为了确保压力容器在设计寿命内安全可靠地运行,世界各工业国家都制定了一系列压力容器规范标准,给出材料、设计、制造、检验、合格评估等方面的基本要求。

压力容器的设计必须满足这些要求,否则就要承担相应的后果。然而规范不可能包罗万象,提供压力容器设计的各种细节。

设计师需要创造性地使用规范标准,根据具体设计要求,在满足规范标准基本要求的前提下,做出最佳的设计方案。

随着科学技术的不断进步,国际贸易的不断增加,各国压力容器规范标准的内容和形式不断更新,以适应新形势的需要。

新版本实施后,老版本便自动作废。因此,设计师应及时了解规范变动情况,采用最新规范标准。

1. 国外主要规范标准简介

(1)ASME规范

美国是世界上最早制定压力容器规范的国家。19世纪末到20世纪初,锅炉和压力容器事故发生频繁,造成了严重的人员伤亡和财产损失。1911 年,美国机械工程师学会(ASME)成立锅炉和压力容器委员会,负责制定和解释锅炉和压力容器设计、制造、检验规范。

1915年春出现了世界上第一部压力容器规范,即《锅炉建造规范·1914版》。这是ASME锅炉和压力容器规范(以下简称ASME规范)各卷的开始,后来成为ASME规范第Ⅰ卷《动力锅炉》。

目前ASME 规范共有十二篇,包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等内容,篇幅庞大,内容丰富,且修订更新及时,全面包括了锅炉和压力容器质量保证的要求。

ASME规范每三年出版一个新的版本(2013年后改为每两年),每年有两次增补。在形式上,ASME 规范分为4个层次,即规范(Code)、规范案例(CodeCase)、条款解释(Interpretation)及规范增补(Addenda)。

ASME规范中与压力容器设计有关的主要是第Ⅱ篇《材料》、第Ⅲ篇《核电厂部件建造规则》、第Ⅴ篇《无损检测》、第Ⅷ篇《压力容器》、第Ⅹ篇《玻璃纤维增强塑料压力容器》、第Ⅺ篇《核电厂部件在用检验规则》和第Ⅻ篇《移动式容器建造和连续使用规则》。

第Ⅲ篇包括核1级部件、核2级部件、核3级部件、混凝土安全壳、乏燃料和高放射性废料储运用容器等。第Ⅷ篇又分为三册:第1册《压力容器》,第2册《压力容器另一规则》和第3册《高压容器另一规则》,以下分别简称为ASMEⅧ-1、ASMEⅧ-2和ASMEⅧ-3。

1925年首次颁布的ASME Ⅷ-1为常规设计标准,适用压力小于等于20MPa;它以弹性失效设计准则为依据,根据经验确定材料的许用应力,并对零部件尺寸做出一些具体规定。由于它具有较强的经验性,故许用应力较低。ASME Ⅷ-1不包括疲劳设计,但包括静载下进入高温蠕变范围的容器设计。

ASME Ⅷ-2为分析设计标准,于1968年首次颁布,它要求对压力容器各区域的应力进行详细地分析,并根据应力对容器失效的危害程度进行应力分类,再按不同的安全准则分别予以限制。

与ASME Ⅷ-1相比,ASME Ⅷ-2对结构的规定更细,对材料、设计、制造、检验和验收的要求更高,允许采用较高的许用应力,所设计出的容器壁厚较薄。现行ASMEⅧ-2是基于失效模式的标准包括了疲劳设计,但设计温度限制在蠕变温度以内。为解决高温压力容器的分析设计,在1974年后又补充了一份《规范案例N—47》。

1997年首次颁布的ASMEⅧ-3主要适用于设计压力不小于70MPa的高压容器,它不仅要求对容器各零部件做详细地应力分析和分类评定,而且要做疲劳分析或断裂力学评估,是一个到目前为止要求最高的压力容器规范。

第Ⅹ篇《玻璃纤维增强塑料压力容器》是现有ASME规范中唯一的非金属材料篇。该篇对玻璃纤维增强塑料压力容器的材料、设计、检验等提出了要求。第Ⅻ篇《移动式容器建造和连续使用规则》于2004年首次颁布,适用于便携式容器、汽车槽车和铁路槽车。

(2)日本压力容器标准

1993年以前,与美国一样,日本也采用压力容器基础标准的双轨制,一部是参照ASME Ⅷ-1制定的JISB8243 《压力容器构造》;另一部是参照ASME Ⅷ-2 制定的JISB8250 《压力容器构造———另一标准》。

为适应科学技术的进步,在整理和综合原有标准的基础上,日本决定采用新的标准体系,编制基础标准、通用技术标准及相关标准,于1993年3月颁布了新的压力容器标准;JISB8270 《压力容器(基础标准)》和JISB8271~8285《压力容器(单项标准)》。

JISB8270 《压力容器(基础标准)》为压力容器基础标准,规定了3种压力容器的设计压力、设计温度、焊接接头形式、材料许用应力、应力分析及疲劳分析的适用范围、质量管理及质量保证体系、焊接工艺评定试验及无损检测等内容。

JISB8271~8285 《压力容器(单项标准)》由15项单项标准组成,这些标准主要包括压力容器筒体和封头、螺栓法兰连接、平盖、支承装置、快速开关盖装置、膨胀节、换热器管板、开孔补强等主要零部件和卧式压力容器、夹套容器、非圆形截面容器的结构形式和设计计算方法,压力容器应力分析和疲劳分析的分析方法,许用应力强度的规定、焊接接头力学性能试验、焊接工艺评定试验、压力试验的有关规定。

为了使标准尽可能相互通用,避免重复检查、实现有效的认证体制,日本于2000年3月制订并实施了JISB8265 《压力容器构造———一般事项》。随着JISB8265的实施,日本出现了JISB8265和JISB8270双标准并存的状态。

为改变这一状态,日本以JISB8270中的第1种压力容器(设计压力小于100MPa)为对象,制订了JISB8266 《压力容器构造———特定标准》,并修改了JISB8265,形成了新的压力容器JIS标准体系。该体系已于2003年9月颁布实施。

(3)欧盟压力容器规范标准

欧盟将压力容器、压力管道、安全附件、承压附件等以流体压力为基本载荷的设备统称为承压设备。随着欧洲统一市场的建立和欧元的面市,为促进承压设备在欧盟成员国内的自由贸易,尽可能在最广泛的工业领域内实施统一的技术法规,欧盟颁布了许多与承压设备有关的EEC/EC指令(DIRECTIVE)和协调标准(HARMONIZEDSTANDARDS)。

EEC/EC指令侧重于安全管理方面的要求,只涉及产品安全、工业安全、人体健康、消费者权益保护的基本要求,是欧盟各成员国制定相关法律的指南。指令生效后,欧盟各个成员国必须把指令转化为本国监察规程或国家法律,并在指令规定的期限内强制执行。

与压力容器有关的EEC/EC指令主要有:76/767/EEC 《压力容器一般指令》、87/404/EEC 《简单压力容器指令》和97/23/EC 《承压设备指令》。

76/767/EEC为压力容器及其检验的一般规定。87/404/EEC仅适用于介质为空气或氮气、压力(表压)超过0.05MPa的简单压力容器。97/23/EC适用于最高工作压力大于0.05MPa的承压设备的设计、制造和合格评估。

欧洲协调标准一般由欧洲标准化委员会(CEN)、欧洲电工标准化委员会(CENELEC)等技术组织制订。协调标准是非强制的,但企业若采用协调标准,就意味着满足了相应指令的基本要求。

EN13445 《非火焰接触压力容器》是与97/23/EC相对应的欧洲协调标准,其主要内容有:总则、材料、设计、制造、检验和试验、安全系统和铸铁容器。按EN13445规定设计、制造的压力容器,被自动认为满足97/23/EC的要求。

一旦欧洲协调标准被正式通过,所有的CEN 成员国都应制订与欧洲协调标准等同的国家标准,并废止本国现行标准中与欧洲协调标准规定相冲突的内容。

例如,英国废止了原来的BS5500 《非火焰接触压力容器》标准,将其改为不再具有“国家标准”地位的PD5500《非火焰接触压力容器》。但是,在欧盟各成员国的国家标准中,不是由成员国标准化委员会制订的承压设备标准无需废止。

2. 国内主要规范标准介绍

特种设备是对人身和财产安全有较大危险性的设备总称,包括锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场(厂)内机动车辆八类设备。

锅炉、压力容器、压力管道统称为承压类特种设备;电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场(厂)内机动车辆统称为机电类特种设备。承压类特种设备具有潜在的泄漏和爆炸危险,是流程工业中广泛使用的设备。

(1)锅炉

锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源,将所盛装的液体加热到一定的参数,通过对外输出介质的形式提供热能的设备,包括承压蒸汽锅炉、承压热水锅炉和有机载热体锅炉等。

(2)压力容器

压力容器是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备,包括固定式压力容器、移动式压力容器、气瓶和氧舱等。气瓶是一种比较特殊的移动式压力容器,包括无缝气瓶、焊接气瓶、缠绕气瓶、绝热气瓶和内装填料气瓶。

氧舱是指承受内压或者外压,以空气或者氧气为主要加压介质,用于医疗、潜水和科学试验等活动的载人压力容器,主要包括潜水钟、再压舱、高压氧舱、医用氧舱、高海拔试验舱等。

(3)压力管道

压力管道是指利用一定的压力,用于输送气体或者液体的管状设备,包括公用管道、长输管道和工业管道等。长输管道分为输油管道和输气管道;公用管道包括燃气管道和热力管道;工业管道包括工艺管道、动力管道和制冷管道。

为防止和减少事故,保障人民群众生命和财产安全,促进经济发展,中国对特种设备实施全过程安全监察,形成了“法律—行政法规—部门规章—安全技术规范—引用标准”五个层次的法规体系结构。

2.1 法律

2013年6月,中华人民共和国主席令第4号公布了《中华人民共和国特种设备安全法》(以下简称《特种设备法》)。这是中国历史上第一部对特种设备安全管理做统一、全面规范的法律。该法已于2014年1月1日起施行,对特种设备的生产、经营、使用,实施分类的、全过程的安全监督管理。

分类监管是指按照特种设备本身的特性和使用风险不同,采取不同的监管制度和措施。全过程包括特种设备的生产(含设计、制造、安装、改造、维修)、使用、检验检测及其监督检查等环节。实施全过程安全监督是保证特种设备安全的行之有效的手段。

特种设备安全问题涉及的因素是多方面的,各环节之间相互联系,互相影响。如设计、制造时,不但要考虑设备本身的安全要求,而且要考虑安装、使用、检验等环节的要求。对事故正确的分析,又能促进各个环节工作的改进。

《特种设备法》授权国务院对特种设备采用目录管理方式,决定将哪些设备和设施纳入特种设备范围,并且规定由国务院负责特种设备安全监督管理的部门(国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局)统一发布国家特种设备目录,以目录的形式进一步明确实施监督管理的特种设备具体种类、品种范围。

2.2 行政法规

1982年2月,国务院颁布了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》(以下简称为《暂行条例》)。《暂行条例》的实施,对规范锅炉压力容器安全监察工作,减少当时高发的锅炉压力容器安全事故,起到了很好的作用。

为适应市场经济体制、国际形势和WTO 规则的要求,2003年3月,中华人民共和国

国务院令373号公布了《特种设备安全监察条例》, 《暂行条例》同时废止。2009年1月,国务院公布了《国务院关于修订<特种设备安全监察条例>的决定》(国务院令549号)。

《特种设备安全监察条例》授权国务院特种设备安全监督管理部门负责全国特种设备的安全监察和高能耗特种设备节能监管工作。

特种设备设计、制造、安装、改造、维修、充装活动的主体,通过行政许可实行严格的市场准入制度。特种设备的使用必须经特种设备安全监督管理部门登记;特种设备作业人员必须经特种设备安全监督管理部门考核合格,取得资格证书;检验检测机构应当经国务院特种设备安全监督管理部门核准。

检验检测大致可分为监督检验、定期检验、型式试验和设计文件鉴定等四类。监督检验是指由检验检测机构经核准授权并按照安全技术规范要求对特种设备制造、安装、改造、重大修理过程实施的监督检验性验证;定期检验是指经核准的检验检测机构接到使用单位提出的定期检验要求后,

按照安全技术规范对在用特种设备进行的检验;型式试验是指按照安全技术规范要求的内容和方法对特种设备整机或者部件进行全面的技术审查、检验检测和性能试验;设计文件鉴定是指对设计文件的审查和必要的设计验证活动。

2.3 部门规章

特种设备部门规章是将《特种设备安全监察条例》的各项规定、要求,从行政管理的操作层面具体化,以国家质量监督检验检疫总局令的形式发布。例如, 《特种设备事故报告和调查处理规定》《高能耗特种设备节能监督管理办法》《气瓶安全监察规定》和《锅炉压力容器制造监督管理办法》等。

2.4 安全技术规范

安全技术规范(TSG)是政府对特种设备安全性能和相应的设计、制造、安装、修理、改造、使用和检验检测等环节所提出的一系列安全基本要求,以及许可、考核条件、程序的一系列具有行政强制力的规范性文件,其作用是把行政法规和部门规章的原则规定具体化,由国家质量监督检验检疫总局颁布。

目前,与压力容器设计有关的基本安全技术规范为TSG21 《固定式压力容器安全技术监察规程》和TSGR0005 《移动式压力容器安全技术监察规程》。

(1)TSG21 《固定式压力容器安全技术监察规程》

1981年原国家劳动总局颁布了《压力容器安全监察规程》。1990年原劳动部在总结执行经验的基础上,修订了1981版的规程,改名为《压力容器安全技术监察规程》,并于1991年1月正式执行。1999年原国家质量技术监督局又对《压力容器安全技术监察规程》进行了修订,颁布了1999版《压力容器安全技术监察规程》。

考虑到移动式压力容器安全的影响因素比固定式压力容器多,以及罐式集装箱的国际流动性,同时为更好地与国际接轨,中国将固定式和移动式压力容器分开,分别制定《固定式压力容器安全技术监察规程》和《移动式压力容器安全技术监察规程》。2009年8月颁布了TSGR0004 《固定式压力容器安全技术监察规程》。2011年11月颁布了TSGR0005 《移动式压力容器安全技术监察规程》。

2015年,以TSGR0001 《非金属压力容器安全技术监察规程》、TSGR0002 《超高压容器安全技术监察规程》、TSGR0003 《简单压力容器安全技术监察规程》、TSGR0004 《固定式压力容器安全技术监察规程》、TSGR7001 《压力容器定期检验规则》、TSGR5002 《压力容器使用规则》、TSGR7004 《压力容器监督检验规则》等七个规范为基础,整合形成了综合规范(大规范)TSG21 《固定式压力容器安全技术监察规程》。该规程对固定式压力容器从材料、设计、制造、安装、改造、修理、监督检验、使用管理、在用检验等环节提出了基本安全要求。

TSG21 《固定式压力容器安全技术监察规程》适用于同时具备下列条件的固定式压力容器:

ⅰ. 工作压力大于或者等于0.1MPa;

ⅱ. 容积大于等于0.03m3且内直径(非圆形截面指截面内边界最大几何尺寸)大于等于150mm;

ⅲ. 盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

(2)TSGR0005 《移动式压力容器安全技术监察规程》

TSGR0005 《移动式压力容器安全技术监察规程》对移动式压力容器罐体材料、设计、制造、使用管理、充装与卸载、改造与维修、定期检验、安全附件和装卸附件等提出了基本安全要求,适用于同时满足下列条件的移动式压力容器:

ⅰ. 具有充装与卸载介质功能,并且参与铁路、公路或者水路运输;

ⅱ. 罐体工作压力大于或者等于0.1MPa,气瓶公称工作压力大于或者等于0.2MPa;

ⅲ. 罐体容积大于或者等于450L,气瓶容积大于或者等于1000L;

ⅳ. 充装介质为气体以及最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

2.5 引用标准

因涉及人身和财产安全,压力容器产品设计、制造(含组焊)应符合相应国家标准、行业标准或企业标准的要求。国家标准和行业标准由标准化委员会组织制定,政府代表参与。标准是法规标准体系的技术基础,是法规得以实施的重要保证。无相应标准的,不得进行压力容器产品的设计和制造。

1960年原化学工业部等颁布了适用于中低压容器的《石油化工设备零部件标准》。1967年,中国完成了《钢制石油化工压力容器设计规定》(草案),后经修订于1977年开始颁发实施,随后又修订过两次,即82版和85版。该设计规定是由原机械工业部、化学工业部和中国石油化工总公司(83年以前由原石油部负责)组织编制的,属部级标准。

为加强中国压力容器标准修制订工作,1984年7月成立了“全国压力容器标准化技术委员会”。以《钢制石油化工压力容器设计规定》为基础,经充实、完善和提高,于1989年颁布了第1版的压力容器国家标准,即GB150—89 《钢制压力容器》。1998年颁布了第一次全面修订后的新版GB150—1998 《钢制压力容器》。

根据锅炉、压力容器标准化工作的需要,2002年,中国国家标准化管理委员会决定成立“全国锅炉压力容器标准化技术委员会”,同时撤销“全国压力容器标准化技术委员会”和“全国锅炉标准化技术委员会”。全国锅炉压力容器标准化技术委员会负责全国锅炉和压力容器国家标准的修制订工作。

为使GB150符合《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定,结合近些年有色金属压力容器的进展,2012年颁布了GB150 《压力容器》。GB150由GB150.1通用要求、GB150.2材料、GB150.3设计、GB150.4制造检验和验收四部分组成。

经过几十年的不懈努力,中国构建了以GB150 《压力容器》为核心的中国压力容器建造标准体系,颁布并实施了GB150 《压力容器》、JB4732 《钢制压力容器———分析设计标准》等一系列压力容器基础标准、产品标准和零部件标准。附录A 列出了压力容器设计常用的中国标准。

(1)GB150 《压力容器》

GB150 《压力容器》是第一部中国压力容器国家标准,在中国具有法律效用,是强制性的压力容器标准。其基本思路与ASME Ⅷ-1相同,属常规设计标准。该标准规定了压力容器的建造要求,其适用的设计压力(对于钢制压力容器)不大于35MPa,适用的设计温度范围为-269~900℃。

GB150 《压力容器》不适用于以下8种压力容器:直接火焰加热的压力容器;核能装置中存在中子辐射损伤风险的压力容器;旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室;《移动式压力容器安全技术监察规程》管辖的容器;设计压力低于0.1MPa或者真空度低于0.02MPa的容器;内直径小于150mm 的压力容器;搪玻璃容器;制冷空调行业中另有国家标准或者行业标准的容器。

GB150 《压力容器》界定的范围除壳体本体外,还包括容器与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰密封面,以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。

其他如接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件,以及非受压元件与受压元件的焊接接头,直接连在容器上的超压泄放装置均应符合GB150 《压力容器》的有关规定。

(2)JB4732 《钢制压力容器———分析设计标准》

JB4732 《钢制压力容器———分析设计标准》是我国第一部压力容器分析设计的行业标准,其基本思路与ASME Ⅷ-2相同。该标准与GB150 《压力容器》同时实施,在满足各自要求的前提下,设计者可选择其中之一使用,但不得混用。

与GB150相比,JB4732允许采用较高的设计应力强度。这意味着,在相同设计条件下,容器的厚度可以减薄,重量可以减轻。但是由于设计计算工作量大,材料、制造、检验及验收等方面的要求较严,有时综合经济效益不一定高,一般推荐用于重量大、结构复杂、操作参数较高和超出GB150适用范围的压力容器设计。

目前,我国正在制订超高压容器国家标准。该标准将规定非焊接单层超高压容器材料、设计、制造、检验和验收等方面的建造要求。

随着全球经济一体化形势的发展,压力容器标准国际化的趋势已经越来越明显。2007年,国际标准化组织颁布了国际锅炉压力容器标准ISO16528。该标准分两部分,即ISO16528-1锅炉压力容器性能要求(Boilers and Pressure Vessels-Part 1: Performance Requirements) 和ISO16528-2证明锅炉压力容器标准满足ISO16528-1 要求的程序(Boilers and Pressure Vessels-Part 2: Procedures for fulfilling the Requirements of ISO16528-1)。

ISO16528-1的主要内容为:适用范围、术语和定义、失效模式、技术要求(包括材料、设计、制造、检验和检测、标记等)和符合性评估。