)定.表1

8、綜合列出了EN134456,ASME一1UCD和我國固定式容規(guī)所適用的設計壓力和設計溫度范圍.表1各國標準中球鐵容器的設計壓力和設計溫度范圍標準名稱ASME一1EN134456固定式容規(guī)P?10000設計壓力P7MPaP1.6MPaMPa?L設計溫度一29345一403OHDl03o0注:設計溫度與標準中規(guī)定的材料相關(guān),表中溫度為各標準鐵素體球墨鑄鐵牌號的綜合設計溫度范圍.歐盟標準通過2004年的增補加入了奧氏體球墨鑄鐵牌號,已將其標準的適用溫度范圍擴大至一196540t2.由表1可見,歐盟標準設計溫度最低可達一40,我國僅為一10,可見我國球鐵容器設計溫度的上限雖然與歐美標準很接近,但設計溫

9、度的下限要高于歐美標準.同時,美國球鐵容器的設計壓力最高可達7MPa,而我國則限制到1.6MPa,反映出我國對球鐵容器設計壓力的限制較為保守.此外,歐盟EN134456還允許球鐵容器承受一定的疲勞載荷,在其2002年版標準的總則中提出了疲勞分析的相關(guān)內(nèi)容,在2004年增補中正式將這部分內(nèi)容作為附錄D引入標準,并在2006和2008年的增補中完善了該部分內(nèi)容.2材料2.1牌號各國法規(guī)標準都規(guī)定了球鐵容器可選用的球墨鑄鐵材料牌號:美國ASME一1僅允許SA一395用于制造球鐵容器;歐盟EN134456則限于EN15636j中ENGJS一35022和ENGJS一40018相關(guān)的6種牌號;我國固定式容

10、規(guī)允許使用的球墨鑄鐵牌號為GB/T1348-2009H中的QT40018R和QT40018L.2.2力學性能力學性能是選取壓力容器制造材料的重要依據(jù).表2歹U出SA395,ENGJS一40018,QT40018R3種常用球墨鑄鐵牌號的主要力學性能.比較后發(fā)現(xiàn),各牌號的主要力學性能指標很接近,且歐盟ENGJS一40018和我國QT40018R的抗拉強度,屈服極限和斷后伸長率是完全相同的.除拉伸力學性能指標外,我國GB/T1348和歐盟EN1563還對材料的沖擊韌性提出了附加要求,且兩標準對應牌號的沖擊功指標基本相同.女口表2中ENGJS一40018和QT40018R單鑄試塊的最小沖擊功平均值同為

11、14./J?cm,而個別值同為11o/J?cm.由此可見,我國QT40018R(L)與歐盟對應材料牌號的各項力學性能基本一致.我國2009年修訂發(fā)布的球墨鑄鐵標準GB/T1348-2009較舊版GB/Tl3481988引人了新牌號QT35022,其力學性能與歐盟EN134456中的ENGJS一35022接近,而歐盟EN134456已將ENGJS一35022列為球鐵容器的制造材料,因而經(jīng)必要的論證程序后也可考慮將QT35022R(L)引入我國球鐵容器制造材料.球墨鑄鐵制壓力容器國內(nèi)外法規(guī)標準比較Vo127.Nol12010主要力學性能沖擊韌性鑄件厚度O”bO”026最小沖擊值n/J?cm標準類別

12、牌號/mm/MPa/MPa/%HB室溫23-t-5oC最小值3個試樣平均值個別值美國ASMESA395SA395(604018)41418143187單鑄試塊ENG-JS一40018400250181351801411歐盟304oo250181411EN1563附鑄試塊ENGJS一40018U>3O60390250151351801411>6020037024O12129單鑄試塊QT40018R400250181201751411中國30400250181411GB/T13482009附鑄試塊QT40018AR>3O6O3902501512017514

13、11>60200370240121292.3許虛力材料的許用應力是確定壓力容器壁厚的基本參數(shù)之一,各國球鐵容器標準都對球鐵材料的許用應力取值給出了不同的規(guī)定:(1)我國固定式容規(guī)在第3.8條規(guī)定:”球墨鑄鐵室溫下抗拉強度安全系數(shù)應當不小于8.0”.(2)美國ASME一1表UCD一23中給出了材料SA395在許用溫度范圍下的最大許用應力為12ksi(82.7MPa),及最小抗拉強度60ksi(414MPa),并要求根據(jù)UG一24選取80%100%的”鑄造質(zhì)量系數(shù)”.故可推算ASME球墨鑄鐵材料的抗拉強度安全系數(shù)在5.06.25之間.(3)歐盟的EN134456:2009在5.2.2

14、.2條給出了許用應力計算公式:廠:(1)o式中R曲.:.2%塑性變形下的屈服極限,MPC溫度影響因子C檢測影響因子C,壁厚影響因子S安全因子式(1)考慮了操作溫度,材料厚度,設計方法以及產(chǎn)品檢測方式等對設計的綜合影響,引入各類影響因子,而不是像中美標準簡單地給出安全系數(shù)或許用應力,使材料的性能得以充分地發(fā)揮,從而降低產(chǎn)品的制造成本.歐盟標準EN134456對球墨鑄鐵許用應力取值方法也歷經(jīng)多次變革.2002年較早的版本僅規(guī)定式(1)中的s為3,并解釋”對于0.2%塑性變形的屈服極限綜合引入3.33.75的安全系數(shù)”.為便于同中美標準的安全系數(shù)比較,根據(jù)ENGJS一40018的屈服極限和抗拉強度的

15、大小折算后,當S=3時,歐盟標準材料的抗拉強度安全系數(shù)取值在5.36.0之間.其后,歐盟標準在2006年對S的取值方法進行了修訂,要求根據(jù)表3確定s取值,增加了.s取2的情況.同樣可推算出當S=2時,材料的抗拉強度安全系數(shù)約在3.54.0.即根據(jù)不同的安全因子,現(xiàn)行的EN134456材料抗拉強度安全系數(shù)取值范圍為5.36.0或3.54.0.表3EN134456安全因子和檢測因子的選取無損檢安全因子檢測因子靜載條件下動載條件下測要求SCQ設計方法設計方法SFA不要求3.0O.8DFADBFEFADBADBE(SFA)要求2.00.9DFAEFA注:DBF:常規(guī)設計;DBA=分析設計;DBE=通過

16、試驗方法設計;SFA=簡單疲勞分析;DFA=詳細疲勞分析;EFA=通過試驗的疲勞分析;為不推薦使用.綜上可見,我國球鐵容器設計時安全系數(shù)取值較歐美偏大.由于各國材料性能接近,過大的安全系數(shù)致使球鐵容器壁厚偏厚,導致材料和能源的浪費及制造成本的大幅增加.歐盟標準獨樹一幟地在安全系數(shù)方面引入多種影響因子進行控制,顯示出其更為靈活,先進的一面.第27卷第11期壓力容器總第216期2.4化學成分化學成分是影響球墨鑄鐵材料力學性能的重要因素,對其檢測也是質(zhì)量控制的重要手段.ASME一1UCD要求球墨鑄鐵應符合ASMEIISA395中有關(guān)C,Si,P含量的具體要求.EN134456則在其6.3條提出應控制

17、鐵素體球墨鑄鐵中c,Si,Mn,P,S和Mg的含量.我國GB/T1348規(guī)定材料的化學成分由供方自行決定,有特殊要求時應由供需雙方協(xié)定.2.5金相組織材料的微觀金相組織作為球墨鑄鐵重要的檢測指標,反映了鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量和力學性質(zhì).ASME1ISA395在7.3.1條規(guī)定:應保證球墨鑄鐵的單鑄試塊和附鑄試塊的金相為鐵素體基體,并不允許包含碳化物雜質(zhì),且I和型的石墨形態(tài)應占總量的90%以上;我國HG20531根據(jù)GB/T9441對球墨鑄鐵球化級別的劃分,要求4級以上為合格.3設計3.1常規(guī)設計方法對于常規(guī)設計,球鐵容器和鋼制壓力容器采用相同的強度計算理論,設計公式和校核條件也基本一致.為此,各國球鐵

18、容器標準均引用各自標準體系下鋼制壓力容器標準的設計方法.如:HG20531引用GB1501989,ASME一1UCD采用其通用篇UG的要求,EN134456則引用EN134453中相關(guān)條款.3.2分析設計和通過試驗的設計方法歐盟標準EN134456還引入分析設計方法.EN134456:2009在5.2.2.1條中提出:“如果由于構(gòu)件的外形或載荷條件,無法采用EN134453:2009及附錄G所提供的常規(guī)設計方法時,可以采用分析設計方法(DBA)或通過試驗的設計方法(DBE).并在5.2.2.1.4條中對如何采用EN134453:2009中相關(guān)”分析設計方法”的內(nèi)容做出了解釋.此外,EN1344

19、56:2009中5.2.2.1.5和5.2.2.1.6條還提出了”通過試驗的設計方法”,并對該方法進行了規(guī)定和解釋,給出了通過水壓爆破試驗取得分析設計厚度e.和最小厚度e的計算公式及爆破試驗的操作規(guī)程.3.3疲勞設計方法歐盟標準EN134456明確提出球鐵容器可以采用疲勞設計方法.EN134456:2009在4.1條中定義了循環(huán)載荷工況,并在其附錄D中給出了簡單疲勞評定和詳細疲勞評定的方法,許用循環(huán)次數(shù)的確定以及疲勞設計曲線等內(nèi)容.4制造,檢驗與驗收4.1制造熱處理能夠有效去除鑄件內(nèi)部的殘余應力,提高鑄件的力學性能.各國球鐵容器標準都給出了鑄件熱處理的具體規(guī)定:(1)ASME在SA395中4.

20、i和4.2條規(guī)定:除特殊說明外,必須對鑄件進行鐵素體化熱處理,而去應力退火則可根據(jù)供需雙方的協(xié)議來進行.(2)EN134456中5.3.1條規(guī)定:可以采用延長開箱時間,讓鑄件在砂型中逐漸冷卻后再空冷的方式進行熱處理.當此過程不能有效地消除鑄件內(nèi)部的殘余應力時,應根據(jù)供需雙方的協(xié)議對鑄件進行去應力退火.(3)我國的HG20531在5.4.1條明確規(guī)定:鑄造受壓元件必須進行熱處理;如訂貨時無特殊要求,熱處理工藝可由制造單位決定.JtLF,球墨鑄鐵件在制造和檢驗的過程中會暴露一些缺陷,有些缺陷是可以修補的.對于承壓部件的缺陷,現(xiàn)在比較成熟的工藝是用螺塞或塞子進行修補.各國標準對修補方法和條件都做出了

21、相應規(guī)定:(1)ASME一1UCD一78分造成滲漏和未造成滲漏兩種類型的缺陷對修補的方法進行了規(guī)定:對于造成滲漏的穿透性缺陷,一般采用螺塞進行修補,而對于未造成滲漏的缺陷在保證強度的前提下可以采用普通塞子進行修補.ASME還同時給出了相鄰缺陷可修補的條件及修補后的合格標準.(2)EN134456沒有給出修補的具體條款,但規(guī)定不得采用焊接的方式進行修補.(3)HG20531在5.6.2條規(guī)定鑄鐵受壓元件加工后表面的微小缺陷不允許焊補,但允許用螺紋塞頭進行修補.4.2無損檢測4.2.1無損檢測的方法球墨鑄鐵制壓力容器國內(nèi)外法規(guī)標準比較無損檢測是容器質(zhì)量檢驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是產(chǎn)品安全的重要保障.同鋼制

22、壓力容器,鑄件表面和近表面的缺陷可采用磁粉或滲透檢測,而鑄件內(nèi)部的缺陷則可采用射線或超聲檢測.4.2.2無損檢測的比例首批試制的產(chǎn)品由于設計和工藝的不成熟,存在缺陷的概率較非首批產(chǎn)品要大,因此各國標準都提出首批產(chǎn)品的檢測比例應高于非首批產(chǎn)品.ASME要求首批5件中至少選3件在關(guān)鍵截面處解剖或射線照相,而批量生產(chǎn)只需5件中抽1件進行解剖或照相檢測.歐盟EN134456則是利用表4,根據(jù)試制,預生產(chǎn),批量生產(chǎn)進行分類,并結(jié)合檢測因子給出了無損檢測的組合方式.表4EN134456無損檢測方式的確定檢測磁粉超聲/切片外觀壁厚項目因子CQ檢測射線檢測檢測檢查檢測試制0.8一+產(chǎn)品0.9+0.8一+(10

23、%)+預生產(chǎn)0.9+(1件)+批量0.8一+生產(chǎn)0.9+注:”+”表示需要;”一”表示不需要.4.2.3無損檢測合格標準根據(jù)各自無損檢測的標準體系,各國球鐵容器標準均規(guī)定了無損檢測應達到的合格標準,見表5.表5中HG20531采用的磁粉和滲透檢測標準頒布年代較早,近年來已被新頒布的GB/T9444-2007鑄鋼件滲透探傷檢測和GB/T9443-20074鑄鋼件磁粉探傷檢測更新.此外,我國還新頒布了鑄件的射線和超聲檢測的國家標準:GB/T5677-2007鑄鋼件射線照相檢測標準,GB/T7233.1_2009鑄鋼件超聲檢測第1部分:一般工程用途鑄鋼件和GB/T7233.22010鑄鋼件超聲檢測第

24、2部分:高承壓鑄鋼件.基本建成了鑄件無損檢測的標準體系.4.3耐壓試驗為考核鑄造缺陷對球鐵容器安全的影響,各國壓力容器標準都要求對制造完畢的容器進行耐壓試驗.我國固定式容規(guī)規(guī)定球鐵容器的耐壓試驗僅限于液壓試驗,且耐壓試驗壓力為設計壓力或壓力容器銘牌上規(guī)定的最高允許工作壓力的2倍.標準磁粉檢測滲透檢測射線檢測超聲檢測按附錄6執(zhí)行按附錄8執(zhí)行按ASMEV中第2章執(zhí)行,按ASMEV中第5章執(zhí)ASME驗收按一1附錄7驗收按一1附錄7驗收按一1附錄7行,驗收按一1附錄7EN1369:1996磁粉檢EN13711:1997滲透EN12681:2003射線檢EN126803:2003球EN134456測標準

25、,驗收不低于到檢測標準,驗收不低于測,驗收按照EN13445墨鑄鐵超聲檢測,驗收SP02/CP02和LP2/SM3和LM4/AM4級6中7.1.9條應不低于到3級合格AP2級GB/T9444-88鑄鋼件GB/T944388鑄鋼件射線照相檢測應無任何未采用超聲檢測HG20531磁粉探傷及缺陷顯示滲透探傷及缺陷顯示缺陷跡痕的方法跡痕的方法ASME一1中UCD一99條也要求:”按照UG一99所規(guī)定的方法進行液壓試驗,但試驗壓力應為最大許用工作壓力的兩倍.”歐盟標準EN134456在確定耐壓試驗壓力時,依然采用包含多種影響因子的計算公式,通過相應的溫度因子,檢測因子來區(qū)分不同的設計工況.歐盟的EN13

26、4456在7.2.2中規(guī)定:所有承壓部件都應該通過水壓試驗且試驗壓力不應小于式(2)的計算值.(2)式中P,水壓試驗壓力,MPaP設計壓力,MPa取相關(guān)參數(shù)的界限值:C=0.82,C.=0.8時,Pr=2.18Pd;取Cr=1,C0=0.9時,P=1.59P.即歐盟的液壓試驗壓力為1.592.18倍的設計壓力.4.4液壓破壞性試驗當容器結(jié)構(gòu)復雜,其各部件的強度很難準確計算時,可以通過液壓破壞試驗來確定和校核試制產(chǎn)品的最大許用工作壓力,以保證設計的安全性.我國固定式容規(guī)中(下轉(zhuǎn)第44頁)CPVT關(guān)于我國球罐技術(shù)精細化的幾點思考VoW7.Nol12010增加,需要開發(fā)各類型深冷球罐,該方面技術(shù)我國

27、尚處于起步階段,和國外差距很大.由于涉及材料,結(jié)構(gòu),保冷等諸多因素,該類球罐將有著廣闊的發(fā)展空間;對于特定有較高腐蝕的介質(zhì),開發(fā)耐腐蝕性復合板球罐技術(shù),對于保證耐腐蝕性,同時合理利用材料資源有著重要意義.參考文獻234韓偉基.中國球形容器建設回顧與展望(續(xù))J.石油工程建設,1999,25(2):14,61,竇萬波.我國乙烯球罐現(xiàn)狀及國產(chǎn)化中技術(shù)要點分析J.壓力容器,2006,23(6):3942.賀匡國.壓力容器分析設計基礎M.北京:機械工業(yè)出版社,1995:38.陳學東,王冰,艾志斌,等.以風險與壽命為基準的承壓設備設計與制造J.壓力容器,2007,24(10):15.陳學東,艾志斌,李景

28、辰,等.壓力容器風險評估技術(shù)在國家安全技術(shù)規(guī)范中的采用J.壓力容器,2008,25(12):14.秦曉鐘.國內(nèi)外球形容器用鋼概況J.壓力容器,1995,12(1):5661.張運川.球形貯罐自動化焊接技術(shù)的進展J.壓力容器,1997,14(4):4956,71.袁濤,曹懷祥,祝衛(wèi)國,等.TOFD超聲成像檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應用J.壓力容器,2008,25(2):5860.王嘉麟,侯賢忠.球形儲罐焊接工程技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,1999.收稿日期:20100925修稿日期:20101023作者簡介:竇萬波(1963一),男,教授級高工,主要從事壓力容器及其材料,焊接技術(shù)研究工作,通信地址:230031安徽省合肥市合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全技術(shù)中心,Email:douwanbo.(上接第38頁)4.9.2(a)條規(guī)定:”首次試制的產(chǎn)品,應當進行液壓破壞試驗,以驗證設計的合理