新标准GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》简介

3 2 力 喜 装 1 、 ； 化工 设 备 设 计 1 9 9 7 年第 3 4卷 j 新标准 G B 1 6 7 4 9 1 9 9 7 压力容器波形膨胀节 简介 李建 国 (全 国 压 力 容 器 标 准 化 技 术 委 员 会 ，北 京 100088) 下 出 c ) 新标准G B 1 6 7 一1 7 ， 第 3 卷， 化学工业出版杜， 1 9 9 1 8 维普资讯 第 2 期 3 3 第五章“ 材料” 列 出了波纹管材料牌号、 规 定了材料质量、 验 收要求 、 遵 的循 材料标 准和 技术 要求 ； 第六章“ 设计计算” 规定了不带加强装置 u 型膨胀节的计算方法及应力评定 ； 第七 章“ 制造” 对 波纹管成形 、 焊 接、 热处 理 、 波的形状和表面质量 、 无损检测 、 组装与套合、 尺 寸与公差、 产品质量及评定等提 出了具体要求； 第八章“ 检验与验收” 规定了膨胀节压力试 验、 致密性试验 、 性能试验内容 、 方法、 判废依据以及 出厂检验和型式检验的项 目和要求等； 第 九 章 “ 质 量 证 明 书、 标 志、 油 漆 、 包 装 包 输” 规定了相应的内容和 技术要求 ； 第十章“ 贮存与安装” 对膨胀节的贮存和安 装提出了相应的要求； 附录 A ( 标 准的附录 ) “ 膨胀节的基本参数与 尺 寸” 规定了膨胀节的基本参数与尺寸， 给出了波 纹管疲劳寿命和位移量 、 温度与位移、 温度与刚度 、 波数与位移量的计算和修正曲线 。 附录 B ( 标准 的附录 ) “ 不锈钢薄板焊缝射线探 伤质量分级” 规 定了厚度小于 2 n u n 不锈钢 波纹 管焊缝 x射线照相方法及质量分级。 2设计 计算 波纹管的设 计较为复杂 ， 它本身是由半球壳和 环板组成 ， 计算的力学模型复杂 ， 很难用解析方法得 出精确解， 目前标准中多采用工程近似方法 ， 给出具 有一定准确性 的设计计算公式 ； 在实 际设计 中也采 用数值方法 ， 如有限元法等 ， 可得到满意的结果。设 计波纹管需要对以下各项进行计算和校核 ： 承压能 力 、 位移引起的应力 、 疲劳寿命 、 刚度 、 稳定性等。为 了作出一项适 当的设 计 ， 要涉 及 到许 多设计 因素， 如； 直径、 厚度、 波高、 波距 、 层数 、 加强型式以及材质 及制造工艺等。完成一项设计就需要在若干相互矛 盾的设计要求中选择 一个折衷 方案。如 ： 波纹管 的 耐压性及柔度对壁厚 的要求就完全相反 ， 这就需要 通过设计找出一个恰 当的关系 ， 使 之既能保证强度 又能有足够 的伸缩补偿能力 。 波纹管的应力 主要 由内压和位移引起 ， 位移 引 起的应力通常大于 内压 引起 的应力 ； 沿着波纹管 的 子午向( 经向) 作用的应力常常高于波纹管材料的屈 服点。 美国膨胀 节制造者协会标准 ( E J M A) 对 波壳 的 应力分析较全面 。 假设条件较合理， 加上算式针对实 际存在 的影响因素作 了必要 的修正。 故计算结果与 实验数据较为接近， 有一定的准确性。 本标准设计计算公式主要参 照 F J MA标准 中的 推荐公式 。本标准分析了应力的性质在应力校核与 应力评定方面做 了自己的规定。 2 1 符号说明 波纹管有关符号见图所示 ， 各符 号说明如下： 图u形波纹管 系数 ； 一系数 ； c 1 钢 板厚 度 负偏差 ， n u n ； c 2 腐蚀裕量 ， 珊 ； G 系数 ； 0一系数 ； 0一系数 ； 直 边 段加 强 圈平均 直 径 ， 珊o o = +2 U U ； D 波纹管平均 直径 ， 珊 ， 以 = 。 + ； 波 纹 管 直 边 段 平 均 直 径 ， n m l =D + ； 波纹管 直边 段与波 纹 内径 ， m m； o 窖器 圆筒 外直径 ， n u n ； 室 温 下波 纹 管 材料 的 弹性 模 量 ， M P a I 艮 操 作温度变化范围 内波 纹管材料 下 限温 度时 的弹性 模量 ， M P a ； 操作 温度变 化范 围 内波 纹管 材料 上限 温度 时的弹 性模 量 ， M P a ； 研设 计 温度 下波 纹 管材 料 的弹性模 量 ， M P a l醴一设 计 温度下 加 强 圈材 料 的弹 性 模量， M P a ； 砖一窖器壳体材料在设 计温度下的弹性模 量， M P a ； 个波的轴向位移， mm ； 卜 _ 黪胀节总 维普资讯 3 4 化 工 设 备 设 计 1 9 9 7年第 3 4 卷 轴向力 ， N ； 波 纹管 波高 ， m m； ， 一 一 波纹 管 断面 惯性矩 ， r l 吼4 ； 一2 与 波纹 管 1等长 的壳 体 断面惯 性 矩 ， 劬 ； 一膨胀 节 一个 波 的轴 向 弹性 刚 度 ， N n m ； 墨 嘭胀 节总 体轴 向弹 性 刚度 ， N n n ； 系 数 = ， 当 l时 ， 取 =1 ； 厶被 纹管 直边 段 长度 ， n u n ； 卜一 波纹管渡 的长度 ， m m； f = ； 直边段加强 圈长度 ， 岫 ； 嘭胀 节 长度 m m； 波纹管长度， n n L= 2 厶； 一连接晦胀节的容器圆 筒长度 ， n u n ； L t 内衬套长度 ， 岫 ； m波纹 管的层 数 ， 单层 波 纹 管， m=1 ； 一波纹 管 的疲 劳破 坏 循环 次 数； 州 渡纹管的许用循环次数； 波纹管的 操作 循 环 次 数 ；一疲 劳 寿 命 安 全 系 数 ， 砷 1 5 ； n 波纹管 的波数 ； p 设计压 力 ， ； P r 试 验压 力， M P a ； p 许用外压力； M P a ； 膨胀节平 面 失稳压 力 ， s 波纹 管一层材 料 的名义 厚度 ， 岫 ； 波纹 管一层材料 的有效 厚度 ， m m =Sc t 一岛 ； S直边段加强圈的有救厚度 ， 岫 ； 考虑成形过 程中厚度减薄时， 波纹 管一层材料的有效厚度， m m 只 = 0 5 ) S ； 亦 可 采 用 成 形 减 薄 后 的 实 测 值； 容 器 圆 、 i ， ， 筒名义厚度， m m； 只容器圆筒有效厚度， 岫S o = 一 c； 膨胀 节 当量 圆 筒 的厚度 ， m m； S l 内衬 套 名义 厚度 ， m m；砰疲 劳 寿命 的温度修 正 系数 ； 用 于 未 F 进入蠕变范围 的波纹管 ， 耳= 室温条件下 r s=1 ； D 一 渡纹 管 一个 波 的 波长 ， m m； 内 衬套 有 救 厚 度， x m n ； 内压引起的直边段加强圈周向薄膜应力， ； 内压弓 I 起 波纹管直边段周 向薄膜应力， MP a ； 内压引起波纹管周向薄膜应力， a ； 啦内压 引起波纹管经向薄膜应力 ， M P a ； 3 内压引起波纹管经 向弯曲应力 ， ； 轴 向位移引起的波纹管经向薄膜 应力 ， M l X a s 轴 向位穆 引起 的波纹 管 经 向弯 曲应力 ， 胁 ； L一 设计温度下波纹管材料的许用应力值， MP a ； ： 设 计温度下波纹管 材料的屈服点 ， N P a ； 2 2 应力计算 ( 1 ) 内压 引起的波纹管直边段的周 向薄膜 应力 按式( 1 ) 计算 ： 一 堡 墨 ： 一 2 m SE l D o +& E D c ( 2 )内压引起的直边段加强圈周向薄膜应力按 式( 2 ) 计算： = 等M P2 S E D o D a (2 ) 一 ( m l + & E 厶 ) ( 3 )内压引起的波纹管周 向薄膜应力 按式 ( 3 ) 计算 ： 南 胁 ( 4 )内压引起的波纹管经 向薄膜应力 按式( 4 ) 计算 ： 计算 2 = 2, n s MP a ( 4 ) ( 5 )内压引起的波纹管经 向弯 曲应力 按式 ( 5 ) ( 妾 ) M P a ( 5 ) ( 6 ) 轴 向 矗 移 引 起 的 波 纹 管 经 向 薄 膜 应 力 按 式 ( 6 ) 计算： 电= M P a ( 7 )轴 向位移引起的波纹管经向弯曲应力按式 ( 7 ) 计算 ： a ( 7 ) j ：_ ( 8 )组合应力 =0 “ 2 +0 “ 3 M P a ( 8 ) o - d =0 “ 4 +0 “ 5 Mp a ( 9 ) O “R = 0 7 M P a ( 1 O ) 3 应力校核 波纹管的各项应力应满足以下条件 ： a ) 、 、 l 、 2 应分别小于或等于 ； 6 ) 1 5 a ： ； c )对于 碳 素钢、 低 合金 钢材 料波 纹管 ： o - R 2 d ； d )对于奥氏体不锈钢材料波纹管 ， 当 O “R 2 a 时 ， 可不考虑低周疲劳问题 ， 否则应按规定进行疲劳 寿命校核 。 2 4 疲劳 寿命校核 对于奥氏体不锈钢材料制造的波纹管 ， 当 2 ： 时， 需要进行疲劳寿命校核。 疲劳破坏时的循环次数按( 1 1 ) 式计算。奥氏体 不锈钢材料常温时的疲劳循环次数也可由疲劳 曲线 查 得 。 = 1 2 8 2 0 3 7 。 维普资讯 第 2 期 许用循环次数按下式确定： l J =N n n f 1 5 。 设计要求的波纹管操作循环次数 必须小于 或等于许用循环次数 州 ， 即 N ,t 。 2 5 膨胀节的平面失稳压力 根据平面失稳确定的极限设计 压力 ( 两端 固定) 按式 ( 1 2 ) 计算 ： = ( 1 2 ) 要求 P只 3 材料 膨胀节用钢除应符合 G B 1 5 0中“ 材料 ” 章 及 附 录 材料的补充规定” 的有关要求外 ， 还应符合本 标准的规定 。 膨胀节采用 的材 料及代 号按 表 31的规 定。 其化学成分 、 力学 性能应符合相应 的国家标准或行 业标准的要求。 名称 材 料 设计 压力 设计温度范 围 标准 号 牌 号 代号 ( ) C 1 0 G 町 0 D lf Y O一3 5 0 CB 9 1 2 02 3 5 一B Bo 1 6 cB 3 0 5 七 Co 2 5 2 o R R CB6 6 5 4 1 6 Mn R Mn 波纹管 6 4 一2 D 一3 7 5 2 0 g g G町 1 3 2 o HP P GB姗 0 Ct 1 9 N i 9 T 0 0 1 8 Ni l 1 N GB= l瑚 0c | 1 7 Ni 1 2 h 1 0 2 M 6 4 5 0 0 CB螂 0 o OCt 1 9 Ni l 1 To 0 0 C t 1 7 N订4 Mo 2 Mo 内衬套 同设备壳材料 端管 波纹管用奥氏体不锈钢材料应是软态的。对用 奥氏体不锈钢板 制造波纹管一般按 G B 4 2 3 7选用+ 对 厚度大于 4 r r a n的钢板 ， 当按 G B 4 2 3 7选用时 ， 应注明 压力容器用钢板。对厚度小于或等于 4 r m n的钢板 ， 当按 G B 3 2 8 0选用时 ， 其钢 板表 面质量应 为 2 B 或 N o 2 D 。 含碳量大于 0 2 5 的碳紊钢和低 合金钢 ( 熔 炼 分析 ) 及非容器用钢不得用于制造膨胀节。 壁厚小于 6 mm碳紊钢波纹管应采用 2 0 H P钢板 制造 。 容积大于 1 0 m 3的压力容 器不得选 用 o 2 3 5一A 材料制造膨胀节。 采用 2 0 g钢板制造波 纹管 ， 当厚度小 于或等于 1 6 r r a n时 ， 其钢板应 每批取一张 按 G B 1 5 0规定分别 复验抗拉强度、 屈服点、 延伸率和常温 冲击功 ( v型 缺 口) 。 4 制造 4 1成形方法 波纹管应 尽量采用整体方法成形 ， 此时波纹管 毛胚用钢板卷制不得有环 焊缝。 H F型或 H Z型单 层波纹管允 许板 料分瓣拼 焊 ( 拼焊 的钢板不允许存在环焊缝 ) ， 半波整体 冲压， 然 后采用两个半波零件焊接而成。 4 2 焊接 ( 1 )碳紊钢和低合金钢波纹管纵 、 环 焊缝应尽 量采用 自动焊接 的方法施焊 ； 奥氏体不锈钢波纹管 纵、 环焊缝 以及波纹管与端 管连接 的环 焊缝应采 用 氩弧焊接或等离子 焊接 的方法施焊 ； 多层波纹 管两 直边端部应进行端接焊或滚焊封边 ， 使端 口各层溶 为整体。 膨胀节对接焊缝和 角焊缝应全焊透， 其焊缝坡 口型式和尺寸应符合 G B 9 8 5 、 G B 9 8 6规定 。 ( 2 )波纹管无论采用何种方法成形 ， 纵焊 缝条 数都应以最少 为原则 ， 并且 相邻两条纵焊缝间的距 离应 不 小 1 2 5 m m 当波纹管采用整体方法成形时 ， 纵焊缝条数参 照表 2的规定 。 表 公称直径 D N ， 该标准主要给出了压力容器用膨胀节的规定。 1 9 8 6年高压气体保安协会参照美国 A S ME第 卷第 1 分篇附录 B B “ 膨胀节” 的内容编制 了 8 2 7 7标 准的草稿， 内容包括膨胀节的设计 、 计算、 应力评定、 及制造方法、 检验方法等 。1 9 9 1年 日本工业标 准调 查会的压力容 器专 门委员会参考 了上述 草稿 ， 并考 虑与 J I S B 8 2 7 4标准 ( 管板 ) 在设 计上的衔接， 以及 与其他相关标准的协调 ， 经过慎 重审议最后制定 出 本标准， 并于 1 9 9 3 年正式发布。 该标准适用于 以吸收轴 向伸缩量 为 目的， 用于 换热器及压力容器 ， 不适用以吸收横向位移、 角位移 等为 目的膨 胀节 ， 适且于 波 形截 面为 u形 或 0 形 ( 它与通常 的 0形不 同) 的膨 胀节。可 以是单层 也 可以是多层， 对厚度没 有给 以限制。它的疲劳设计 采用的是压力容 器的疲劳 曲线 ， 也不 同于 眦标 准 。 总之， 我国 G B 1 6 7 4 99 7 ( 压力容器波形膨胀 节) 、 美国A S M E 标准第卷第一册附录 2 6 、 日本 J 璐 B 8 2 7 7 ( 压力容器的膨胀节) 它们都是同类的标准， 有相同之处也有许多不 同点 ； 从设计公式来看都是 源于美国 E J MA标准 ， 但又有不同之处 ， 尤 其是应力 评定 ， 都是根据 自己的行业情况 、 技术水平等诸多因 素确定的。现将这几个标准应力评定等方面的情况 列于表 6 ， 供读者参考。 参 考 文 献 1 G B 1 6 7 4 9 一 9 9 7 ( 压力容器波形嘭胀节) 及( 标准释义) ， 全国害标 委 1 9 9 7 2 S 砒d s 0 f O a e l 肌 J o im Mu q a e tu r e r ss a ft I NC 1 9 9 3 3 A S M E B d l e a n d 嘲 l r 亡v e 吕 s d C o d e v d 一1 ， I 9 4 J l s B 8 2 7 7 一m 9 3 ( 压力容器膨脓节) 5 G B 1 5 0 8 9 ( 钢制压力容器标准释义) 维普资讯 第 2期 表 6 不带加强装置的 U型膨胀节四种标准的应力评定 哪 A 9 3 版 A S M E 一i 9 5 版 J IS B 8 2 7 7 9 3 ( E 力容 G B 1 6 7 4 9 一 钾( 压力容 应 力 ( 单层、 多层) 附录 2 6 ( 规定性) ( 单层) 器膨胀节) ( 单层 、 多层) 器渡形膨胀节) ( 单层、 多层) 内压 引 起 的 sz爱( 峦 ) 苟 玩 出2m$,f0571 + 1 赦 纹 昔 经 向 薄 膜 应 力 H = 4 Pd，q d 如 + A =( 2 ,4 r o + 2 ) 内压 引 起 的 嫒 纹 管 经 向 s = 甓 一 3 薄 膜 应 力 内压 引 起 的 波 纹 管 经 向 s = ( ) 印 等印 ( ) = ( 圭 ) 弯 曲 应 力 位 移 I 起 的 波 纹 臂 经 向 s = E ( s p + ) 2 3 C t “ _ 薄膜应力 位 移 引 起 的 5 E , t e = 畿 f 墨 ! 2 渡 纹 蕾 经 向 s - 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