ASME規范的壓力容器在國內制造時應注意的問題

段占立

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

1 概述

隨著我國經濟的發展以及對外經濟合作的加大，國內原油的消耗越來越大，對外依賴度越來越高，隨著“一帶一路”走出去的戰略，石油、石化行業與國外石油公司合作越來越多，與之相關聯的石化設備制造也越來越多；很多國外油田開發項目業主方(用戶)要求進行EPC總承包，大量石化設備在國內進行制造，采用國際廣泛認可的ASME標準。

對于國內絕大部分容器制造廠來說，ASME標準還是比較陌生，少部分制造廠取得ASME制造資質，但真正實際制造的ASME標準的壓力容器甚少。無論采購部門或設計部門，商討技術協議過程嚴格執行業主方合同，按照ASME標準設計、制造、檢驗(U印)等；結合目前正負責執行的項目監造工作，現從設計職責、設計輸入、材料選取、防腐及檢驗等方面，對項目中涉及到非標、標準等壓力容器設備在國內建造過程中應重點關注的幾個方面進行總結探討。

2 ASME規范體系中的設計職責

ASME規范與國內標準在體系和觀念存在較大差異，從基本使用要求提出，直至檢驗合格出廠、投用，大致分為下列幾個環節：用戶、設計、選材、制造、檢驗、運輸、安裝等等。按照ASME體系中規定，為每個環節的參與單位規定了職責或具體工作，其中“設計”是作為壓力容器建造方工作的一個環節，而非作為獨立的一方參與工作。而《容規》和GB150等國內標準中明確地把“設計”作為獨立的一方參與建造工作，實行許可證制度即考試合格聘任上崗，同時也明確設計單位的具體職責、工作。

ASME規范體系中的“設計職責”分為兩個部分：(1)用戶或其代表應提出設備設計輸入條件及為滿足產品功能要求而需附加的各種要求，可見前期輸入都歸于“用戶”(業主方)的職責；(2)把強度計算書和設計圖紙作為建造方接受“用戶”(業主方)條件后，由建造方完成的合同職責[1]。ASME規范中對于標準規格壓力容器，可以由建造方根據市場需求、定型，自主提出設計要求，無需考慮“用戶”(業主方)的要求，“設計單位”設計職責這一環節可以省略。

再者ASME規范中未涵蓋“用戶”(業主方)對容器的全部要求，故在滿足原則性條款下，可進行具體化的補充或判斷性的選擇，達到更有針對性滿足用戶需求的目的[2]。如執行ASME規范時，一定將其與專業規范有效結合、補充完善，同時根據具體用途和經驗來制定采購策略或編制技術協議。而國內標準、規范(GB150等)對實現用戶的全部要求歸于設計單位的職責，并明確職責的具體工作內容如設計基本參數輸入、材料選取、防腐技術要求等等；但是卻放棄了用戶的應盡職責，易造成設計、制造、檢驗等方面偏差，引起或多或少不必要的麻煩。

3 設計文件輸入

ASME體系要求制造廠按用戶要求進行制造，其中包括圖紙的繪制及其強度計算。按國內工程模式則是由設計院出圖，再由制造廠制造；但對于執行ASME標準的壓力容器，如果用戶對按設計院圖紙制造無異議也可以這樣；如果用戶對制造容器銘牌標識單位(制造廠)與圖紙出圖單位不一致，往往會引起爭議，甚至糾紛。故建議由制造廠進行設計、計算并制造，但用戶應對容器提出全面要求，包括自然條件、介質特性、載荷情況、操作壓力、溫度、焊接、熱處理、防腐及檢驗、試驗要求，同時也應考慮包裝、運輸要求或對制造方圖紙進行全面的確認。由于需要確認的內容多，所以會出現“工廠設計”→確認→修改→再確認→再修改……→最終確認，造成時間長嚴重影響制造、交貨期。因此有必要在開始時就將內容盡量全部明確，包括簽署詳盡的技術協議，這樣“修改→確認”會反復得少，確保后續制造工作順利進行。

設計安全系數的不同：ASME中安全系數為3.0，這樣材料的許用應力也降低，容器殼體計算壁厚相應有增加。隨著近年來國內煉鋼工藝技術的發展，甚至趕超國外鋼材質量，國內規范(GB713等)及《容規》規定，安全系數下調為2.7，材料的許用應力相應增加，如Q245R(16MnR)室溫下許用應力由133MPa調至147MPa，壁厚也相應減薄，有利于降低EPC項目成本。

設計計算公式的不同：根據ASME規范容器載荷符合性要滿足第VIII卷第1冊中UG-22&UG-54要求；殼體強度計算應依照UG-27(d)分別計算環向應力、縱向應力條件下厚度，取二者中較大值，見下式：

環向應力條件下厚度：tr1=PR(SE-0.6P)

(1)

縱向應力條件下厚度：tr2=PR(2SE+0.4P)

(2)

橢圓封頭壁厚應依照UG-32(d)：

封頭厚度： tr1=PD/(2SE-0.2P)

(3)

橢圓封頭直邊段厚度應依照UG-27(c)：同式3.1

GB150-2011規范中內壓下直接計算殼體、封頭厚度：

(4)

其中支座的應力計算依照國內標準NB/T 47001-2009(原JB/T4731)與GB150-2011一致。

4 材料選取要求

建造過程中，設計方或制造廠應按ASME標準制造的壓力容器，且必須采用ASME標準中規定的材質鋼板，如果采用標準以外的材質，在檢驗員認證(U印)時將是非常麻煩的事，尤其是對于國外總包項目(EPC)有工期要求的情況，將得不償失。

容器所用材料中的重要元素含量(普通碳素壓力容器用鋼)，包括C、S、P等，ASME標準的相應鋼板C≤0.35，P≤0.035，S≤0.035，國內GB713中規定C≤0.20，P≤0.025，S≤0.010，相比較可以看出較國內容器鋼板標準要寬松許多。鋼材中重要元素含量對鋼板性能有非常大的影響，C含量的升高將導致強度提高，焊接性下降；同時鋼板中S、P含量的升高，易引起焊接缺陷，致焊接質量下降。雖然ASME標準中規定的C、S、P含量較高，但實際鋼板生產過程中，特別是壓力容器用鋼板中C、S、P元素含量都比較低，性能優良，無論強度方面還是沖擊功方面；因此在國內采購時不能簡單描述按照ASME標準的要求進行訂貨，必須根據實際情況，提出對C、S、P等元素含量具體的限制要求，并提出機械性能方面的要求，包括抗拉強度、沖擊功等，以保證實際制造要求。

通過與ASME規范比較，結合幾年來從事國外項目監造工作清晰認識到國內外鋼材在質量(偏差、化學成分等)方面差異，故材料選取、技術協議簽署時要加大條件限制。如某封頭制造廠時常出現國外進口的鋼板在進行封頭制造沖壓之后并未減薄的情況，對于國內鋼板來說是無法理解的事情。

5 錯邊量及焊縫余高要求

焊接壓力容器的制造規范中對錯邊量有明確規定，其中鋼制容器的對口錯邊量應符合GB150-2011《鋼制壓力容器》10.2.3及10.6.1條款的要求；縱焊縫比環焊縫的要求更高一些。組對焊接過程錯邊量過大不僅影響焊縫的美觀和外觀形狀，而且一旦產生應力集中，影響構件的承載能力。

現根據常用規格板厚δ=12～19mm鋼板為例，A類焊縫錯邊量為3mm；B、C、D類焊縫：4.75mm；焊縫余高：B、C類焊縫4.75mm(3/16〞)，其它焊縫2.4mm(3/32〞)，見表1、表2；通過與表3、表4對比，可見ASME標準[3]中規定的比較寬松，較國內標準數值還要大；但實際過程國外制造的壓力容器幾乎全部未標注錯邊及余高，通過提高加工精度保證縮小錯邊量；對于焊縫余高，往往在出廠前或水壓試驗前都已經打磨平滑，因此外觀檢查根本覺察不到余高的存在。如果完全按照ASME標準中的數值放松制造中錯邊量及焊縫余高的要求，往往會給人以粗制濫造的印象，嚴重的還會引起產品拒收等糾紛。

表1 A、B、C及D焊接接頭類型與錯邊量關系

表2 材料的公稱厚度與焊縫最大余高關系

表3 不同厚度條件下焊接接頭與對口錯邊量關系

表4 不同類焊接接頭的焊縫余高合格指標

6 檢驗要求

按照ASME規范，鍋爐/壓力容器的制造過程中，檢驗、測試必須滿足Ⅷ卷第1冊和第Ⅰ卷，B31.1中要求。用以制造壓力容器殼體、封頭、接管及其他受壓元件的材料，其試驗報告或質量證明文件投用前，必須經AI審查同時也必須按照規定進行沖擊試驗；且焊接件都必須按UG-84進行“夏比”沖擊試驗。若容器試板的試驗結果未達到沖擊試驗的要求，則試板代表的焊縫不合格，則容器拒收。

ASME規范 Ⅷ卷第1冊中UCS-66 MATERIALS中規定了各種材料的沖擊試驗(豁免)的情況，涵蓋了材料的材質、厚度及熱處理狀態，名目繁多、各式各樣。對于所有要打“U”鋼印的壓力容器，除按UG-90(c)建造的多臺結構一致的外，制造過程均必須由AI見證、檢驗。

焊接過程嚴格按照ASME規范 Ⅷ卷第1冊中UW-16、UW-32、UW-35條款具體要求執行，坡口清理標準、焊縫型式以及焊縫缺陷確認等。

7 防腐、油漆要求

制造廠應重視容器設備的防腐、油漆工作，項目有統一規定的嚴格按規定執行，未規定的做好行業常規要求出廠刷漆工作。國外項目幾乎全部需要海運，且海上時間較長，往往需要30～45天時間，海上運輸常常需要跨越赤道，面臨濕熱、風浪、鹽霧等環境，如果除銹不徹底、油漆不能充分晾干，就會出現容器表面鼓包、油漆脫落甚至返銹的情況，進而引起設備質量問題；另外容器內部需要充氮氣保護，防止濕熱鹽霧進入內部導致設備生銹。

8 結束語

總之，隨著我國對外經濟交流的日益深入，特別是在國內處于經濟發展新常態的今天，國內數量眾多的中小容器制造廠，面對日益嚴酷的市場競爭，必須走出國門、走向國際市場尋找出路，因此切實了解石油、石化及化工容器的國際制造標準，是承接國際項目的前提和基礎，只有深入了解國際標準及國內生產、制造現狀，才能制造出有質量、有競爭力的產品。另一方面，制造廠制造的產品雖然是某一個公司的產品，在國外往往代表著中國，其質量也被認為代表中國“制造”水平。同時容委會或行業協會積極推廣宣貫ASME等國際規范，同時加大國內、國際標準有效融合，為壓力容器國際化制造撐起一面旗幟。