陶 鈞,張運(yùn)強(qiáng),李小梅,岳國印,彭薇薇,趙栓柱
(中國寰球工程有限公司 北京分公司,北京 100012)
目前,壓力容器大部分常用的零部件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化,但是仍有部分零部件沒有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,或者零部件標(biāo)準(zhǔn)未有覆蓋。從設(shè)計(jì)角度看,設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)施工圖時(shí),對(duì)該部分零部件重復(fù)設(shè)計(jì)、校核和審核,消耗了大量設(shè)計(jì)工時(shí),且不同的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)非標(biāo)零部件時(shí),由于受個(gè)人設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)習(xí)慣等因素的影響,導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙風(fēng)格不統(tǒng)一、材料選擇或材料規(guī)格不統(tǒng)一、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量不穩(wěn)定。從制造角度看,上述非標(biāo)零部件由于沒有進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,嚴(yán)重影響了零部件原材料的采購、批量生產(chǎn)以及后續(xù)的互換性。從管理角度看,該問題增加了工程項(xiàng)目的管理成本。因此,提高壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化水平,能夠極大地節(jié)省非標(biāo)設(shè)備的施工圖設(shè)計(jì)工時(shí),縮短項(xiàng)目建設(shè)周期,有益于壓力容器的輕量化設(shè)計(jì)[1-3],提高設(shè)計(jì)和制造效率,促進(jìn)壓力容器制造的專業(yè)化和社會(huì)化[1,4],減少項(xiàng)目成本,對(duì)工程項(xiàng)目和壓力容器行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。
由于受工藝原材料、工藝路線、現(xiàn)場(chǎng)管道布置、裝置規(guī)模、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等因素限制,壓力容器難以整體實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化,是典型的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
壓力容器的零部件與整體壓力容器不同,由于其受到設(shè)計(jì)條件限制較少,為有利于通用和互換,一部分壓力容器零部件基于公稱直徑和公稱壓力,已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化(見表1)。在設(shè)計(jì)壓力容器施工圖時(shí),可依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)選用標(biāo)準(zhǔn)零部件圖,并在圖紙上按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)零部件進(jìn)行標(biāo)記引用。
表1 中國常用的壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)及零部件標(biāo)記示例
在世界眾多重要的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系,中國和德國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是鮮見的、具有較多壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)體系。我國的壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)與壓力容器基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一起構(gòu)成了壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系的基本框架[5]。
表2 常用的德國壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)
圖1 德國壓力容器(不包括蒸汽鍋爐)技術(shù)規(guī)范體系
與中國標(biāo)準(zhǔn)體系相比,德國標(biāo)準(zhǔn)體系具有時(shí)間早、推廣快、內(nèi)容多、影響深刻、效果顯著的特點(diǎn)[6]。德國標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的靈活性和詳細(xì)程度,特別是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)技術(shù)要求的細(xì)節(jié)把握更嚴(yán)、規(guī)范得更具體[7]。一方面,80%以上的德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN)上升為歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)和國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)[8];另一方面,德國企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是DIN標(biāo)準(zhǔn)的主要來源[9]。表2列舉了一部分常用的德國壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn),圖1[10]示出了德國壓力容器(不包括蒸汽鍋爐)技術(shù)規(guī)范體系。德國標(biāo)準(zhǔn)化的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于我國壓力容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化具有重要的參考意義。
目前我國的壓力容器設(shè)計(jì)和制造并存以下兩種模式:(1)工程公司或設(shè)計(jì)單位進(jìn)行壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算,制造廠根據(jù)圖紙進(jìn)行加工制造;(2)制造廠根據(jù)工程公司提出的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算并進(jìn)行制造[11]。相較于之前的設(shè)計(jì)院模式,工程公司的工作重點(diǎn)向工程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移,設(shè)計(jì)人員的工作任務(wù)更為繁重;而制造廠的工作重點(diǎn)在于壓力容器的制造,且大部分制造廠設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力有待提高[12]。因此,無論是工程公司還是制造廠,由于受到人力資源、項(xiàng)目工期、項(xiàng)目數(shù)量等因素的影響,壓力容器施工圖設(shè)計(jì)人員面臨較大的工作壓力。因此,通過提高壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化水平,以穩(wěn)定壓力容器施工圖設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高壓力容器施工圖設(shè)計(jì)效率,對(duì)于工程項(xiàng)目的高質(zhì)量和高效率發(fā)展,具有重要意義。
隨著化工裝置和設(shè)備的大型化發(fā)展,受限于標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍,大直徑、高壓力或特定材料的零部件往往無法直接引用國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因而必須對(duì)其進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)。例如,NB/T 47023—2012《長頸對(duì)焊法蘭》中公稱壓力為4.0 MPa的法蘭,其對(duì)應(yīng)的最大直徑僅為2000 mm;公稱壓力為6.4 MPa的法蘭,其對(duì)應(yīng)的最大直徑僅為1 200 mm,且該標(biāo)準(zhǔn)不適用于不銹鋼材料設(shè)備。HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》的公稱壓力僅限于PN40,且同樣該標(biāo)準(zhǔn)的材料沒有涉及到不銹鋼。
除國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的常用零部件外,目前仍有部分常用壓力容器零部件沒有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,如容器進(jìn)料管口緩沖板和容器出口的防渦流擋板等。因此,現(xiàn)行的壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)有很大的補(bǔ)充發(fā)展空間。
在標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)中,經(jīng)常要解決產(chǎn)品或?qū)ο蟮亩鄻有詥栴}。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行合理的選擇和分檔、分級(jí),形成總體功能最佳的參數(shù)系列,是標(biāo)準(zhǔn)化工作的首要工作。公稱壓力和公稱直徑(公稱尺寸)是壓力容器零部件設(shè)計(jì)中最基本的兩個(gè)參數(shù)。
公稱壓力是為了設(shè)計(jì)、制造和使用方便,而人為規(guī)定的一種名義壓力。在管道系統(tǒng)中,通常依據(jù)法蘭的壓力等級(jí)將管道系統(tǒng)分級(jí)。在GB/T 1048—2019《管道元件 公稱壓力的定義和選用》中,將公稱壓力定義為:與管道系統(tǒng)元件的力學(xué)性能和尺寸特性相關(guān)的字母和數(shù)字組合的標(biāo)識(shí),由字母PN或Class和后跟的無量綱數(shù)字組成。管道元件的最大允許工作壓力取決于管道元件的PN數(shù)值或Class數(shù)值、材料、元件設(shè)計(jì)和最高允許工作溫度等。壓力容器的公稱壓力一般指法蘭的公稱壓力。
HG/T 20592~20635—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》PN系列(歐洲體系)的法蘭公稱壓力包括9個(gè)等級(jí):PN2.5,PN6,PN10,PN16,PN25,PN40,PN63,PN100,PN160;Class系列(美洲體系)的法蘭公稱壓力包括6個(gè)等級(jí):Class150,Class300,Class600,Class1500,Class2500。從上述分級(jí)可以看出,PN系列比Class系列的壓力等級(jí)分級(jí)更加細(xì)致,在滿足材料及壓力等級(jí)的前提下,有利于壓力容器的輕量化設(shè)計(jì)。HG/T 21514~21535—2014《鋼制人孔和手孔》和NB/T 47020~47027—2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》中公稱壓力的分級(jí)采用的是PN系列。但另一方面,PN系列的較高壓力等級(jí)的法蘭沒有覆蓋較大的公稱尺寸,以PN63帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭為例,其對(duì)應(yīng)的最大公稱尺寸僅為DN400。
公稱直徑和公稱尺寸是同義術(shù)語,針對(duì)壓力容器,公稱直徑是首選術(shù)語;針對(duì)管道工程,公稱尺寸是首選術(shù)語[13]。
在GB/T 9019—2015《壓力容器公稱直徑》中,壓力容器公稱直徑以容器圓筒直徑表示,分為兩個(gè)系列。以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的壓力容器公稱直徑系指容器圓筒的內(nèi)徑;以外徑為基準(zhǔn)的壓力容器公稱直徑系指容器圓筒的外徑。圓筒內(nèi)徑為1 200 mm的壓力容器公稱直徑標(biāo)記示例為:DN1200。
用于管道元件的公稱尺寸同樣由字母DN和后跟的無量綱的整數(shù)數(shù)字組成,這個(gè)無量綱數(shù)字與端部連接件的孔徑或外徑等特征尺寸直接相關(guān)。除公稱壓力和公稱直徑(尺寸)這兩個(gè)基本參數(shù)外,影響零部件設(shè)計(jì)的因素還有介質(zhì)、設(shè)計(jì)溫度、腐蝕裕量和材料選擇等。
對(duì)于未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的零部件,在施工圖設(shè)計(jì)時(shí),一般需對(duì)其進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)。當(dāng)同一零部件圖紙重復(fù)設(shè)計(jì)時(shí),便有將其標(biāo)準(zhǔn)化的必要。在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇最佳方案,將重復(fù)使用的零部件標(biāo)準(zhǔn)化,既可以最大限度地減少不必要的重復(fù)勞動(dòng);又能擴(kuò)大“最佳方案”的重復(fù)利用次數(shù)和范圍,從標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)中獲得諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[14-15]?!吨腥A人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》中已明確,國家鼓勵(lì)社會(huì)團(tuán)體、企業(yè)制定高于推薦性標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)要求的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
針對(duì)目前現(xiàn)行的零部件標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)其受限于公稱直徑(尺寸)、公稱壓力或材料等因素時(shí),可以采取對(duì)其補(bǔ)充的方式,基于零部件主要參數(shù),對(duì)重復(fù)設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)采用該方式時(shí),可沿用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、符號(hào)等。
以在HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》的基礎(chǔ)上對(duì)垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)充為例,可以對(duì)其材料進(jìn)行擴(kuò)充,針對(duì)其規(guī)定的筒節(jié)材料,可以補(bǔ)充14CrMo,12Cr1MoR等常用材料;針對(duì)其規(guī)定的緊固件,可以補(bǔ)充不銹鋼螺柱螺母等材料。另外,可以基于HG/T 20592~20635—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》Class系列(美洲體系)的法蘭公稱壓力,擴(kuò)充垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔的壓力等級(jí)。擴(kuò)充的標(biāo)準(zhǔn)人孔的標(biāo)記示例可以借鑒和沿用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn),在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行略微修改。
以下給出在HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》基礎(chǔ)上,對(duì)垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化示例:
人孔R(shí)F-Ⅶ-t2(W·“D-2222)600-300#-A”
(1)“Ⅶ”表示S30403人孔受壓零件材料。HG/T 21514—2014《鋼制人孔和手孔的類型與技術(shù)條件》雖然給出了Ⅰ~Ⅺ共11種材料類別,但HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》標(biāo)準(zhǔn)僅給出了Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ五種材料類別,因此可以在此基礎(chǔ)上增加Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ,Ⅺ等材料類別,同時(shí)可以補(bǔ)充14CrMo,12Cr1MoR等材料,在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上賦予其Ⅻ,ⅩⅢ符號(hào)表示。
(2)“t2”表示30CrMoA螺柱。HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》標(biāo)準(zhǔn)僅給出了35CrMoA螺柱材料,實(shí)際上由于介質(zhì)、低溫工況等因素,35CrMoA材料常常無法滿足設(shè)計(jì)需求。此處t沿用了標(biāo)準(zhǔn)使用的符號(hào),以補(bǔ)充數(shù)字后綴“2”的方式補(bǔ)充設(shè)計(jì)中常用的螺栓材料。
(3)“600”表示公稱直徑,該標(biāo)識(shí)方法與HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》相同。
(4)“300#”表示Class系列Class300公稱壓力等級(jí),由于HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》中DN600的法蘭的壓力等級(jí)最大為PN40,為滿足工程設(shè)計(jì)需要,此處可以采用Class系列法蘭。
(5)“A”表示分析設(shè)計(jì)規(guī)則,因?yàn)椴捎梅治鲈O(shè)計(jì)規(guī)則的疲勞分析設(shè)備與采用規(guī)則設(shè)計(jì)的設(shè)備在零部件設(shè)計(jì)上有不同的要求,需要進(jìn)行區(qū)分。設(shè)計(jì)規(guī)則的標(biāo)記是在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的過程中對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和完善。
針對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的其他零部件,當(dāng)受限于標(biāo)準(zhǔn)適用范圍,需對(duì)零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)充時(shí),可采用以上示例的思路。
壓力容器的內(nèi)部和外部零部件由于脫離了設(shè)計(jì)壓力的制約,為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化提供了契機(jī)。表1中現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)涉及到的容器支座、設(shè)備吊耳、補(bǔ)強(qiáng)圈是典型的壓力容器外部常用零部件?;诠Q直徑(尺寸)、腐蝕裕量等參數(shù)可以將重復(fù)性使用的、便于引用的內(nèi)部和外部零部件標(biāo)準(zhǔn)化。
進(jìn)料管口緩沖板是一種常見的壓力容器內(nèi)部零部件。圖2示出HG/T 20583—2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》中給出的容器進(jìn)料管口緩沖板的結(jié)構(gòu)圖例。可以看出,緩沖板部件的兩塊板的結(jié)構(gòu)參數(shù)都可以看成是圖中參數(shù)d(接管內(nèi)徑)的函數(shù)??紤]到接管內(nèi)徑數(shù)值一般不固定,在不影響緩沖板功能的前提下,可以用管口的公稱尺寸(直徑)代替接管內(nèi)徑,作為上述函數(shù)的定義域。根據(jù)設(shè)備的腐蝕裕量,可以給出緩沖板厚度t的取值范圍。因此,公稱尺寸為DN100的12 mm厚的進(jìn)料管口緩沖板,可以標(biāo)記為:緩沖板 DN100-12。表3列出了常見的壓力容器內(nèi)部和外部的常用零部件,可以參考進(jìn)料管口緩沖板的標(biāo)準(zhǔn)化示例對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
圖2 容器進(jìn)料管口緩沖板結(jié)構(gòu)示意
表3 可實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的壓力容器內(nèi)部和外部常用零部件
對(duì)于部分壓力容器零部件,一方面,其尺寸參數(shù)與設(shè)備的公稱尺寸無法形成一定的函數(shù)關(guān)系,并且其尺寸參數(shù)往往連續(xù),無法通過分檔、分級(jí)的方式形成系列,因此必須對(duì)其進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì);另一方面,該部分零部件具有固定的結(jié)構(gòu)形式,僅需通過幾個(gè)尺寸參數(shù)便可以將其表示清楚。根據(jù)這些特點(diǎn),可以通過對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)記,從而在施工圖設(shè)計(jì)工作中對(duì)其直接引用。圖3所示的壓力容器中常見的內(nèi)伸形式的鍛件加強(qiáng)管便屬于上述零部件的范疇。根據(jù)上述分析,可對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)記如下:鍛件加強(qiáng)管D1=XX,D2=XX,D3=XX,H=XX,其中“XX”為零部件參數(shù)的具體數(shù)值。
圖3 鍛件加強(qiáng)管結(jié)構(gòu)示意
(1)將壓力容器常用零部件標(biāo)準(zhǔn)化,在設(shè)計(jì)方面,可以顯著地提高施工圖設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)人工時(shí),穩(wěn)定和提高施工圖的設(shè)計(jì)質(zhì)量;在制造方面,可以提高設(shè)備的制造效率,促進(jìn)壓力容器制造的專業(yè)化和社會(huì)化,提高零部件后續(xù)的互換性。因此,提高壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化水平能夠推動(dòng)工程項(xiàng)目的高質(zhì)量和高效率建設(shè),對(duì)于壓力容器行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。
(2)專業(yè)團(tuán)體、協(xié)會(huì)、民間組織和企業(yè)應(yīng)立足我國壓力容器設(shè)計(jì)和制造模式的現(xiàn)狀,借鑒其他國家標(biāo)準(zhǔn)化的豐富經(jīng)驗(yàn),積極參與標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng),制定先進(jìn)的、針對(duì)性強(qiáng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),努力提高壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的水平。
(3)目前,雖然部分壓力容器零部件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化,但仍有較大的補(bǔ)充和發(fā)展空間。可以依據(jù)對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充、基于零部件的主要參數(shù)對(duì)壓力容器的內(nèi)部和外部零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、在對(duì)零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)記的基礎(chǔ)上,從便于引用這三個(gè)思路開展標(biāo)準(zhǔn)化工作。壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化工作宜借鑒和沿用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和符號(hào)等內(nèi)容。
(4)基于目前工程項(xiàng)目中各專業(yè)分工細(xì)化的趨勢(shì),壓力容器設(shè)計(jì)專業(yè)與工藝專業(yè)、儀表專業(yè)等專業(yè)的積極溝通協(xié)作有助于壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化工作。
(5)壓力容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化工作是一個(gè)長期的過程,首先,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化工作本身的特點(diǎn),該工作是以信息反饋為推動(dòng)力的循環(huán)往復(fù)的改進(jìn)過程;其次,根據(jù)壓力容器零部件的特點(diǎn),根據(jù)零部件重復(fù)設(shè)計(jì)的次數(shù),優(yōu)先實(shí)施較為常用的零部件的標(biāo)準(zhǔn)化,對(duì)不經(jīng)常使用的零部件,可以采用長期積累推進(jìn)的方式實(shí)施。