最新版压力管道用膨胀节国际标准的介绍及对比-牛玉华.doc

第十三届全国膨胀节学术会议征文最新版压力管道用膨胀节国际标准的介绍及对比牛玉华南京晨光东螺波纹管有限公司，江苏 南京 211153摘要：膨胀节迄今已有一百多年设计制造的历史，其设计研究也趋于成熟，许多国家对膨胀节的设计、制造、验收形成了相应标准规范。本文对目前国际上常用的最新版压力管道用膨胀节标准进行介绍并进行相应分析。关键词：膨胀节、金属波纹管、标准、压力管道Introduction and Analysis of the Newest International Standards of Expansion Joints for Pressure PipingNIU Yu-hua（Aerosun-Tola Expansion Joint Co. Ltd，Jiangsu Nanjing 211153）Abstract: The expansion joints had been manufactured more than one hundred years, the design and research are more and more accurate. Many countries issued the standards about the design, fabrication, inspection and test. This paper introduces and analysis the commonly used newest international standards of expansion joints for pressure piping.Key words: Expansion joints; Metallic Bellows; Standard; Pressure piping1. 概述波纹膨胀节是指含有一个或多个波纹管，用以吸收管线或容器由于热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的各种装置。它的特点是承受较大位移的同时，还能承受一定的内压或外压。除了位移补偿的作用外，还同时兼有减振降噪和密封的功能，广泛用于航空航天、石化、化工、电力、水利、冶金和原子能等工业部门。 膨胀节迄今已有一百多年设计制造的历史，其设计研究也趋于成熟，许多国家对膨胀节的设计、制造、验收形成了相应标准规范。膨胀节按其应用领域可分为压力容器用膨胀节和压力管道用膨胀节，因此其相应的标准体系也相应分为两大类。目前，国际上常用的现行膨胀节标准有美国标准、欧盟标准和日本标准，本文对国际上常用的现行压力管道用膨胀节标准进行介绍及分析。2. 美国压力管道标准对压力管道用膨胀节的规定美国联邦法国和各州法规所引用的压力管道标准主要有美国国家标准化组织ANSI、美国机械工程师协会ASME、美国石油协会API、美国材料与测试协会ASTM、美国腐蚀工程师协会NACE等组织颁布的标准。在此标准体系中，以ASME、API压力管道为主。各压力管道标准中与膨胀节相关的规定和行业标准主要有：ASME B31.3工艺管道的附录X金属波纹管膨胀节、ASTM 1120管道工程用圆形金属波纹管膨胀节标准、MIL-DTL-17813H膨胀节、管道、金属波纹管通用技术条件等。由于美国本土已拥有膨胀节制造商协会EJMA及其著名的膨胀节制造商协会标准（EJMA标准），因此美国膨胀节的标准中内容相对简洁，涉及膨胀节的定义、设计等内容均直接引用EJMA标准。ASME B31.3是被全球普遍接受的工艺管道规范，也是ISO工艺管道标准的基础标准。该标准是压力管道领域内用途最广泛、体系最完整的基础标准，也代表了该领域内压力管道的要求。在我国石化行业应用了大量引进技术，ASME B31.3也是石化行业常引用的标准，因此本文着重介绍ASME B31.3附录X金属波纹管膨胀节。1988年ASME B31.3委员会把包含有金属波纹管膨胀节要求的附录X加入到了“化工厂与炼油厂管道规范”中，在其后的几年内附录X经历了多次重大修订。ASME B31.3附录X金属波纹管膨胀节规定了波纹管式膨胀节的设计、制造、安装要求和需考虑的事项，作为对EJMA标准的补充，该标准的设计要求依赖并与EJMA保持一致，现最新版本为2012版。ASME B31.3附录X与EJMA标准的主要差别是疲劳寿命计算，具体如下。2.1 对于非成形态无加强波纹管的疲劳寿命的确定如图1所示，ASME B31.3规范委员会采用了EJMA的波纹管疲劳试验基本数据，并对基本数据进行分析，将其中一些认为有可能失真的数据去除，再为这些比较可靠的数据绘制最佳拟合疲劳曲线，将该最佳拟合疲劳曲线向下调至疲劳数据点下界，最后应用ASME规范-2附录6“实验应力分析”应用最小安全系数绘制设计疲劳曲线（用循环次数系数2.6控制低于40，000周次，应力系数1.25控制高于40，000周次）。图1 ASME B31.3非成形态无加强波纹管的疲劳寿命的确定方法2.2 对于非成形态加强型波纹管的疲劳寿命的确定对于非成形态加强型波纹管的疲劳寿命曲线，ASME B31.3规范委员会采用了特殊的处理方法，他们未直接采用加强型波纹管的疲劳试验数据，认为加强型波纹管的疲劳试验数据的最佳拟合疲劳曲线不能很好地代表疲劳试验数据（考虑到加强型波纹管位移应力计算公式中包含一个计及内压影响的修正，该修正可能是不精确的。压力应力影响位移应力计算方法上的不精确会使疲劳试验数据失真）。ASME B31.3不采用加强型波纹管的疲劳试验数据的最佳拟合疲劳曲线，而是将无加强型波纹管的疲劳试验数据的最佳拟合疲劳曲线用于加强型波纹管，然后用一个应力系数将无加强型波纹管的疲劳试验数据的最佳拟合疲劳曲线移位，直到它以加强型波纹管的疲劳试验数据为下界，最后把最小安全系数加到该曲线上绘制设计疲劳曲线（用循环次数系数2.6控制低于40，000周次，应力系数1.25控制高于40，000周次），表示成型态奥氏体不锈钢加强型波纹管的疲劳试验数据、下界疲劳曲线及最后所得到的设计疲劳曲线，如图2所示。图2 ASME B31.3非成形态加强型波纹管的疲劳寿命的确定方法2.3 对于其它材料波纹管的疲劳寿命的确定ASME B31.3规范附录X中膨胀节疲劳寿命设计公式的具有适用条件，由于EJMA标准中用于建立疲劳曲线的所有疲劳数据都来自成形（不经热处理）的奥氏体不锈钢波形膨胀节的试验。ASME B31.3规范附录X中膨胀节疲劳寿命设计公式只适用于成型态奥氏体不锈钢波纹管在环境温度下设计疲劳寿命的评估，该曲线的有效范围为循环次数从103到105，而且公式中的应力计算都是基于EJMA标准的计算公式。但ASME B31.3规范并不禁止使用其它合金材料，在工程建造中如Inconel625等其它合金材料作为波纹管是相当普遍的，由于这些特殊合金的波形膨胀节疲劳试验数据不足，ASME B31.3附录X参考ASME第卷第2篇的附录6规定了建立其它合金材料疲劳曲线的规则。3. ISO15348介绍ISO15348管道工程.金属波纹管膨胀节总则是国际标准化组织ISO/TC5金属管及管件技术委员会柔性金属管和膨胀节分会SC11编制的标准。该标准为金属膨胀节的基础标准，规定了金属波纹管膨胀节的设计、制造、控制和型式试验的术语和总则，适用于具有1个或多个波的圆形截面的波纹管膨胀节，2002年4月1日发布第1版。ISO15348标准分12个章节及A-G共7个规范性附录，主要内容为：l 标准规定了膨胀节的21个术语和定义；l 标准根据膨胀节吸收位移的特点将膨胀节分为轴向型膨胀节、角向型膨胀节、横向型膨胀节、万能型膨胀节四大类型，并定义了各种类型膨胀节的典型结构；l 标准对膨胀节的采购方在采购膨胀节时需提交的信息做了明确，并在附录A中提供了膨胀节技术数据表的格式；l 标准对膨胀节的选材和材料使用、膨胀节的总长等尺寸和公差进行了原则性的规定；l 对膨胀节的设计、制造、检验和试验进行了原则性的规定；l 对膨胀节的型式试验的方法、试验项目、试验数量和参数进行了原则性的规定；l 对每个膨胀节的标志内容的进行了最低要求的规定。该标准发布后，世界各国新发布的压力管道用膨胀节的标准如欧盟标准EN 14917、日本标准JIS 2352等均是以ISO 15348的框架和相关内容为依据进行编制的。4. 欧盟压力管道标准对压力管道用膨胀节的规定4.1 EN 13480-3附录C对膨胀节的规定介绍及分析欧盟于2002年正式颁布了压力管道标准EN 13480金属工业管道，该标准满足欧盟的承压设备指令97/23/EC的基本要求，欧盟成员国的内部章程规定了EN 13480可原封不动地作为欧盟各国的压力管道国家标准，目前最新版为2002版A1：2005。EN 13480金属工业管道分7个独立的部分，EN 13480-1：总则、EN 13480-2：材料、EN13480-3：设计和计算、EN 13480-4：制造和安装、EN13480-5：检验和试验、EN13480-6：埋地管的补充要求、CEN/TR EN13480-7：一致性评估程序使用指南。其中EN13480-3中6.5柔性管道元件部分规定了膨胀节的设计和设置按附录C执行。EN13480-3附录C膨胀节为资料性附录，EN13480-3附录C的编制执行了ISO15348标准管道工程.金属波纹管膨胀节总则的相关要求，其主要内容如下：l 参照ISO15348标准按膨胀节吸收位移的特点将膨胀节进行分类，但在万能型膨胀节的分类中将压力平衡型膨胀节单列成独立的1种类型，EN13480-3附录C将膨胀节分为轴向型膨胀节、角向型膨胀节、横向型膨胀节、万能型膨胀节、压力平衡型五大类型；l 对膨胀节的设置及相应的固定支架、导向支架的设置原则进行了规定；对带膨胀节管系的分析和计算时各类膨胀节的建模特点进行了原则性的规定；对冷紧的概念进行了描述；l 标准专门提供了带吸收轴向位移无约束膨胀节直管段导向支架最大允许间距的推荐值的计算公式，分别考虑了两端铰支、一端铰支一端导向、两端导向三种端部约束的情况；l 波纹管的计算应按EN13445.3的第14章节的有关规定执行，也可以采用其它经过认可的计算方法或采用试验验证的方法。由于EN13445.3的第14章节只涉及单式波纹管膨胀节的计算，EN13480-3附录C补充了复式波纹管膨胀节的位移、力和力矩的计算。4.2 EN 14917介绍EN 14917压力应用金属波纹膨胀节是由欧洲标准化组织CEN下属的英国标准协会BSI编制的标准，该标准满足欧盟的承压设备指令PED 97/23/EC的基本要求，在欧盟成员国得到广泛地应用。该标准规定了压力应用下（即最大许用压力大于0.5bar）无加强U形（带环焊的U形膨胀节）、加强U形和形金属波纹管膨胀节的设计、制造和安装，该标准是一个独立的金属膨胀节标准，它既可适用于压力管道用膨胀节也可适用于压力容器膨胀节，由10个章节和A-J共10个附录及附录ZA本标准与欧盟承压设备指令97/23/EC的基本要求的相互关系构成，最新版为2009版。由于篇幅所限，本文着重介绍和分析该标准的主要内容。4.2.1 按膨胀节吸收位移的特点对膨胀节进行分类EN14917标准参照ISO15348标准按膨胀节吸收位移的特点将膨胀节进行分类，将膨胀节分为轴向型膨胀节、角向型膨胀节、横向型膨胀节、万能型膨胀节四大类型，同时将万能型膨胀节又细分为非压力平衡万能型和压力平衡万能型两类。4.2.2 对膨胀节的零部件及永久性连接的焊缝进行了分类由于膨胀节作为压力容器或压力管道的承压元件，膨胀节需作为承压设备执行欧盟承压设备指令PED，EN14917标准的附录A中按欧盟承压设备指令PED的基本要求分别按压力容器用膨胀节、压力管道用膨胀节将膨胀节进行分类，并执行相应的管理和论证模式。EN14917标准将膨胀节的组成零部件按重要性分别分成A、B、C、D四类：主要承压零部件为A类；除了主要承压零部件之外的承受压力推力的承力件为B类；与主要承压件及承受压力推力的承力件相连接的零部件为C类；其它零部件为D类，如表1所示。表1 膨胀节的组成零部件按重要性分类示意图注：当套箍需要承压时为A类。EN14917标准将所有永久连接焊缝分成W1W7类：承压筒体的对接纵焊缝及带环焊缝的波纹管的环焊缝定义为W1；无环焊缝的波纹管的对接纵焊缝定义为W2；环向对接焊缝定义为W3；波纹管端部角焊缝定义为W4；A类零部件和A类零部件及A类零部件和B类零部件的角焊缝定义为W5；B类零部件和B类零部件的角焊缝定义为W6；C类零部件和D类零部件的非承压焊缝定义为W7，如图1所示。图1 膨胀节永久连接焊缝的分类示意图基于膨胀节的组成零部件的分类，EN14917标准对不同类别零部件使用的材料标准和材料适用温度范围进行了规定。基于以上分类，EN14917标准按不同分类、不同的材料、不同的焊缝系数提出了不同的质量控制要求。这项规定是EN14917标准目前独有的规定，还没有其它标准有相同或相似的规定。4.2.3 关于U形波纹管的设计计算EN14917标准波纹管的基础计算公式来自1998第7版EJMA，但该标准引用了EN13480-3附录C中一些欧盟的研究成果；在此基础上又增加了一些不同的内容如不同状态下的防止柱失稳允许压力的计算公式、疲劳寿命计算公式、波纹管工作刚度的计算、形金属波纹管套箍有效长度和面积计算、内衬筒的计算等。4.2.3.1 波纹管的适用条件EN14917标准对U形、形波纹管的形状有一些特殊的限制，本文以U形波纹管为例将这些限制条件与EN13480引用的标准EN13445及EJMA标准进行了对比，详见表2。表2 U形波纹管的适用条件对比EN14917标准EN13480引用的标准EN13445EJMA标准第9版2011增补波峰内半径ric和波谷内半径rir的允许偏差控制ri2epri3epric and rir3t波高限制波形限制波距限制4.2.3.2 波纹管的强度计算EN14917标准波纹管的基础计算公式来自1998第7版EJMA，但计算无加强U形波纹管的由压力引起的波纹管环向薄膜应力时与ASME第卷第1篇附录26相同，考虑了直边段的影响，分端波处环向薄膜应力,E(P)和中间波处环向薄膜应力,I(P)分别进行计算，由公式可以看出端波处的,E(P)要明显大于中间波处的,I(P)，而EJMA标准则只提供了中间波处的环向薄膜应力S2的计算公式，因此EN14917标准对无加强U形波纹管的由压力引起的波纹管环向薄膜应力的评判与ASME第卷第1篇附录26相同，要比EJMA标准相对保守一些。EN14917标准还提供了形金属波纹管套箍有效长度和面积计算公式。4.2.3.3 波纹管的稳定性及相关计算公式对于波纹管的柱稳定性计算，EN14917标准分轴向膨胀节和角向或横向膨胀节两部分分别按工作状态、试验状态（又分为工厂试验、现场试验）及受内压和受外压进行了稳定性计算，考虑了位移对稳定性的影响。EN14917标准在柱稳定性计算中波纹管受外压的计算时考虑了无内压时由轴向压缩引起的轴向力有可能引起柱失稳的因素。对于无加强U形波纹管的平面稳定性计算，防止平面失稳的允许设计内压的计算公式引用了EJMA标准公式，另外还规定了防止平面失稳的允许试验压力。无加强U形波纹管的外压稳定性计算原理与EJMA标准一致，EN14917标准还增加了基于一个长圆筒的有限元分析特点提出了防止周向失稳的许用设计外压的计算公式。EN14917标准还分别提供了奥氏体不锈钢材料及相似材料波纹管的等效屈服强度的计算公式，分别考虑了波纹管成形方法的影响（液压、滚压成形）、波纹管的状态（成形态、退火态）、波纹管成形应变量的影响（分波纹管直接从管坯向外延伸的波纹、波纹管50%向外延伸50%向内延伸的波纹、波纹管直接从管坯向内延伸的波纹）。与EJMA标准提供的较详细的波纹管等效屈服强度的计算公式不同。EN14917标准不仅提供了波纹管理论轴向弹性刚度的计算公式（该公式引用EJMA标准），而且还根据膨胀节的不同类型，考虑了铰链销轴之间的摩擦、大拉杆螺栓之间的摩擦后分别提供了膨胀节工作刚度的计算公式。4.2.3.4 波纹管的疲劳寿命计算EN14917标准根据EJMA的基础疲劳寿命试验数据及欧盟自己的疲劳寿命试验数据分别提供了适用于奥氏体不锈钢、镍-铬-铁合金、镍-铁-铬合金，适用于成形态（有冷作硬化）和退火态（无冷作硬化）无加强U形波纹管、形金属波纹管的疲劳寿命曲线及加强U形波纹管的疲劳寿命曲线，无加强U形波纹管和形金属波纹管的疲劳寿命曲线采用了同一条疲劳曲线。并提供了经过安全系数修正的可直接使用的无加强U形波纹管、形金属波纹管及加强U形波纹管的许用疲劳寿命次数计算公式。4.2.4 其它内容l EN14917标准提供了详细的内衬筒的设置准则、内衬筒壁厚的计算方法等，其部分内容已被EJMA 2011增补引用。l 在标准的规范性附录B中对几种常用的非奥氏体材料（309，800/800H，400，825）的物理、制造要求、高温性能、检验要求等进行了规定。l 在标准的资料性附录C和资料性附录D中对膨胀节在压力管道和压力容器系统中的应用及带膨胀节的管道系统的计算方法进行了详细介绍，原则和内容与EJMA标准内容基本一致，EN14917标准增加了膨胀节在换热器中的应用的介绍；l 在标准的资料性附录E中介绍了波纹管的总体设计思路和要点；l 在标准的资料性附录F中提供了建立新的设计疲劳曲线的程序和计算方法等。作为欧盟强制性执行的膨胀节标准，EN14917标准可以说是目前所有膨胀节标准中规定内容最详细、最全面的标准。与其它膨胀节标准类似，该标准的基础计算引用了EJMA标准，但同时也在标准中增加了大量的欧盟自己的研究成果，充分体现了欧盟在膨胀节研究方面的实力。5. 日本压力管道标准对压力管道用膨胀节的规定JIS B2352-2005波纹管膨胀节是由日本配管技术研究协会JSPE和日本规格协会JSA共同参照国际标准ISO15348标准的框架、根据日本的国情编制而成，经日本工业标准协会审议后用于取代JIS B2352-1994波纹管膨胀节。该标准分13个章节、附录A-D4个规范的附录和附录1-5共5个资料性附录，该标准仅规定了无加强U形、加强U形金属波纹管膨胀节的设计、制造和安装要求，总体来说标准内容比较简洁，主要内容如下：l 按ISO15348标准规定根据膨胀节吸收位移的特点将膨胀节分为轴向型膨胀节、角向型膨胀节、横向型膨胀节、万能型膨胀节四大类型；l 资料性附录2提供了两种无加强U形、加强U形金属波纹管的强度计算方法，第一种方法引用ASME B31.3附录X的相关内容，提供了与之相同的波纹管强度和疲劳寿命计算公式。第二种方法为Kellogg公式；l 资料性附录3提供了波纹管膨胀节设置规定，与EJMA的规定基本相同。6. 结论膨胀节的研究迄今已有一百多年的历史，众多膨胀节的研究成果汇集后，膨胀节的标准也在不断地更新和发展，常规的膨胀节计算趋于成熟。但随着世界经济的发展，新的领域的开发，膨胀节向大口径、耐高温、耐高压、耐腐蚀等方向发展，也相应带来许多问题，需要对波纹管进一