压力容器焊接标准 焊接技术|中国压力容器标准（GB）与ASME规范的之比较分析

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摘要:从标准技术要求方面对我国压力容器标准和ASME规范进行了对比分析，并详细描述和分析了两个标准体系相关标准的主要区别和相互对应关系，旨在与相关人员探讨如何深入理解和使用ASME规范。

关键词:压力容器；标准；ASME规范；比较分析

美国ASME锅炉和压力容器规范是由美国机械工程师学会锅炉和压力容器委员会制定的，是世界上最早应用的标准之一，现已被公认为世界上最完整、应用最广泛的压力容器标准。

1982年，我国颁布了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及其实施细则，明确了劳动部作为政府主管部门负责立法和管理。1985年正式发布的《钢制压力容器设计规范》标志着我国统一压力容器标准形成的开始。1989年发布的GB 150-89《钢制压力容器》标志着以强制性标准GB 150-89为核心的压力容器标准体系框架形成的开始。经过十几年的发展，我国压力容器标准体系在大多数领域都有了与国外标准相对应的标准，技术含量普遍达到国际先进水平。

为了使我国压力容器产品顺利进入国际市场，1984年兰州石化机械厂首次获得ASME认证后，国内较有实力的压力容器生产厂家相继获得ASME认证，目前已有近百家企业通过了ASME认证。但总体来说，国内实际生产ASME钢印产品的企业还很少，大部分还只是处于认证阶段。自1992年以来，杭氧已生产了40多种ASME钢印产品，并出口到美国、加拿大等发达国家安装。同时还制造了大量按ASME设计、制造、检验的压力容器产品。在杭州，氧气刚刚开始设计制造

在制作ASME产品时，大部分人对ASME规范并不熟悉，导致一种畏难情绪，在一定程度上影响了ASME产品市场的进一步发展。经过近十年ASME产品的设计和制造，相关人员逐渐了解、熟悉和掌握ASME规范。根据杭氧的实践经验，将我国压力容器标准与美国机械工程师协会规范进行对比分析，以供参考。

1主要压力容器标准的对应关系

我国压力容器标准的分类比较细。基本上是根据压力容器的种类和主要材料制定相应的标准，如钢制压力容器、铝制压力容器、卧式容器、塔式容器、球形储罐等。但ASME规范并没有根据容器类型制定相应的标准，只是在设计中使用了不同的荷载规范，如ASME规范第八卷第一分部，设计压力小于20MPa，ASME规范第八卷第二分部，设计压力大于70MPa，ASME规范第八卷第三分部。两种主要压力容器标准的对应关系见表1。

表1主要压力容器标准的对应关系

中国主要压力容器标准

美国机械工程师协会规范

GB150钢制压力容器

JB4734铝压力容器

JB4745钛压力容器

第八卷第一卷

JB4732钢制压力容器-分析和设计标准

第八卷第二卷

JB4708钢制压力容器焊接工艺评定

第七卷

JB4730压力容器无损检测

第五卷

2标准体系及修订

中国的国家压力容器标准由国家压力容器标准化技术委员会编制和修订，经国家质量技术监督局批准后发布。相关行业标准由各行业标准化委员会编制修订，国家经贸委各部门审批发布。标准实施后，地方安全监管部门应当按照国家质量技术监督局发布的《压力容器安全技术监督条例》及相关标准，对压力容器的设计、制造和检验进行控制和监督，确保产品质量和安全使用。各标准化委员会根据收集的标准使用意见和建议，负责组织标准的修订，由原审批部门审批后发布实施。

美国机械工程师学会锅炉和压力容器委员会定期召开会议，研究美国机械工程师学会规范的修订。BPVC批准的修订提案将提交给美国国家标准协会，并在《美国机械工程》上发表，以公开征求所有相关人士的意见。修订建议将在规定的公众咨询期结束并最终获得美国机械工程师学会批准后，在每年12月31日出版的美国机械工程师学会规范补编中公布。经美国机械工程师学会批准后，本规范的修订条款可从附录中所示的出版日期开始使用。除第二卷材料标准修订外，A、B条，次年7月1日成为强制性要求，此前签订的合同除外。材料标准的修订由美国测试与材料学会等公认的国家或国际机构进行，ASME通常采用这些修订。但是，压力容器制造商应注意的是，在使用与原要求相比有所放宽的修订条款时，必须确保压力容器安装地的主管当局已经批准，否则不得使用。

3设计理念和安全系数

压力容器的基本设计思想是一次膜应力或最大直接应力不得超过许用应力。计算应力的理论是最大应力理论。这种设计思想已经在各国压力容器标准中得到应用。标准中公布的许用应力计给出了一个安全系数，低于实测性能值，原因是:应力评估方法复杂；一定程度的应力集中及其类型；材料有一定程度的不均匀性；几何因素；焊接接头缺陷。国家标准中规定的安全系数是不同的，主要以经验、试验证据和理论评价为依据，与它们规定的材料标准、计算方法、制造要求和检验要求相兼容。

我国压力容器标准与ASME规范的安全系数差异见表2。

表2安全系数的比较

标准标准

材料和材料

安全范围

标准标准

材料和材料

安全范围

GBl50

碳钢、低合金钢和高合金钢

3.0

美国机械工程师协会规范

第八卷第一卷

碳钢和低合金钢

3.5

高合金钢

3.0

JB4732

碳钢、低合金钢和高合金钢

2.6

ASME规范第八卷

第二卷

碳钢、低合金钢和高合金钢

3.0

4焊接接头系数

在ASME规范中，焊接接头的系数只取决于焊接接头的类型和无损检测的程度，与任何其他接头的无损检测程度无关，即一个容器的不同接头可以使用不同的焊接接头系数，焊接接头的系数是为A、B、C、d四种类型的焊接接头规定的，同时允许在不要求无损检测的情况下降低焊接接头的系数。

在我国CB 150中，焊接接头系数特指A类和B类焊接接头，不允许为了避免无损检测的要求而降低焊接接头系数。产品制造完成后，必须对甲类和乙类接头进行射线或超声波检测。将钢和铝的焊接接头作为基础材料进行比较，如表3所示。

表3焊接接头系数对比

名字

连接器类型

无损检测程度

百分之百检测

局部检测

没有检测到

中国标准

双面焊接或对接焊接相当于双面焊接的全焊透

钢

铝

钢

铝

钢

铝

单面对接焊缝

1.0

0.85

0.90

0.85

0.80

0.85

-

-

0.90

0.80

0.85

0.80

0.70

0.80

-

-

美国机械工程师协会规范

双面焊接或对接焊接相当于双面焊接的全焊透

单面对接焊缝

单面对接焊缝

双面全角焊接塔接头

单面全角焊接塔接头

单面全角焊接塔接头

1.0

0.9

-

-

-

-

0.75

0.80

-

-

-

-

0.70

0.65

0.60

0.55

0.50

0.45

注:①表中无损检测，国内钢制压力容器以射线探伤和超声波探伤为主，铝制压力容器以射线探伤为主；ASME规范是以射线检测为基础的，射线检测实在不行的时候允许用超声波检测来代替。

②表中所列铝压力容器焊接接头系数的上限值为金属惰性气体，下限值为非MIG焊接。

关于系数和特定接头类型允许的应用，请参考参考文献、和。

5强度计算

在压力容器的设计中，主要考虑两种失效理论:一种是弹性变形过大，包括基于弹性理论的弹性失稳；另一种是由于弹性变形过大和塑性失稳，即增量坍塌，设计中通常假设为弹性破坏。当材料达到弹性极限时，假设发生弹性失效，这将导致过度变形或断裂失效。对于金属材料，弹性极限由抗拉强度、屈服强度和断裂强度决定。确定弹性破坏的三种一般理论是最大主应力理论、最大剪应力理论和变形能理论。上述强度理论在各国压力容器标准中已应用于压力容器的设计，但具体计算公式存在差异。现在比较GB150和ASME规范第八卷第一部分内压下的设计计算公式，见表4。

表4设计计算公式对比

比较项目

GBl50

美国机械工程师学会第八卷第一部分

柱形壳

δ=PcDi/

T=PR/，环向应力

T=PR/，纵向应力

环形外壳

δ=PcDi/

t=PR/

椭圆封头

δ=PcDi/，标准类型

δ=KPcDi/，非标准型

t=PD/

碟形封头

δ=MPcDi/

t=0.885PL/

半球头

δ=QPcDi/

t=PL/

锥形截面和锥形头

δ=PcDc/Cosa

t=PD/

注:PC计算压力；Di -内径； t ——材料在设计温度下的许用应力；δ-计算厚度；φ-焊接接头系数；k，m，与宽度相关的形状系数，圆锥壳的半顶角，t-最小所需厚度，P-设计内压，R-计算内半径，S-最大许用应力值，St-容器设计温度下材料的应力值，E-焊接接头系数，L-球形或碟形封头的内半径，SM-试验温度

6外压缸加强环的设置

加强环可以布置在容器的内部或外部，并且应该在整个圆周上围绕圆柱体的圆周。容器内的部件，如托盘，也可以用作加强环，如果它们被设计成起到加强作用的话。加强环和筒体之间可采用连续或间接焊接。当加强环设置在容器外时，加强环每侧间断焊接的总长度应不小于筒体外圆周的1/2，当加强环设置在容器内时，应不小于筒体内圆周的1/3。关于上述加强环设置标准，我国压力容器标准与ASME规范一致。根据ASME规范，每条角焊缝长度不得小于51mm，相邻两段之间的最大净距，外加强环为8t，内加强环为12t，其中t为与加强环连接的外壳壁厚。当符合ASME规范的相关条件时，加强环一侧的角焊缝允许连续焊接，另一侧允许间断焊接。焊接段长度不小于51毫米，相邻两个焊接段之间的最大净距为24t。但在我国压力容器标准中，没有规定每条角焊缝的长度，不建议一侧连续焊接，另一侧间断焊接。

7开口和开口尺寸

我国GBl50规定壳内开口应为圆形、椭圆形或长方形。在壳体上开椭圆形或长方形孔时，长径与短径之比不应大于2.0，而ASME规范ⅷ第一部分允许孔的长径与短径之比大于2.0，但短径方向的钢筋应加强，以避免扭矩引起的过度变形，形状不限于圆形、椭圆形和长方形，而是其。同时，它们在开口尺寸的限制上也有差异，如表5所示。

表5开口尺寸的限值比较

对比项目

GBl50

ASME规范，第八卷，第1部分

气缸上的开口

Di≤1500mm时开口的最大直径

D≤Di/2，d≤520mm

Di≤1520mm时开口的最大直径

D≤Di/2，d≤508mm

开口的大小也可以超过之前的限制，但需要根据开口大的情况进行加固

Di>。1500毫米处开口的最大直径

D≤Di/3且d≤1000mm

Di>。1520毫米处开口的最大直径

D≤Di/3且d≤1000mm

凸头

d≤Di/2

适当加固后的开口大小没有限制

芋螺

d≤Di/3

8焊工考试与管理

焊接压力容器的焊工必须通过焊接技能考核或考试，取得焊工合格证后，才能在有效期内从事合格项目范围内的焊接工作。新发布的《锅炉、压力容器和压力管道焊工考试与管理规则》在很多方面与ASME规范第九卷的要求是一致的，但也存在一些差异，如表6所示。

表6焊工考试与管理对比

项目

锅炉、压力容器和压力管道焊工考试管理规则

美国机械工程师学会规范第九卷

焊工考试组织实施单位

经当地市级安全监管机构批准，并报省级安全监管机构备案

具有美国机械工程师协会认证的压力容器制造商

考试内容

基础知识理论测试和焊接操作技能测试

焊接操作技能测试

焊工证书有效期

三年，合格项目期满前3个月，焊工考试委员会安排复试或免试，被监控设备焊接中断6个月需复试。

如果未规定有效期，但焊工或焊接操作员已有6个月或更长时间未操作焊接方法，其资格将被暂停

评估方法和检查项目

对样品进行外观检查、射线照相和弯曲试验

对样品进行射线照相测试，或对样品进行弯曲测试，或对第一个产品焊缝进行射线照相测试

批准证书的有效使用区域

有效期内的焊工证书在全国范围内同等有效

仅在压力容器制造商负责的检查中有效

9产品测试板

为了测试焊接接头等压力部件的力学性能和弯曲性能，我国《容量规定》明确规定，压力容器的纵向焊缝应制作焊接试板，并应制作试样进行拉伸、冷弯和必要的冲击试验。有下列情况之一的压力容器应制作成产品焊接试板:

移动式压力容器；

设计压力大于10兆帕的压力容器；

球罐现场组装焊接；

σb大于或等于540兆帕的有色金属制中高压容器或高强度钢制压力容器；

异种钢焊接的压力容器；

按设计图纸或用户要求制作的焊接试板压力平滑；

GB 150规定每个压力容器都应制造产品焊接试板。

但ASME规范第八卷第一分册对常规焊接工艺评定合格的不要求产品焊接试板，但在下列情况下要求按规范制作产品焊接试板:

对于焊接接头系数不大于0.8并由美国机械工程师学会规范给出的任何压力焊接方法制成的接头，应在容器或部件上为此类焊缝制作产品焊接试板，样品可取自壳体本身或纵向焊缝的延伸部分。如果容器没有纵向焊缝，则可从相同材料、相同厚度的试验板中取出，采用相同的工艺进行焊接，并切割一个小截面拉伸试样和两个侧弯试样进行试验。

如果焊接工艺评定要求对焊缝和热影响区进行冲击试验，容器冲击试验板应由用于单个或多个容器的几种热钢种之一制成。对于A类接头，试板应尽可能成为产品接头端部的延伸，以便试板的焊接部分尽可能接近容器焊接接头的质量和形式。对于焊接工艺与A类接头不同的B类接头，试验板应在制造容器的相同焊接条件下，使用相同类型的设备、相同的位置和相同的焊接工艺进行焊接，焊接应与产品焊接同时进行，或在产品焊接开始时进行。

10无损检测

无损检测可以检测、定位、测量、评估和评价缺陷，而不会破坏它们在未来的有用性和可用性。它主要用于检测压力容器制造过程中材料、焊缝、表面和内部零部件的物理结构或形状的任何不连续性或缺陷。GB 150与ASME规范第八卷第一卷在无损检测人员资质、焊缝射线照相比、评定要求等方面存在一定差异，如表7所示。

表7无损检测对比

项目

GB 150

ASME规范，第八卷，第1部分

人员资格要求

必须经过技术培训，并按《锅炉压力容器无损检测人员资格证书》取得《锅炉压力容器无损检测人员资格证书》

具有ASME认证的压力容器制造商应组织无损检测人员的培训、考核和评估；或取得ASNT无损检测人员资格证书

产品的焊透率是人

① 100%射线探伤或超声波探伤②探伤率为50%的局部射线探伤或超声波探伤③探伤率为20%的局部射线探伤或超声波探伤

① 100%射线检测②抽样射线检测，每15.2米焊缝抽样检测一次，抽样射线胶片最小长度为150毫米

评估标准

① 100%射线检测，至少二级合格②局部射线检测，至少三级合格③ 100%超声波检测，一级合格④局部超声波检测，至少二级合格

ASME规范未划分ⅰ、ⅱ、ⅲ级胶片，100%射线探伤和抽样射线探伤对孔隙率、夹渣和环显的控制不同，总体胶片评价标准低于国内

11焊接修复

按照国内GBl50，补焊必须由持证焊工按合格工艺进行。焊缝相同部分的修复时间不应超过两次。超过两次的，修理前应经压力容器制造厂技术负责人批准，修理次数、部件和修理条件应记录在容器质量证明书上。但ASM标准没有规定同一零件的返修次数，但每次焊接返修前，返修方法都要经过授权检验员的批准。

12压力测试

成品压力容器应按图纸要求进行压力试验，压力试验应使用两个相同量程的校准压力表。压力表的量程一般应为试验压力的2倍左右，但不应低于试验压力的1.5倍，也不应高于4倍。表8显示了中国标准和美国机械工程师协会规范的压力试验压力的比较。

表8压力试验的压力比较

标准标准

水力试验

气压测试

GB 150

0.25/t

1.15/t

JB 4732

1.25 ppm/Smt

1.15 ppm/Smt

ASME规范，第八卷，第1部分

1.3PS/St

1.1PS/St

ASME规范，第八卷，第二部分

1.25 ppm/Smt

1.15 ppm/Smt

13个结字

我国压力容器标准是在总结试验、科学研究和吸收国外先进经验的基础上发展起来的，对保证我国压力容器的安全起到了重要作用。由于我国压力容器标准体系与ASME标准体系存在差异，标准的内容也有很大的不同，对两种标准体系在实际使用中的相关标准进行对比分析，有助于深入理解和贯彻ASME规范，了解我国压力容器标准的发展变化。

参考文献:

《压力容器安全技术监察规程》。北京:中国劳动和社会保障出版社。

CBl50—1998钢制压力容器。北京:中国标准出版社

CBL 50-1998钢制压力容器标准解释。北京:石油工业出版社

dish 4730—1994压力容器无损检测

《锅炉压力容器压力管道焊工考试管理规则》。国家质量监督检验检疫总局

美国机械工程师协会规范第ⅷ节第l部分2001版

美国机械工程师协会规范第ⅷ节第2部分2001年版

美国机械工程师协会规范第ⅷ节第3部分2001年版

美国机械工程师协会规范第五节2001版

美国机械工程师协会规范第ⅸ节2001年版

本文转载自《化学机械》杂志。原作者为杭州杭氧股份有限公司、黄安婷。

负责编辑:勇士兰陵

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