陶 鈞,張運強,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)

0 引言

目前，壓力容器大部分常用的零部件已實現(xiàn)了標準化和系列化，但是仍有部分零部件沒有實現(xiàn)標準化，或者零部件標準未有覆蓋。從設(shè)計角度看，設(shè)計人員設(shè)計施工圖時，對該部分零部件重復(fù)設(shè)計、校核和審核，消耗了大量設(shè)計工時，且不同的設(shè)計人員在設(shè)計非標零部件時，由于受個人設(shè)計理念、設(shè)計習(xí)慣等因素的影響，導(dǎo)致設(shè)計圖紙風(fēng)格不統(tǒng)一、材料選擇或材料規(guī)格不統(tǒng)一、圖紙設(shè)計質(zhì)量不穩(wěn)定。從制造角度看，上述非標零部件由于沒有進行標準化，嚴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目的管理成本。因此，提高壓力容器零部件標準化水平，能夠極大地節(jié)省非標設(shè)備的施工圖設(shè)計工時，縮短項目建設(shè)周期，有益于壓力容器的輕量化設(shè)計[1-3]，提高設(shè)計和制造效率，促進壓力容器制造的專業(yè)化和社會化[1,4]，減少項目成本，對工程項目和壓力容器行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 壓力容器零部件標準化的現(xiàn)狀

1.1 壓力容器零部件標準化的可行性

由于受工藝原材料、工藝路線、現(xiàn)場管道布置、裝置規(guī)模、設(shè)計基礎(chǔ)等因素限制，壓力容器難以整體實現(xiàn)標準化和系列化，是典型的非標準設(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，已實現(xiàn)標準化和系列化(見表1)。在設(shè)計壓力容器施工圖時，可依據(jù)現(xiàn)行標準選用標準零部件圖，并在圖紙上按標準對零部件進行標記引用。

表1 中國常用的壓力容器零部件標準及零部件標記示例

1.2 國內(nèi)外壓力容器零部件標準的現(xiàn)狀

在世界眾多重要的壓力容器標準體系，中國和德國壓力容器標準是鮮見的、具有較多壓力容器零部件標準的標準體系。我國的壓力容器零部件標準與壓力容器基礎(chǔ)標準、產(chǎn)品標準一起構(gòu)成了壓力容器標準體系的基本框架[5]。

表2 常用的德國壓力容器零部件標準

圖1 德國壓力容器(不包括蒸汽鍋爐)技術(shù)規(guī)范體系

與中國標準體系相比，德國標準體系具有時間早、推廣快、內(nèi)容多、影響深刻、效果顯著的特點[6]。德國標準具有很強的靈活性和詳細程度，特別是企業(yè)標準，對技術(shù)要求的細節(jié)把握更嚴、規(guī)范得更具體[7]。一方面，80%以上的德國標準(DIN)上升為歐洲標準(EN)和國際標準(ISO)[8]；另一方面，德國企業(yè)標準是DIN標準的主要來源[9]。表2列舉了一部分常用的德國壓力容器零部件標準，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。德國標準化的先進經(jīng)驗對于我國壓力容器零部件的標準化具有重要的參考意義。

1.3 我國壓力容器設(shè)計和制造模式的現(xiàn)狀

目前我國的壓力容器設(shè)計和制造并存以下兩種模式：(1)工程公司或設(shè)計單位進行壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算，制造廠根據(jù)圖紙進行加工制造；(2)制造廠根據(jù)工程公司提出的設(shè)計條件進行壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算并進行制造[11]。相較于之前的設(shè)計院模式，工程公司的工作重點向工程設(shè)計轉(zhuǎn)移，設(shè)計人員的工作任務(wù)更為繁重；而制造廠的工作重點在于壓力容器的制造，且大部分制造廠設(shè)計人員的設(shè)計能力有待提高[12]。因此，無論是工程公司還是制造廠，由于受到人力資源、項目工期、項目數(shù)量等因素的影響，壓力容器施工圖設(shè)計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準化水平，以穩(wěn)定壓力容器施工圖設(shè)計質(zhì)量、提高壓力容器施工圖設(shè)計效率，對于工程項目的高質(zhì)量和高效率發(fā)展，具有重要意義。

1.4 壓力容器零部件標準化的局限性和發(fā)展空間

隨著化工裝置和設(shè)備的大型化發(fā)展，受限于標準的適用范圍，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準或行業(yè)標準，因而必須對其進行非標設(shè)計。例如，NB/T 47023—2012《長頸對焊法蘭》中公稱壓力為4.0 MPa的法蘭，其對應(yīng)的最大直徑僅為2000 mm；公稱壓力為6.4 MPa的法蘭，其對應(yīng)的最大直徑僅為1 200 mm，且該標準不適用于不銹鋼材料設(shè)備。HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》的公稱壓力僅限于PN40，且同樣該標準的材料沒有涉及到不銹鋼。

除國家或行業(yè)標準規(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現(xiàn)標準化，如容器進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準有很大的補充發(fā)展空間。

2 壓力容器零部件標準化的參數(shù)

在標準化活動中，經(jīng)常要解決產(chǎn)品或?qū)ο蟮亩鄻有詥栴}。對標準化對象的參數(shù)進行合理的選擇和分檔、分級，形成總體功能最佳的參數(shù)系列，是標準化工作的首要工作。公稱壓力和公稱直徑(公稱尺寸)是壓力容器零部件設(shè)計中最基本的兩個參數(shù)。

2.1 公稱壓力

公稱壓力是為了設(shè)計、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)法蘭的壓力等級將管道系統(tǒng)分級。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)字組合的標識，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個等級：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個等級：Class150，Class300，Class600，Class1500，Class2500。從上述分級可以看出，PN系列比Class系列的壓力等級分級更加細致，在滿足材料及壓力等級的前提下，有利于壓力容器的輕量化設(shè)計。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》中公稱壓力的分級采用的是PN系列。但另一方面，PN系列的較高壓力等級的法蘭沒有覆蓋較大的公稱尺寸，以PN63帶頸對焊鋼制管法蘭為例，其對應(yīng)的最大公稱尺寸僅為DN400。

2.2 公稱直徑和公稱尺寸

公稱直徑和公稱尺寸是同義術(shù)語，針對壓力容器，公稱直徑是首選術(shù)語；針對管道工程，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，分為兩個系列。以內(nèi)徑為基準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)這兩個基本參數(shù)外，影響零部件設(shè)計的因素還有介質(zhì)、設(shè)計溫度、腐蝕裕量和材料選擇等。

3 提高壓力容器零部件標準化水平的實施思路

對于未實現(xiàn)標準化的零部件，在施工圖設(shè)計時，一般需對其進行非標設(shè)計。當同一零部件圖紙重復(fù)設(shè)計時，便有將其標準化的必要。在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選擇最佳方案，將重復(fù)使用的零部件標準化，既可以最大限度地減少不必要的重復(fù)勞動；又能擴大“最佳方案”的重復(fù)利用次數(shù)和范圍，從標準化活動中獲得諸多技術(shù)經(jīng)濟效果[14-15]。《中華人民共和國標準化法》中已明確，國家鼓勵社會團體、企業(yè)制定高于推薦性標準相關(guān)技術(shù)要求的團體標準、企業(yè)標準。

3.1 在現(xiàn)行零部件標準的基礎(chǔ)上進行零部件標準化

針對目前現(xiàn)行的零部件標準，當其受限于公稱直徑(尺寸)、公稱壓力或材料等因素時，可以采取對其補充的方式，基于零部件主要參數(shù)，對重復(fù)設(shè)計的零部件進行標準化。當采用該方式時，可沿用現(xiàn)行標準的規(guī)定、符號等。

以在HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》的基礎(chǔ)上對垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔進行標準化擴充為例，可以對其材料進行擴充，針對其規(guī)定的筒節(jié)材料，可以補充14CrMo,12Cr1MoR等常用材料；針對其規(guī)定的緊固件，可以補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，擴充垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的壓力等級。擴充的標準人孔的標記示例可以借鑒和沿用現(xiàn)有的標準，在現(xiàn)有的標準基礎(chǔ)上進行略微修改。

以下給出在HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》基礎(chǔ)上，對垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的企業(yè)內(nèi)部標準化示例：

人孔RF-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《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》標準僅給出了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，同時可以補充14CrMo,12Cr1MoR等材料，在標準的基礎(chǔ)上賦予其Ⅻ,ⅩⅢ符號表示。

(2)“t2”表示30CrMoA螺柱。HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》標準僅給出了35CrMoA螺柱材料，實際上由于介質(zhì)、低溫工況等因素，35CrMoA材料常常無法滿足設(shè)計需求。此處t沿用了標準使用的符號，以補充數(shù)字后綴“2”的方式補充設(shè)計中常用的螺栓材料。

(3)“600”表示公稱直徑，該標識方法與HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》相同。

(4)“300#”表示Class系列Class300公稱壓力等級，由于HG/T 21521—2014《垂直吊蓋帶頸對焊法蘭人孔》中DN600的法蘭的壓力等級最大為PN40,為滿足工程設(shè)計需要，此處可以采用Class系列法蘭。

(5)“A”表示分析設(shè)計規(guī)則，因為采用分析設(shè)計規(guī)則的疲勞分析設(shè)備與采用規(guī)則設(shè)計的設(shè)備在零部件設(shè)計上有不同的要求，需要進行區(qū)分。設(shè)計規(guī)則的標記是在企業(yè)標準化的過程中對現(xiàn)行標準的補充和完善。

針對現(xiàn)行標準中的其他零部件，當受限于標準適用范圍，需對零部件進行標準化擴充時，可采用以上示例的思路。

3.2 將壓力容器內(nèi)部和外部常用零部件進行標準化

壓力容器的內(nèi)部和外部零部件由于脫離了設(shè)計壓力的制約，為實現(xiàn)標準化提供了契機。表1中現(xiàn)行標準涉及到的容器支座、設(shè)備吊耳、補強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)部和外部零部件標準化。

進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)計規(guī)定》中給出的容器進料管口緩沖板的結(jié)構(gòu)圖例?？梢钥闯?，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厚的進料管口緩沖板，可以標記為：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，可以參考進料管口緩沖板的標準化示例對其進行標準化。

圖2 容器進料管口緩沖板結(jié)構(gòu)示意

表3 可實施標準化的壓力容器內(nèi)部和外部常用零部件

3.3 對零部件進行標準化標記

對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、分級的方式形成系列，因此必須對其進行非標設(shè)計；另一方面，該部分零部件具有固定的結(jié)構(gòu)形式，僅需通過幾個尺寸參數(shù)便可以將其表示清楚。根據(jù)這些特點，可以通過對其進行標準化標記，從而在施工圖設(shè)計工作中對其直接引用。圖3所示的壓力容器中常見的內(nèi)伸形式的鍛件加強管便屬于上述零部件的范疇。根據(jù)上述分析，可對其進行標準化標記如下：鍛件加強管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 鍛件加強管結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)論與建議

(1)將壓力容器常用零部件標準化，在設(shè)計方面，可以顯著地提高施工圖設(shè)計效率，縮短設(shè)計人工時，穩(wěn)定和提高施工圖的設(shè)計質(zhì)量；在制造方面，可以提高設(shè)備的制造效率，促進壓力容器制造的專業(yè)化和社會化，提高零部件后續(xù)的互換性。因此，提高壓力容器零部件標準化水平能夠推動工程項目的高質(zhì)量和高效率建設(shè)，對于壓力容器行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

(2)專業(yè)團體、協(xié)會、民間組織和企業(yè)應(yīng)立足我國壓力容器設(shè)計和制造模式的現(xiàn)狀，借鑒其他國家標準化的豐富經(jīng)驗，積極參與標準化活動，制定先進的、針對性強的行業(yè)標準和企業(yè)標準，努力提高壓力容器零部件標準化的水平。

(3)目前，雖然部分壓力容器零部件已實現(xiàn)了標準化，但仍有較大的補充和發(fā)展空間?？梢砸罁?jù)對現(xiàn)行標準進行補充、基于零部件的主要參數(shù)對壓力容器的內(nèi)部和外部零部件進行標準化、在對零部件進行標準化標記的基礎(chǔ)上，從便于引用這三個思路開展標準化工作。壓力容器零部件標準化工作宜借鑒和沿用現(xiàn)有標準的規(guī)定和符號等內(nèi)容。

(4)基于目前工程項目中各專業(yè)分工細化的趨勢，壓力容器設(shè)計專業(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準化工作。

(5)壓力容器零部件標準化工作是一個長期的過程，首先，根據(jù)標準化工作本身的特點，該工作是以信息反饋為推動力的循環(huán)往復(fù)的改進過程；其次，根據(jù)壓力容器零部件的特點，根據(jù)零部件重復(fù)設(shè)計的次數(shù)，優(yōu)先實施較為常用的零部件的標準化，對不經(jīng)常使用的零部件，可以采用長期積累推進的方式實施。