鍋爐受壓筒體強(qiáng)度采用ASME規(guī)范與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法的對比

陳志剛，張旭，毛富杰，王方

(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192)

0 引言

美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范是由美國機(jī)械工程師學(xué)會ASME(American Society of Mechanical Engineers)的鍋爐及壓力容器委員會(BPVC)制定的，是世界上最早應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)之一，現(xiàn)已被公認(rèn)為世界上技術(shù)內(nèi)容最完整、應(yīng)用最廣泛的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。從2010版ASME規(guī)范開始，將之前每3年再版1次、每年進(jìn)行增補(bǔ)的規(guī)范更新方式改為每2年再版1次、每年不再進(jìn)行增補(bǔ)。截至2010年年底，我國大陸地區(qū)共有500余家制造廠持有ASME鋼印700余枚，其中絕大部分廠家亦持有國內(nèi)的特種設(shè)備制造許可證。在水管鍋爐的強(qiáng)度計(jì)算中，受內(nèi)壓筒體元件的強(qiáng)度計(jì)算十分普遍且非常重要，如鍋筒、集箱等。ASME規(guī)范第Ⅰ卷［1］與我國GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)［2］關(guān)于鍋爐強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)定有所不同，因此，將ASME規(guī)范第Ⅰ卷2010版與GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于受內(nèi)壓筒體強(qiáng)度計(jì)算的異同進(jìn)行分析，有助于制造廠準(zhǔn)確執(zhí)行ASME規(guī)范，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)我國企業(yè)的國際競爭力。

1 筒體壁厚強(qiáng)度計(jì)算

1.1 計(jì)算公式的差異

ASME規(guī)范第Ⅰ卷與GB/T 9222—2008中受內(nèi)壓圓筒形元件強(qiáng)度計(jì)算均以最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論(第三強(qiáng)度理論)為依據(jù)，但公式形式、參數(shù)選取方式及數(shù)值不盡相同。

GB/T 9222—2008中鍋筒筒體設(shè)計(jì)計(jì)算厚度采用了公式(1)，集箱、管子和鍋爐范圍內(nèi)管道的設(shè)計(jì)厚度可以歸納為計(jì)算公式(2)。

式中:δs為筒體設(shè)計(jì)計(jì)算厚度，mm;p為計(jì)算壓力，MPa;Dn為筒體內(nèi)徑，mm;Dw為筒體外徑，mm;φmin為最小減弱系數(shù);［σ］為許用應(yīng)力，MPa;δf為附加壁厚;φ為減弱系數(shù)(對于集箱取為φmin，對于管子和管道取為φh)。

ASME規(guī)范第Ⅰ卷則根據(jù)內(nèi)壓筒體的用途和外徑尺寸的不同分為:對于外徑≤125 mm的管子，其最小需要壁厚計(jì)算依據(jù)為公式(3)，鍋筒、集箱、管道的最小需要壁厚計(jì)算依據(jù)為公式(4)。

式中:p為最高允許工作壓力，MPa;D為筒體外徑，mm;S為金屬設(shè)計(jì)溫度下的最大許用應(yīng)力，MPa;w為焊接減弱系數(shù);e為脹接管端部處的厚度因子;y為溫度系數(shù);E為減弱系數(shù)。

需要指出的是，這里所說的管道為公稱管，其用途為流體輸送，與管子不同。因此，即使管道的外徑≤125 mm也不得使用公式(3)。公式(2)，(3)中的焊縫減弱系數(shù)的確定方式不同:在 GB/T 9222—2008中，焊縫減弱系數(shù)φh根據(jù)8種不同的焊縫形式確定;ASME規(guī)范第Ⅰ卷中規(guī)定，無縫或焊接筒體的E值為1，或者等于PG－52或PG－53的孔橋減弱系數(shù)，w則根據(jù)管子的材料和溫度按照PG－26而定。在計(jì)算壁厚時，計(jì)算壓力在ASME規(guī)范第Ⅰ卷和GB/T 9222—2008中均為受壓元件各自的工作壓力，但由于安全閥整定值的不同，前者的附加壓力(安全閥超壓幅度不得大于6%)要小于GB/T 9222—2008中的值。此外，管子壁厚計(jì)算公式(3)中的p無需考慮部件位置的靜壓頭，這也不同于GB/T 9222—2008的規(guī)定。ASME規(guī)范第Ⅰ卷中并沒有GB/T 9222—2008中采用的彎管形狀系數(shù)K，其類似的壁厚補(bǔ)償值為公式(3)中引入的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.005D。公式(3)，(4)中的附加壁厚可包括腐蝕裕量、螺紋接頭附加厚度，與GB/T 9222—2008中的附加厚度有所差異且數(shù)值小于后者。對于厚壁，ASME規(guī)范除去正文中提到的公式(3)，(4)外，還可以根據(jù)工程需要適當(dāng)選擇采用非強(qiáng)制性附錄A－317提供的計(jì)算公式(5)，(6)。

式中:D為筒體外徑;Di為筒體內(nèi)徑，mm;f為脹接管端部處的厚度因子。

此外，ASME規(guī)范非強(qiáng)制性附錄A－125還提供了壁厚大于筒體內(nèi)徑1/2時的計(jì)算公式，這些在GB/T 9222—2008 中均沒有涉及［3］。

1.2 孔橋減弱系數(shù)

ASME規(guī)范第Ⅰ卷中將孔橋分為按一定格式排列孔橋和不按一定格式排列孔橋2種。前者減弱系數(shù)的計(jì)算與GB/T 9222—2008的基本思路是一致的，但兩者也有差別。

首先，ASME規(guī)范中斜向孔橋減弱系數(shù)的計(jì)算公式較GB/T 9222—2008要相對復(fù)雜，雖然均提供了線算圖，但ASME規(guī)范的查找條件為縱向孔橋減弱系數(shù)和2個孔間節(jié)距比值p′/p(如圖1所示)，這與GB/T 9222—2008中的查找方法不同。

其次，ASME規(guī)范第Ⅰ卷中當(dāng)任意一列管孔的節(jié)距不等時(如圖2～圖4所示)，孔橋減弱系數(shù)應(yīng)根據(jù)管孔距平均值進(jìn)行計(jì)算

圖1 確定圓筒體開孔間縱向孔橋減弱系數(shù)和斜向孔橋減弱系數(shù)的線算圖

式中:E為孔橋減弱系數(shù);l1為一系列按一定格式排列的管孔組中2個開孔之間的距離，mm;n為長度l1內(nèi)的孔數(shù);d為管孔直徑，mm。

ASME規(guī)范中不按一定格式排列的孔排在滿足PG32.1.2的條件下，平均孔橋減弱系數(shù)應(yīng)按照PG53.2和PG53.3進(jìn)行計(jì)算，在一定條件下，不以局部最小的孔橋減弱系數(shù)計(jì)算筒體壁厚。該類計(jì)算和規(guī)定比較復(fù)雜，因此，為保證產(chǎn)品與規(guī)范的一致性，在非必要的情況下，還是采用按一定格式排列孔橋的計(jì)算方法確定孔橋減弱系數(shù)。

1.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

ASME規(guī)范第Ⅰ卷將開孔補(bǔ)強(qiáng)分為單孔補(bǔ)強(qiáng)和多孔補(bǔ)強(qiáng)，而GB/T 9222—2008則分為單孔補(bǔ)強(qiáng)和孔橋補(bǔ)強(qiáng)2種。兩者采用的單孔補(bǔ)強(qiáng)均為等面積補(bǔ)強(qiáng)，前者的多孔補(bǔ)強(qiáng)是指任意2個需要補(bǔ)強(qiáng)的相鄰孔，當(dāng)節(jié)距小于2倍PG36.2規(guī)定值而發(fā)生兩者有效補(bǔ)強(qiáng)范圍重疊時，需要的總補(bǔ)強(qiáng)面積為各個孔單獨(dú)所需補(bǔ)強(qiáng)面積之和;而后者所說的孔橋補(bǔ)強(qiáng)是指在作為單孔無需補(bǔ)強(qiáng)的2個孔成為孔橋時，2個孔的剩余金屬對孔橋的補(bǔ)強(qiáng)。ASME規(guī)范第Ⅰ卷補(bǔ)強(qiáng)條件范圍更廣，其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算根據(jù)筒體外徑不同，分別適用于:當(dāng)D≤1500mm時，d≤0.5D且d≤500mm;當(dāng)D≥1500mm時，d≤1/3D且d≤1000mm(d為開孔直徑)。GB/T 9222—2008適用于:d/D＜0.8且d＜600 mm的徑向開孔(當(dāng)開孔為長短軸之比≤2的橢圓孔時，d取長軸直徑)。

1.3.1 單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

首先，需要確定單孔是否需要補(bǔ)強(qiáng)。ASME規(guī)范規(guī)定了筒體未加強(qiáng)孔的最大允許直徑為以下2條中的最大值:

(1)筒體內(nèi)徑的1/4并且不大于60 mm;

(2)按照 PG32.1.2，即公式(8)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。

式中:dmax為未加強(qiáng)孔最大允許直徑，mm;K =pD/(1.82Sδ)。

GB/T 9222—2008則規(guī)定:當(dāng)K＜0.4時不需進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)K≥0.4時的最大允許直徑根據(jù)線算圖查得。這與ASME規(guī)范2007版確定最大允許直徑的線算圖法相類似。ASME規(guī)范第Ⅰ卷中引入了修正系數(shù)F，用于反映相對于圓筒體縱軸的不同截面上壓力所產(chǎn)生應(yīng)力的差異，但GB/T 9222—2008僅在計(jì)算孔橋加強(qiáng)時才引入了類似的修正系數(shù)。ASME規(guī)范第Ⅰ卷中孔的補(bǔ)強(qiáng)形式中還增加了帶過渡段形式的管接頭補(bǔ)強(qiáng)要求。2種方法在所需補(bǔ)強(qiáng)面積的算法上基本一致，但補(bǔ)強(qiáng)面積中壁厚和有效加強(qiáng)高度等有所差異，具體數(shù)值也不完全相同。

1.3.2 多孔、孔橋補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

圖5 多孔補(bǔ)強(qiáng)示意圖

ASME規(guī)范第Ⅰ卷中的孔橋補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算與單孔補(bǔ)強(qiáng)相類似，也采用PG33的補(bǔ)強(qiáng)公式。2個孔直徑均大于最大未加強(qiáng)孔，間距在4/3倍2個孔的平均直徑和2倍PG36.2規(guī)定值之間。ASME規(guī)范PG38提供了3種結(jié)構(gòu)形式的補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算方法(圖5中:對于徑向開孔，5，6，7，8 所示的截面面積應(yīng)至少等于1，2，3，4所示的截面面積乘以0.7;δr為無縫筒體的最小需要壁厚)，此處仍然引入了修正系數(shù)F。GB/T 9222—2008中僅給出了作為單孔無需補(bǔ)強(qiáng)的2個孔或只有1個孔需要補(bǔ)強(qiáng)的條件下的孔橋補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，對于孔橋內(nèi)2個孔均須補(bǔ)強(qiáng)的情況GB/T 9222—2008在第12章中未涉及相關(guān)內(nèi)容，而是將其放入了第13章采用驗(yàn)證法進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2 結(jié)論

ASME規(guī)范第Ⅰ卷的強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則與GB/T 9222—2008基本思路一致，但在某些方面存在一定差異。

(1)ASME規(guī)范第Ⅰ卷每2年再版1次，能及時將生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題納入規(guī)范，具有明顯的先進(jìn)性和實(shí)用性。

(2)ASME規(guī)范第Ⅰ卷對管子厚度計(jì)算引入了焊縫強(qiáng)度減弱系數(shù)、附加厚度、脹接管端部處厚度因子并且計(jì)算壓力不計(jì)入靜壓頭，提供了厚壁筒體的強(qiáng)度計(jì)算方法，其應(yīng)用范圍比 GB/T 9222—2008更廣。

(3)ASME規(guī)范第Ⅰ卷中引入了孔橋內(nèi)2個孔均須補(bǔ)強(qiáng)時的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，GB/T 9222—2008則將其納入驗(yàn)證法強(qiáng)度校核的范疇，不及ASME規(guī)范應(yīng)用方便。

［1］ASME/BPVC SEC I Spanish—2010，Section I Rules for Construction of Power Boilers［S］.

［2］GB/T 9222—2008，水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算［S］.

［3］唐志忠，夏國泉.ASME規(guī)范第l卷鍋爐受壓元件強(qiáng)度準(zhǔn)則分析［J］.江蘇鍋爐，2010(2):1 －2.