首次制造鑄造壓力容器的設計方法可行性探討

張 輝

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院 泰州 225500）

鑄造壓力容器雖然市場份額占比不大,但由于鑄造材料的良好力學性能與鑄造性能,具有一次鑄造成型、無須焊接、工藝簡單等特有優勢[1],減少了制造工序,降低了生產成本,保證了容器的完整性與密封性[1],其適用范圍不斷擴大,尤其對結構較為復雜的容器在降低制造技術難度和生產成本方面具有明顯的技術優勢和經濟優勢,是壓力容器的重要組成部分,世界各國對其重視程度也逐漸提高。

近期,國內某企業為進軍鑄造壓力容器領域組織了對于首次試制鑄造壓力容器的技術研討會,其企業技術人員、國內外鑄造容器同行及特檢系統監檢人員對鑄造壓力容器的設計方法、法規標準的理解及適用性爭議較大。筆者對其進行如下探討。

1 規則設計

結構簡單、規則的鑄造壓力容器,根據HG 20531—93《鑄鋼、鑄鐵容器》[2]中的規定,其筒體、封頭、平蓋、法蘭開孔補強等受壓元件的計算可按照GB 150—89《鋼制壓力容器》[3]中第3部分、第4部分、第5部分、第6部分、第7部分等相關章節中的計算公式進行計算。式中材料許用應力可通過HG 20531—93中1.7.1條中的相關公式計算或由其2.1.15條中表2.1.15-1和表2.1.15-2中直接選取,其中安全系數按照HG 20531—93中1.7.2條中表1.7.2或TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[4]中3.2.1.1條選取,鑄造質量系數可按HG 20531—93中1.7.3條選取；由于鑄造壓力容器不考慮焊接,所以焊接接頭系數可認定為1.0；厚度附加量按HG 20531—93中1.6.1條的規定選取。另外,承受外壓的殼體計算還要依據HG 20531—93中3.3條,其計算公式和計算方法按照GB 150—89中外壓容器的相關章節規定,所用的外壓計算圖按其3.3條中圖3.3-1～圖3.3-8。HG 20531—93還列出了與GB 150—89不同的地方及使用說明。

HG 20531—93中 5.9.1條 和 TSG 21—2016中4.2.7.2(2)條規定：首次試制鑄造壓力容器,需要做液壓破壞試驗驗證設計是否合理。做液壓破壞試驗前,應制定完整的方案和可靠的安全措施,并經制造單位技術負責人批準,若液壓破壞試驗所得的數據結果滿足該鑄造容器的原始設計參數,就可認定該設計是合理的、成功的,并將液壓破壞試驗的相關技術資料按HG 20531—93中5.9.4條的規定報省級特種設備監察部門備案后,即可進行批量制造。

但是利用規則設計方法對鑄造壓力容器進行設計計算存在諸多問題：

1）對鑄造壓力容器進行規則設計的現行標準空白。由于TSG 21—2016中3.2.1.1條中表3-3和GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[5]中4.4條沒有給出規則設計的鑄造材料安全系數,而且鑄造材料不在GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》所列范圍內,其許用應力值難以確定,所以利用規則設計方法對鑄造壓力容器進行設計計算具有明顯的局限性,利用規則設計方法設計鑄造壓力容器目前只能根據HG 20531—93中的規定參照GB 150—89設計計算結構簡單、規則的情況。

2）鑄造壓力容器的相關標準落后于目前技術發展。HG 20531—93雖然仍未廢止,但相關條款比較老舊,引用的法規標準（如：勞鍋字〔1990〕8號《壓力容器安全技術監察規程》；設計標準GB 150—89；原材料標準GB 9439—88《灰鑄鐵件》、GB 1348—88《球墨鑄鐵件》、GB 9440—88《可鍛鑄鐵件》；無損檢測標準GB 5677—85《鑄鋼件射線照相及底片等級分類方法》、GB 7233—87《鑄鋼件超聲探傷及質量評級方法》、GB 9444—88《鑄鋼件磁粉探傷及質量評級方法》、GB 9443—88《鑄鋼件滲透探傷及缺陷顯示跡痕的評級方法》等）大多已經廢止或更新,落后于現行相關標準的技術要求,并與目前日益進步的技術發展不適應,其適用性有待考證。

3）國內標準中鑄鐵材料抗拉強度安全系數較大。TSG 21—2016中3.2.1.1條規定“灰鑄鐵室溫下抗拉強度安全系數不小于10.0,球墨鑄鐵室溫下抗拉強度安全系數不小于8.0”[4],而EN 13445-6[6]中鑄鐵材料抗拉強度安全系數為5.3～6.0或3.5～4.0[1,7],ASMEⅧ[8]中鑄鐵材料抗拉強度安全系數為5.00～6.25[1,7]。國內標準中鑄鐵材料抗拉強度安全系數較相應的國際標準要求大,由于國內外鑄鐵材料力學性能較為相近,所以依據國內標準計算得出的材料壁厚較大,致使制造成本較高,產品經濟競爭性不強[1,9]。

2 分析設計

近年來,由于計算機科學的不斷發展,分析設計軟件的不斷進步完善,應力分析方法也在不斷發展完善,分析設計在壓力容器行業的應用也越來越成熟。目前壓力容器分析設計的標準依據是JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》（2005年確認）[10],其設計方法依據的基礎是利用彈性應力分析和塑性失效準則、彈塑性失效準則,而鑄鐵是脆性材料[7],不在JB/T 4732—1995（2005年確認）所列材料范圍內,另外,TSG 21—2016中3.2.1.1條中表3-4并沒有給出鑄造材料分析設計的安全系數,所以依據JB/T 4732—1995（2005年確認）進行鑄造壓力容器的分析設計是存在法理缺陷的。雖然現在對鑄造壓力容器的分析設計進行了大量研究和多次嘗試,但是由于鑄鐵材料的彈塑性不強和彈塑性實驗基礎數據積累的不足[11],導致分析設計可選用的鑄鐵材料牌號較少,應用的范圍不廣,另一方面,同樣存在國內外鑄鐵材料力學性能較為相近的情況下,國內鑄鐵材料安全系數較相應的國際標準要求大,導致材料壁厚較大,生產成本較高,產品經濟競爭性不強[1,9]。

3 驗證性爆破試驗設計

HG 20531—93中5.9.2條規定：結構復雜的鑄鐵容器或其零部件的強度無法精確計算或對強度計算不能提供安全滿意的保證時,可采用驗證性爆破試驗的方法求得其最大許用工作壓力。進行驗證性爆破試驗時,初始升壓值不應超過1.5倍的最大設想工作壓力,在求得最大許用工作壓力后,其設計、結構和材料均相同的壓力容器不必再做液壓破壞試驗,這與TSG 21—2016中4.2.7.22條的規定并不矛盾。

但鑄鐵壓力容器的最高允許工作壓力與驗證性爆破試驗設定的停止點或爆破試驗壓力之間的計算公式并沒有在國內標準中予以規定[7]。驗證性爆破試驗可參考GB/T 150.1—2011中的規范性附錄C“以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力”[7],其試驗方案和安全防護措施經試驗單位技術負責人批準后,參照容器耐壓試驗的監檢要求,試驗壓力不應大于1.25倍預期設計壓力,先緩慢加壓到0.5倍的預期設計壓力,保壓觀察無問題后以預期設計壓力的0.1倍增量緩慢增壓至預期設計壓力,保壓10 min以上無異常后繼續以預期設計壓力的0.1倍增量增壓到爆破或設定的停止點,并由特種設備檢驗機構監檢人員見證整個試驗過程并在驗證性爆破試驗報告上簽字認可。然后用GB/T 150.1—2011中附錄C中公式C.1～C.2與公式C.3計算得到的結果代入公式C.4中,得到設計溫度下的最高允許工作壓力,并以此來確定容器的設計壓力。

以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力的技術文件應按照TSG 21—2016中1.9條和3.1.5條的規定進行技術評審,評審時應提供：試驗件設計和制造文件,包括試驗件結構設計圖樣、材料質量證明文件、制造過程工藝文件、檢驗記錄和其他相關文件；驗證性爆破試驗報告,包括試驗測試設備、實驗程序、試驗過程記錄和實驗結論,并按技術評審流程完成技術評審。

此過程費時費力,且在容器的結構形狀、材料、制造技術要求等技術條件發生變化時,首次試制仍應進行驗證性爆破試驗,并經過技術評審,這無疑增大了企業的經濟成本、時間成本和人力成本,對鑄造容器的多樣性發展產生不利影響。另一方面,GB/T 150.1—2011中的規范性附錄C“以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力”是否適用于鑄鐵壓力容器還有待商榷[7]。

4 與國際標準相比

EN 13445-6和ASME-Ⅷ同樣提出了規則設計、分析設計,對結構復雜的鑄鐵壓力容器或其零部件的強度無法精確計算或對強度計算結果得不到安全保證時,還可用驗證性爆破試驗方法求得最大許用工作壓力,EN 13445-6甚至提出了疲勞分析設計。

以球墨鑄鐵為例,對國內相關標準和國外標準在材料、設計壓力、設計溫度、抗拉強度安全系數、無損檢測、熱處理和耐壓試驗要求等方面進行比較,見表1、表2、表3。

表1 國內外標準中鑄鐵壓力容器設計技術要求比較

表2 國內外標準中鑄鐵壓力容器部分制造技術要求比較

表3 EN 13445-6中關于鑄鐵壓力容器無損檢測的組合方式

對于首次試制的鑄造壓力容器在設計、制造方面都可能不太成熟,出現缺陷的概率較大,所以無論國內標準還是國外標準對首次試制鑄造壓力容器的無損檢測都十分重視[1]。另外,陳志平[13]等利用數值模擬軟件模擬分析得出球墨鑄鐵制造時是否進行去應力退火對容器承內壓性能的影響十分有限,由此可知國外標準在熱處理方面更靈活。

由以上對比分析可知,國外標準相比于國內標準安全系數較小,容器壁厚較薄,且可以靈活選用所需生產工序,技術較為先進,降低了經濟成本、人力成本和時間成本,產品競爭性較強。但是如果采用EN 13445-6或ASME-Ⅷ標準進行國內鑄造壓力容器設計、制造、驗收,應按照TSG 21—2016中 3.1.1（3）條的規定向原國家質檢總局提供符合性聲明和比照表,另一方面采用國外標準設計相當于降低了安全系數,仍需按照TSG 21—2016中3.2.1.1條的規定進行技術評審,程序更為煩瑣,過程更耗時耗力。

5 與國內鑄鐵鍋爐法規標準要求相比

TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》[14]中鑄鐵鍋爐專項要求中對鑄鐵鍋爐的允許使用范圍、材料、設計、制造、使用方面做出了具體規定,其設計部分的12.3.2條冷態爆破驗證試驗中詳細規定了需要爆破驗證試驗的情況、爆破試驗數量、爆破試驗壓力及整體性驗證水壓試驗的相關技術要求,并明確了由具有相應資質的設計文件鑒定機構進行現場見證,根據TSG G0001—2012中3.2條的規定,鍋爐本體的設計文件經原國家質檢總局核準的設計文件鑒定機構鑒定合格后即可投入生產,無須經過原國家質檢總局的技術評審環節,相比于壓力容器制造單位首次試制鑄造壓力容器如果采用驗證性爆破試驗設計須通過原國家質檢總局的技術評審,不僅有了較大的可操作性,而且有了具體的法規標準依據和技術要求。

6 結束語

由以上分析可知,目前我國的鑄造壓力容器在規則設計和分析設計方面法規標準適用性不足,基礎研究薄弱,應用局限性較大；驗證性爆破試驗設計依據GB/T 150.1—2011中規范性附錄C有待商榷,另外須經過原國家質檢總局技術評審,需要投入大量的人工成本和時間成本,對企業來說是一個較大的挑戰,對鑄造壓力容器的多樣性及鑄造壓力容器制造企業數量的發展產生不利影響；與國外標準相比存在標準更新滯后,基礎研究不足,產品競爭力不強；與國內其他鑄造承壓設備法規標準相比可操作性不足。

因此,加強對鑄造壓力容器的研究,加快相關法規標準建設,增強鑄造壓力容器的技術標準支持和國際競爭力是目前急需解決的問題；在技術評審方面給予企業相應的政策支持,另外,企業自身的技術攻關和相關企業標準的制定對鑄造壓力容器的發展也是非常必要的。