压力容器设计中有关标准问题的探讨.docx

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压力容器设计中有关标准问题的探讨

压力容器标准专题文章

全国压力容器标准化技术委员会开设的“专家论坛”不定期地刊载专题文章，介绍压力容器标准的知识及最新进展，希望借此满足广大标准用户开拓视野、增加知识的愿望，在您和专家之间架起一座桥梁。

本栏目竭诚欢迎专家赐稿，也欢迎您提出宝贵意见。

全国压力容器标准化技术委员会在此郑重提醒用户尊重专家的知识产权，避免可能产生法律纠纷的言论和行为。

论坛一：

GB151-1999《管壳式换热器》概况（作者：

朱巨贤）

GB151-1999《管壳式换热器》出版在即，新版本有哪些重要修订？

具体内容究竟发生了哪些变化？

修订的主要原则是什么？

相信这些都是标准使用者所关心的。

本栏目特邀本标准的主编兰州石油机械研究所教授级高级工程师朱巨贤先生撰写专题文章为您介绍有关情况，相信可以解答上述问题。

请您先睹为快。

论坛二：

卡门旋涡与塔振动（作者：

谭蔚）

JB4710-2000《钢制塔式容器》即将发行，有关风诱导振动的内容被列入到标准释义当中。

为便于大家了解此方面的内容，我们推出了天津大学化工学院副教授谭蔚博士的文章，介绍风诱导振动产生的背景、机理和可能产生的危害，并提出了防止危害发生的方法...

论坛三：

压力容器设计中有关标准问题的探讨（作者：

寿比南）

GB150-1998《钢制压力容器》实施二年来，标准使用者相继提出了一些标准使用过程中出现的问题，有些是使用者对标准理解的偏差，有些则值得进一步研究和探讨。

寿比南先生重点讨论了GB150-1998《钢制压力容器》和新版《压力容器安全技术监察规程》实施过程中的某些问题，提出了自己的见解，希望能够对使用者有所裨益。

论坛四、各国钛容器规范现状（作者：

黄嘉琥）

由于历史文化传统、工业发展水平和社会经济制度和等的差异，世界各主要工业国家的钛容器规范也难免存在不同之处，随着世界经济一体化进程的加剧，人们越来越需要了解和掌握其他国家有关标准规范的内容，以便在已经到来的竞争中处于有利的位置。

黄嘉琥先生花费大量心血撰写了比较各国钛容器规范的文章，并提供了钛牌号和安全系数的比较，希望本文为您开启了了解世界钛容器标准状况的窗口。

GB151-1999《管壳式换热器》概况

兰州石油机械研究所教授级高级工程师朱巨贤

管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有约70％的主导地位。

因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。

因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一批管壳式换热器标准，ISO目前也正在与API联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标准。

我国自二十世纪七十年代开始相继编制了JB1147《管壳式换热器制造技术条件》、《钢制管壳式换热器设计规定》及GB151-89《钢制管壳式换热器》，并在历经十年后出现了修改较大、与国际先进标准接轨更好的、但同时由于出版等原因未能按时出版的GB151-1999《管壳式换热器》及其英文版，现就GB151-1999版修订概况介绍如下：

一、取消了“钢制”增加了铝、铜、钛有色金属

取消“钢制”这在我国压力容器标准体系中是个较大的变化，也是向国际先进标准靠拢迈出的重要一步。

有色金属制管壳式换热器国内过去有着众多的使用业绩，而随着工业向深度发展，石油化工向深加工要效益，有色金属制管壳式换热器今后会有良好的发展前景，但过去一直没有有色金属制管壳式换热器的设计、制造、检验与验收的综合性标准，GB151-1999版解决了这一问题。

下面简要地介绍一下铝、铜、钛的情况：

1.铝及铝合金

a.在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性；

b.在低温下具有良好的塑性和韧性；

c.有良好的成型及焊接性能；

d.设计参数：

P≤8MPa，-269oC≤t≤200oC。

2.铜及铜合金

a.有优良的耐蚀性（如海军铜具有良好的耐海水腐蚀性）；

b.具有良好的导热性能；

c.有良好的低温性能；

d.有良好的成型性能，但焊接性能稍差；

e.设计参数：

纯铜t≤150oC;铜合金t≤200oC;

f.有GB8890《热交换器用铜合金管》标准。

3.钛、钛合金

a.具有适应面广的极佳的抗腐蚀性能；

b.密度小（4510kg/m3），强度高（相当于20R）；

c.有良好的低温性能（TA1可用到-268oC）;

d.表面光洁、粘附力小，且表面具有不湿润性；

e.有GB3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》标准；

f.单位重量价格高，比一般钢材高20倍，但综合指数价格比（密度小且Φ25管可用δ=1.0或1.5mm壁厚）约为6-8倍，若设备寿命为8年时，钛及钛合金是最佳换热管。

二、扩大了适用范围

本修订版参照TEMA-1999年版，扩大了适用范围：

a.PN≤35MPa；

b.DN≤2600mm;

c.PN×DN≤1.75×104MPa×mm

无论是TEMA-1988年版或GB151-89年版，其适用范围定得比较窄是避免浪费，因此超参数范围的换热器建议用更为精确的分析设计；从而造成了许多大直径、低压力或高压力中小直径的换热器，无法使用常规设计方法；但采用分析设计时会形成设计费用高、制造费用高的负效应，因此压力容器和的换热器究竟是用常规设计、制造，还是采用分析设计、制造，最终应落实到经济对比上。

正是根据这一点，TEMA-1999、GB151-1999才扩大了DN及DN×PN的乘积，从而既解决了大直径低压力的设计问题，又解决了高压力中低直径如加氢换热器设计的问题。

三、管板计算有了较大的变化

1.给出了a，b，c，d，e，f六种管板与相关元件（换热管、壳体、法兰）的连接型式，概括了所有换热器的管板结构型式，能准确地引导设计者进行选择及计算。

2.U形管式换热器管板计算有了较大的变化：

根据大量的试验研究，清华大学和北京石化工程公司推出了更为精确的计算式。

3.不适用部分在标准或标准释义中有了交待。

a.不布管区较大（K>1.0）时，按JB4732-92附录I进行设计；

b.管板与法兰搭焊的型式按JB4732-92附录I计算；

c.非轴对称及管板内有大小不同的管孔时，不属GB151管辖。

四、给出了孔桥宽度计算式

GB151-89版根据不同的管板厚度，以表格的形式给出了标准孔桥宽B及最小孔桥宽度Bmin，增加了铝、铜、钛后形成了管孔规格多且不同厚度的管板，要用插入法不方便，故GB151-1999采用了公式计算的方法，同时取消了Bmin数量为5个的限制（但仍保留了小于等于4％的要求）。

五、修改了部分计算公式

1.平盖计算公式

在平盖强度计算式中原GB151-89版中，只给出了一个公式，然后分操作与预紧二种不同工况只比较特征系数K值，这种做法在力学分析上是站不住脚的，因为操作与预紧除了K值不同外，其许用应力也是不同的，故GB151-1999版给出了操作与预紧二种不同状态的计算式。

2.浮头法兰

根据BS5500及JISB8275的有关条文，介于平盖同样的理由，修改了浮头法兰计算式，取消了Mp-操作，Mo-预紧二者大者代入公式的传统做法，而是分别按操作与预紧二种工况计算浮头法兰厚度。

六、修改了换热器级别的内涵

1.GB151-89由于换热管精度问题把换热器分为I、II级而其全部差异只反映在管束上，所以GB151-1999改称I、II级管束。

2.由于高合金钢取消了普通精度级，新增加的铝、铜、钛换热管全部采用较高精度或高精度级，故在GB151-1999版中，I、II级管束只反映在碳素钢和低合金钢管上。

七.增加了奥氏体不锈钢焊管

根据我国奥氏体不锈钢焊管的技术与装备的进步，GB151-1999允许使用奥氏体不锈钢焊管为换热管且控制如下：

a.P≤6.4MPa

b.不得用于极度危害介质

c.φ=0.85

控制P≤6.4MPa只是个过渡措施，待有一定业绩后拟取消。

八、增加了换热管与管板的焊接型式

由于温度及压力的增高，GB151-89版的管头焊接型已不够用，故增加了要求高的连接型式。

同时在换热管与管板的焊接工艺评定中，明确了强度焊的定义，即参照ASME明确规定了强度焊定义为：

换热管与管板连接中承受换热管剪切强度的焊缝长度不小于1.4倍的管子壁厚。

九、焊接接头系数φ

GB150-1998回避了无法进行无损检测时的φ值，但GB151对于固定管板换热器最后一道B类焊接接头是回避不了的，故规定了“对于无法进行无损检测的固定管板式换热器，壳程圆筒的环向焊接接头，当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴的金属垫板时，其焊接接头系数为φ=0.6”，这个φ=0.6是无法检查而必须靠施焊人员严格按照焊接工艺施焊来保证的。

十、修订了部分制造内容

1.取消了GB151-894.13中“支座、垫板、补强圈和壳体塔接缝与任意相邻焊缝的距离，以及接管与壳体连接接头与任意相邻接接头的距离均不小于三倍的壳体壁厚且不小于50mm”的不合理要求。

2.放宽了U形弯管中小R的椭圆度要求，并规定Ri<2.5do时，U形弯管的椭圆度按小于等于15％验收。

卡门旋涡与塔振动

天津大学化工学院副教授谭蔚

高耸的圆柱形钢制塔器是化工与石油化工生产中广泛应用的设备，一般约占工厂设备投资总额的10~25%。

随着大型化工企业的兴起与发展，高度与直径比大的塔器数量逐渐增多，塔振动的事故便频繁发生。

1994年6月下旬，天津十四万吨乙烯工程中的高75米、重115吨的乙烯精馏塔，每逢刮四级风时，在与风垂直的方向上，便剧烈地摇晃起来，塔顶振幅为半米多，并伴随着很大的响声。

据不完全的调查，近十年来，我国吉林、山东、盘锦、兰州等地的化工厂中都曾发生大型精馏塔振动的事故，塔顶振幅最大的一次是1.4米！

由于各个塔的固有频率不同，振动时的风力，有的高达八级，有的仅三、四级。

持续的剧烈振动不仅无法维持生产的正常运行，还将使塔体应力过大，形成疲劳裂纹，甚至导致设备的破坏，人员的伤亡，生产的停顿。

如果遇到更大的风力，发生高振型的振动，危害性就更大了。

当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时，将在两个方向上产生振动。

一种是顺风向的振动，振动的风向与风的流向一致；另一种是横风向的振动，振动的方向与风的方向垂直，也称风的诱发振动。

在一定速度范围内，风在圆柱形的塔设备背后的两侧周期性交替地形成旋涡并以相当确定的频率从柱体表面上脱落，在尾流中有规律地交错排列成两行，这就是通常所说的卡门旋涡（见图1）。

当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率，便会产生共振，这便是风诱发的振动。

图1.卡门涡街

安装在室外的圆柱形设备一般同时存在顺风向和横风向振动，而横风向风振往往不容忽视，甚至可能占到主导地位，比如：

1972年上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺风向大得多。

历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。

位于美国塔珂玛海峡上跨长853米的大悬桥，在19米/秒的风速下，只经历1小时，便断裂坠毁。

从五十年代至今，美、英、日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生高耸的圆柱形设备，如塔设备、烟囱、电视塔、灯柱等剧烈振动甚至破坏的事例。

在大海中，障碍物在共振时受到的侧向力比空气中的要大得多。

正因如此，位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。

从潜艇潜望镜里看到的目标也将因镜杆的振动变得模糊不清。

从卫星拍摄的照片上还曾看到海水流经小岛时产生的卡门旋涡。

架空电线的固有频率如果与卡门旋涡的频率一致，不仅发生抖动，还会发生翁鸣声，就像用力拨动琴弦一般。

不仅风可能诱发高耸的塔设备发生振动，流体也可能诱发管束的振动。

电场的空气预热器中有许多传热管，当热的废气在管外流过形成的旋涡的频率等于空腔内的声频，便会引起声共振。

散发的噪声最高的记录是169分贝，比喷