热挤压三通设计的优化

1、热挤压三通设计的优化林其略上海协鑫电力工程有限公司,上海浦电路438号,200122摘要：本文用“壁厚等级”研究分析管件结构尺寸变化规律，论述热挤压三通的支管高度、支管壁厚、肩部尺寸的合理选取，提出保证和提高产品质量的建议。关键词: 热挤压三通；设计；优化1 引言为了利用无缝钢管压制出结构尺寸符合设计要求的300MW、600MW及以上机组用的大口径厚壁三通，填补国内生产这类三通的空白，使我国三通的设计制造达到国际先进水平，1995年经电力规划设计总院批准立项，并列入1996年度国家级“星火计划”，华东电力设计院和天津金鼎管道公司合作研究开发了电站管制大口径厚壁三通，1996年年底通过技术鉴定，

2、荣获国家重点新产品奖和天津市科技进步三等奖。经过十多年的不断实践、研究、发展、提高，天津金鼎管道公司制造的超超临界机组管件的技术和质量已达到相当高的水平。优质的超超临界机组管件，除了要有优质的材料、先进的工艺，还要有合理的结构设计。本文将介绍在与天津金鼎管道公司合作开发电站管制大口径厚壁三通研究中优化设计的点滴体会。2 强度条件2.1 壁厚等级众所周知，在美国的管子和管件标准中，为便于订货普遍采用壁厚等级（管壁厚度号Scheduleo.）表示管子和管件。它和管子、管件的设计压力及设计温度下材料的许用应力的关系如式（2.1-1）所示。 （2.1-1） 从式（2.1-1）可知，壁厚等级综合了设计压

3、力、设计温度及材料特性因素，它使管子、管件的研究和应用也变得简单、方便。不同的系统、不同的材料、不同的设计压力、不同的设计温度，只要壁厚等级相同，选用的管子或管件的规格就是一样的。电站各种参数机组四大管道的壁厚等级（为方便分析比较，未作规整）如表1所示。表1 各种参数机组四大管道的壁厚等级（未规整）序号 项 目设计压力（MPa(g)） 设计温度 （）管 材 (MPa)Sch一 主蒸汽11000MW超超临界27.64610A335P9268.56403 2600MW及以上超临界25.4574A335P9154.11469 3600MW及以上超临界25.457412Cr1MoVG49.6512 4

4、300MW及600MW亚临界17.6546A335P91117.0 150 5300MW及600MW亚临界17.654612Cr1MoVG67.8260 6125MW200MW超高压13.7354512Cr1MoVG68.5200 7125MW200MW超高压13.7354510CrMo91050.3273 825MW100MW超高压9.8154512Cr1MoVG68.5143 925MW100MW超高压9.8154510CrMo91050.3195 二 再热蒸汽热段11000MW超超临界5.864608A335P9156.65104 2600MW及以上超临界5.42573A335P2235

5、.69 152 3600MW及以上超临界5.4257312Cr1MoVG50.2108 4300MW及600MW亚临界4.8546A335P2259.8 80 5300MW及600MW亚临界4.8546A691Gr.21/4CrCL2248.19100 6300MW及600MW亚临界4.854612Cr1MoVG67.871 7125MW200MW超高压2.7154512Cr1MoVG68.540 8125MW200MW超高压2.7154510CrMo91050.354 925MW100MW超高压2.8854512Cr1MoVG68.542 1025MW100MW超高压2.8854510CrM

6、o91050.357 三再热蒸汽冷段11000MW超超临界5.864410A672-B70-CL3294.262 2600MW及以上超临界5.42342A672-B70-CL32129.742 3600MW及以上超临界5.4234220101.653 4300MW及600MW亚临界4.8355A672-B70-CL32127.238 5300MW及600MW亚临界4.83552098.549 四高压给水11000MW超超临界(阀前)47.6191.915NiCuMoNb203234 21000MW超超临界(阀后)36.3302.415NiCuMoNb203179 3600MW及以上超临界(阀前

7、)4419315NiCuMoNb203217 4600MW及以上超临界(阀前)44193A106C137.8319 5600MW及以上超临界(阀前)4419320G125352 6600MW及以上超临界(阀后)3728515NiCuMoNb203182 7600MW及以上超临界(阀后)37285A106C137.8269 8600MW及以上超临界(阀后)3728520G116.5318 9600MW亚临界(阀前)32185st45.8/III145.2 220 10600MW亚临界(阀前)32185A106C137.8232 11600MW亚临界(阀前)3218520G125256 12600

8、MW亚临界(阀后)28285st45.8/III103.9269 13600MW亚临界(阀后)28285A106C137.8203 14600MW亚临界(阀后)2828520G116.5240 15300MW亚临界(阀前)27.3185st45.8/III145.2 188 16300MW亚临界(阀前)27.3185A106B117.8232 17300MW亚临界(阀前)27.318520G125218 18300MW亚临界(阀后)24.6285st45.8/III103.9237 19300MW亚临界(阀后)24.6285A106B117.8209 20300MW亚临界(阀后)24.6285

9、20G116.5211 21125MW200MW超高压22.56257st45.8/III111.18203 22125MW200MW超高压22.5625720G123.6183 2325MW100MW超高压17.15230st45.8/III121.6141 2425MW100MW超高压22.5625720G123.6183 2.2承受内压的直管最小壁厚壁厚等级也可以用来表示承受内压的直管最小壁厚的计算公式。按管子外径确定时： (2.2-1) (2.2-2) (2.2-3) 按管子内径确定时： (2.2-4) (2.2-5) (2.2-6)2.3 热挤压三通补强的压力面积法壁厚等级同样可以用

10、来表示热挤压三通补强的压力面积法的计算公式。 (2.3-1) (2.3-2) (2.3-3)3 结构尺寸3.1 支管高度表2列出国际标准ISO 3419、5251、美国标准ASME/ANSI B16.9、德国标准DIN 2615、日本标准JIS B2312和GD 87 火力发电厂汽水管道零部件典型设计对热挤压三通支管高度的要求，它们基本上是一致的。然而如表2所示，当三通壁厚增加到一定值（表中没有涂阴影部分），上述标准规定的三通支管高度将小于三通主管半径、支管承载长度及端部坡口和过渡区尺寸之和。表2 等径三通支管高度接管外径Do三通支管高度（三通中心至支管端面距离）ISO 3419ASME B1

11、6.9DIN 2615JIS B2312GD87壁厚等级Sch.(=1000×p/t)4080160240320400114.3105105105104.88595103109115115139.7124124124123.8110106112125132140140168.3143143143142.9143125136150160165170193.7165145155170180190195219.1178178178177.8180160175190206212218244.5200180195212224236243273216216216215.9216200218243

12、258265272323.9254254254254254236258280300315325355.6279279279.4279258290315325335355406.4305305304.8305300325355375387400457343343342.9335365400425437450508381381381365412450462487500559419419412450487515530545610432432450487530560580600660495495487530580600630650711521521515580615650670690762559559

13、5606156706907307508135975976006507107307758008646356356307107507758258509146736736707308008258759009687117117107758508759259501016749749750825875925950100010677627118008759259751000103011188137628259009751000106010901168851800875950103010601090115012198898389009751060109011501180因此热挤压三通的研发就是要以新的设计思想

14、和先进的工艺，使三通的支管高度不小于三通主管半径、支管承载长度及端部坡口和过渡区尺寸之和并向上圆整到优先数。3.2 支管壁厚合理的热挤压T形三通，其主管和支管的壁厚之比与主管和支管的内径之比基本上是成正比的，而等径三通的支管壁厚与主管壁厚则完全相等。3.3 肩部尺寸三通肩部尺寸对三通强度特性起着决定性的作用。三通肩部尺寸包括肩部的内壁半径、外壁半径和肩部壁厚三个要素。这三个要素不仅相互关联，而且还应考虑三通外径与内径比值及支管与主管直径比值等因素。要协调三个要素，使其达到比较理想的结构，也是三通设计优化的关键。 美国ASME B31压力管道系列规范对两种热挤压（锻造）三通的肩部尺寸有明确规定（

15、见表3），并给出不同的尺寸系数计算公式。表3 三通的尺寸系数和应力增强系数三通类型符号B31.1B31.3B31.8符合ASME B16.9规定的对焊三通r0(r0d/8)(r0d/8)r0d/8Tc(Tc1.5tn)(Tc1.5tn)Tc1.5tnio0.9/h2/30.9/h2/30.9/h2/3ii3/4io+1/43/4io+1/4h3.1(4.4)tn/r3.1(4.4)tn/r4.4tn/r满足ASME B31要求的挤压三通（翻边支管）r0r0d/20(38mm); r0d/10+12.7mmr032mm(NPS<6)r0d/20r0d/20Tc cTc<1.5tnTc

16、<1.5tnio0.9/h2/30.9/h2/30.9/h2/3ii3/4io+1/43/4io+1/4htn/rtn/r(1+r0/r)tn/r从表3可以看出：符合ANSI B 16.9规定的三通，其肩部尺寸应满足肩部外壁半径应不小于支管外径的1/8；肩部壁厚应不小于三通管壁厚的1.5倍的要求。此时，其尺寸系数为： 如果三通的肩部尺寸不能满足上述限制又没有获得更多的直接应用数据时，其尺寸系数则应为： 。两者的尺寸系数和应力增强系数差别甚大。因此热挤压三通的工艺研究，应尽力使三通的肩部尺寸符合B 16.9的要求。图1给出了两种热挤压（锻造）三通的壁厚等级与三通特性的关系。图2和图3已超超

17、临界1000MW机组主蒸汽三通为例，分别给出了三通的肩部内、外弧半径对三通特性的影响。增大三通肩部厚度与三通管壁厚之比的途径是减小三通肩部内弧半径或加大三通肩部外弧半径。减小三通肩部内弧半径，不仅减小三通的承压面积，而且增大三通的承载面积，这对降低三通的一次膜态应力，提高三通强度，起着双重作用。加大三通肩部外弧半径，只增大三通的承载面积，而且肩部外弧半径一般宜小于支管承载长度。3.4 尺寸偏差要保证三通成品质量，三通图样应规定三通的线性尺寸偏差和形状位置偏差：a) 三通最大内径不大于三通补强计算的三通内径；b) 三通主管的主管壁厚和支管壁厚不小于三通补强计算的壁厚；c) 三通肩部外弧半径应不小于三通补强计算的外弧半径；d) 三通肩部内弧半径应不大于三通补强计算的内弧半径。4 结论与建议（1） 用“壁厚等级”研究分析管件结构尺寸变化规律(2) 三通肩部尺寸对三通强度特性起着决定性的作用，既是三通设计优化的关键，也是产品尺寸检验的重点。（3）“最低价中标”的