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浅谈制造压力容器时应注意的问题

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摘要:根据目前公司正进行的海外EPC项目,结合国内ASME规范近年来的发展状况,分析了设计、制造过程中设计参数选取、材料选取、出厂检验等应注意的问题,同时与国内规范进行差异化比较。本文对海外项目中压力容器的设计、建造工作有一定的指导意义。

关键词:压力容器;ASME规范;建造;检验

1概述

随着我国经济的发展以及对外经济合作的加大,国内原油的消耗越来越大,对外依赖度越来越高,随着“一带一路”走出去的战略,石油、石化行业与国外石油公司合作越来越多,与之相关联的石化设备制造也越来越多;很多国外油田开发项目业主方(用户)要求进行EPC总承包,大量石化设备在国内进行制造,采用国际广泛认可的ASME标准。对于国内绝大部分容器制造厂来说,ASME标准还是比较陌生,少部分制造厂取得ASME制造资质,但真正实际制造的ASME标准的压力容器甚少。无论采购部门或设计部门,商讨技术协议过程严格执行业主方合同,按照ASME标准设计、制造、检验(U印)等;结合目前正负责执行的项目监造工作,现从设计职责、设计输入、材料选取、防腐及检验等方面,对项目中涉及到非标、标准等压力容器设备在国内建造过程中应重点关注的几个方面进行总结探讨。

2ASME规范体系中的设计职责

ASME规范与国内标准在体系和观念存在较大差异,从基本使用要求提出,直至检验合格出厂、投用,大致分为下列几个环节:用户、设计、选材、制造、检验、运输、安装等等。按照ASME体系中规定,为每个环节的参与单位规定了职责或具体工作,其中“设计”是作为压力容器建造方工作的一个环节,而非作为独立的一方参与工作。而《容规》和GB150等国内标准中明确地把“设计”作为独立的一方参与建造工作,实行许可证制度即考试合格聘任上岗,同时也明确设计单位的具体职责、工作。ASME规范体系中的“设计职责”分为两个部分:(1)用户或其代表应提出设备设计输入条件及为满足产品功能要求而需附加的各种要求,可见前期输入都归于“用户”(业主方)的职责;(2)把强度计算书和设计图纸作为建造方接受“用户”(业主方)条件后,由建造方完成的合同职责[1]。ASME规范中对于标准规格压力容器,可以由建造方根据市场需求、定型,自主提出设计要求,无需考虑“用户”(业主方)的要求,“设计单位”设计职责这一环节可以省略。再者ASME规范中未涵盖“用户”(业主方)对容器的全部要求,故在满足原则性条款下,可进行具体化的补充或判断性的选择,达到更有针对性满足用户需求的目的[2]。如执行ASME规范时,一定将其与专业规范有效结合、补充完善,同时根据具体用途和经验来制定采购策略或编制技术协议。而国内标准、规范(GB150等)对实现用户的全部要求归于设计单位的职责,并明确职责的具体工作内容如设计基本参数输入、材料选取、防腐技术要求等等;但是却放弃了用户的应尽职责,易造成设计、制造、检验等方面偏差,引起或多或少不必要的麻烦。

3设计文件输入ASME

体系要求制造厂按用户要求进行制造,其中包括图纸的绘制及其强度计算。按国内工程模式则是由设计院出图,再由制造厂制造;但对于执行ASME标准的压力容器,如果用户对按设计院图纸制造无异议也可以这样;如果用户对制造容器铭牌标识单位(制造厂)与图纸出图单位不一致,往往会引起争议,甚至纠纷。故建议由制造厂进行设计、计算并制造,但用户应对容器提出全面要求,包括自然条件、介质特性、载荷情况、操作压力、温度、焊接、热处理、防腐及检验、试验要求,同时也应考虑包装、运输要求或对制造方图纸进行全面的确认。由于需要确认的内容多,所以会出现“工厂设计”→确认→修改→再确认→再修改……→最终确认,造成时间长严重影响制造、交货期。因此有必要在开始时就将内容尽量全部明确,包括签署详尽的技术协议,这样“修改→确认”会反复得少,确保后续制造工作顺利进行。设计安全系数的不同:ASME中安全系数为3.0,这样材料的许用应力也降低,容器壳体计算壁厚相应有增加。随着近年来国内炼钢工艺技术的发展,甚至赶超国外钢材质量,国内规范(GB713等)及《容规》规定,安全系数下调为2.7,材料的许用应力相应增加,如Q245R(16MnR)室温下许用应力由133MPa调至147MPa,壁厚也相应减薄,有利于降低EPC项目成本。设计计算公式的不同:根据ASME规范容器载荷符合性要满足第VIII卷第1册中UG-22&UG-54要求;壳体强度计算应依照UG-27(d)分别计算环向应力、纵向应力条件下厚度,取二者中较大值,见下式:椭圆封头直边段厚度应依照UG-27(c):同式3.1GB150-2011规范中内压下直接计算壳体、封头厚度:其中支座的应力计算依照国内标准NB/T47001-2009(原JB/T4731)与GB150-2011一致。

4材料选取要求

建造过程中,设计方或制造厂应按ASME标准制造的压力容器,且必须采用ASME标准中规定的材质钢板,如果采用标准以外的材质,在检验员认证(U印)时将是非常麻烦的事,尤其是对于国外总包项目(EPC)有工期要求的情况,将得不偿失。容器所用材料中的重要元素含量(普通碳素压力容器用钢),包括C、S、P等,ASME标准的相应钢板C≤0.35,P≤0.035,S≤0.035,国内GB713中规定C≤0.20,P≤0.025,S≤0.010,相比较可以看出较国内容器钢板标准要宽松许多。钢材中重要元素含量对钢板性能有非常大的影响,C含量的升高将导致强度提高,焊接性下降;同时钢板中S、P含量的升高,易引起焊接缺陷,致焊接质量下降。虽然ASME标准中规定的C、S、P含量较高,但实际钢板生产过程中,特别是压力容器用钢板中C、S、P元素含量都比较低,性能优良,无论强度方面还是冲击功方面;因此在国内采购时不能简单描述按照ASME标准的要求进行订货,必须根据实际情况,提出对C、S、P等元素含量具体的限制要求,并提出机械性能方面的要求,包括抗拉强度、冲击功等,以保证实际制造要求。通过与ASME规范比较,结合几年来从事国外项目监造工作清晰认识到国内外钢材在质量(偏差、化学成分等)方面差异,故材料选取、技术协议签署时要加大条件限制。如某封头制造厂时常出现国外进口的钢板在进行封头制造冲压之后并未减薄的情况,对于国内钢板来说是无法理解的事情。

5错边量及焊缝余高要求

焊接压力容器的制造规范中对错边量有明确规定,其中钢制容器的对口错边量应符合GB150-2011《钢制压力容器》10.2.3及10.6.1条款的要求;纵焊缝比环焊缝的要求更高一些。组对焊接过程错边量过大不仅影响焊缝的美观和外观形状,而且一旦产生应力集中,影响构件的承载能力。现根据常用规格板厚δ=12~19mm钢板为例,A类焊缝错边量为3mm;B、C、D类焊缝:4.75mm;焊缝余高:B、C类焊缝4.75mm(3/16〞),其它焊缝2.4mm(3/32〞),见表1、表2;通过与表3、表4对比,可见ASME标准[3]中规定的比较宽松,较国内标准数值还要大;但实际过程国外制造的压力容器几乎全部未标注错边及余高,通过提高加工精度保证缩小错边量;对于焊缝余高,往往在出厂前或水压试验前都已经打磨平滑,因此外观检查根本觉察不到余高的存在。如果完全按照ASME标准中的数值放松制造中错边量及焊缝余高的要求,往往会给人以粗制滥造的印象,严重的还会引起产品拒收等纠纷。

6检验要求

按照ASME规范,锅炉/压力容器的制造过程中,检验、测试必须满足Ⅷ卷第1册和第Ⅰ卷,B31.1中要求。用以制造压力容器壳体、封头、接管及其他受压元件的材料,其试验报告或质量证明文件投用前,必须经AI审查同时也必须按照规定进行冲击试验;且焊接件都必须按UG-84进行“夏比”冲击试验。若容器试板的试验结果未达到冲击试验的要求,则试板代表的焊缝不合格,则容器拒收。ASME规范Ⅷ卷第1册中UCS-66MATERIALS中规定了各种材料的冲击试验(豁免)的情况,涵盖了材料的材质、厚度及热处理状态,名目繁多、各式各样。对于所有要打“U”钢印的压力容器,除按UG-90(c)建造的多台结构一致的外,制造过程均必须由AI见证、检验。焊接过程严格按照ASME规范Ⅷ卷第1册中UW-16、UW-32、UW-35条款具体要求执行,坡口清理标准、焊缝型式以及焊缝缺陷确认等。

7防腐、油漆要求

制造厂应重视容器设备的防腐、油漆工作,项目有统一规定的严格按规定执行,未规定的做好行业常规要求出厂刷漆工作。国外项目几乎全部需要海运,且海上时间较长,往往需要30~45天时间,海上运输常常需要跨越赤道,面临湿热、风浪、盐雾等环境,如果除锈不彻底、油漆不能充分晾干,就会出现容器表面鼓包、油漆脱落甚至返锈的情况,进而引起设备质量问题;另外容器内部需要充氮气保护,防止湿热盐雾进入内部导致设备生锈。

8结束语

总之,随着我国对外经济交流的日益深入,特别是在国内处于经济发展新常态的今天,国内数量众多的中小容器制造厂,面对日益严酷的市场竞争,必须走出国门、走向国际市场寻找出路,因此切实了解石油、石化及化工容器的国际制造标准,是承接国际项目的前提和基础,只有深入了解国际标准及国内生产、制造现状,才能制造出有质量、有竞争力的产品。另一方面,制造厂制造的产品虽然是某一个公司的产品,在国外往往代表着中国,其质量也被认为代表中国“制造”水平。同时容委会或行业协会积极推广宣贯ASME等国际规范,同时加大国内、国际标准有效融合,为压力容器国际化制造撑起一面旗帜。

参考文献

[1]应道宴.ASME压力容器规范中国化和ASME钢材国产化[J].中国锅炉压力容器安全,22000,16(2):33-37.

[2]李小芳.中/美/欧盟压力容器标准/规范对材料规定的比较分析[J].化工机械,2009,36(1):60-63

[3]范铮.ASME规范及其与焊接有关内容简介[J].锅炉技术,1999,30(8):6-10.

作者:段占立 单位:中海油石化工程有限公司

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