一、標準修訂的指導思想
積極采用國際標準和國外先進標準是我國的一項重要技術經濟政策,是技術引進的重要組成部分。制、修訂標準應做到技術先進,經濟合理,安全可靠,適合國情。
我們是按照上述精神和要求開展工作的。對于本標準的修訂,我們主要參照采用了最新版本的美國EJMAS一93。同時我們還參考了GBl6749-1997、GJB1996-94及最新版本的美國ASME B31.3、ASME BPVC Ⅲ-1-NC、ASME BPVC Ⅷ-1、MIL-E-17813F,英國BS6129,日本JIS B2352、JIS B 8277;原蘇聯的DOCT 23129等國內、外先進標準的有關技術內容。標準修訂還考慮了國內膨脹節行業現狀并吸收了近些年來膨脹節行業在產品設計、制造和試驗研究方面的經驗和成果。
標準修訂版按GB/Tl.1-1993和GB/T1.3-1997規定編寫。
二、修訂的主要內容和理由
l、范圍
與前版相比,對本標準的適用范圍這次作了如下修改:
a)取消了對膨脹節工作條件的限制。膨脹節的工作條件取決于管系工作條件,通過對膨脹節材料的正確選用及膨脹節結構的合理設計一般總是可以保證滿足任何管系工作條件要求。
b)修改了本標準使用的膨脹節。明確規定了膨脹節是用于管道中的,其撓性元件是整體成形的無加強U形、加強U形和Ω形波紋管,膨脹節是各種型式、規格的圓形膨脹節。
c)將前版"本標準不適用于按GBl50規定設計、制造驗收的金屬波紋管膨脹節"修改為"壓力容器用膨脹節亦可參照使用"。壓力容器用膨脹節只是在制造質量管理要求上有所差異,其他內容應當基本相同。
2、定義
修訂版在"定義"一章取消了“單式技桿型膨脹節”和“雙膨脹節”兩個術語,補充了"復式自由型膨脹節"、"復式萬向鉸鏈型膨脹節"、"加強環"等七個術語并給出了定義(見3.6、3.9、3.13~3.17)。
眾所周知,單式拉桿型膨脹節因其橫向位移能力太小而不被常用,雙膨脹節實際上是兩個單式軸向型膨脹節的組合。新增的兩種型式膨脹節已在國內被大量廣泛用于工廠設備間的連接管道中,實際上己經成為常用型式膨脹節。
各種型式膨脹節術語的定義的表述包括結構、能否承受波紋管壓力推力和可吸收的主要位移三方面內容。
3、分類
按GB/T1.3-1997中5.4.2規定;修訂版增加了"分類"一章。
膨脹節產品型式由膨脹節型式、波紋管型式和膨脹節端部連接型式三個要素組成 (見表 1~3)。膨脹節產品規格由設計壓力、公稱直徑和設計位移,三個主要要素構成,它們反映了膨脹節的尺寸、耐壓能力和位移能力。在此基礎上對膨脹節產品型號表示方法作出了規定(見4•2)。
由于本標準前版對膨脹節型號表示方法沒有作出規定,因此各膨脹節制造廠在其產品樣本中采用了各自互不相同的產品型號表示方法。在調研階段我們了解到幾乎所有單位都認為本次修訂時有必要對產品型號表示方法作出規定,這樣做既便利于用戶選用產品又有利于規范目前行業內產品型號表示的混亂局面。
4、波紋管材料要求
對于波紋管常用材料,刪去了碳鋼和低合金鋼,補充了耐蝕合金 (見5•1•1)。
這一修訂主要是參照了BS6129、JIS B 2352、MIL-E-17813F及大量的國內、外廠家產品樣本的內容。碳鋼和低合金鋼一般推薦用于壓力容器膨脹節,耐蝕合金國內、外已大量用來制造對耐腐蝕性和高溫性能要求高的波紋管。這樣的修訂比較符合波紋管用材的國內、外現狀。
同時,修訂版還補充了對波紋管材料狀態和表面質量的要求,修改了部分材料允許使用溫度范圍的上限值。
5、波紋管設計要求
修訂版等效采用EJMAS-93內容,增加了加強U形波紋管和Ω形波紋管的設計規定(見附錄A)。我們所做的驗證試驗表明這些設計規定是安全、合理的。
附錄A中還補充了對波紋形狀設計的規定。對于U形波紋管;規定τc=τr≥(4+n)δ,這參照了EJMAS和AMSE BPV Ⅲ-1的內容。對于Ω形波紋管,規定L0≤r/2,r0>4nδ,這是根據Broyles論文的內容確定的。我們認為國外標準和論文所作的這些規定是合理的,它有利于減小U形和Ω形波紋管應力集中影響并可保證Ω形波紋管的耐壓性能不降低。
附錄A還將設計疲勞壽命安全系數nf由≥15修改為≥10。這是以調研階段國內主要廠家意見及七二五所和晨光機器廠等單位的疲勞壽命試驗結果作為依據而修改的、對三種型式的成形態奧氏體不銹鋼波紋管,各單位的疲勞壽命試驗結果表明;采用nf=10進行設計時其實測疲勞壽命值均大于本標準要求的試驗疲勞壽命值,nf≥10的規定是合理的,詳情可見《波紋管設計公式試驗驗證報告》。
6、 制造要求
修訂版補充了受壓筒節制造要求(見5.3.2),并增加了連接環向焊縫制造要求(見5.3.3.1~5.3.3.4)。
對受壓筒節制造規定了五條要求,這些要求主要參照了GB16749、GB50235、GB985、GBl50等標準的有關內容。特別是5•3•2•2條對鋼板卷制焊接筒節規定應按GB 50235一97中4•3要求制造,這一規定改變了前版只規定了周長公差和圓度公差要求的情況,使受壓筒節制造質量有了全面可靠保證。
前版對波紋管與受壓筒節間連接環向焊縫的制造要求沒有作出規定,這次增加了這方面的內容;明確規定了波紋管連接環向焊縫宜為全焊透波紋管壁厚的對接型焊縫,波紋管與受壓筒節連接型式宜為構插型式或外套型式,受壓筒節的承插口和坡口面宜采用機械方法加工,并規定了焊縫外觀檢查的驗收標準。這些規定主要參照了ASME BPV Ⅲ-1-NC、ASME BPVC Ⅷ-1、JIS B 8277等標準的有關內容。
7、無損探傷要求
針對前版對管坯縱向焊縫、受壓筒節焊縫、波紋管連接環向焊縫三種焊縫無損探傷要求的規定可操作性差的問題,這次作了大幅度修改,修改過程中參照了EJMAS-85、EJMAS-93、ASME B31.3-97、ASME BPVC Ⅲ-1-NC-95、ASME BPVC Ⅷ-1-95、JIS B 8277-93、BS 6129-81、GB150-98、GB16749-97、GJB1996-94等標準的相關內容,其修改要點如下:
a) 管坯縱向焊縫應按不同工況和情況進行不同數量的內、外表面著色滲透探傷或射線探傷(7.3.2.2),規定了著色滲透探傷的適用范圍和驗收標準(見5•3•1•6•1)。
b) 受壓筒節縱向焊縫和環向焊縫一般應進行局部射線探傷,規定了驗收標準(見5.3.2.4)。
c) 波紋管連接環向焊縫應按不同工況和情況進行不同數量的著色滲透探傷(7.3.2.3),規定了驗收標準(見5.3.3.4)。
d) Pd≤O.lMPa的膨脹節,上述三類焊縫可以不進行探傷(見7.3.2.4)。
這些規定較之前版中《根據使用要求》決定是否探傷及探傷數量的規定更具體化了,具有好的可操作性,同時明確規定了驗收標準,方便了判斷驗收。
8、試驗要求
參照ASME B31.3-97和EJMAS-93的有關規定修改了壓力試驗要求,對內壓膨脹節的試驗壓力作出了新的規定(見5.4.1.1),這是基于試驗壓力下波紋管不應產生失隱和屈服這一考慮而規定的。另外補充了真空條件用膨脹節壓力試驗要求(見5.4.1.3)。
修訂版對疲勞試驗要求作了全面修改(見5.4.3),規定了以下幾項內容:
a) 疲勞試驗目的是檢驗波紋管經受規定位移循環次數的能力,這意味著波紋管的試驗位移循環次數應為規定次數,達到此規定次數時疲勞試驗即完成,波紋管未發生疲勞破壞即為合格,如波紋管發生了疲勞破壞即為不合格。
b) 明確規定了疲勞破壞的定義。
c) 定量地規定了疲勞試驗位移循環次數要求,此次數應為Ks43[Nc],并說明了應力系數Ks的取值。
上述a)參照采用了EJMAS-93、BS 6129-81的內容,b)參照采用了EJMAS-93的規定,c)參照采用了ASME BPVC Ⅲ-1-NC-95的有關內容并加上了我們的具體分析意見。
關于Ks的計算介紹如下,
Ks- 應力系數
Ks=Ksc•Kss 且≥1.25
Ksc- 設計疲勞曲線的溫度修正系數
Ksc=Ct=Eb/Ebt(ASME規定Ksc=(2[σ]b)/([σ]b+[σ]bt))
Kss-試驗結果的統計偏差系數
Kss=1.47-0.044Nf/5
建立疲勞曲線的疲勞試驗數據點數量
經查,EJMAS一93給出的無加強U形,加強U形,Ω形波紋管平均疲勞曲線的Nf分別為 52、70、16。經計算Kss分別為1.01、0.85、1.33。考慮到波紋管允許使用溫度上限值,就可得出5.5.4中的關于疲勞試驗位移循環次數要求的規定。
9、試驗方法
對于疲勞試驗方法,主要有以下內容的修訂(見6.7):
1)增加了對試驗裝置的要求;
2)補充了對試驗波紋管波數的要求;
3)增加了對試驗循環位移形式和位移范圍的要求;
4)補充了試驗循環速率的要求;
這些修訂內容參照采用了EJMAS-93、ASME BPVC Ⅲ-1-NC-95的有關規定,同時也考慮了我們的實際經驗。
10、檢驗規則
修訂版在"檢驗規則"一章及其他相關章節取消了剛度試驗和失穩試驗兩個型式試驗項目。
剛度試驗一般用來驗證標準給出的理論初始軸向彈性剛度公式的精度。我們及其他單位所進行的波紋管剛度試驗結果都己證明本標準附錄A給出的剛度計算式有很好的精度。對于大多數應用場合,膨脹節剛度性能不認為是重要的使用性能,設計單位往往對膨脹節剛度值不作為設計條件而提出具體要求。一般情況下只向設計單位提供計算彈性剛度值并以此值作為工作剛度值使用就足夠了,沒有必要再規定剛度試驗要求了。同時考慮到幾乎所有的國外標準都沒有將剛度試驗列為產品檢驗項目,因此修訂版取消了這項試驗。
按美國EJMAS-93和ASME BPVC Ⅲ-1-NC-95標準,失穩試驗與子午向屈服-破裂試驗一樣都是用來驗證標準給出的有關設計計算公式的破壞性試驗項目,并且對這兩項驗證性試驗都有對試件數量的要求。本標準附錄A給出的Psc和Psi計算公式是根據EJMA失穩試驗結果加了2.25安全系數而得到的,我們在標準修訂中所安排的設計公式驗證試驗也證明這些公式用于膨脹節壓力穩定性設計是足夠安全的。如按這些公式進行設計,波紋管在使用中是不應出現失穩現象的。另外,在產品壓力試驗中對波紋管壓力穩定性規定有要求,符合這個要求的膨脹節在正常使用中可保證不會發生失穩問題。因此,在型式檢驗中沒有必要再額外規定失穩試驗要求了,所有國外標準在產品檢驗項目中都沒有規定失穩試驗這一事實也支持了上述觀點。
產品的質量由設計質量、制造質量和交貨準備質量構成,設計質量是由采用安全可靠的設計公式來保證的,產品檢驗項目的確定應主要考慮與制造質量有關的項目,例如外觀檢查、尺寸檢查、無損探傷、壓力試驗、疲勞試驗等項目。
三、待定問題及其說明
下面列舉的幾個與波紋管設計有關的技術問題國內目前尚難以解決而暫時不能在修訂版中作出明確規定,這些問題包括:
-- 設計溫度下成形態波紋管材料屈服強度取值;
-- 角位移和橫向位移對柱穩定性能影響;
-- 軸向壓縮位移對平面內穩定性的影響;
-- 軸向拉伸位移對耐壓強度性能影響;
-- 最大應力幅值對疲勞性能的影響。
上述問題是國內各單位在設計工作中遇到的不可回避的重要問題,不少單位部有各自的經驗方法應用在具體設計工作中,但均缺乏足夠的資料依據和試驗支持。個別廠家正在通過查閱國外貿料或通過試驗研究試圖予以解決,但均無適用的成熟成果報導。鑒于上述情況,我們認為有必要呼吁全行業都來積極開展試驗研究工作,期望再次修訂標準時對這些問題的解決能有所突破。
四、與國外同類標準的分析對比
為使本標準與國內外相關標準協調一致,在本標準的編制過程中,對于重要技術內容的修訂,我們參照上述九個國外相關標準和兩個相關國家標準,分析吸收了其中的某些先進技術內容。
同時,針對這些相關標準對某些技術內容的規定存在著不夠完善與不夠明確、具體的問題,我們作了相應的補充并使其規定得明確、具體。另外,我們還修改了這些相關標準中個別不適合我國廠家實際情況的內容。這樣,使本標準的規定更具良好的可操作性。
關于與國外相關標準對比的詳細情況,可見《與國外先進標準對比》一文。