關(guān)于旁路閥壁厚設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比研究

謝 匡

（上海希希埃動(dòng)力控制設(shè)備有限公司，上海 200090）

0 概 述

汽輪機(jī)旁路閥是現(xiàn)代單元機(jī)組熱力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不相匹配的情況，即鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量大于汽輪機(jī)所需要的蒸汽量，旁路閥的作用就是讓多余部分的蒸汽不再進(jìn)入汽輪機(jī)，而是經(jīng)過旁路減溫減壓后，直接將多余蒸汽引入凝汽器。有些旁路系統(tǒng)還承擔(dān)著將鍋爐主蒸汽經(jīng)減溫減壓后，再引入再熱器的任務(wù)，以保護(hù)再熱器的安全。旁路系統(tǒng)的這些功能，在機(jī)組啟動(dòng)、降負(fù)荷或甩負(fù)荷時(shí)是十分需要的。因此，對(duì)于汽輪機(jī)旁路閥的壁厚設(shè)計(jì)要求也非常高，但是，對(duì)于旁路閥的壁厚設(shè)計(jì)，還末有較為詳細(xì)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求?，F(xiàn)根據(jù)國(guó)內(nèi)外常用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行對(duì)比，引用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME II Part D、ASME B16.34 、EN 12516－2 、GB150、GB 26640、GBT12224、NB／T 47044。

1 關(guān)于許用應(yīng)力的不同要求

許用應(yīng)力是機(jī)械設(shè)計(jì)或工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許零件或構(gòu)件承受的最大應(yīng)力值。要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應(yīng)力過高或過低，需要預(yù)先確定一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是許用應(yīng)力。在不同國(guó)家和地區(qū)選用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于許用應(yīng)力的要求均有所不同。以中國(guó)、美國(guó)、歐洲國(guó)家為例，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別為GB150，ASME II Part D，EN 12516－2。

在各國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，我國(guó)根據(jù)GB150《壓力容器》對(duì)材料許用應(yīng)力的計(jì)算方法，如表1所示。美國(guó)（1）對(duì)奧氐體高合金鋼制受壓元件，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于蠕變范圍，且允許有隱量的永久變形時(shí)，可適當(dāng)提高許用應(yīng)力至0.9RteL（Rtp0.2），但不超過。此規(guī)定不適用于法蘭或其他有微量永久變形就產(chǎn)生泄漏或故障的場(chǎng)合。根據(jù)ASME II Part D對(duì)材料許用應(yīng)力的計(jì)算方法，如表2所示。歐洲國(guó)家根據(jù)EN 12516－2對(duì)材料許用應(yīng)力的計(jì)算方法，如表3所示。

表1 GB150中許用應(yīng)力的計(jì)算方法

各標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)材料都進(jìn)行了劃分，為了便于對(duì)比，選取旁路閥門材料中較為常用的碳鋼和低合金鋼。

對(duì)于碳鋼，主要應(yīng)用在425℃以下的工況中。許用應(yīng)力的大小，取決于抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度選用的安全系數(shù)。經(jīng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在GB150標(biāo)準(zhǔn)中，選取的安全系數(shù)分別為2.7或1.5；ASME II標(biāo)準(zhǔn)中的安全系數(shù)，分別取3.5或1.5；而在EN12516標(biāo)準(zhǔn)中，安全系數(shù)的取值最小，分別為2.4或1.5?？梢?，在同樣設(shè)計(jì)工況下，EN標(biāo)準(zhǔn)中給出的許用應(yīng)力將會(huì)最大。因此，若根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)閥門進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)，將對(duì)計(jì)算結(jié)果有著較為直接的影響。

對(duì)于低合金鋼更多需要考慮高溫下的使用工況，在GB150標(biāo)準(zhǔn)中，由10萬小時(shí)斷裂強(qiáng)度和10萬小時(shí)1%蠕變分別除以安全系數(shù)，取較小值，安全系數(shù)分別是1.5與1。而在ASME II標(biāo)準(zhǔn)中，同樣較多考慮了10萬小時(shí)斷裂強(qiáng)度及1 000小時(shí)的0.01%蠕變分別除以安全系數(shù)，取較小值，安全系數(shù)分別為1.25與1。在EN12516標(biāo)準(zhǔn)中，則僅考慮了10萬小時(shí)蠕變除以1.5的安全系數(shù)。從表面數(shù)據(jù)分析可知，與常溫工況下的設(shè)計(jì)條件相反，在EN標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于高溫下材料采用蠕變強(qiáng)度除以1.5的安全系數(shù)，所得的許用應(yīng)力值是最小的，也是最為保守的。而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力值則較為接近。

表2 ASME Boiler and Pressure Vessel Code II Part D中對(duì)材料許用應(yīng)力的計(jì)算方法

表3 EN 12516－2Shell design strength中對(duì)材料許用應(yīng)力的計(jì)算方法

2 壁厚的不同計(jì)算方法

關(guān)于旁路閥的壁厚計(jì)算，我國(guó)無直接對(duì)應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，故而選取電站閥門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) NB／T 47044－2014，參照該標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。而在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，錄有閥門的專門標(biāo)準(zhǔn)B16.34。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)中，仍可采用EN12516標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

分別列出3種標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于壁厚的計(jì)算公式：NB／T 47044－2014標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計(jì)算公式：

ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計(jì)算公式：

EN12516標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計(jì)算公式：

式（1）～式（4）中：p、pc—設(shè)計(jì)壓力，MPa；

d、di—內(nèi)直徑，mm；

d0—外直徑，mm；

t、ec—壁厚，mm；

［σ］、f、st—材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

kc—焊接系數(shù)。

在3種標(biāo)準(zhǔn)中，均有需要注意的細(xì)節(jié)。在NB／T 47044－2014中，是利用PN 為公稱壓力進(jìn)行計(jì)算。在ASME B16.34中，是利用Pc的磅級(jí)單位進(jìn)行計(jì)算，而EN12516中，則需要首先判斷外徑與內(nèi)徑的比值，分別按不同的公式進(jìn)行計(jì)算。

為了方便對(duì)比各標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來的壁厚數(shù)據(jù)，仍采用高、低溫度下的2種工況，并分別選擇2種材料，對(duì)應(yīng)于2種工況條件進(jìn)行分析計(jì)算。

工況1：工作壓力為10MPa，工作溫度為340℃，對(duì)應(yīng)材料為SA105，閥門內(nèi)徑分別選取100 mm和300mm。

工況2：工作壓力為12MPa，工作溫度為538℃，對(duì)應(yīng)材料為SA182F91，閥門內(nèi)徑分別選取100mm和300mm。

（1）按工況1進(jìn)行計(jì)算

查 NB／T 47044中表 E.3，PN 選取為160 MPa，d1＝100mm，［σ］＝123.2MPa，t1＝5.98。

查 NB／T 47044中表 E.3，PN 選取為160 MPa，d2＝300mm，S＝123.2MPa，t2＝17.95。

查 ASME B16.34中表2－1.1，Pc＝Class 900，d1＝100mm，ST＝7000，t1＝10.45。

查 ASME B16.34中表2－1.1，Pc＝Class 900，d2＝300mm，ST＝7000，t1＝31.35。

對(duì)于EN12516，di1＝100mm，p＝10MPa，f＝123.2MPa，Kc＝1，t1＝5.3。

di2＝300mm，p＝10MPa，f＝123.2MPa，Kc＝1，t2＝13.7。

（2）按工況2進(jìn)行計(jì)算

查NB／T 47044－2014中表E.3，PN 選取為250MPa，d3＝100mm，S＝110.2MPa，t3＝10.94。

查 NB／T 47044中表 E.3，PN 選取為250 MPa，d4＝300mm，S＝110.2MPa，t4＝32.8。

查ASME B16.34中表2－1.15，Pc＝Class 1500，d3＝100mm，ST＝7000，t3＝18.44。

查ASME B16.34中表2－1.15，Pc＝Class，1500，d4＝300mm，ST＝7000，t4＝55.32。

對(duì)于EN12516，di3＝100mm，p＝12MPa，f＝111.8MPa，Kc＝1，t3＝6.7，di4＝300mm，p＝12 MPa，f＝111.8MPa，Kc＝1，t4＝18.1。

經(jīng)計(jì)算，2種工況下匯總數(shù)據(jù)，如表4、表5所示。

表4 按工況1計(jì)算所得數(shù)據(jù) （mm）

表5 按工況2所得計(jì)算數(shù)據(jù) （mm）

按工況1及工況2的條件進(jìn)行計(jì)算所得數(shù)值，繪制成表格形式進(jìn)行對(duì)比，如圖1、圖2所示。

圖1 按工況1的條件計(jì)算所得參數(shù)

圖2 按工況2的條件計(jì)算所得參數(shù)

從圖1、圖2可知，在2種不同工況下，分別應(yīng)用3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，可以反映出相同的趨勢(shì)。壁厚的計(jì)算厚度趨向于ASME B16.34＞NB／T 47044－2014＞EN12516，無論是100mm內(nèi)徑還是300 mm內(nèi)徑趨勢(shì)都是相同的。而在圖1中，還可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用NB／T 47044及EN12516標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，在低溫小口徑時(shí)，計(jì)算所得的壁厚值較為接近，隨著工作溫度的升高，待轉(zhuǎn)變至工況2條件時(shí)，計(jì)算所得的壁厚值將出現(xiàn)明顯變化。在材料的選擇上，工況1和工況2均選擇了ASME材料，從前文關(guān)于許用應(yīng)力計(jì)算也可以得知，ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于許用應(yīng)力的計(jì)算是比較保守的。

3 結(jié) 語

通過計(jì)算可知，在ASME及B16.34標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)閥門在高溫高壓環(huán)境下使用時(shí)，壁厚的計(jì)算將是極為保守的。特別是在超臨界乃至超超臨界機(jī)組的工況下，采用該類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)旁路閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算所得的壁厚較大，不但造成了材料的浪費(fèi)，還增加了不必要的成本，另外，也將增加閥體內(nèi)外壁的溫差，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這樣的現(xiàn)象是需要避免的。因此，對(duì)于旁路閥的壁厚設(shè)計(jì)，當(dāng)使用 NB／T47044及EN12516標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，選取的壁厚較為合理，也比較經(jīng)濟(jì)。