压力容器外壁最小厚度要求的探讨

压力容器筒体最小厚度要求的讨论 摘要 汇总GB150，ASMEVIII及德国AD规范中关于压力容器筒体最小壁厚的要求，并对要求压力容器筒体最小壁厚的原因及各标准对此做出不同规定的原因进行，并对此展开讨论。 关键词 压力容器 最小厚度 压力容器的壁厚，一般是根据设备承受的内外载荷，依照标准中提供的计算公式计算，加上腐蚀裕量和负偏差并圆整后所得出的。这样得出的壁厚往往不能满足制造、运输、吊装以及内压失稳等方面的要求。因此各标准均规定了有关最小厚度的要求。本文汇总并分析各标准中关于最小壁厚的要求，并对此展开讨论。 一、GB150和ASMEVIII标准对压力容器筒体最小壁厚的要求 我国的各版GB150标准和ASMEVIII标准，均对钢制压力容器筒体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度有所规定，详见表1 表1 各版GB150标准ASMEVIII及对压力容器筒体最小厚度的要求 标准名称 最小厚度 GB150-89《钢制压力容器》 碳素钢和低合金钢 Di≤3800mm：≥2Di/1000且不小于3mm Di>3800：未规定 高合金钢 2mm：不小于3mm GB150-98《钢制压力容器》 碳素钢和低合金钢 3mm 高合金钢 2mm GB150-2014《压力容器》 碳素钢和低合金钢 3mm 高合金钢 2mm ASMEVIII 《锅炉压力容器建造规范》 通用要求（除UG16列举的如板式换热器的传热板片等特殊场合外） 1/16in (1.5mm) 压缩空气、蒸汽、水的适用场合 3/32in(2.5mm) 非直接受火蒸汽锅炉的壳体和封头 1/4in(6mm) ) 当受到UG22所列外壁载荷时 根据情况需要应增设加强元件或其他附加支撑的方法来防止容器的超应力或较大变形 德国《AD压力容器规范》 无缝、焊接或硬钎焊圆筒和球体 2mm 当由于工艺需要或受压容器的应用允许这样做时，在形状不变形不受损害时及制造上许可时可低于2mm       注：德国AD压力容器规范中的最小壁厚为名义壁厚，其余最小壁厚均为钢制压力容器圆筒加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度 二、要求压力容器筒体最小壁厚的原因 在低压情况下，按照内压公式计算并加腐蚀裕量及负偏差圆整得出的壁厚一般比较小。直接采用该壁厚制造往往会出现设备造价急剧增加，甚至出现设备难以制造成形或无法运至现场就位的现象。其原因如下： 1、制造薄圆筒的过程中，需维持必要的圆度、刚度。为维持圆筒圆度和刚度，需要用大量的辅助措施，并消耗大量的辅助钢材。如在制造过程中常需用的类似内加强圈的圆环形工装将筒节撑圆，特别是对接的两个筒节边缘处。为维持筒体圆度和刚度而耗费的人工费用、设备费用及辅助钢材费用等往往不菲。 2、一般情况下，筒壁过薄的圆筒，尤其是同时筒体直径较小的圆筒宜采取单面焊双面成型的焊接方法。该方法在焊接薄壁容器时，易出现未焊透、烧穿和背面成形不良等缺陷。即便背面加垫板，也因垫板不易贴紧,根部易产生焊接缺陷。同时，在压力容器筒体组对时，难免存在错边、角变形等现象。这些现象对对壁厚较薄的筒体焊接质量的影响远大于厚壁圆筒。因此对壁厚过薄的筒体，要求完全焊透，且背面有良好的焊缝成形颇为困难。所以一般需要保证筒体壁厚不能过薄，以保证焊接质量。 3、在运输和吊装过程中，为了不使变形过大，往往需要采取相应的保护措施。在运输过程中，一般需要用制作运输支撑设施及支架，并采用柔软的包装。在吊装过程中，由于薄壁容器刚度不够，需对筒体进行临时加固。这些防护措施势必会使成本增加。 三、对各版GB150标准和ASMEVIII标准中最小壁厚要求的分析 从表1中可以看出，89版GB150对碳素钢和低合金钢制压力容器筒体最小壁厚的要求很严。对98版的150和14版的GB150，则只提出了对碳素钢和低合金钢3mm的要求。各本版本对高合金钢筒体的最小壁厚要求均为2mm。 89版GB150的最小壁厚要求是参考美国机械师学会1944年所推荐的公式（δmin=0.01D+2.54mm）和苏联《石油生产机器与设备》中的公式(当DN≤1200mm时，δmin=0.01D+2.54mm；DN>1200mm时，δmin=0.01D+4mm)提出的，较全面的考虑了碳素钢和低合金钢制压力容器在运输、制造、吊装方面的最小壁厚要求。而98版的GB150和14版的GB150对碳钢最小壁厚的要求和各版本对高合金钢最小壁厚的要求可以认为更多的是为考虑焊接的要求。其他方面的要求，则需要者根据实际情况进行考虑。 89版GB150推出时，估计是考虑当时整个行业的水平及基础设置水平等原因，对壁厚提出了较严格的要求。98版GB150去掉了很多要求，释义中的解释是“参照国外标准及总结实践经验”，并未明确说明。估计是出于我国整体工业水平的进步，基础交通设置水平的提升以及各压力容器制造企业装备力量、人员素质、管理水平的不断提高等原因考虑，从而将低了这方面的要求。 ASMEVIII对最小壁厚的考虑和98版及14版的GB150类似，但要求更加细化，同时对设计者需考虑的其他载荷做出了明确要求。 德国AD规范对最小壁厚的要求最为宽松，最小壁厚要求仅为2mm，且包括腐蚀裕量。除对厚度要求很低外，还明确指出，当由于工艺需要或受压容器的应用允许这样做时，在形状不变形不受损害时及制造上许可时可不满足最小壁厚的要求。可以认为，德国AD规范将最小壁厚的选择更多的交给了各设计制造单位，规范只做出了最基本的要求。 四、讨论和建议 1、虽然新版150已经采取基于失效模式的设计理念，但由于我国设计人员水平良莠不齐，再加之很多设计人员难以在短时间内改变思路。因此建议国标可参考ASME标准，对所需考虑的常见载荷进行提示，以减少因没考虑某种载荷而造成设计不合理的现象。 2、由于我国实行的是压力容器制造和设计单位分离的实际做法，很多压力容器设计人员制造经验相对缺乏。设计人员往往难以完善的考虑因制造、运输、吊装等所需的最小壁厚要求。为此，很多大型设计院的工程规范、大型企业的内部标准对此做出额外要求，如中石化的企业标准Q/SH 0700—2008《中国石化炼化工程建设标准?压力容器技术规定》即对碳钢和低合金钢壳体最小壁厚做出了额外规定，该标准依针对不通透直径区间的设备，做出了不同的筒体最小壁厚要求。本文认为国标中可增加最小壁厚推荐公式，或者不同内径容器的最小壁厚推荐值，避免因设计人员未妥善考虑最小壁厚问题而给制造、运输、吊装等工作造成麻烦。 3、随着我国焊接技术的不断发展，氩弧焊已普及，各种新式焊接方法、新式自动焊机不断涌现；加之我国压力容器生产企业装备力量的不断加强，有能力对薄壁筒体焊接影响较大的错边、角变形等现象进行控制。因此，焊接筒体壁厚小于3mm的筒体，对很多制造厂家，尤其是专做薄壁容器的厂家的技术障碍已经大大减小。因此，本文认为参照德国AD规范的要求，降低对碳素钢和低合金钢3mm的最小壁厚要求，或将该强制性规定改为建议性规定具有可行性。 参考文献 [1] GB150-1989，钢制压力容器[S].2011. [2] GB 150-1998. 钢制压力容器[S].1998 [3] GB150-2014，压力容器[S].2011. [4] GB150-2014，压力容器[S].2011. [5] AD-1985，联邦德国AD压力容器规范[S].1983.