压力管道中美标准粗析及探讨.pdf

? ? 压力管道中美标准粗析及探讨 ? (中国华陆工程公司,西安 710054) ? 对主要的中美压力管道规范和法兰标准进行了分析,并对我国压力管道标准的发展和修 订提出了建议。对压力管道标准有关内容的应用进行了探讨。 ? 压力管道 标准 中国入世在即,这既面临着机遇也面对着挑战。 在国际贸易中标准化工作发挥着重要作用,标准是打 开世界贸易的钥匙。积极采用国际标准和国外先进标 准是我国一项重要的技术经济政策。抓紧对国际标准 进行分析、 研究和积极采用,提高我国标准水平和制 定、 修订速度,同国际惯例接轨,是我们迫切需要做好 的一项重要工作。本文试从压力管道设计规范和法兰 标准入手进行分析,以期有所推动。 1? 1.1 美国压力管道规范 ASMEB31压力管道规范由以下8部单独出版的 压力管道美国国家标准所组成: B31.1 动力管道 B31.2 燃料气管道 B31.3 工艺管道 B31.4 液态烃和其它液体管道输送系统 B31.5 致冷管道 B31.8 输气和配气管道系统 B31.9 建筑管道 B31.11 浆液管道输送系统 每部标准均包括设计、 材料、 管道组件限制、 制作、 装配、 安装、 检查、 检验和试验等内容,是一部完整的综 合性标准。其中ASME B31. 3工艺管道 内容涉及化 工和石油化工等行业的管道,原标准名为 化工厂和炼 油厂管道 。该标准最初由美国标准协会(ASA)组织 编制,美国机械工程师学会(ASME)主办,专业委员会 成员来自约40个不同的工程学会、 行业、 政府管理局 和各商业团体。首版标准于1935年问世,即 美国试 行标准 压力管道规范 。1942年正式以标准号 ASA B31.1出版。1995年决定单独出版不同行业的压 力管道规范,以适应不同行业的要求,这导致了上述 B31.4 ,B31.5和B31. 8等标准的出版和ASA B31. 3 - 1959炼油厂管道 的出版。由于1967年1969年美 国标准协会(ASA)先改名为美利坚合众国标准学会 (USAS) ,后又改为美国国家标准学会(ANSI) ,故1973 年标准代号改为ANSI B31.1。1976年因并入了化工厂 管道内容而更名为 化工厂和炼油厂管道 。1978年 美国国家标准B31委员会改组为ASME压力管道规范 B31委员会,自1980年后各版标准分别以ANSI/ ASME B31.3 ,ASME/ ANSI B31. 3和ASME B31. 3代号出版, 1996年版更名为 工艺管道 。 ASME B31委员会是常设机构,为及时反映材料、 建造和工业实践中的新发展,每35年发布新版标 准;各修订版之间,基本上每年发表增补,以反映标准 的最新修订动态,增补中的内容在发布6个月后生效; 此外,尚提供 “实例” 和 “解释” 服务,当规范用词需要澄 清、 答复意见修改了规范现有的要求以及允许使用新 材料或替代结构时,以 “实例” 形式另册发表,在限期内 有效;对提出的有关问题的正式答复将直接寄给询问 者,并将问题和答复以 “解释” 的形式单独发表,可谓服 务及时、 周到。 ASME B31.3规范自试行版问世至今已修订了15 版。 综上所述,ASME B31.3压力管道规范具有以下几 个特点: (1)由标准化协会和专业协会管理,已形成完整的 管理体系; (2)按不同行业要求分别出版完整的压力管道规 范; (3)具有良好的继承性、 实践性、 透明性和先进性; (4)信息通道畅通; (5)周期短。 1. 2 美国ASME B16.5管法兰和法兰管件 美国ASME B16.5管法兰和法兰管件 是一套在 ·81·化 工 施 工 技 术 2000年第22卷第5期 世界上通用的、 系统性较强、 内容涉及垫片、 螺栓及管 子的完整的管法兰标准。其公称压力等级为150、300、 400、600、900、1500和2500 ,公称直径为NPS 1/ 224 , 其适用的钢管外径尺寸应符合ASME B36. 10M。该标 准从1927年经美国标准协会(ASA)批准为美国试行 标准B16e以来已先后进行了13次修订,下一版将在 2001年出版。 根据技术的发展,ANSI B16. 5 - 1981年版增加了 镍和镍合金材料共7个类别13种材料,至ASME B16. 5 - 1996年版已发展到16个类别25种材料。笔者查 阅了有关资料,将与此对应的有关管道材料标准及其 机械性能参数列于表1 ,以供参考。 为在英制和公制尺寸间提供互换性,ANSI B16. 5 - 1981年版对螺栓孔和螺栓进行了修订并增加了公 制的尺寸表,但在1988年版中又决定取消了公制尺 寸,改名为ASME/ ANSI B16.5 - 1988。最新版为ASME B16.5 - 1996。 ?1? 类别号公称牌号AST M法兰规格AST M管子规格状态和尺寸 管子机械性能 抗拉强度,min MPa 屈服强度(0.2 %变 形,min MPa 2in或50mm(或 4D) 的伸长率,min% 3. 135Ni - 35Fe - 20Cr - CbB462 Gr.NO8020 B729 UNS NO0802055124130 3. 299. 0NiB160 Gr.NO2200B161 UNS NO2200 退火,NOS5 退火,NPS5 应力消限,所有尺寸 380 380 450 105 80 275 35 40 15 3. 399. 0Ni - Low CB160 Gr.NO2201B161 UNS NO2201 退火,NPS5 退火,NPS5 应力消限,所有尺寸 345 345 415 80 70 205 35 40 15 3. 4 67Ni - 30Cu 67Ni - 30Cu - S B564 Gr.NO4400 B164 Gr.NO4405 B165 UNS NO4400 退火,NPS5 退火,NPS5 应力消限,所有尺寸 480 480 585 195 170 380 35 35 15 3. 5 72Ni - 15Cr - 8Fe (Inconel 600) B564 Gr.NO6600B167 UNS NO6600 热加工或热加工退火,NPS5 NPS5 冷加工退火,NPS5 NPS5 550 515 550 550 205 170 240 205 35 35 30 35 3. 6 33Ni - 42Fe - 21Cr (Incoloy 800) B564 Gr.NO8800B407 UNS NO8800 冷加工退火 热加工退火或热加工 520 450 205 170 30 30 3. 765Ni - 28Mo - 2Fe(Hastelloy B - 2)B335 Gr.N10665B622 UNS N1066576035240 3. 8 54Ni - 16Mo - 15Cr(Hastelloy C- 276) 60Ni - 22Cr - 9Mo - 3. 5Cb(Inconel 625) 62Ni - 28Mo - 5Fe(Hastelloy B) 70Ni - 16Mo - 7Cr - 5Fe 61Ni - 16Mo - 16Cr(Hastelloy C- 4) 42Ni - 21. 5Cr - 3Mo - 2. 3Cu B564 Gr.N10276 B564 Gr.NO6625 B335 Gr.N10001 B573 Gr.NO10003 B574 Gr.NO6455 B564 Gr.NO8825 B622 UNS N10276 B444 UNS NO6625 B622 UNS N10001 B622 UNS NO6455 B423 UNS NO8825 退火 固溶退火 热加工退火 冷加工退火 690 827 690 690 690 517 586 283 414 276 310 276 172 241 40 30 30 40 40 30 30 3. 947Ni - 22Cr - 9Mo - 18Fe(Hastelloy X)B572 Gr.NO6002B622 UNS NO600269027635 3. 1025Ni - 46Fe - 21Cr - 5MoB672 Gr.NO8700 3. 1144Fe - 25Ni - 21Cr - MoB677 UNS NO8904 B677 UNS NO8904固溶退火49022035 3. 12 26Ni - 43Fe - 22Cr - 5Mo 47Ni - 22Cr - 20Fe - 7Mo(Hastelloy G- 3) B621 Gr.NO8320 B581 Gr.NO6985 B622 UNS NO8320 B622 UNS NO6985 517 621 193 241 35 40 3. 13 49Ni - 25Cr - 18Fe - 6Mo Ni - Fe - Cr - Mo - Low C B581 Gr.NO6975 B564 Gr.NO8031 B622 UNS NO6975 B622 UNS NO8031 586 650 221 276 40 40 3. 1447Ni - 22Cr - 19Fe - 6MoB581 Gr.NO6007B622 UNS NO600762124135 3. 1533Ni - 42Fe - 21Cr(Incoloy 800H)B564 Gr.NO8810B407 UNS NO8810热加工退火或冷加工退火45017030 3. 1635Ni - 19Cr - 1 1/ 4Si(Ra330)B511 Gr.NO8330B535 UNS NO8330退火48320730 注:UNS (Unified Numbering System for Metals and Alloys)即美国金属和合金统一数安编号系统,由一个字母打头与其后的5位数字组成。 2? 2.1 化工管道设计规范 HG J 8 - 87化工管道设计规范 现改名为HG 20695 - 1987。该规范是在总结建国以来化工管道的 设计、 施工、 验收及生产运行的基础上并参考了ANSI/ ASME B31.3及国内现行标准而编制的行业标准。该 规范的章节结构与ASME B31. 3相似,不少内容也引 自上述规范。该规范在化工及有关行业中得到广泛应 用。 但是该规范的标龄已达13年,自发布后一直未进 行过修订,其中不少内容已显陈旧,与其它相关标准已 经脱节,某些内容因直译ANSI/ ASME B31. 3的内容, 不够准确,难以正确表达规范原意,急待修订,目前正 在计划之中。 2. 2 国标 工业金属管道设计规范 该规范由国务院工程建设行政主管部门安排,诸 多各部直属设计单位参加,1992年启动,八易其稿,经 数次审查,于1997年已定稿,现正处待批阶段。 顾名思义,该规范是属于工业各行业通用的规范, 虽然在总则中说明了该规范不适用于核能、 城市煤气、 热力、 矿井、 暖风、 给排水等管道和长输管道,实际上仍 包含很宽的行业领域,但其内容很难全部适应各行业 的要求。审查过程中,曾认为若行业间差别较大,再另 编行业标准,这样,则失去了该规范通用之原意。笔者 ·91·2000年第22卷第5期 鲁剑英:压力管道中美标准粗析及探讨 认为,该标准适用行业不够明确,而客观上各行业间对 压力管道设计的要求存在差异,因此,把该规范作为强 制性标准是否妥当,值得商榷。 笔者认为,美国所走过的道路是值得借鉴的,他们 原计划把各行业的内容包罗在一部规范中,但后来还 是决定把存在不同要求的各行业部分各自独立发布成 专用的压力管道规范,如B31.4、B31.5、B31.8等,实际 上,我国某些行业已发布各种专用的管造设计规范,如 SY J13 - 86原油长输管道工艺及输油站设计规范 、 DL/ T505 - 96火力发电厂汽水管设计技术规定 、 CJJ34 - 90城市热力网设计规范 等,如能像美国那 样,建立统一的压力管道标准管理机制,对各行业的压 力管道规范进行统一的编制和修订,使其成为一个既 有针对性又统一的压力管道规范体系是很有意义的。 2.3 管法兰标准 关于我国的管法兰标准,基本上是各行业 “各行其 是”,各行业各自制定本行业适用的管法兰标准,如原 化工部的HG50015028 - 58管法兰(化工部暂行标 准) 、 原机械部的JB 7490 - 59管路法兰和垫片 、 JB/ ZQ 44564466 - 86对焊钢法兰 、 原石油部法兰标 准SY J 4 - 64、 原纺织部法兰标准FJ 91 - 98 - 63等,法 兰标准之多可称 “世界之最” 。七十年代曾试图进行法 兰标准的统一,但G B 10491093 - 70管道法兰及管 道法兰用垫片 由于其互换性和继承性较差,经试行无 法贯彻,1973年停止使用。G B 91129131 - 88钢制 管法兰国家标准 的发布满足了引进装置的需要,促进 了英制外径系列管子的推行。但由于该标准的公称压 力等级是欧洲系列和美洲系列混合编辑在一起的体 系,而两系列法兰所用管外径也采用不同的系列,即分 别为ISO 4200和ANSI B36.10M ,这使之应用受到了限 制。此外,由于法兰、 垫片、 螺栓和管子组成一个密封 结构,需要联系起来整体考虑,而该标准仅给出推荐使 用的螺栓材料作为标准附录,而未给出配套使用的具 体要求,这使之应用时很不方便,导致推广受到限制。 其后,各行业又陆续修订了本行业的法兰标准以弥补 其不足,因此目前我国的法兰标准仍处在标准过多、 各 不统一、 又差异不大的状况,表2列出当前的主要法兰 标准的简况。 ?2? 标准号 公称压力(MPa) 配管系列代替标准 G B 91129131 - 88 0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 2.0 5.0 10.0 15.0 25.0 4.2 ISO 4200 ANSIB36.10M G B 2555 - 81 G B 2556- 81 HG2059220614- 97 0. 25 0. 6 1. 0 1. 6 2. 5 4. 0 6. 3 10. 0 16. 0 25. 0 IS O 4200(A) HG J4476 - 91 (欧洲体系)公制管(B)HG50015028- 58 HG2061520635- 97 2.0 5. 0 11. 0 15. 0 26. 0 42. 0 ISO 4200 (美洲体系) JB/ T 7490 - 94 0. 25 0. 6 1. 0 1. 6 2. 5 4. 0 6. 3 10. 0 16. 0 20. 0 公制管JB 7491- 59 SH 3406 - 96 1. 0 2. 0 5. 0 6. 8 10. 0 15. 0 25. 0 42. 0 靠 ISO 4200圆整 SH3406 - 92 由于历史的原因,我国压力管道标准现在实际上 是两种公称压力体系和两种外径系列管子并存的状 态,然而如此多的法兰标准实在不必要,这不仅给设 计、 制造、 管理带来诸多不便,而且很难进入国际市场, 因此急需制定一部既兼各行业标准之长又能满足当前 需要的统一的法兰标准。 3? 3. 1 ASME B16.5法兰压力-温度等级的基准 关于ASME B16. 5法兰压力-温度等级的基准, 不同资料表达有所不同,这是由于所引用的公式不同 所致。根据英制单位的公式,其不同温度下所能承受 的最大无冲击压力由下式确定。 PT= PrS1/ 8750(1) 式中 PT 规定材料在温度T时额定工作压力,psi (g) ; Pr 公称压力等级(以psi表示的等级,例如 300等级,Pr= 300psi ,150等级除外 ) ; S1 规定材料在温度T时的选用应力,psi。 由式(1)可见,对于300等级的法兰,当S1= 8750psi时,其PT= 300psig。由压力-温度等级表可 知,对于碳钢(A105) ,其基准温度约为840?F(449)。 一些资料引用公制单位的公式,引自ANSI B16. 5 - 1981版的附录G。 PT= PN S1/ 148(2) 式中 PT 规定材料在温度T时的额定工作压力, bar(g) ; PN 公称压力等级号(以bar表示,例如 PN20 ,PN = 20bar) ; S1 规定材料在温度T时的选用应力,MPa。 由式(2)可见,对于与300等级相同的PN50等级, S1= 148MPa时,PT= 50bar时,PT= 50bar(g) ,对于同样 的A105材料,其基准温度约为50。显然,这是由于 公称压力的基准不同。 也有资料引用下式表示: PT= PrS1/ 615.2 公式中所有单位意义与前述相同,单位为kg/ cm2,它是由式(1)经单位换算而得,实际上相同。 值得提及的是自ASMEB16.5 - 1988年版起,公制 单位的部分已经取消。由英制单位的压力-温度等级 表可见,在很多情况下,法兰的最大允许无冲击工作压 力是可以超过公称压力的,这一点应在使用中给予注 意。此外,最大允许无冲击工作压力并非设计压力或 工作压力,前者意指稳定持续性压力,后者经常包含压 ·02·化 工 施 工 技 术 2000年第22卷第5期 力的波动。根据ASME B31. 3、302. 2. 4规定对于偶然 的变动工况,允许超过设计温度下的额定压力20 % 33 % ,但其变化对管道系统安全的影响应由设计者确 定。 3.2 ASME B16.5法兰用螺栓 根据标准不言而喻,应采用英制螺栓。但由于推 行采用国际标准影响,经常会提出采用ISO 261公制 螺栓与其配套。这会存在两方面的问题,应予以考虑: (1)按ISO 261采购螺栓在某些国家可能较困难; (2)当采用带外环的缠绕垫片,由于其外环直径尺 寸较大,会稍许伸入到螺栓孔部分,而公制螺栓的直径 又大于英制螺栓,因此会使之定位存在困难。 3.3 法兰的技术规格要求 ASME B16.5法兰标准对一些应根据用户具体情 况而定的参数不作硬性规定,而把决定权给予用户,这 种作法是很值得借鉴的。如带颈对焊法兰和承插焊法 兰的内径即如此。在150和300等级中,对于NPS 12 ,表中给出相应于接管为Sch. 40的法兰内径值,但 注明,用户亦可另外规定,其余各等级中均未规定尺 寸,而由用户决定。HG标准(美洲体系)规定与ASME B16.5相同,HG标准(欧洲体系)的各等级虽给出具体 数据,但对带颈对焊法兰有附加说明,其尺寸一般应由 用户确定,并在订货和标注中注明;对于承插焊法兰没 有明确说明。笔者认为,采用与美洲体系相同的原则 较宜。 HG20592和HG20615对法兰的标记作了明确的 规定,然而国内的管道设计人员习惯于完全依赖于标 准的规定,而忽视了本应自己决定的技术规定。对于 带颈对焊法兰和承插焊法兰经常不标注所接钢管壁 厚,在所接实际钢管的壁厚和标准有较大差异时,现场 施工时为避免内壁错边,就要进行修整,增加了现场工 作量。 对于法兰密封面表面粗糙度的要求通常也容易忽 视,在设计文件中很少提出,大多认为标准中已经规定 了数值,无需再提。为保证良好的密封,设计人员应根 据所选用垫片的型式来决定法兰密封面的表面粗糙 度,例如,对于非金属平垫片,通常选用Ra 6.312. 5 , 对于缠绕垫,则选用Ra3. 26. 3 ,并应在设计文件及 采购技术文件中注明。国外工程公司的作法是,对不 同表面粗糙度的法兰,分别给以代号,在采购技术文件 中说明其具体的表面粗糙度要求,总之,设计的细化, 会在采购、 施工等方面收到很大的效益。 3.4 承插焊和螺纹管件的压力-温度额定参数 根据ASME B16. 11 ,其螺纹管件设计成2000 ,3000 和6000等级,承插焊管件设计成3000 ,6000和9000等 级,这些数字仅为等级标号,不可简单地将其理解为额 定工作压力即为3000psi ,6000psi等。每一管件的压力 -温度额定参数应按具有对应Sch1 和相同材料的直 无缝管进行计算,各等级与管子Sch1 的对应关系见表 3。 ?3?Sch1 ? 管件等级代号管件型式 额定参数对应的管子 Sch.No 壁厚标号 2000螺纹80XS 3000螺纹160- 6000螺纹-XXS 3000承插焊80XS 6000承插焊160- 9000承插焊-XXS 计算中所用壁厚应当取ANSI/ ASME B36. 10M中 对应Sch1 所列数值减去制造公差和附加余量。 3. 5 低温用钢管 我国标准将低温限统一定为- 20,这虽无科学 依据,但要参照ASME标准进行修订,尚需研究。因 此,根据我国标准规定,对于低于- 20 的钢材,应按 规定进行低温冲击试验。HG20695 - 1987化工管道设 计规范 的表2. 1. 2. 2中规定其低温限为- 29,和 G B150不一致,值得商榷。 ASTM A333是常用的低温管材,其各种等级材料 及适用温度见表4。 ?4ASTM? 材料等级最低冲击试验温度 碳钢1- 45 3.5Ni3- 100 0.75Cr - 0.75Ni - Cu - Al4- 100 碳钢6- 45 2.25Ni7- 75 9Ni8- 195 2Ni - 1Cu9- 75 10- 60 11不需作冲击试验 其中Gradel和6为碳钢,但标准规定了严格的热 处理要求以控制金属的显微结构,改善其低温韧性。 全国化工设备设计技术中心站正致力于ASME压 力容器规范中国化和ASME钢材国产化的工作,这是 很有意义的。 七十年代,我国曾研制出在- 40- 253 范围适 用的一系列钢材,如09MnTiCuRe、06MnNb等,但主要 由于材料不配套,用量不大等原因,未得到普遍推广。 (下转26页) ·12·2000年第22卷第5期 鲁剑英:压力管道中美标准粗析及探讨 ? ?2? 6? (1)试压系统的划分应以设计压力为基础,管道操 作单元为区域,并充分考虑介质、 管道位置、 盲板安装 难易等因素。 (2)在特定的条件下,选取气体作为试验介质,可 以突破规范的要求。 (3)用气体介质进行压力试验时,其系统储能不超 过3.1×107J为宜。 在燕化重整加氢装置,重油催化装置和聚丙烯装 置中,采用上述模式确定压力试验方法,取得了良好的 效果。实践证明,该模式是行之有效的,具有较强的科 学性、 实用性和安全性。 ? 1 周志明 1 管道气压试验储能计算,化工施工技术,19861 2 周顺深 1 钢脆性和工程结构脆性断裂,上海科学技术出版社,19831 3 李培宁,等 1ASME IWB - 3650压力管道缺陷评定规范,19931 4 北京经济学院劳动保护系,压力容器安全工程学,19801 (收稿日期:2000 - 09 - 10) (上接第21页) 目前设计中常用的国产低温钢管有16Mn、09MnD 和09Mn2V ,其使用温度下限分别为- 40、- 50和 - 70。但经常存在因用量不大而定货困难,不锈钢 是常用的代材。对于低温压力容器设计设备专业常采 用所谓按 “低温低应力工况” 进行设计,即在 “低温低压 力工况” 下,若其设计温度加50 后,高 于- 20,则 可按常规进行选材、 设计。ASME B31.3 - 1996表323. 2.2亦有类似的规定,如设计温度低于- 29,但等于 或高于- 46,所制造组件的最大操作压力不超过环 境温度下最大允许设计压力的25 % ,且由于压力、 静 重和位移应变所引起的合成纵向应力不超过41MPa 时,可免作低温冲击试验。HG20695 - 1987的表2. 1. 2.2中规定与此类似,但因是译文,不够准确。通常, 在压力管道设计中很少利用这一规定,如能给予考虑, 可增加低温管道选材的灵活性。 4? 通过上述中美压力管道规范和标准的分析,笔者 提出以下两点建议: (1)建立国家级压力管道标准管理机制,以统一有 关压力管道标准。 (2)建立永久性的用户-标准管理机构信息反馈 通道很有必要。 ? 1 ASME B31.3 - 1996 ,Process Piping. 2 ASME B16.5 - 1996 ,Pipe Flanges and Flanged Fittings. 3 Annual Bood of ASTM Standards 1994.Vol 02.04. 4 安继儒,袁金华,雷群 1 中外常用金属材料手册 1 陕西省科学技术出 版社,19981 5 HG20695 - 1987 ,化工管道设计规范 1 6 G B91129131 - 88 ,钢制管法兰国家标准 1 7 HG2059220635 - 97 ,钢制管法兰、 垫片、 紧固件 1 8 蔡而辅 1 石油化工管线设计 1 化学工业出版社,19841 9 ASME B16.11 - 1996 ,Forged Fittings ,Socket - Welding ard Threaded. 10 ASTM A333/ A333M - 94 ,Standard Specitication for Seamlell and Welded Steel Pipe for Low- Temperature Service. 11 G B150 - 1998 ,钢制压力容器 1 (收稿日期:2000 - 09 - 10) ·62·化 工 施 工 技 术 2000年第22卷第5期