淺析高壓加熱器的IBR認證

肖勁軍，國金蓮

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

淺析高壓加熱器的IBR認證

肖勁軍，國金蓮

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

出口印度的高壓給水加熱器需要按照印度的鍋爐規(guī)程（IBR）進行設計制造，并與ASME的相關規(guī)定進行分析比較。認證時，需要注意幾個方面，有關設備選材、材料安全系數(shù)、水壓試驗壓力、補強計算、換熱管壁厚計算以及受壓件驗證，需由第三方檢驗機構進行審查檢驗。

高壓；加熱器；印度；鍋爐；規(guī)程；設計；認證；檢驗

0 概 述

印度的鍋爐規(guī)程（India Boiler Regulation）簡稱為IBR，是印度頒發(fā)的強制性規(guī)程，規(guī)程中對鍋爐材料、設計、制造、安裝、監(jiān)督、檢驗、運行及附件和維護等方面進行了詳細的規(guī)定。出口印度的電站設備必須遵循該規(guī)程，并接受IBR授權的第三方檢驗機構的監(jiān)察，包括設計文件審核和制造過程監(jiān)督及現(xiàn)場安裝檢驗和注冊。同時制造廠需要按IBR要求出具各種制造、安裝和材料認證等各類制造與試驗證明文件，由授權機構簽字認可才能報批。在以上所有要求批準后，制造廠方可投料生產(chǎn)。在設計和認證過程中，對印度鍋爐規(guī)程（IBR）的理解和所遇的問題進行了討論，為今后制造出口印度高壓加熱器等產(chǎn)品，提供規(guī)程執(zhí)行方面的借鑒和參考。

1 主要受壓元件材料的選取

大多數(shù)印方業(yè)主在招標文件中要求高壓加熱器主要受壓元件使用印度材料或ASME標準推薦的材料，如選用國產(chǎn)牌號材料則需進行材料認證。采用ASME標準推薦材料或印度材料會減少認證方面的工作，但隨之而來的是材料采購成本的上升。為了降低成本拓展國際市場，在得到印方業(yè)主認可的前提下，應盡量采用國內(nèi)牌號材料。某2×600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組工程高壓加熱器為出口印度的項目，高壓加熱器的主要受壓元件選用了國內(nèi)材料，并進行了相關的材料認證。材料認證是從材料的化學成分、各成分的含量、各個厚度下的應力值、材料的用途等幾個方面進行了說明，并列舉該種材料在其他同等級機組中的應用情況。例如：該印度項目的2×600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組中高壓加熱器的管板選材為20Mn Mo（Ⅳ），在材料認證過程中，需提供表1～表3的相關數(shù)據(jù)，得到印方業(yè)主認可后，才能在設備制造中應用該種材料。

表1 主要受壓元件材料

表2 化學元素要求

表3 力學性能要求

通過表1～表3中數(shù)據(jù)，以20Mn Mo材料為例，從用途、遵循標準、元素組成、各元素含量、相應厚度下所對應的應力等方面進行了說明。其他類似設備用料也可根據(jù)實際使用情況在不會引起質量問題的前提下，參考該工程的材料認證方式，盡量采用國內(nèi)材料便于降低制造成本，提高經(jīng)濟效益。

2 材料的許用應力計算

印度鍋爐規(guī)程（IBR）中第271條，是對鍋爐鍋殼、組合式過熱器壁、汽包筒身和聯(lián)箱壁的允許工作應力的規(guī)定，汽包筒身和聯(lián)箱的最大允許應力為下列條件下確定的最小值：

（1）溫度≤454℃時，取所得2個數(shù)值中的較小值：

（2）溫度＞454℃時，取所得2個數(shù)值中的最小值：

式（1）至式（4）中：

t — 金屬工作溫度；

R — 室溫下鋼的最小規(guī)定抗拉強度；

E — 室溫下最小規(guī)定屈服點；

Et— 溫度為t時的屈服點（0.2%屈服強度）；

SR— 溫度為t時100，000小時內(nèi)產(chǎn)生斷裂的平均應力，在任何情況下，當應力大于最小應力的1.33倍時，均不會產(chǎn)生斷裂。

注：如果“材料標準”中未提供Sc值，且已知此類材料被用于印度或國外的鍋爐中，則此類材料的允許應力取式（6）式（7）所得兩值中的較小值：

在ASME第Ⅱ卷材料D篇強制性附錄1中，對材料允許工作應力的相關規(guī)定如下，應選取2個計算值中的較小值：

（a）材料常溫下的抗拉強度除以安全系數(shù)3.5的比值。

（b）設計溫度下材料屈服強度除以安全系數(shù)1.5的比值。

以設計條件為4.7 MPa，360℃，鍛件材料為20Mn Mo（Ⅲ），按不同的制造標準，計算了該2×600 MW亞臨界燃煤機組2號高壓加熱器殼側蒸汽接管鍛件的許用應力值，如表4所示。

內(nèi)容標準安全系數(shù)常溫下抗拉強度σb＝530 MPa設計溫度下屈服強度σst＝272 MPa設計溫度下許用應力MPa IBR 1.5 181.3 2.7 196.29 181.3 ASME 1.5 181.3 3.5 151.4 151.4

根據(jù)表4可知，在進行強度計算時，計算所得的受壓元件厚度會有一定的偏差，采用ASME標準進行計算是比較保守的，但是進行IBR認證時，需要提供IBR計算書和ASME計算書，受壓元件厚度的取值是兩者之間的較大值，即選取ASME計算所得的厚度做為受壓元件的最終厚度，從表4可知，如果ASME的計算書通過了，則IBR的計算書也能通過。

3 確定水壓試驗壓力

3.1 關于印度鍋爐規(guī)程中的水壓試驗

按印度鍋爐規(guī)程（IBR）中第268條，需在制造廠進行水壓試驗。

（1）對于內(nèi)徑大于600mm的鍋爐汽包及其它圓柱形部件，應于制造完成且檢驗人員在場時，由制造廠對其進行水壓試驗。水壓試驗的壓力應達到允許最大工作壓力的1.5倍，而未顯出任何缺陷。

（2）自始至終在適當控制下逐漸提高試驗壓力，以保證每次升壓的壓力增量不超過已達到壓力的6%，且于每次升壓后保持30 min。隨后將壓力減至最大允許工作壓力，并維持足夠的時間，以便能夠仔細觀察承壓部件是否滲漏。

（3）作為壓力試驗介質的水的溫度應在20～50℃之間。

3.2 ASME標準對液壓試驗的規(guī)定

按ASME標準第八卷第一冊壓力容器建造規(guī)則中UG－99標準液壓試驗規(guī)定：

（1）按內(nèi)壓設計的容器應進行液壓試驗，在液壓試驗時，任一點的壓力至少應等于最大許用工作壓力的1.3倍再乘以如下所制造容器材料的最小應力比值（LSR），該應力比值為每種材料在試驗溫度下的應力值S與設計溫度下的應力值S之比。

（2）為了減少脆性斷裂的危險，在進行液壓試驗期間金屬溫度至少保持在最低設計金屬溫度以上30℉（17℃），但無需高于120℉（48℃）。試驗時應在容器溫度與液體溫度大致相等后再升壓。

根據(jù)上述兩個規(guī)定，ASME考慮材料在試驗溫度和設計溫度下的應力比值LSR，而印度鍋爐規(guī)程只考慮允許最大工作壓力。當LSR值較大時，液壓試驗壓力按照ASME標準計算得出；當LSR值較小時，按照印度鍋爐規(guī)范（IBR）標準計算值。該印度工程的2×600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組，因20Mn Mo材料的LSR值為1，所以設備的水壓試驗壓力為1.5倍的允許最大工作壓力，而印度鍋爐規(guī)范（IBR）標準中的允許最大工作壓力即為設計壓力，所以最終的設備水壓試驗壓力為1.5倍的設計壓力。

4 高壓加熱器換熱管強度計算

印度鍋爐規(guī)范（IBR）中沒有對高壓加熱器換熱管強度計算的明確要求，且印度標準認可ASME和TEMA。所以在進行換熱管強度計算時可參照上述兩個標準。

4.1 ASME標準中對內(nèi)壓殼體厚度的規(guī)定

按ASME第八卷第一冊壓力容器建造規(guī)則中UG－27內(nèi)壓殼體的厚度中規(guī)定：

圓筒形殼體的最小厚度取式（8）、式（9）計算值中的較大者。

（1）環(huán)向應力（縱向接頭）。當厚度不超過內(nèi)半徑的1／2或P不超過0.385SE時，應采用計算公式（8）。

（2）縱向應力（環(huán)向接頭）。當厚度不超過內(nèi)半徑的1／2或P不超過1.25SE時，應采用計算公式（9）。

P— 設計壓力，MPa；

R—殼體內(nèi)半徑，mm；

S — 最大許用應力值，MPa；

t —殼體最小厚度，mm；

E—焊接接頭系數(shù)。

換熱管直段部分可按ASME中UG－27規(guī)定進行計算，彎管部分可按照TEMA標準中U形管計算公式進行計算：

式（10）中：t1— 換熱管直段計算厚度，mm；t0— 換熱管彎段計算厚度，mm；d0— 換熱管外徑 ，mm；

R— 換熱管最小彎曲半徑，mm。

4.2 HEI換熱器標準中換熱管的強度計算

與上述標準相對應的還有表面式給水換熱器標準HEI，該標準中也有對換熱管強度計算的明確要求，也是大多數(shù)印方業(yè)主認可的標準。

在HEI標準3.6.5－U形管中規(guī)定，U形管彎頭的最小彎曲半徑應是管子直徑的1.5倍，采用下式計算管子彎曲前所需的管壁厚度。

式（11）中：t—彎曲前管壁厚度，mm；

d — 管子外徑，mm；

P— 設計壓力，MPa；

R— 管子中心線處的彎曲半徑，mm；

S—相應于殼側設計壓力下飽和溫度時的設計許用應力，MPa。

根據(jù)上述兩種方法，均可進行換熱管的強度計算。

5 高壓加熱器接管補強計算

按印度鍋爐規(guī)范（IBR）第279條，進行接管補強計算時，需考慮接管本身補強的部分，接管的補強，如圖1所示。

圖1 接管的補強圖

接管許用應力／容器筒身許用應力的比值按實際比值，計算公式為：

在式（12）中：

fs— 在金屬工作溫度下鍋殼材料的允許應力，MPa；

fn—在金屬工作溫度下立管或噴嘴材料的允許應力，MPa。

按ASME第八卷第一冊壓力容器建造規(guī)則中UG－37殼體和成型封頭上開孔所需的補強規(guī)定：

Fr—強度削弱系數(shù)，不大于1.0；

式（13）中：

Sn— 接管許用應力值，MPa；

Sv— 容器許用應力值，MPa。

6 需接受第三方檢驗的受壓件

對于出口印度的產(chǎn)品，其主要受壓元件需接受第三方檢驗機構的審查和檢驗。需第三方檢驗機構審查和檢驗的高壓加熱器主要受壓元件，如表5所示。

表5 需接受審查和檢驗的受壓元件

通過該印度工程的2×600 MW亞臨界機組高壓加熱器的IBR認證工作，認識到在為印度制造的電站工程中需注意很多問題，相比國標和ASME標準都有不同之處，進行設計時要格外小心。現(xiàn)從高壓加熱器的設計角度對印度鍋爐規(guī)程（IBR）的一些規(guī)定進行了說明，并對ASME標準中相應的規(guī)定進行了對比分析。通過計算實例，了解印度鍋爐規(guī)程（IBR）中有關高壓加熱器設計方面的規(guī)定。在具體設計過程中遇到的問題，還需根據(jù)實際情況和分析相關標準的條款進行解決。已完工的印度工程2×600 MW亞臨界機組的高壓加熱器，如圖2所示。

7 結 語

隨著出口印度的火電產(chǎn)品越來越多，對印度鍋爐規(guī)程IBR的認證工作顯得尤為重要。如何根據(jù)規(guī)程進行原材料選擇，并根據(jù)規(guī)程進行產(chǎn)品的設計，受到相關制造廠家的重視。深入地了解印度鍋爐規(guī)程IBR，才能使認證工作順利通過，為進入印度電站設備市場打下夯實的基礎。

［1］The American society of Mechanical Engineers.An International Code 2010 ASME Boiler ＆ Pressure Vessel Code ［S］.American：2010.

［2］Indian Boilers Regulations［S］.Indian：2010.

Analysis of the IBR Certification of HP heater

XIAO jin－jun，GUO jin－lian
（Harbin Boiler Co.Ltd.，Harbin 150046，China）

The high pressure feed－water heater which is exported to India needs tofollow the Indian Boiler Regulation（IBR）.During the phase of design and certification we need to pay attention to several aspects，such as material selection，the safety factor of material，the pressure of hydrostatic test，reinforcement calculation，the thickness calculation of tube wall，which should be reviewed by the third party inspection agency.We also need to analyzed and compared with the relevant provisions of the ASME.

high pressure；heater；India；boiler；regulation；design；certification；review

TK264.9

A

1672－0210（2013）04－0023－04

2013－01－24

肖勁軍（1985－），男，助理工程師，學士，畢業(yè)于大連理工大學，從事汽輪機輔機設備的設計和開發(fā)工作。