球磨铸铁压力容器现行标准规范比较

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  摘要:球磨铸铁压力容器的应用愈加广泛。本文基于某压缩机冷却器铸铁壳体的设计,针对目前我国球磨铸铁压力容器标准更新较慢的现状,分析比较了TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》、美国ASMEⅧ-l和歐盟EN 13445-6等规范在球磨铸铁压力容器设计方面的相关规定,为我国相关标准和规范的完善提出了些许建议。
  关键词:球磨铸铁;安全系数;爆破试验
  随着我国压力容器行业的发展和铸造技术的逐步提高,铸铁容器的应用越来越受到人们的重视。铸铁有微观多孔性,没有明显变形及蠕变,而且还有着很好的耐蚀及耐磨性,在加工工艺上能够制造结构较复杂的容器。球墨铸铁因为其具有良好的铸造性能和力学性能,使得球磨铸铁容器一次铸造成型,无需焊接,可保证器身的完整性和密闭性,而无缝结构更使得其具有优越的屏蔽性。因此,在压力容器行业得到了广泛的应用。在实际生产中,球墨铸铁容器往往被用于压缩机冷却器的壳体,造纸行业中的烘缸[1],以及储存设备。
  笔者目前就在一家大型外资企业监检一种铸铁换热器,该换热器作为冷却器广泛应用于各种类型压缩机机组中,该企业的压缩机产品全球市场占有率近30%。
  该铸铁换热器简易图如图1所示,设计制造依据为TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[2](以下简称《固容规》)、GB150-2011《压力容器》[3]、GB151/T-2014《热交换器》[4]。图示冷却器有两个独立换热腔体,壳程介质为空气,管程介质为水,换热器管束部件由不锈钢管子和不锈钢管板焊接制造(本文不对管束部分进行探讨),外壳以及四个端盖由于外形结构复杂如图2所示,采用ASME SA395 60-40-18[5]球磨铸铁材料制造。本文旨在该类型铸铁压力容器设计的基础上,对现行国内外标准规范设计方面的规定进行初步探讨比较。
  1压力容器用球磨铸铁材料的使用限制
  目前现行各国对压力容器用球磨铸铁材料材料都有相应的规定约束。其中,美国ASMEⅧ-1中规定可用于制造球墨铸铁压力容器的材料牌号为SA-395;欧盟EN 13445-6中规定:欧盟EN 1563中EN-GJS-350-22和EN-GJS-400-18相关的六种牌号的材料均可用于制造球磨铸铁压力容器[6,7];我国新版TSG21-2016《固容规》中规定:GB/T 1348-2009中规定的牌号为QT400-18R和QT400-18L QT350-22R、QT350-22L[8]的球墨铸铁允许用于制造压力容器。相比于09版固容规[9],新增加了QT350-22R、QT350-22L两种材料。各标准中规定的常见球磨铸铁材料比较见表1中。
  由表1可见,欧盟标准设计温度最低可达-40℃,我国为-20℃(09版固容规仅为-10℃),可见我国球墨铸铁容器设计温度的上限虽然与欧美标准很接近,但设计温度的下限却要高于欧美标准。同时,美国球墨铸铁容器的设计压力最高可达7 MPa,而我国最高限制到1.6MPa,反映出我国对球墨铸铁容器设计压力的限制较为保守。
  另外,欧盟EN 13445-6还允许球铁容器承受一定的疲劳载荷,在其2002年版标准的总则中提出了疲劳分析的相关内容,在2004年增补中正式将这部分内容作为附录D引入标准,并在2006和2008年的增补中完善了该部分内容。国内针对球磨铸铁容器的疲劳性能的研究较少,QT400-18球磨铸铁材料的疲劳试验数据可见郭靖[10]等的研究。
  力学性能是选取压力容器制造材料的重要依据。通过比较后发现,球磨铸铁各牌号的主要力学性能指标都比较接近,其中欧盟和我国球磨铸铁材料接近牌号的抗拉强度、屈服极限和断后伸长率完全相同。
  除拉伸力学性能指标外,我国GB/T 1348和欧盟EN 1563还对材料的冲击韧性提出了附加要求,且两标准对应牌号的冲击功指标基本相同。综合比较,我们球磨铸铁材料的力学性能指标要求和欧美标准基本一致。
  笔者所监检的铸铁换热器设计用材料沿用了其制造公司全球市场产品采用的ASME SA395 60-40-18。一方面该材料在全球范围内已经有长时间的应用经验,并且铸件生产商针对该成分已经形成较为稳定的供应品质;另外一方面由于国内老版固容规的QT400-18L材料的设计温度范围为-10~300℃,无法适应该设备在国内较大范围内的最低温度要求。新版TSG21《固容规》虽然新引入了QT350-22L的材料,使设计温度可以达到最低-20℃的,但是由于力学性能方面与实际制造水平还有所差异,所以设计单位仍采用了SA395材料。按照固容规境外牌号材料选用的相关规定对铸件材料按照炉号进行化学成分和力学性能的复验,复验结果实测值符合相关要求,方进行使用。
  2安全系数
  我国TSG21《固容规》在第3.2.1.1条规定:“球墨铸铁室温下抗拉强度安全系数应当不小于8.0”,相比于老容规并无改变。
  美国在ASMEⅧ-1中引入UCD篇《球墨铸铁制压力容器的要求》,该标准明确了牌号为SA395的球墨铸铁材料在许用温度范围下的最大许用应力为12ksi(相当于82.7MPa),最小抗拉强度为60ksi(相当于414MPa),并要求根据铸造方式、无损检测方式以及表面粗糙度的不同,分别选取80%~100%的“铸造质量系数”,推算其给出的球墨铸铁材料抗拉强度的安全系数约为5.0~6.25之间。
  欧盟标准中,对于球墨铸铁材料许用应力的取值方法也经历了多次改革,较早的版本中,规定安全因子S取值为3,相对应的抗拉强度安全系数取值约在5.3~6.0之间;2006年,欧盟标准对安全因子的取值做了修正,增加了S可取2的情况,如表2所示。当S取2时,材料的抗拉强度安全系数约在3.5~4.0之间。
  综上比较,我国球墨铸铁容器设计时安全系数取值较欧美偏大很多。由于各国材料性能接近,过大的安全系数致使容器设备壁厚偏厚,导致材料和能源的浪费及制造成本的大幅增加。欧盟标准在安全系数方面引入多种影响因子进行控制,相比于国内标准更加灵活。随着我国近年来铸造技术的发展,铸造水平差距在逐步地缩小。过大的安全系数带来的制造成本高的问题不利于与外国同行的竞争。因此,我国应通过科学研究、试验探究以及相关球墨铸铁容器的使用经验,经过专家论证,在不影响安全性的条件下,适当地降低安全系数,或者更加灵活地制定和使用安全系数。   3爆破试验设计方法
  笔者监检的冷却器铸铁壳体及端盖由于形状非常复杂,另考虑到国内外球磨铸铁安全系数的较大差异,故采用GB150.1-2011《压力容器》附录C以验证性爆破试验确定容器的设计压力方法进行其壳体的设计。具体思路是:
  按照150.1 附录C.3的要求对容器进行加压,直至容器爆破或者到设定的停止点,记录此时的压力,之后代入下面1式算得试验温度下的最高允许工作压力,然后按2式进行考虑腐蚀余量的折算,最后按3式进行温度校正,得到设计温度下的最高允许工作压力,以此为确定设计压力的依据。当然,也可以逆向推算来确定最高允许工作压力。由以下公式可以看出,通过爆破法计算出的最高允许工作压力只与材料的力学性能参数有关,与安全系数无关,本次监检的铸铁冷却器例子也是通过这种方法避开了国内球磨铸铁安全系数较大带来的相关问题。
  特别要注意的是,使用该设计方法应按照TSG21-2016《固容规》3.1.5的规定通过新技术评审。
  ASME关于球墨铸铁制造压力容器爆破试验主要涉及ASMEⅧ-1:UG-24,UG-101,UCD-101。以SA-395材料为例,具体思路是:
  先按照下列公式反推出预期爆破试验压力B值(其中以设计压力代替),然后以预期爆破试验压力为参照进行有步骤(参照UG-101(h))爆破试验,直至容器破裂,记录爆破时的压力,然后代入下列公式,求得各个部件的最大允许工作压力(MAWP)值PR(若考虑腐蚀余量,还应该计入一个折算系数/false);由下列公式可以看出此MAWP值只與材料的力学性能有关,因此由于一台设备上有不同材料元件时,所求得的false将有数个,取其中的最小值作为此设备的此设备的MAWP,然后与设计压力作比较,判定是否合格;注:不允许试验后通过调整相关系数使得MAWP达到设计要求。
  B—爆破试验压力或液压试验停止点压力;
  false—室温最小抗拉强度,
  false—试样平均抗拉强度;
  f—铸造质量系数,见UG-24;
  EN 13445-6中5.2.2.1.5和5.2.2.1.6条提出了“通过试验的设计方法”,并对该方法进行了规定和解释,给出了通过水压爆破试验取得分析设计厚度ea和最小厚度emin 的计算公式及爆破试验的操作规程。
  应注意,三种方法都是针对按常规计算无法完成设计的结构特殊的压力容器,若按常规设计可以完成设计计算而采用此方法是不允许的,且不经济;在爆破试验实施之前一定要进行相关的估算校核,为压力表的选取、施压的步骤以及安全防护措施提供一个参照的依据。
  4其他设计问题引申
  (1)我国新版TSG21-2016《固容规》关于铸造压力容器的制造第4.2.7.2条规定:“铸造受压元件加工后不得有裂纹,如有缩孔、砂眼、气孔、缩松等铸造缺陷,不得超过设计图样的要求,在突出的边缘和凹角部位,应当具有足够的圆角半径,避免表面形状和交界处厚度的突变”。这条要求对于设计单位来说是较高要求,根据笔者检验铸铁受压元件的经验,虽然目前国内原材料供应商的铸造水平日益提高,但是铸造缺陷是无法避免的。比如内部缺陷:气孔、砂眼、夹杂、缩孔、淬火裂纹、热撕裂、插入未融合等,以及外部缺陷比如剥砂面、夹渣结疤、砂眼、石墨粉空洞、分型槽、麻面、橡皮状皱皮、缩松、表面裂纹等。这些缺陷的存在对铸铁压力容器运行及使用过程中安全性会带来的影响是有很大区别的。笔者也呼吁相关学者能否对一些缺陷进行分类评级,便于让设计单位依据铸铁容器的设计参数与应用环境进行选择评判。
  (2)不可否认的是,热处理能够有效去除铸件内部的残余应力,提高铸件的力学性能。ASME在SA 395中4.1和4.2条规定:除特殊说明外,必须对铸件进行铁素体化热处理,而去应力退火则可根据供需双方的协议来进行。EN 13445-6中5.3.1条规定:可以采用延长开箱时间,让铸件在砂型中逐渐冷却后再空冷的方式进行热处理。当此过程不能有效地消除铸件内部的残余应力时,应根据供需双方的协议对铸件进行去应力退火。
  国内虽然在HG 20531《铸钢 铸铁压力容器》[11]中明确规定:铸造受压元件必须进行热处理;如订货时无特殊要求,热处理工艺可由制造单位决定。但是由于该标准年代久远,早已经无企业执行。现如今标准中的热处理是否需要再明确指出。
  结语
  铸铁压力容器与钢制压力容器相比数量所占比例虽然很小,但是铸铁压力容器之所以能够长期应用在生产中,它有着与钢制压力容器不同的特性,而且相互不能取代。
  本文从实际在制造厂监检的铸铁压力容器产品设计出发,对现行国内外的相关标准在球磨铸铁压力容器设计方面的规定进行了些许比较。随着我国制造业的迅速发展,球磨铸铁也得到了更多关注,在借鉴国内外成熟经验的基础上,结合我国发展实际,可以适当考虑调整安全系数以及材料设计温度以及压力等范围,实现材料价值的最优利用,同时也应该进一步完善相关标准,切实保证铸铁压力容器的安全运行。
  参考文献:
  [1]张东峻,盖栋梁,卞学询.关于”造纸机用铸铁烘缸设计规定”的商榷之二[J].轻工机械,2010,28(3):l-3.
  [2]TSG 21-2016,固定式压力容器安全技术监察规程[s].
  [3]GB 150-2011,压力容器[s].
  [4]GB/T 151-2014,热交换器[s].
  [5]ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VⅢ Division 1:Rules for ConstructionofPressure Vessels[S].2015.
  [6]EN 13445-6,Requirements for the Design and Fabrication of Pressure Vessels and Pressure Parts Construeted from Spheroidal Graphite Cast Iron[S].2014.
  [7]EN 1563,Founding-Spheroidal Graphite Cast Iron[S].2012.
  [8]GB/T 1348-2009,球墨铸铁件[s].
  [9]TSG R0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程[s].
  [10]郭靖.压力容器用球磨铸铁材料疲劳性能试验研究[浙江大学硕士学位论文].浙江大学,2013.
  [11]HG 20531-1993,铸钢、铸铁容器[s].
  作者简介:
  李飞,男,硕士,工程师。
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