压力容器设计方法的发展及其经济性分析教材.docx
《压力容器设计方法的发展及其经济性分析教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压力容器设计方法的发展及其经济性分析教材.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
压力容器设计方法的发展及其经济性分析教材
压力容器设计方法的发展及其经济性分析
上世纪末和本世纪初，伴随着材料技术（特别是纯净钢冶炼技术），焊接技术，无损检测技术和计算机应用技术的高速发展，以及合格评审（符合性评审）管理技术的发展，压力容器的设计也有很大发展。
大体表现在以下五个方面：
1.压力容器的设计更加精细化。
压力容器设计的核心问题是防范各种可能发生的失效模式。
在ISO/CD16528中指出三类14种失效模式：
即发失效中的5种失效模式，长期失效中的5种失效模式和循环载荷失效中的4种失效模式，在建立设计方法和设计准则时至少要考虑脆性断裂、延性断裂、接头泄漏、失稳（包括弹性和塑性的失稳）和蠕变断裂等5种最重要的失效模式，详见参考文献1。
2.明确设计的技术要求必须考虑8个方面：
设计载荷、设计方法、设计裕度（即过去所谓的“安全系数”）、设计系数（即过去所谓的“焊缝系数”），检查方法，排液和放空、腐蚀和冲蚀以及超压保护。
3.三种设计方法的发展：
公式设计（DBF，DesignbyFormulas），分析设计（DBA，DesignbyAnalysis）和实验设计（DBE，DesignByExperiments）三种设计方法中尤以分析设计方法有很大发展。
三种方法中可采用其中的一种，或他们的组合。
实际上，每一部行之有效，实践证明是成功的压力容器规范都是几种设计方法的组合。
ASMEVIII-1是公式设计和实验设计的组合，ASMEVIII-2是公式设计和分析设计的组合。
对于几何形状正规，应力分布状态比较清楚的零件（例如：
回转壳体），公式设计永远是最佳的选择。
公式设计不但简单易行，而且可以获得唯一解，这是它的最大优点。
但公式设计不能包括所有几何形状的零件。
ASMEVIII-1公式设计的公式是根据最大主应力失效理论建立的，而ASMEVIII-2（另一规则）的公式是根据最大剪应力失效理论建立的，二者不尽相同。
对于几何形状无公式可以精确计算或无确立的规则可以遵守，则允许采取实验设计，例如：
在ASMEVIII-1中允许采用基于屈服和基于爆破的试验进行设计。
2001版ASMEVIII-1规范中将碳钢和低合金钢设计裕度从4降为3.5，对于以实验设计确定最大允许工作压力时，为慎重起见，设计裕度仍然保持4不变。
公式设计的公式近年来有从简单趋于精细而复杂的趋向。
根据压力容器权威达拉斯顿先生的预测，公式设计目前以手算为主（压力容器设计软件要以手算加以验证）的状态，将来由于公式的精细化，手算成为不可能，将必须采用计算机计算。
在ASMEVIII-2里面对于几何形状或应力状态复杂，无公式可以利用的零件，规定必须采用分析设计，涉及疲劳的要进行疲劳评定，例如：
在VIII-2第D-7章中明确指出圆形平板要按附录4进行完整的应力分析；在第D-9章中明确规定对于以双头螺栓连接的连接件要按照附录4和5进行详细疲劳分析。
ASME的分析方法是以应力分类为基础的，欧盟标准EN13445鉴于采用以计算机进行有限元分析的发展，应力分类的困难性将日益突出，从而提出不采用应力分类、而是根据失效模式采取直接路线（directroute）分析方法。
这是压力容器设计方法中的一个重要创新发展，参见文献2。
4.压力容器设计除“安全”要求外，还要满足经济、环境友好和便于维修等要求。
压力容器的设计要考虑到节省资源、能源和提高平均修理间隔时间（MTBR），其最终目的是在高度安全的基础上降低压力容器在设计、制造和维修方面的成本。
设计应考虑到将泄漏造成对环境的危害降到最低，必须提高防漏和密封技术，使操作中挥发性有机物（VOCs）的泄漏减少到设备泄漏监管法规所规定的可接受水平以下。
近年来，由于环境立法愈来愈多，特别是清洁空气法（CLEANAIRACT）的出现，对加强控制各种污染源纷纷立法。
统计表明，有一半以上的空气污染是由于设备的泄漏所造成。
美国法规把造成泄漏的设备划为六类，搅拌容器是其中之一（其他五类是：
泵、阀、压力泄放阀、法兰和压缩机）。
在机械密封方面，已经开发出以干气密封（drygasseal）和螺旋槽密封（spiralgrooveseal），并开发出以磁力驱动的静密封代替机械密封中的动密封，可达到零泄漏。
压力容器维修性方面出现CIP（CleaningIn-Place,就地清洗）,SIP（SterilizationIn-Place,就地杀菌），以及单盒式和剖分式盒式机械密封等技术，详见参考文献5。
5.设计概念的更新和量化。
例如：
以设计裕度取代安全系数，以焊接接头设计系数取代焊缝系数。
对剧毒、有毒、氧化性、爆炸性、易燃液体、高度易燃液体、极易燃气体和液体等原来定性的概念进行了量化的定义，详见参考文献6。
根据欧洲压力设备研究理事会主席、CEN/TC54主席和ICPVT欧非地区委员会主席、上海华东理工大学客座教授约翰-达拉斯顿（JOHNDARLASTON）先生的观点（详见文献3），目前采用哪一种规范来设计和制造压力容器为最好？
达拉斯顿认为这个问题很难答复。
他认为：
按照EN13445、PD5500、或ASMEVIII设计的压力容器在安全性上可能是相当的，但EN13445中包含了更多最新的发展和思想，而EN13445在经济上可能更具有优越性。
欧洲委员会认为必须搞一项比较性研究来证明EN13445这种经济上的优越性，特别是要针对ASME锅炉压力容器规范来进行比较性研究，以取得证明。
为此，欧洲委员会专门立项，成立一个项目组，项目组成员是两家NoBo，一家是奥地利的TUVAustria，另一家是意大利的CEC。
项目的分包机构还有意大利、法国、德国和奥地利的几家制造商。
鉴于对一部规范进行经济性分析，在国际上尚无先例，而经济性分析又牵涉到许多方面，还有一些不确定因素必须进行一些假定，例如在按照某一规范要求对制造商的质量体系根据哪一种规则进行合格评审，必然影响到产品的最终成本，而评审一次通过和必须进行改正和二次评审才能通过，这两种不同的情况对产品成本必然有所影响，在本项目的研究中都假定是一次评审通过。
又如：
对于焊接区的疲劳评定，项目组认为ASME-VIII-2附录5是欠保守的，达不到PED附录I的要求，必须按照欧洲方法进行重新评定。
因此，对于涉及疲劳评定的产品，这方面所增加的额外成本，在本项目的研究中暂不考虑，为此，在成本比较中没有涉及这个内容。
本刊今年No.3期，华东理工大学姚华堂和王正东先生曾发表“欧盟压力容器标准EN13445经济性特点的分析”一文，拜读之后感觉对本项目的一些细节问题尚不够全面，因此，特根据文献4，写作本文作为补充。
本文引用的一些缩写，其含义见表1。
一、经济性分析所依据的标准
1.EN13445第1版（2005-05），包括：
2003-07以前出版的所有校正页
2.ASME锅炉和压力容器规范2001版，包括：
2002和2003增补；
3.TEMA标准第8版，1999；
4.WRC公报107/，1979修订版；
5.WRC公报297，1987修订版；
6.WRC公报368，1991修订版。
二、经济性分析所采用的方法。
首先由项目组选择9种具有广泛代表性的压力容器产品进行详细设计（见文末所附图1到图9）。
这9种产品基本覆盖了压力容器的各种类型，但由于加氢反应器又有锻焊和卷焊两种不同的制造方法，故在成本分析中分别评价，实际上是10种产品。
压力容器的设计路线选择了6种常见路线，即EN13445DBF，EN13445DBA，ASMEVIII-1，ASMEVIII-1+PED，ASMEVIII-2，ASMEVIII-2+PED。
把设计资料交给意、法、德、奥4个国家的几个制造商进行成本报价，然后由项目组根据报价进行相对成本比较。
综合比较后再作出结论。
表1缩写含义
AES
TEMA换热器的一种型式，前端管箱为A型平盖管箱，后端为S型的单程浮头式换热器
BEM
TEMA换热器的一种型式，TEMA换热器的一种型式，前端管箱为B型标准椭圆形封头管箱，后端为M型标准椭圆形封头管箱，管板延长部分兼作法兰的单程固定管板换热器
B&PV
ASME锅炉和压力容器规范
CEN
欧洲标准化委员会
CNG
压缩天然气
DBA
分析设计
DBF
公式设计或常规设计
ESR
PED中的基本安全要求
ICPVT
国际压力容器技术会议
MDMT
B&PV中的最低设计金属温度
NEN
TEMA换热器的一种型式，前、后端管箱为N型平盖管箱，管板不兼作法兰、管箱筒体与管板联为一体的单程固定管板换热器
NoBo
授权检验机构（NOTIFIEDBODY）
PD5500
英国非受火熔焊压力容器规范
PED
承压设备指令97/23/EC
PS
许用最高压力（见EN13445）
TEMA
列管换热器制造商协会
TS
许用最高温度（见EN13445）
WRC
焊接研究理事会
三、规范和合格评定路线的组合
估计成本时考虑了以下设计规范和合格评定路线的组合：
a）EN13445和PED合格评定路线的组合，
b）ASMEVIII（1册或2册）与ASME合格评定路线（U钢印或U2钢印）的组合，
c）ASMEVIII（1册或2册）与PED合格评定路线的组合（CE标志）。
在做以上三种评定时假定前此没有作过类似评定，并且假定任何一种评定都通过。
四、附加要求附加要求是在项目组内取得一致意见的，有如下三个方面：
1．对材料的附加要求：
用于设计的材料性能必须基于材料制造商所确认的性能（参见PED指南7/24）。
材料性能可包括ASME规范第II卷表Y-1材料的高温抗拉性能（hottensileproperties）以及碳钢在不高于20oC的MDMT下的冲击性能，根据PED附录I的7.5，冲击性能的最低值为27J。
对于碳钢而言，要求的最低冲击性能也适用于焊缝和HAZ，故在焊接工艺批准书（weldingprocedureapproval，即焊接工艺评定文件）中应明确指出。
成形和热处理之后的材料性能同样应满足冲击性能要求，这些方面也应得到确认。
2．对试验压力的附加要求：
在PED附录I条款7.4中的规定是：
水压试验的压力Ptest不得低于1.43PS，这一规定必须遵守，即使当按照公式Peq=PtestxS/Sa/1.3计算Peq大于PS时必须增加壁厚才能满足这一规定时。
其中，PS指的是最高许用工作压力，S是在最高设计温度下对于正常操作载荷情况下的公称设计应力（许用应力），而Sa指的是在试验温度下对于正常操作载荷情况下的公称设计应力（许用应力）。
如得出的试验压力大于ASME规范指定的试验压力（1.3xSa/SxPS），则不得使用第二个要求，即1.25xPSx根据ASME规范第II卷表Y-1的保证强度（弹性限强度）的校正系数。
在后一种情况下，即使按照ASME规范允许采用较小的焊缝系数时，NDT的程度至少也应相当于焊缝系数为0.85所作NDT的程度。
3．永久性连接和NDT，必须满足PED的要求
对于II、III、IV类的承压设备，焊接工艺和焊接人员的资质必须由一家有资格的第三方（NoBo或被欧盟某一成员国所承认的第三方组织）来批准。
为执行批准程序，第三方必须执行有关协调标准中所规定的或相当的检测和试验，或者，必须使这些检测和试验被执行。
对于III、IV类承压设备，NDT人员的资质必须由一家被欧盟某一成员国所承认的第三方组织所批准。
表2典型压力容器
案例
容器名称
概述
设计路线
备注
1
CNG储罐
直径2200mm，长度20000mm，许用最高压力70bar，室温，材料为细晶粒碳钢ENP460NH/EN100028-3（壳体和封头）；ASMESA-738Gr.B（壳体和封头）
DBF:
EN13445；ASMEVIII-2
DBA:
EN13445，ASMEVIII-2
DBA采用ASMEVIII-2并不经济，故不给出结果
2a
加氢反应器
带外部管道载荷。
直径2200mm，圆筒部分长8000mm，半球形封头，许用最高压力180bar，许用最高温度400oC，锻造筒节材料：
EN：
11CrMo910/EN10222-2；ASME：
SA-387Gr.22Cl.2
DBF:
EN13445;
ASMEVIII-1
DBA:
EN13445;
ASMEVIII-2（顶封头）
DBA采用EN13445和ASMEVIII-2并不更经济，故不给出结果
2b
加氢反应器
规格同上
焊接筒节材料：
EN：
12CrMo910/EN10028-2
ASME:
SA-336Gr.F22Cl.12
3
夹套高压釜
批量生产。
直径500mm，圆筒部分长800mm，许用最高压力2.5bar，饱和蒸汽温度，材料：
EN：
X5CrNi1810/EN10028-7（壳体和封头）；ASMESA-240Gr.TP304（壳体和封头）；
DBF:
EN13445;ASMEVIII-1
按照规定循环次数必须作疲劳分析
4
搅拌容器
直径3200mm，圆筒部分长3500mm，内筒最高/最低许用压力3/-1bar，夹套最高许用压力3bar，最高许用温度50Oc；材料：
EN：
X6CrNiTi17122/EN10028-7（壳体和封头）；ASMESA-240Gr.316Ti（壳体和封头）
DBF:
EN13445;ASMEVIII-1,VIII-2
按照规定循环次数必须作疲劳分析;
由于SA-240Gr.316Ti不允许按VIII-2作DBF，故未做
5
AES换热器
内径1062mm，管子长5888mm，壳程许用最高压力10bar，管程20bar；计算温度200oC（壳程和管程）。
材料：
EN：
P295GH/EN10028-2（板）；P305GH/EN-10222-2（锻件）
ASME：
SA-516Gr.70（板），SA-266Gr.2（锻件）
DBF：
EN-13445+TEMA，ASMEVIII-1+TEMA
6
BEM换热器
内径539mm，管子长6094mm，壳程许用最高压力10bar，管程20bar；计算温度200oC（壳程和管程）。
材料：
EN：
P295GH/EN10028-2（板）；P305GH/EN-10222-2（锻件）
ASME：
SA-516Gr.70（板），SA-266Gr.2（锻件）
DBF：
EN-13445+TEMA，ASMEVIII-1+TEMA
7
NEN换热器
批量生产。
内径292mm，管子长1500mm，壳程许用最高压力6bar，管程3bar；计算温度180oC（壳程），150oC（管程）。
材料：
EN：
X5CrNi1810/EN10028-7（板）；X5CrNi1810/EN-10222-5（锻件）
ASME：
SA-240Gr.TP204（板），SA-336Gr.F304LS（锻件）
DBF：
EN-13445+TEMA，ASMEVIII-1+TEMA
必须作疲劳分析
8
水分离器
考虑管道反作用力。
批量生产。
外径406.4mm，总长1100mm，许用最高压力34bar，许用最高温度240oC；材料：
EN：
P265GH/EN10216-2（筒体）；P265GH/EN10028-2（封头）。
ASME：
SA-106Gr.B（筒体）；SA-285Gr.C（封头）
DBF：
EN-13445，ASMEVIII-1
9
空冷器
五、经济性评定结果
例1-CNG储罐
本例，由于许用应力上的差异，壁厚计算结果差异较大，例如：
筒体壁厚：
EN-DBF：
34mm；EN-DBA：
28.5mm；ASMEVIII-1：
47.5mm；ASMEVIII-2：
40.0mm。
对于ASME设计，由于筒体壁厚上的差异又涉及到焊后热处理问题，而对于EN设计则不存在焊后热处理问题。
不同制造商所提出的相对成本如下：
制造商
EN13445
DBF
EN13445
DBA
ASMEVIII-1
ASMEVIII-1+PED
ASMEVIII-2
ASMEVIII-2+PED
A
100%
92.5%
156.9%
166.3%
138.5%
137.6%
B
100%
99.3%
116.8%
125.7%
108.9%
109.7%
C
100%
95.0%
117.5%
123.7%
106.9%
106.5%
与EN13445DBF相比,不同制造商和采用不同的设计路线,成本上的差异很大（以一次性生产进行估算）：
EN13445DBA -0.7%到-7.5%
ASMEVIII-1 +16.8%到+56.9%
ASMEVIII-2 +6.9%到+38.5%
本例可得出这样的结论,根据EN13445-3附录B的DBA路线比较经济,由于本例比较简单,采用DBA路线虽然需做有限元分析在设计上的费用较高,但很易得到补偿。
采用ASME设计成本较高主要是由于壁厚较大，材料所占费用较高造成的，有时可能还要增加热处理成本。
采用ASMEVIII-2进行设计要比采用VIII-1便宜得多，这是因为壁厚大大降低了。
EN13445和ASMEVIII-1对容器主体焊缝进行无损检测的要求是相等的。
对于其他焊缝，ASMEVIII-1的要求（局部或不作RT）比EN13445（全部NDT）的低。
ASMEVIII-2对NDT的要求与EN相同。
因此，NDT造成的成本差异不大。
按照EN设计路线是要求作生产试板的，而ASME设计路线不要求作生产试板，因此，在这方面EN设计路线的成本较高。
按照ASME设计路线所制造的容器如果要按照PED要求进行合格评定的话，在这方面所增加的额外成本微不足道（按照ASMEVIII-1设计的容器壁厚较大，因此，对材料的试验要求较高，前提是试验结果符合要求）。
假如采用的是ASMEVIII-2的设计路线的话，则由于PED水压试验压力所要求的壁厚不会增加。
例2–加氢反应器
根据与制造商协商的结果，有些制造商愿采用锻造筒节，另一些则愿意采用焊接筒节，由于这两种方法的设计结果有很大差异，因此，本研究把这两种方法都考虑了。
但应当说明的是，两种方法在技术上并没有显著区别，采用锻造的或焊接的筒节主要取决于制造厂的设备以及能否在市场上获得筒节锻件，因为锻件不象钢板，是不能很快得到的。
顶封头按照EN13445-3附录B的DBA进行设计时，由于考虑接管的载荷，与DBF设计方法相比，厚度未见减少，因此，对于DBA设计方法没有给出结果。
由于按照ASMEVIII-2附录4（应力分析设计）进行的设计，与按照ASMEVIII-2的公式设计相比，主承压件（例如：
承受内压的筒体）的厚度并不因此有所减小，因此，对于这种设计方法也没有给出详细设计结果。
由于许用应力的不同，设计壁厚上的差异如下：
锻造筒节：
按照EN13445-DBF为190mm；ASMEVIII-1为181mm；ASMEVIII-2为151mm。
焊接筒节：
按照EN13445-DBF为124mm；ASMEVIII-1为181mm；ASMEVIII-2为151mm。
按照EN设计方法，作为设计基础的材料性能差异很大，锻造材料采用EN10222-2的11CrMo9-10,板材采用EN10028-3的12CrMo9-10。
因此设计得到的筒体壁厚差异很大：
采用锻造材料时为190mm；采用板材时为124mm。
不同厂家报出的相对成本为：
制造商/筒节型式
EN13445DBF
ASMEVIII-1
ASMEVIII-1+PED
ASMEVIII-2
ASMEVIII-2+PED
A/锻造
100.0%
93.3%
93.3%
86.6%
86.6%
B/锻造
100.0%
95.9%
97.5%
88.2%
89.4%
C/锻造
100.0%
93.8%
93.8%
79.9%
79.9%
A/焊接
100.0%
112.2%
B/焊接
100.0%
105.5%
106.9%
C/焊接
100.0%
119.6%
122.8%
107.5%
114.2%
与EN13445DBF相比（按一次性生产估算），不同制造商采用不同路线得出的成本差异为：
锻造筒节：
ASMEVIII-1 +4.1%到-6.7%
ASMEVIII-2 -11.8%到-20.1%
焊接筒节
ASMEVIII-1 +12.2%到+19.6%
ASMEVIII-2 +6.9%到+14.2%
锻造筒节按照EN设计的成本较高主要是由于材料和制造成本较高，某种程度上还由于焊后热处理的成本较高。
按照ASME设计的焊接筒节的成本较高，主要也是由于材料和制造成本较高，某种程度上还由于焊后热处理的成本较高所造成。
按照ASMEVIII-2所设计的容器比按照ASMEVIII-1所设计的要便宜得多，这是由于材料厚度上的巨大差异所造成的。
倘若按照ASME设计的容器要求按照PED要求进行合格评定，由此所产生的额外费用是很少的。
假如采用的是ASMEVIII-2的设计路线的话，则由于PED水压试验压力所要求的壁厚不会增加。
无论按照EN或ASME的设计，NDT的要求是相同的（只有一个例外），两种设计路线都要求试板。
例3–带夹套的高压釜
主要技术问题是包括循环热应力的疲劳评定。
按照EN13445-3第18款和ASMEVIII-2附录5分别进行评定，结果差异很大。
允许循环次数按照EN规则评定为33576次；而按照ASME规则评定为则大于106。
正如以上第3段所述，ASME规范对焊接区的疲劳设计是不符合PED附录I的要求的，因此，需按照欧洲方法进行重新评定，但这次研究中并没有这样做。
在本项目对涉及疲劳评定的ASME设计作成本比较时，并没有将重新评定所需要的额外费用包括在内。
还要指出的一点是，如严格地按照ASMEVIII-1的方法是不允许采用卡口形的封盖（BAYONETCLOSURE）的，因为这种结构没有具体的计算公式。
以下是不同制造商所呈报的相对成本：
制造商
EN13445DBF
ASMEV
升级会员 