锅炉受压筒体强度采用ASME规范与国内标准计算方法的对比.pdfVIP

第 3 3卷 第 1 0期 2 0 1 1年 1 0月 华 电技 术 Hua di a n Te c h n o l o g y Vo 1 3 3 N 0 1 0 Oc t 2 01 1 锅炉受压简体强度采用 A S ME规范与国内 标准计算方法的对 比 陈志刚， 张旭， 毛富杰， 王方 ( 天津市特种设备监督检验技术研究院， 天津3 0 0 1 9 2 ) 摘要： 强度计算是蒸汽锅炉设计的重要组成部分， 对 比分析了 A S ME规范第 1卷与国内锅炉强度计算标准 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8 水管锅炉受压元件强度计算 关于锅炉简体强度计算的异同， 可为工程技术人员提供参考。 关键词： 蒸汽锅炉； 强度计算 ； A S ME规范； 国内标准； 对比分析 中图分类号： T K 2 2 2 文献标志码： B 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 2 9 0 3 O 引言 美国 A S M E锅炉及压力容器规范是由美国机械 工程师学会 A S ME ( A me r i c a n S o c i e t y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r s ) 的锅 炉及压力 容器委员 会 ( B P V C) 制定 的， 是世界上最早应用的标准之一 ， 现已被公认为世 界上技术内容最完整 、 应用最广泛的压力容器标准。 从 2 0 1 0版 A S M E规范开始， 将之前每 3年再版 1 次、 每年进行增补的规范更新方式改为每 2年再版 1 次、 每年不再进行增补。截至 2 0 1 0年年底 ， 我国 大陆地区共有 5 0 0 余家制造厂持有 A S M E钢印7 0 0 余枚 ， 其中绝大部分厂家亦 持有 国内的特种设备制 造许可证。在水管锅炉的强度计算中， 受内压筒体 元件的强度计算十分普遍且非常重要 ， 如锅筒、 集箱 等。A S M E规范第 1 卷 与我 国 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8 水管锅炉受压元件强度计算 标准 关于锅炉强 度计算的规定有所不同， 因此 ， 将 A S M E规范第 1 卷 2 0 1 0 版与 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8 水管锅炉受压元件强 度计算 标准关于受内压筒体强度计算的异同进行 分析 ， 有助于制造厂准确执行 A S ME规范 ， 提高产 品 设计效率 ， 增强我国企业 的国际竞争力。 1 简体壁厚强度计算 1 1 计算公式的差异 A S ME规范第 1卷与 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中受内 压圆筒形元件 强度计算均 以最 大剪应 力强度理论 ( 第三强度理论 ) 为依 据 ， 但公式形式 、 参数选取方 式及数值不尽相同。 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中锅筒简体设计计算厚度采 用了公式( 1 ) ， 集箱、 管子和锅炉范围内管道的设计 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 61 1 ； 修回 日期 ： 2 0 1 1 0 71 5 厚度可以归纳为计算公式( 2 ) 。 o D = l _+ 6 f ， ( 1 ) m in L j P D D 6 s + ， ( 2 ) 式中： 6 为筒体设计计算厚度， m m； P为计算压力， M P a ； D 为简体内径， m m； D 为简体外径， m m； i 为最小减弱系数 ； o r 为许用应 力 ， MP a ； 6 为 附加 壁厚 ； 为减弱系数 ( 对于集箱取为 。 ， 对于管子 和管道取为 ) 。 A S ME规范第 1 卷则根据 内压简体的用途和外 径尺寸的不同分为 ： 对于外径 1 2 5 m m的管子 ， 其 最小需要壁厚计算 依据为公式 ( 3 ) ， 锅筒 、 集箱 、 管 道的最小需要壁厚计算依据为公式 ( 4 ) 。 一n 6= +0 0 0 5 D +e， ( 3 ) Z DW 十P nn 6 + ， ( 4 ) 式中：P为最高允许工作压力， M P a ； D为筒体外径， mm； s为金属设计温 度下 的最大许用应力 ， MP a ； 加 为焊接减弱系数 ； e 为胀 接管端部处 的厚度因子； Y 为温度系数 ； E为减弱系数 。 需要指 出的是 ， 这里所说的管道为公称管 ， 其用 途为流体输送 ， 与管子不同。因此 ， 即使管道的外径 1 2 5 m m也不得使用公式( 3 ) 。公式( 2 ) ， ( 3 ) 中的 焊缝减弱系数的确定方式不同： 在 G B T 9 2 2 2 2 0 0 8中， 焊缝减弱 系数 根据 8种不 同的焊缝形 式确定； A S M E规范第 1 卷中规定， 无缝或焊接简体 的E值为 1 ， 或者等于 P G一 5 2或 P G一 5 3的孔桥减 弱系数 ， W则根据管子的材料和温度按 照 P G一2 6 而定。在计算壁厚时， 计算压力在 A S M E规范第 1 卷和 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中均为受压元件各 自的工作 压力 ， 但由于安全阀整定值的不同， 前者的附加压 3 O 华 电技 术 第 3 3卷 力 ( 安全 阀超压 幅度不得 大 于 6 ) 要小 于 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中的值。此外 ， 管子壁厚计算公式 ( 3 ) 中的 P无需 考虑部 件 位置 的静压 头 ， 这也 不 同于 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8的规定 。A S ME规范第 1卷 中并 没有 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中采用的弯管形状系数 K ， 其类似的壁厚补偿值为公式 ( 3 ) 中引入的经验数据 0 O 0 5 D。公式 ( 3 ) ， ( 4 ) 中的附加壁厚可包括腐蚀裕 量 、 螺纹接头附加厚度 ， 与 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中的附 加厚度有所差异且数值小于后者 。对于厚壁 ， A S ME 规范除去正文中提到 的公式 ( 3 ) ， ( 4 ) 外 ， 还可 以根 据工程需要适 当选择采用非强制性附录A一3 1 7提 供的计算公式 ( 5 ) ， ( 6 ) 。 6=D( 1一e 一 ) 2+ f + ， ( 5 ) 6=D 。 ( 1一e 一 舾 ) 2+6 f + ， ( 6 ) 式中： D为简体外径； D i 为简体内径， m m； 为胀接 管端部处的厚度 因子 。 8 0 2 0 此外， A S M E规范非强制性附录A一1 2 5 还提供 了壁厚大 于简体 内径 1 2时 的计算 公式 ， 这些 在 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中均没有涉及 。 1 2 孔桥减弱系数 A S ME规范第 1 卷中将孑 L 桥分为按一定格式排 列孔桥和不按一定格式排列孔桥 2种。前者减弱系 数的计算 与 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8的基本思路 是一致 的， 但两者也有差别。 首先 ， A S M E规范 中斜 向孔桥减弱 系数 的计算 公式较 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8要相对复杂 ， 虽然均提供 了线算图， 但 A S M E规范的查找条件为纵向孔桥减 弱系数和 2个孔间节距 比值 p p ( 如图 1所示 ) ， 这 与 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中的查找方法不同。 其次 ， A S ME规范第 1卷 中当任意一列 管孔 的 节距不等时( 如图 2图 4所示) ， 孑 L 桥减弱系数应 根据管孔距平均值进行计算 f i l 、 i一 f 、 f 锅 筒 轴 线 ， 一 蜒 一 ： 上 l 、 ， 、 I s 卞 一 、 、 L P=纵 日 节距 P = 横 口 节距 。 、 - 、 F 1 0 I 2 暑 0 6 6 d 2 0 3 0 4 O 5 0 6 O 7 0 8 0 纵 向孔桥减弱系数 图 1 确定圆筒体开孔间纵向子 L 桥减弱系数和斜向孔桥减弱系数的线算图 噼 蜷 士 匠暴 _軎 g蜷 厘砖 第 1 0期 陈志刚， 等 ： 锅炉受压筒体强度采用 A S ME规范与 国内标准计算方法的对比 3 1 0 0 0 。 ， ， 厂 厂 ， 。 ， 卜 、 厂 ， 纵 向轴线一 图2 每列孔节距都相等的子 L 排 - - _ 1_- r 厂 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 一 一 、 一 。一 、 一 ， 、 厂 、 、 、 厂 ， 、 、 、 ， 、 、 、 、 、 一 一 一 ， 、 一 一 3 05 一 纵向轴线 + 图3 第 2列孔节距不相等的子 L 排 l 3 3 l 7 l l 3 3 1 3 3 l 7 l 1 3 3 1 7 l 1 3 3 1 3 3 ， 一 t + 卜一 _ 卜H 一 一 一 L 一 J 一 一 纵 向轴线 一 图4 第 2列和第 3列孑 L 节距有变化的孔排 E = ， 式 中： E为孔桥减弱系数 ； f 为一系列按一定格式排 列的管孔组 中 2个开孔之 间的距 离 ， mm； n为长度 z 。 内的孔数； d 为管孔直径， m m 。 A S ME规范中不按一定格式排列 的孔排在满足 P G 3 2 1 2的条 件 下 ， 平 均 孔桥 减 弱 系 数应 按 照 P G 5 3 2 和 P G 5 3 3进行计算， 在一定条件下， 不以 局部最小的孑 L 桥减弱系数计算简体壁厚。该类计算 和规定比较复杂 ， 因此 ， 为保证 产品与规 范 的一致 性 ， 在非必要的情况下 ， 还是采用按一定格式排列孑 L 桥的计算方法确定孔桥减弱系数。 1 3 开孔补强计算 A S M E规范第 1 卷将开孔补强分为单孔补强和 多孔补强， 而 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8 则分为单孔补强和 孔桥补强 2 种。两者采用的单孔补强均为等面积补 强， 前者的多孔补强是指任意 2个需要补强的相邻 孔 ， 当节距小于 2倍 P G 3 6 2规定值而发生两者有 效补强范围重叠时， 需要的总补强面积为各个孔单 独所需补强面积之和； 而后者 所说 的孑 L 桥补强是指 在作为单孔无需补强 的 2个孔成为孔桥时 ， 2个孔 的剩余金属对孔桥 的补强。A S M E规范第 1 卷补强 条件范 围更广 ， 其补强计算根据简体外径不同， 分别 适用于 ： 当D1 5 0 0 mm时 ， d 0 5 D且 d 5 0 0 m m； 当 D1 5 0 0 m m时 ， d 1 3 D且 d 1 0 0 0 m m( d为开 孔直径 ) 。G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8适用于 ： d D0 8且 d 6 0 0 m m 的径 向开 孔 ( 当开孔为长短轴之 比2 的椭 圆孑 L 时 ， d取长轴直径) 。 1 3 1 单孔补强计算 首先 ， 需要确定单孔是否需要补强 。A S M E规 范规定了筒体未加强孔的最大允许直径为以下 2条 中的最大值 ： ( 1 ) 简体 内径的 1 4并且不大于 6 0m m； ( 2 ) 按照 P G 3 2 1 2， 即公 式 ( 8 ) 进行 计 算 的 结果。 d =8 0 8 D 6 ( 1一K) “ ， ( 8 ) 式 中： d 为 未加 强 孔 最 大 允 许 直 径， mm；K = p D ( 1 8 2 )。 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8 则规定 ： 当 K 0 4时不需进 行计算， 当K 0 4时的最大允许直径根据线算图 查得。这与 A S ME规范 2 0 0 7版确定最大允许直径 的线算图法相类似。A S ME规范第 1 卷 中引入 了修 正系数 F， 用于反 映相对于 圆筒体纵轴 的不 同截面 上压力所产生应力的差异， 但 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8仅 在 计 算 孔 桥 加 强 时 才 引 入 了类 似 的修 正 系数 。 A S M E规范第 1 卷中孔的补强形式中还增加了带过 渡段形式的管接头补强要求。2种方法在所需补强 面积的算法上基本一致， 但补强面积中壁厚和有效加 强高度等有所差异， 具体数值也不完全相同。 1 3 2 多孔、 孔桥补强计算 A S ME规范第 1 卷中的孔桥补强计算与单孔补 强相类似， 也采用 P G 3 3的补强公式。2 个孔直径均 大于最大未加强孑 L ， 问距在 4 3倍 2个孑 L 的平均直 径和 2倍 P G 3 6 2规定值之间。A S ME规范 P G 3 8提 供了3 种结构形式的补强面积计算方法( 图5中： 一 6 二 。 。f r 1 l ， ： 4 j ： I 7 3 一 7 一 J T f tt l ! t 4 刁 1f ) ， 一 ： V 6 t fT十 l I 一 _ = 图 5多子 L 补强示意图 ( 下转第6 3页) 一 一 一 第 1 0期 贺扬 ： 6 0 0 MW 机组“ 防非停” 热工系统优化改造 6 3 3 实施过程中注意事项 ( 1 ) 实施前仔细核对信号通道和来源， 避免产 生错误 的改动 。由于此次改造项 目较多 ， 有些项 目 之间还涉及通道互换 ， 因此 ， 在改造前需在现场对每 个点进行仔细核对， 防止出现保护信号缺失或混乱 的情况。 ( 2 ) 实施 过程 中需严格控制施 工质量 ， 防止信 号误动。对电缆的绝缘、 接地情况需严格测试； 对端 子的标志和接线的紧 固需严格验 收 ； 对现场元 件的 安装质量也必须严格控制， 在电缆、 仪表管的走向上 除了严格按相关规范施工外 ， 还需将设备损坏 的因 素降至最低。 ( 3 ) 加强改造后 的验 收工作 ， 把好 最后一道关 卡。改造后通道和逻辑 的验 收工作是改造能否成功 投运的最后一道关卡。首先， 在逻辑修改完成后需 进行静态测试， 采用从信号源头发信的方法保证通 道的正确性， 利用模拟信号的方法检查逻辑修改的 正确性 ； 其次 ， 随各项联锁保护试验进行动态测试 ， 模拟实际保护动作的环境来保证改造的完整性和正 确性。 4 结束语 江苏国信扬州发 电有限责任公司“ 防非停 ” 热 工系统优化改造历时 3年， 分 5个 阶段按系统 的重 要程度进行 了大规模 的排查和整改 ， 机组热工 自动 化水平和热工保护的安全性得到了很大提高。随着 今后脱硝系统的改造、 脱硫旁路挡板的取消， 江苏国 信扬州发电有限责任公司计划将改造的成功经验和 方法推广到其他辅机以及脱硫保护的优化中， 使整 个机组热工系统的功能更加合理、 可靠。 ( 编辑 ： 白银 雷) 作者简介： 贺扬( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 江苏扬州人 ， 主任工程师， 工程师， 从事火电厂热工专业技术管理方面的工作( E m a i l ： h e y a n g y z 2 p p c o m) 。 oOO 0O ( 上接第3 1页) 对于径向开孔， 5 ， 6 ， 7 ， 8所示的截面 面积应 至少 等 于 1 ， 2 ， 3 ， 4所 示 的截 面 面积 乘 以 0 7 ； 6 为无缝筒体的最小需要壁厚) ， 此处仍然引 入了修正系数 F 。G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8中仅给出了作 为单孔无需补强的 2个孔或只有 1个孔需要补强的 条件下的孔桥补强计算 ， 对于孔桥 内 2个孔 均须补 强的情况 G B T 9 2 2 2 -2 0 0 8在第 l 2章 中未 涉及相 关内容， 而是将其放人了第 1 3章采用验证法进行强 度 校 核 。 2 结论 A S M E规 范第 1卷 的强 度 计算 准则 与 G