為了確保壓力容器在設計壽命內安全可靠地運行,世界各工業******都制定了一系列壓力容器規范標準,給出材料、設計、制造、檢驗、合格評估等方面的基本要求。壓力容器的設計必須滿足這些要求,否則就要承擔相應的后果。然而規范不可能包羅萬象,提供壓力容器設計的各種細節。

設計師需要創造性地使用規范標準,根據具體設計要求,在滿足規范標準基本要求的前提下,做出更佳的設計方案。隨著科學技術的不斷進步,國際貿易的不斷增加,各國壓力容器規范標準的內容和形式不斷更新,以適應新形勢的需要。新版本實施后,老版本便自動作廢。因此,設計師應及時了解規范變動情況,采用朂新規范標準。

1. 國外主要規范標準簡介

(1)ASME規范

美國是世界上朂早制定壓力容器規范的******。19世紀末到20世紀初,鍋爐無損檢測和壓力容器事故發生頻繁,造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。1911 年,美國機械工程師學會(ASME)成立鍋爐和壓力容器委員會,負責制定和解釋鍋爐和壓力容器設計、制造、檢驗規范。

1915年春出現了世界上******部壓力容器規范,即《鍋爐建造規范·1914版》。這是ASME鍋爐和壓力容器規范(以下簡稱ASME規范)各卷的開始,后來成為ASME規范第Ⅰ卷《動力鍋爐》。

目前ASME 規范共有十二篇,包括鍋爐、壓力容器、核動力裝置、焊接、材料、無損檢測等內容,篇幅龐大,內容豐富,且修訂更新及時,全面包括了鍋爐和壓力容器質量保證的要求。ASME規范每三年出版一個新的版本(2013年后改為每兩年),每年有兩次增補。在形式上,ASME 規范分為4個層次,即規范(Code)、規范案例(CodeCase)、條款解釋(Interpretation)及規范增補(Addenda)。

ASME規范中與壓力容器設計有關的主要是第Ⅱ篇《材料》、第Ⅲ篇《核電廠部件建造規則》、第Ⅴ篇《無損檢測》、第Ⅷ篇《壓力容器》、第Ⅹ篇《玻璃纖維增強塑料壓力容器》、第Ⅺ篇《核電廠部件在用檢驗規則》和第Ⅻ篇《移動式容器建造和連續使用規則》。

第Ⅲ篇包括核1級部件、核2級部件、核3級部件、混凝土安全殼、乏燃料和高放射性廢料儲運用容器等。第Ⅷ篇又分為三冊:第1冊《壓力容器》,第2冊《壓力容器另一規則》和第3冊《高壓容器另一規則》,以下分別簡稱為ASMEⅧ-1、ASMEⅧ-2和ASMEⅧ-3。

1925年******頒布的ASME Ⅷ-1為常規設計標準,適用壓力小于等于20MPa;它以彈性失效設計準則為依據,根據經驗確定材料的許用應力,并對零部件尺寸做出一些具體規定。由于它具有較強的經驗性,故許用應力較低。ASME Ⅷ-1不包括疲勞設計,但包括靜載下進入高溫蠕變范圍的容器設計。

ASME Ⅷ-2為分析設計標準,于1968年******頒布,它要求對壓力容器各區域的應力進行詳細地分析,并根據應力對容器失效的危害程度進行應力分類,再按不同的安全準則分別予以限制。

與ASME Ⅷ-1相比,ASME Ⅷ-2對結構的規定更細,對材料、設計、制造、檢驗和驗收的要求更高,允許采用較高的許用應力,所設計出的容器壁厚較薄?，F行ASMEⅧ-2是基于失效模式的標準包括了疲勞設計,但設計溫度限制在蠕變溫度以內。為解決高溫壓力容器的分析設計,在1974年后又補充了一份《規范案例N—47》。

1997年******頒布的ASMEⅧ-3主要適用于設計壓力不小于70MPa的高壓容器,它不僅要求對容器各零部件做詳細地應力分析和分類評定,而且要做疲勞分析或斷裂力學評估,是一個到目前為止要求更高的壓力容器規范。

第Ⅹ篇《玻璃纖維增強塑料壓力容器》是現有ASME規范中******的非金屬材料篇。該篇對玻璃纖維增強塑料壓力容器的材料、設計、檢驗等提出了要求。第Ⅻ篇《移動式容器建造和連續使用規則》于2004年******頒布,適用于便攜式容器、汽車槽車和鐵路槽車。

(2)日本壓力容器標準

1993年以前,與美國一樣,日本也采用壓力容器基礎標準的雙軌制,一部是參照

ASME Ⅷ-1制定的JISB8243 《壓力容器構造》;另一部是參照ASME Ⅷ-2 制定的JISB8250 《壓力容器構造———另一標準》。

為適應科學技術的進步,在整理和綜合原有標準的基礎上,日本決定采用新的標準體系,編制基礎標準、通用技術標準及相關標準,于1993年3月頒布了新的壓力容器標準;JISB8270 《壓力容器(基礎標準)》和JISB8271~8285《壓力容器(單項標準)》。

JISB8270 《壓力容器(基礎標準)》為壓力容器基礎標準,規定了3種壓力容器的設

計壓力、設計溫度、焊接接頭形式、材料許用應力、應力分析及疲勞分析的適用范圍、質量管理及質量保證體系、焊接工藝評定試驗及無損檢測等內容。

JISB8271~8285 《壓力容器(單項標準)》由15項單項標準組成,這些標準主要包括壓力容器筒體和封頭、螺栓法蘭連接、平蓋、支承裝置、快速開關蓋裝置、膨脹節、換熱器管板、開孔補強等主要零部件和臥式壓力容器、夾套容器、非圓形截面容器的結構形式和設計計算方法,壓力容器應力分析和疲勞分析的分析方法,許用應力強度的規定、焊接接頭力學性能試驗、焊接工藝評定試驗、壓力試驗的有關規定。

為了使標準盡可能相互通用,避免重復檢查、實現有效的認證體制,日本于2000年3月制訂并實施了JISB8265 《壓力容器構造———一般事項》。隨著JISB8265的實施,日本出現了JISB8265和JISB8270雙標準并存的狀態。為改變這一狀態,日本以JISB8270中的第1種壓力容器(設計壓力小于100MPa)為對象,制訂了JISB8266 《壓力容器構造———特定標準》,并修改了JISB8265,形成了新的壓力容器JIS標準體系。該體系已于2003年9月頒布實施。

(3)歐盟壓力容器規范標準

歐盟將壓力容器、壓力管道、安全附件、承壓附件等以流體壓力為基本載荷的設備統稱為承壓設備。隨著歐洲統一市場的建立和歐元的面市,為促進承壓設備在歐盟成員國內的自由貿易,盡可能在朂廣泛的工業領域內實施統一的技術法規,歐盟頒布了許多與承壓設備有關的EEC/EC指令(DIRECTIVE)和協調標準(HARMONIZEDSTANDARDS)。

EEC/EC指令側重于安全管理方面的要求,只涉及產品安全、工業安全、人體健康、消費者權益保護的基本要求,是歐盟各成員國制定相關法律的指南。指令生效后,歐盟各個成員國必須把指令轉化為本國監察規程或******法律,并在指令規定的期限內強制執行。

與壓力容器有關的EEC/EC指令主要有:76/767/EEC 《壓力容器一般指令》、87/404/EEC 《簡單壓力容器指令》和97/23/EC 《承壓設備指令》。76/767/EEC為壓力容器及其檢驗的一般規定。87/404/EEC僅適用于介質為空氣或氮氣、壓力(表壓)超過0.05MPa的簡單壓力容器。97/23/EC適用于更高工作壓力大于0.05MPa的承壓設備的設計、制造和合格評估。

歐洲協調標準一般由歐洲標準化委員會(CEN)、歐洲電工標準化委員會(CENELEC)等技術組織制訂。協調標準是非強制的,但企業若采用協調標準,就意味著滿足了相應指令的基本要求。EN13445 《非火焰接觸壓力容器》是與97/23/EC相對應的歐洲協調標準,其主要內容有:總則、材料、設計、制造、檢驗和試驗、安全系統和鑄鐵容器。按EN13445規定設計、制造的壓力容器,被自動認為滿足97/23/EC的要求。

一旦歐洲協調標準被正式通過,所有的CEN 成員國都應制訂與歐洲協調標準等同的******標準,并廢止本國現行標準中與歐洲協調標準規定相沖突的內容。例如,英國廢止了原來的BS5500 《非火焰接觸壓力容器》標準,將其改為不再具有“******標準”地位的PD5500《非火焰接觸壓力容器》。但是,在歐盟各成員國的******標準中,不是由成員國標準化委員會制訂的承壓設備標準無需廢止。

2. 國內主要規范標準介紹

特種設備是對人身和財產安全有較大危險性的設備總稱,包括鍋爐、壓力容器、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施、場(廠)內機動車輛八類設備。

鍋爐、壓力容器、壓力管道統稱為承壓類特種設備;電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施、場(廠)內機動車輛統稱為機電類特種設備。承壓類特種設備具有潛在的泄漏和爆炸危險,是流程工業中廣泛使用的設備。

(1)鍋爐

鍋爐是指利用各種燃料、電或者其他能源,將所盛裝的液體加熱到一定的參數,通過對外輸出介質的形式提供熱能的設備,包括承壓蒸汽鍋爐、承壓熱水鍋爐和有機載熱體鍋爐等。

(2)壓力容器

壓力容器是指盛裝氣體或者液體,承載一定壓力的密閉設備,包括固定式壓力容器、移動式壓力容器、氣瓶和氧艙等。氣瓶是一種比較特殊的移動式壓力容器,包括無縫氣瓶、焊接氣瓶、纏繞氣瓶、絕熱氣瓶和內裝填料氣瓶。

氧艙是指承受內壓或者外壓,以空氣或者氧氣為主要加壓介質,用于醫療、潛水和科學試驗等活動的載人壓力容器,主要包括潛水鐘、再壓艙、高壓氧艙、醫用氧艙、高海拔試驗艙等。

(3)壓力管道

壓力管道是指利用一定的壓力,用于輸送氣體或者液體的管狀設備,包括公用管道、長輸管道和工業管道等。長輸管道分為輸油管道和輸氣管道;公用管道包括燃氣管道和熱力管道;工業管道包括工藝管道、動力管道和制冷管道。

為防止和減少事故,保障人民群眾生命和財產安全,促進經濟發展,中國對特種設備實施全過程安全監察,形成了“法律—行政法規—部門規章—安全技術規范—引用標準”五個層次的法規體系結構。

2.1 法律

2013年6月,中華人民共和國主席令第4號公布了《中華人民共和國特種設備安全法》(以下簡稱《特種設備法》)。這是中國歷史上******部對特種設備安全管理做統一、全面規范的法律。該法已于2014年1月1日起施行,對特種設備的生產、經營、使用,實施分類的、全過程的安全監督管理。

分類監管是指按照特種設備本身的特性和使用風險不同,采取不同的監管制度和措施。全過程包括特種設備的生產(含設計、制造、安裝、改造、維修)、使用、檢驗檢測及其監督檢查等環節。實施全過程安全監督是保證特種設備安全的行之有效的手段。

特種設備安全問題涉及的因素是多方面的,各環節之間相互聯系,互相影響。如設計、制造時,不但要考慮設備本身的安全要求,而且要考慮安裝、使用、檢驗等環節的要求。對事故正確的分析,又能促進各個環節工作的改進。

《特種設備法》授權國務院對特種設備采用目錄管理方式,決定將哪些設備和設施納入特種設備范圍,并且規定由國務院負責特種設備安全監督管理的部門(******質量監督檢驗檢疫總局特種設備安全監察局)統一發布******特種設備目錄,以目錄的形式進一步明確實施監督管理的特種設備具體種類、品種范圍。

2.2 行政法規

1982年2月,國務院頒布了《鍋爐壓力容器安全監察暫行條例》(以下簡稱為《暫行條例》)?！稌盒袟l例》的實施,對規范鍋爐壓力容器安全監察工作,減少當時高發的鍋爐壓力容器安全事故,起到了很好的作用。

為適應市場經濟體制、國際形勢和WTO 規則的要求,2003年3月,中華人民共和國

國務院令373號公布了《特種設備安全監察條例》, 《暫行條例》同時廢止。2009年1月,國務院公布了《國務院關于修訂<特種設備安全監察條例>的決定》(國務院令549號)。

《特種設備安全監察條例》授權國務院特種設備安全監督管理部門負責全國特種設備的安全監察和高能耗特種設備節能監管工作。

特種設備計、制造、安裝、改造、維修、充裝活動的主體,通過行政許可實行嚴格的市場準入制度。特種設備的使用必須經特種設備安全監督管理部門登記;特種設備作業人員必須經特種設備安全監督管理部門考核合格,取得資格證書;檢驗檢測機構應當經國務院特種設備安全監督管理部門核準。

檢驗檢測大致可分為監督檢驗、定期檢驗、型式試驗和設計文件鑒定等四類。監督檢驗是指由檢驗檢測機構經核準授權并按照安全技術規范要求對特種設備制造、安裝、改造、重大修理過程實施的監督檢驗性驗證;定期檢驗是指經核準的檢驗檢測機構接到使用單位提出的定期檢驗要求后,

按照安全技術規范對在用特種設備進行的檢驗;型式試驗是指按照安全技術規范要求的內容和方法對特種設備整機或者部件進行全面的技術審查、檢驗檢測和性能試驗;設計文件鑒定是指對設計文件的審查和必要的設計驗證活動。

2.3 部門規章

特種設備部門規章是將《特種設備安全監察條例》的各項規定、要求,從行政管理的操作層面具體化,以******質量監督檢驗檢疫總局令的形式發布。例如, 《特種設備事故報告和調查處理規定》《高能耗特種設備節能監督管理辦法》《氣瓶安全監察規定》和《鍋爐壓力容器制造監督管理辦法》等。

2.4 安全技術規范

安全技術規范(TSG)是政府對特種設備安全性能和相應的設計、制造、安裝、修理、改造、使用和檢驗檢測等環節所提出的一系列安全基本要求,以及許可、考核條件、程序的一系列具有行政強制力的規范性文件,其作用是把行政法規和部門規章的原則規定具體化,由******質量監督檢驗檢疫總局頒布。

目前,與壓力容器設計有關的基本安全技術規范為TSG21 《固定式壓力容器安全技術監察規程》和TSGR0005 《移動式壓力容器安全技術監察規程》。

(1)TSG21 《固定式壓力容器安全技術監察規程》

1981年原******勞動總局頒布了《壓力容器安全監察規程》。1990年原勞動部在總結執行經驗的基礎上,修訂了1981版的規程,改名為《壓力容器安全技術監察規程》,并于1991年1月正式執行。1999年原******質量技術監督局又對《壓力容器安全技術監察規程》進行了修訂,頒布了1999版《壓力容器安全技術監察規程》。

考慮到移動式壓力容器安全的影響因素比固定式壓力容器多,以及罐式集裝箱的國際流動性,同時為更好地與國際接軌,中國將固定式和移動式壓力容器分開,分別制定《固定式壓力容器安全技術監察規程》和《移動式壓力容器安全技術監察規程》。2009年8月頒布了TSGR0004 《固定式壓力容器安全技術監察規程》。2011年11月頒布了TSGR0005 《移動式壓力容器安全技術監察規程》。

2015年,以TSGR0001 《非金屬壓力容器安全技術監察規程》、TSGR0002 《超高壓容器安全技術監察規程》、TSGR0003 《簡單壓力容器安全技術監察規程》、TSGR0004 《固定式壓力容器安全技術監察規程》、TSGR7001 《壓力容器定期檢驗規則》、TSGR5002 《壓力容器使用規則》、TSGR7004 《壓力容器監督檢驗規則》等七個規范為基礎,整合形成了綜合規范(大規范)TSG21 《固定式壓力容器安全技術監察規程》。該規程對固定式壓力容器從材料、設計、制造、安裝、改造、修理、監督檢驗、使用管理、在用檢驗等環節提出了基本安全要求。

TSG21 《固定式壓力容器安全技術監察規程》適用于同時具備下列條件的固定式壓力容器:

ⅰ. 工作壓力大于或者等于0.1MPa;

ⅱ. 容積大于等于0.03m3且內直徑(非圓形截面指截面內邊界更大幾何尺寸)大于等于150mm;

ⅲ. 盛裝介質為氣體、液化氣體以及介質更高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體。

(2)TSGR0005 《移動式壓力容器安全技術監察規程》

TSGR0005 《移動式壓力容器安全技術監察規程》對移動式壓力容器罐體材料、設計、制造、使用管理、充裝與卸載、改造與維修、定期檢驗、安全附件和裝卸附件等提出了基本安全要求,適用于同時滿足下列條件的移動式壓力容器:

ⅰ. 具有充裝與卸載介質功能,并且參與鐵路、公路或者水路運輸;

ⅱ. 罐體工作壓力大于或者等于0.1MPa,氣瓶公稱工作壓力大于或者等于0.2MPa;

ⅲ. 罐體容積大于或者等于450L,氣瓶容積大于或者等于1000L;

ⅳ. 充裝介質為氣體以及更高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體。

2.5 引用標準

因涉及人身和財產安全,壓力容器產品設計、制造(含組焊)應符合相應******標準、行業標準或企業標準的要求。******標準和行業標準由標準化委員會組織制定,政府代表參與。標準是法規標準體系的技術基礎,是法規得以實施的重要保證。無相應標準的,不得進行壓力容器產品的設計和制造。

1960年原化學工業部等頒布了適用于中低壓容器的《石油化工設備零部件標準》。1967年,中國完成了《鋼制石油化工壓力容器設計規定》(草案),后經修訂于1977年開始頒發實施,隨后又修訂過兩次,即82版和85版。該設計規定是由原機械工業部、化學工業部和中國石油化工總公司(83年以前由原石油部負責)組織編制的,屬部級標準。

為加強中國壓力容器標準修制訂工作,1984年7月成立了“全國壓力容器標準化技術委員會”。以《鋼制石油化工壓力容器設計規定》為基礎,經充實、完善和提高,于1989年頒布了第1版的壓力容器******標準,即GB150—89 《鋼制壓力容器》。1998年頒布了******次全面修訂后的新版GB150—1998 《鋼制壓力容器》。

根據鍋爐、壓力容器標準化工作的需要,2002年,中國******標準化管理委員會決定成立“全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會”,同時撤銷“全國壓力容器標準化技術委員會”和“全國鍋爐標準化技術委員會”。全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會負責全國鍋爐和壓力容器******標準的修制訂工作。

為使GB150符合《固定式壓力容器安全技術監察規程》的規定,結合近些年有色金屬壓力容器的進展,2012年頒布了GB150 《壓力容器》。GB150由GB150.1通用要求、GB150.2材料、GB150.3設計、GB150.4制造檢驗和驗收四部分組成。

經過幾十年的不懈努力,中國構建了以GB150 《壓力容器》為核心的中國壓力容器建造標準體系,頒布并實施了GB150 《壓力容器》、JB4732 《鋼制壓力容器———分析設計標準》等一系列壓力容器基礎標準、產品標準和零部件標準。附錄A 列出了壓力容器設計常用的中國標準。

(1)GB150 《壓力容器》

GB150 《壓力容器》是******部中國壓力容器******標準,在中國具有法律效用,是強制性的壓力容器標準。其基本思路與ASME Ⅷ-1相同,屬常規設計標準。該標準規定了壓力容器的建造要求,其適用的設計壓力(對于鋼制壓力容器)不大于35MPa,適用的設計溫度范圍為-269~900℃。

GB150 《壓力容器》不適用于以下8種壓力容器:直接火焰加熱的壓力容器;核能裝置中存在中子輻射損傷風險的壓力容器;旋轉或往復運動的機械設備中自成整體或作為部件的受壓器室;《移動式壓力容器安全技術監察規程》管轄的容器;設計壓力低于0.1MPa或者真空度低于0.02MPa的容器;內直徑小于150mm 的壓力容器;搪玻璃容器;制冷空調行業中另有******標準或者行業標準的容器。

GB150 《壓力容器》界定的范圍除殼體本體外,還包括容器與外部管道焊接連接的******道環向接頭坡口端面、螺紋連接的******個螺紋接頭端面、法蘭連接的******個法蘭密封面,以及專用連接件或管件連接的******個密封面。

其他如接管、人孔、手孔等承壓封頭、平蓋及其緊固件,以及非受壓元件與受壓元件的焊接接頭,直接連在容器上的超壓泄放裝置均應符合GB150 《壓力容器》的有關規定。

(2)JB4732 《鋼制壓力容器———分析設計標準》

JB4732 《鋼制壓力容器———分析設計標準》是我國******部壓力容器分析設計的行業標準,其基本思路與ASME Ⅷ-2相同。該標準與GB150 《壓力容器》同時實施,在滿足各自要求的前提下,設計者可選擇其中之一使用,但不得混用。

與GB150相比,JB4732允許采用較高的設計應力強度。這意味著,在相同設計條件下,容器的厚度可以減薄,重量可以減輕。但是由于設計計算工作量大,材料、制造、檢驗及驗收等方面的要求較嚴,有時綜合經濟效益不一定高,一般推薦用于重量大、結構復雜、操作參數較高和超出GB150適用范圍的壓力容器設計。

目前,我國正在制訂超高壓容器******標準。該標準將規定非焊接單層超高壓容器材料、設計、制造、檢驗和驗收等方面的建造要求。

隨著全球經濟一體化形勢的發展,壓力容器標準國際化的趨勢已經越來越明顯。2007年,國際標準化組織頒布了國際鍋爐壓力容器標準ISO16528。該標準分兩部分,即ISO16528-1鍋爐壓力容器性能要求(Boilers and Pressure Vessels-Part 1: Performance Requirements) 和ISO16528-2證明鍋爐壓力容器標準滿足ISO16528-1 要求的程序(Boilers and Pressure Vessels-Part 2: Procedures for fulfilling the Requirements of ISO16528-1)。

ISO16528-1的主要內容為:適用范圍、術語和定義、失效模式、技術要求(包括材料、設計、制造、檢驗和檢測、標記等)和符合性評估。

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