公司首臺ASME 規則設計壓力容器產品設計制造研究及中外壓容技術標準對比

張程，季丹

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 前言

越南沿海2 期項目低壓加熱器為公司首臺按ASME Ⅷ-1 卷進行規則設計、制造并打ASME U鋼印的出口壓力容器產品。本產品在設計要求、焊接工藝評定、焊工資格、無損探傷方面都與國標常規壓力容器制造有很大不同，本文通過對項目全過程進行技術跟蹤與問題處理并對相關設計制造技術全面總結，為后續類似機組的設計制造做好技術儲備。

1 容器沖擊的確定

韌性表征材料抵抗沖擊載荷的能力，常溫及高溫條件下其韌性特性變化不明顯，但隨著溫度降低，在一定應力條件下，塑性金屬通常以脆性方式破壞，泰坦尼克號就是因為船體材料低溫脆斷造成的災難。因此對于低溫環境下容器的使用須著重對待，尤其設備安裝地溫度較低，又要長期露天存放時，沖擊的評判就非常重要。容器受壓元件的沖擊判定主要依據容器最低設計金屬溫度（后簡稱MDMT，一般按用戶技術條件或容器使用地月平均最低氣溫值確定）。對于容器低溫工況的設計，各主流設計標準均有一套評估體系。我國GB 標準對于低溫的評估只考慮材料公稱厚度及最低使用溫度，即只要最低溫度到某特定值（如0 ℃），則無關設備設計參數影響，該材料均須做沖擊試驗。如國標20 mm 厚Q345R 鋼板，允許使用溫度下限為-20 ℃，MDMT 為-20 ℃時，材料作0 ℃沖擊。材料不允許使用到更低溫度環境，如需在-20 ℃下應使用低溫專用鋼板。而ASME規范對于容器在低溫下是否發生脆斷有一套完整的評估方式并建立了沖擊豁免曲線，任一材料標準未直接限定其使用溫度下限，其評判依據包括材料的供貨狀態，焊接熱處理的影響，特別考慮了設計厚度超過元件計算厚度時對豁免溫度的降低情況。若容器沖擊不能豁免，則要求焊評必須進行沖擊試驗，容器制造必須帶產品焊接試板。因此，容器在設計時就需要對容器的沖擊豁免進行充分判定，這也直接影響后續焊接工藝的制定。下面以低壓加熱器管板為例，對國標及ASME 沖擊豁免的判定過程進行簡述。

國標GB 體系：常用管板材質20MnMo Ⅲ,MDMT 為0 ℃，GB/T 150.2 要求該材料在使用溫度下限0 ℃時必須作0 ℃沖擊。

ASME 體系：沿海項目某臺低加的管板設計選材為SA-266M Gr.4，MDMT 為0 ℃，設計有效厚度222 mm。根據ASME Ⅷ-1 卷中UCS-66 條款進行沖擊豁免的判定（后續的數值基于UCS 篇對碳鋼和低合金鋼制容器的要求）。

根據ASME II-D，SA-266M Gr.4 屬于P-No1,Group-2 材料，基于該前提：

第1 步：豁免溫度曲線選擇。根據材質及供貨狀態選擇沖擊豁免曲線B（見圖1）進行評判；

圖1 材料豁免曲線

第2 步：管板控制厚度為55.5 mm。按UCS-66（a），對應曲線豁免溫度為18 ℃，超過容器的MDMT 溫度，不能豁免，需要進一步評判；

第3 步：按UCS-66（b）計算豁免降低溫度，通過公式tr·E*／（tn-C）求解元件計算厚度相對實際厚度的比值。式中tr為計算厚度，E*為焊接接頭系數，tn為元件公稱厚度，C 為厚度附加量。該比值恒小于等于1，比值越小，表征厚度余量越大，元件承受的設計應力越低，材料缺口低溫抗沖擊安全性越高。計算比值后，可通過圖表曲線直接查閱豁免降低溫度，以計算是否可以免除沖擊（見圖2）。比值小于0.35 時，在MDMT≥-105 ℃時直接免除沖擊試驗。

圖2 豁免降低溫度曲線

總結起來，ASME 對應元件是否做沖擊，主要涉及到材料類別、熱處理狀態以及元件、焊接接頭結構形式等多方面要素。通常設計者在遇到沖擊無法豁免時可以大致考慮如下方式處理：（1）當按規范設計，采用P-No1 材料制造的設備，按規范不強制進行焊后熱處理時，可另行增加熱處理要求，此時沖擊豁免溫度可降低17 ℃。（2）增加材料供貨熱處理要求，例如對于20 mm 厚度的SA516 Gr70 板材，正火態相對熱軋態可降低豁免溫度近30 ℃；（3）增加材料控制厚度，也可一定程度降低豁免溫度。在考慮豁免沖擊時應綜合考慮設備總體性價比及結構合理性，不可盲目提升設計要求。

經計算，該管板若要在0 ℃沖擊豁免，材料厚度需增加70 mm，增厚幅度超過30%，浪費嚴重。綜合評估后設計要求管板須作0 ℃沖擊。那么，根據ASME 規范要求，與管板焊接相關的焊評必須進行MDMT 溫度下的沖擊試驗以確保接頭在低溫下韌性滿足要求。另外，由于公司設計的容器為管殼式換熱器，管板為固定管板，其與殼體的焊接接頭形式屬于C 類接頭。雖然沖擊不能豁免，但可不帶產品焊接試板。

在我國壓力容器設計制造標準GB/T 150 《壓力容器》 中，評判是否做沖擊主要基于低溫容器的概念。標準將設計溫度低于-20 ℃的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器以及設計溫度低于-196 ℃的奧氏體不銹鋼制容器界定為低溫容器，低溫容器用材料必須進行夏比沖擊試驗。沖擊試驗唯一豁免條件為容器處于 “低溫低應力工況”。而在進行焊接工藝評定時，容器制造單位均根據材料標準給定的溫度參考執行對應的沖擊試驗。至于焊接試板，國標則是依據容器選材、介質危險程度、用戶或設計要求等來執行的，相對規定更細致。

結合ASME 規范及國標壓容技術標準來看，ASME 規范關注容器的低溫失效風險，對于容器是否會在低溫發生脆斷有一套詳細且合理的判定方法。而國標技術標準則對容器焊接試板規定更為詳細，對制造過程的焊接工藝質量更加關注。兩者的關注點不同，也反映出技術標準的地域適應性。

2 管板接頭的設計與焊接保證

低壓加熱器屬于典型的管殼式換熱器。對于雙聯合體低加，采用法蘭連接形式完成最后的套裝，而對于全焊接形式連接的低加產品，其管板與殼側筒體間最后一道套裝閉合焊縫，結構就較為特殊。

ASME 規范中容器焊接接頭的分類僅根據接頭的位置確定，而國標則綜合考慮接頭位置及接頭具體形式。如管板與筒體的接頭，在ASME Ⅷ-1 卷中規定為C 類，而在GB/T 150 中，管板與圓筒采用對接接頭形式規定為B 類，采用非對接接頭形式則規定為C 類。

圖3 ASME 容器接頭分類示意

根據ASME Ⅷ-1 卷UW-12 最大許用接頭系數進行選取，本項目低加管板接頭只能參照形式（7），而此形式對應的焊接接頭無強制性無損檢測要求，見表1。

表1 管板焊接接頭系數

考慮到管板與筒體環縫承載縱向應力，接頭一旦發生泄漏將直接影響容器換熱效率及運行安全。同時由于客觀條件限制，直接采用對接接頭形式后焊縫背面無法清根。因此接頭的設計參考GB/T 150.1，同時結合ASME Ⅷ-1 卷UW-13.2 關于平板與筒體連接的焊接接頭形式規定，最終管板接頭采用焊縫底部加金屬墊板的單面對接焊形式，結構示意如圖4 所示。

圖4 管板與殼體連接示意圖

針對該接頭形式，焊接工藝制定為氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面。且由于管板沖擊沒有豁免，焊評時接頭必須進行沖擊試驗。為確保接頭沖擊韌性，工藝限定了焊接電流并明確焊接速度以控制焊接線能量。最終選取的焊接參數見表2。

表2 管板接頭焊接參數

因管板接頭在ASME 中定義為C 類接頭，對于C 類接頭的檢驗，規范中無明確的執行要求。因此該接頭的檢驗也同樣參考國標執行。為保證管板接頭的焊接質量，結合常規壓力容器設計經驗確定管板與殼體接頭的打底層100%MT，最終焊縫100% UT 的方式進行無損檢測，判定依據參考NB/T 47013《承壓設備無損檢測》對應部分的I級合格標準執行。

3 母材熱處理試樣的確定

在國標壓力容器規范GB/T 150 中明確了需要制備母材熱處理試樣的3 個條件：

（a）當要求材料的使用熱處理狀態與供貨熱處理狀態一致時，在制造過程中若改變了供貨的熱處理狀態，需要重新進行熱處理的。

（b）在制造過程中，需要采用熱處理改善材料力學性能的。

另外，GB/T 150 對母材熱處理試件檢驗要求為：試樣拉伸、冷彎和沖擊試驗分別按GB/T 228、GB/T 232 和GB/T 229 的規定執行并按GB 150.2和設計文件要求評定。當試樣評定結果不能滿足要求時允許重新取樣進行復驗，如復驗結果仍達不到要求，則該試件所代表的母材應判為不合格。

從規定可以看出國標對母材熱處理試樣制備的依據主要是制造過程中的熱過程是否對母材性能產生影響，而對試樣的檢驗則統一規定拉伸、彎曲和沖擊要求。對于特殊的母材試樣檢驗則交由設計部門確定。相比于國標規范，ASME 規范對母材熱處理試件的制備條件規定更加細致、清晰，試件檢驗的評判依據與材料標準結合得更加緊密。

根據ASME Ⅷ－1 卷中UCS－85 規定，除非有單獨的豁免條件進行免除，那么在制造過程中只要母材加熱到480 ℃以上都需要帶母材熱處理試件。在本項目低加殼體上選用了SA－335M P11 接管材料。該接管在與殼體焊后需去應力熱處理，參照規范條款UCS－56 制定熱處理參數，見表3。

表3 P11 接管焊后熱處理參數

根據接管P.No 及熱處理工藝參數確定在制造過程中需制備母材熱處理試件。另按照UCS－85（c）條款規定，熱處理試件的檢驗項目和要求應按照對應的材料標準執行。參考ASME Ⅱ卷中SA－335M 材料規定確定試樣件需進行拉伸試驗。特制定SA－335M P11 試樣管工藝如下：

（a）SA－335M P11 接管下料時一并在同復驗號原材料上下試樣管，試樣管長度350 mm；

（b）試樣管按照P11 接管與殼體焊后相同的熱處理參數進行熱處理；

（c）熱處理完成后試樣管進行拉伸試驗，按照ASME Ⅱ卷對應章節進行驗收。

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在實際生產過程中需要注意的是，只要實際使用的接管其產品爐號和批號是相同的，則試樣件只需取一件即可，避免重復制樣造成浪費。

4 境外材料使用

我國根據壓力容器用材料的類型和要求制定了較為系統的材料技術標準體系，根據設計條件查閱相關標準進行材料選用。而ASME 規范雖然第Ⅱ卷對壓力容器材料使用進行規定，但協會本身并不制定材料標準，這和國標壓容材料體系有很大不同。ASME 規范中主要納入的材料體系為ASTM 材料體系，經ASME 協會認定后轉化為ASME 材料并納入ASME Ⅱ卷。ASME 在材料的納入過程中十分慎重，需要經過技術評審以及豐富的工程證明材料的可用性和安全性后才會將其納入。因此，即使是ASTM 材料，ASME 規范使用的也不一定是該材料的最新版。

對于境外材料的使用ASME 同樣遵循這一原則，雖然在ASME 規范中陸續納入了EN、JIS、GB 等境外牌號的材料，但對于這些材料的使用除滿足本身的材料標準外還必須遵守ASME 規范卷的相關要求，而不是按照境外材料標準直接引用。

以國內壓力容器設計最常用的Q345R 材料舉例，雖然該材料對應的GB713 標準在國內已經升版為2014 版，但在最新的2019 版ASME 規范中該材料認可的Q345R 材料標準仍然為2008 版。另外，引用該材料后，其材料牌號變更為SA/GB713 Q345R，不再與國標Q345R 等同。在使用Q345R 材料時不僅需滿足2008 版GB713 的相關規定，還必須符合ASME 規范對該材料的其他要求，如化學成分、熱處理、殘余元素的控制、標記、證書等要求。

與ASME 對等的，GB/T 150 在1 號材料修改單中也正式納入了3 個ASME 牌號材料（注：分別為GB/SA516 Gr70、GB/SA537 Cl 1 和GB/SA387 Gr12 Cl 2）。同樣地，根據國內容器技術標準、制造和使用國情不同，我國在納入ASME 牌號材料后同樣對其在國內容器上的應用提出了附加要求。從上述技術標準的變更看出我國也在積極的納入境外成熟的容器材料，提升技術標準的互融性。

5 水壓試驗溫度確定

耐壓試驗是容器完工后最重要的檢驗工序，是對容器各部件設計強度的直接校核。耐壓試驗具有一定的危險性，各國技術規范對耐壓試驗的執行程序都有明確的安全性要求。如對耐壓試驗類型、耐壓試驗緊固件、臨時性附件的連接、耐壓試驗場地等都需要從設計制造層面考慮適宜性與安全性。沿海某項目低壓加熱器按圖紙規定完工后應進行30 min 水壓試驗，其水壓試驗溫度的確定也與國標要求有很大不同。

在GB/T 150 中，對水壓試驗溫度規定為：Q345R、Q370R、07MnMoVR 制容器進行液壓試驗時，液體溫度不得低于5 ℃，其他碳鋼和低合金鋼制容器進行液壓試驗時，液體溫度不得低于15℃。低溫容器液壓試驗的液體溫度應不低于殼體材料和焊接接頭的沖擊試驗溫度（取其高者）加20℃。如果由于板厚等因素造成材料無塑性轉變溫度升高，則需相應提高試驗溫度。當有試驗數據支持時，可使用較低溫度液體試驗，但試驗時應保證試驗溫度比容器器壁金屬無塑性轉變溫度至少高30 ℃。而在ASME Ⅷ-1 卷UG-99（h）條款中規定，水壓試驗期間金屬壁溫應高于最低設計金屬溫度17 ℃，但無需超過48 ℃。

控制水壓試驗時的最低溫度主要是防止容器在低溫時發生塑性轉變，進而誘發脆斷。前面分析過，材料發生脆斷的風險直接與材料狀態、使用溫度及受壓元件控制厚度和所受應力水平相關。從GB/T 150 可以看出國標對容器所用材料進行了粗略分類并給出了水壓試驗的推薦溫度，但所含材料并不全面，數據并未系統化。當低溫容器或使用其他材料進行容器制造時，需通過NDTT（無塑性轉變溫度）試驗確定最低水平試驗溫度。

在ASME 規范中水壓試驗的溫度直接與MDMT 相關，而在容器設計時，需結合MDMT 并依據UG-20、UCS-66、UCS-66.1 等條款對容器進行沖擊的豁免判定。當用戶技術條件未對MDMT有強制性要求時，還會根據沖擊豁免的情況對MDMT 進一步修正以保證容器安全運行的情況下，確定容器的制造中是否包含焊評的沖擊、產品焊接試板的制定及水壓試驗溫度。如前所述，ASME在判斷容器是否豁免沖擊時對各個受壓部件分別進行豁免計算，以此確定的MDMT 溫度直接與容器各受壓部件的安全運行直接相關。在此背景下，容器確定的水壓試驗溫度科學性更強，也有明確的數據支撐確保水壓試驗時容器的安全。

6 容器監督檢驗

國內壓力容器的制造檢驗由制造廠負責，制造廠所在管轄地的特檢所對容器進行監督檢驗。根據TSG21 《固定式壓力容器安全技術監察規程》，監督檢驗機構根據容器類型和制造廠提供的容器制造計劃設定監檢項目，監檢項目根據重要性依次分為A、B、C 三類，其中A 類項目為對容器有重大影響的關鍵項目，類似停止點，監檢機構必須現場確認合格后方可執行后工序。B 類項目為對容器有較大影響的重點項目，類似普通見證點，監督檢驗機構視情況決定是否到現場進行監檢。C 類項目為對容器性能有影響的檢驗項目，類似文件見證點。監檢機構自行選擇時間對容器制造單位的相關自檢記錄和報告進行審核。特檢所在完成容器的制造監督檢驗后對合格容器出具監檢報告并打TS 鋼印。

ASME 容器制造前，制造廠首先需和ASME認可的AIA（授權檢驗機構）簽訂技術服務合同，由AIA 指派AI（授權檢驗師）對制造廠容器制造過程進行監督檢驗，而在ASME Ⅷ-1 卷UG-91、UG-92 中則規定了AI 的權利。監檢合格后AI 授權制造廠打ASME 鋼印并簽署容器數據報告。整個過程中需要AI 審核并簽字認可的要素非常多，包括制造廠的設計圖紙、焊評、焊工資格、材料質證書、NCR 的處理及制造過程中關鍵點的現場見證等。

從上述可以看出，ASME 容器制造過程中AI扮演了十分重要的監督檢驗角色，制造廠需要和AI 緊密配合方可順利完成容器制造。不過，在國標和ASME 規范中均有明確規定，容器的質量和安全主體責任在制造廠，監督檢驗機構的工作并不能代替制造廠的檢驗工作。因此容器制造單位的各線條責任工程師應全面熟悉相關技術標準，做好容器的過程質量管控工作。

7 結束語

作為公司首臺按ASME 規范設計制造的壓力容器，設計、制造與檢驗部門必須充分理解ASME 規范的相關要求并密切配合好AI 的監督檢驗工作。另外，從本次容器制造過程中也總結出如下幾點：

（1）ASME 容器的設計制造與國標容器有很大不同，直接體現在圖紙設計、焊評、過程制造檢驗上，各責任工程師需要熟悉ASME 規范以確保容器的規范建造；

（2）我國容器標準在參閱和借鑒ASME 規范的同時，依據國情和國內制造水平特點有不同程度的修訂和變化，符合國內容器制造實際情況；

（3）ASME 與國標容器標準對各自材料的互認也可以看出國內外容器技術規范在發展的同時也在逐步互融，這也是容器技術規范發展的趨勢；

（4）我國容器技術標準主要參考的規范就是ASME 規范，學習國外先進的容器技術規范并進行比較也有助于理解我國容器技術標準的演變。