ASME BPVC.VIII.1-2021 中換熱管與管板連接焊縫強(qiáng)度計(jì)算及探討

王 任 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中， 換熱管與管板連接型式通常有強(qiáng)度脹、 強(qiáng)度焊、 強(qiáng)度焊加貼脹、 內(nèi)孔焊， 而強(qiáng)度焊或強(qiáng)度焊加貼脹應(yīng)用最廣。 采用強(qiáng)度焊或強(qiáng)度焊加貼脹時(shí)， 換熱管與管板連接焊縫尺寸要求及強(qiáng)度校核是換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中非常重要的部分。 本文將結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)此計(jì)算進(jìn)行分析和探討。

1 ASME BPVC. VIII.1-2021 中強(qiáng)度焊的分類(lèi)及要求

按ASME BPVC. VIII.1-2021 中UW-20 章節(jié)規(guī)定， 強(qiáng)度焊分為完全強(qiáng)度焊和部分強(qiáng)度焊。 完全強(qiáng)度焊與部分強(qiáng)度焊尺寸計(jì)算公式一致， 只是設(shè)計(jì)強(qiáng)度與換熱管軸向強(qiáng)度之比取值不同， 完全強(qiáng)度焊時(shí)， 取設(shè)計(jì)強(qiáng)度與換熱管軸向強(qiáng)度的比值為1。GB／T151-2014 中沒(méi)有對(duì)強(qiáng)度焊進(jìn)行分類(lèi)， 只是對(duì)設(shè)計(jì)選定的焊接尺寸進(jìn)行各工況下的應(yīng)力校核。

1.1 完全強(qiáng)度焊

對(duì)于完全強(qiáng)度焊， 標(biāo)準(zhǔn)中要求焊縫強(qiáng)度應(yīng)大于等于換熱管的軸向強(qiáng)度， 焊縫尺寸需滿(mǎn)足UW-20.6 的要求。 根據(jù)此原則， 只要換熱管與管板連接焊縫尺寸滿(mǎn)足完全強(qiáng)度焊的最小尺寸要求， 就無(wú)需進(jìn)行換熱管與管板連接焊縫的軸向載荷校核， 此焊縫也無(wú)需進(jìn)行剪切載荷試驗(yàn)， 只需對(duì)換熱管進(jìn)行軸向載荷的校核。

1.2 部分強(qiáng)度焊

部分強(qiáng)度焊（非密封焊） 的焊縫強(qiáng)度不大于換熱管的軸向強(qiáng)度， 設(shè)計(jì)強(qiáng)度（焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度）是根據(jù)各工況下的軸向載荷來(lái)確定的， 焊縫的最小尺寸要求是根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算的， 即滿(mǎn)足UW-20.6 的要求。 按部分強(qiáng)度焊的要求可以得知，由于焊縫強(qiáng)度是小于等于換熱管軸向強(qiáng)度的， 因此， 只需校核焊縫由于軸向載荷引起的應(yīng)力， 此應(yīng)力滿(mǎn)足要求， 換熱管的軸向應(yīng)力也滿(mǎn)足要求。 對(duì)于部分強(qiáng)度焊， 如果通過(guò)計(jì)算焊縫尺寸對(duì)應(yīng)的焊縫強(qiáng)度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中各工況下軸向載荷作用的要求， 則焊縫無(wú)需進(jìn)行剪切載荷試驗(yàn)； 反之， 則需按附錄A進(jìn)行焊縫最大允許載荷測(cè)定。

2 符號(hào)及公式說(shuō)明

2.1 ASME BPVC. VIII.1-2021 標(biāo)準(zhǔn)中符合及公式說(shuō)明

Fd—設(shè)計(jì)強(qiáng)度， N

Ft—換熱管軸向強(qiáng)度（換熱管截面積與換熱管許用應(yīng)力的乘積）， N

fd—設(shè)計(jì)強(qiáng)度與換熱管軸向強(qiáng)度比值， 當(dāng)為全強(qiáng)度焊時(shí)， 取值為1.0

d0—換熱管外徑， mm

Sa—換熱管許用應(yīng)力， MPa

St—與換熱管焊接的管板部分材料許用應(yīng)力，MPa

Sw—換熱管與管板連接焊縫許用應(yīng)力（Sa與St的小值）， MPa

fw—焊縫強(qiáng)度系數(shù)， 即Sa／Sw

Ff＝0.55πaf（d0＋0.67af） Sw（對(duì)于b 型）

Fg＝0.85πag（d0＋0.67ag） Sw（對(duì)于b 型及c 型）

2.2 GB／T151-2014 標(biāo)準(zhǔn)中符合及公式說(shuō)明

σt—換熱管軸向應(yīng)力， MPa

a—1 根換熱管管壁金屬的橫截面積， mm2

d—換熱管外徑， mm

l—換熱管與管板的焊接高度（強(qiáng)度焊時(shí)）， mm

q—換熱管與管板連接的拉脫力， MPa

［q］ —許用拉脫力， MPa

3 ASME BPVC. VIII.1-2021 標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度焊需要的最小焊縫尺寸分析及推導(dǎo)

管殼式換熱器設(shè)計(jì)中， UW-20 中的b 型和e 型連接接頭是使用最頻繁的接頭型式， 因此， 本文僅對(duì)b 型和c 型連接接頭的焊縫尺寸公式進(jìn)行分析和推導(dǎo)， 其余型式的原理一致。 b 型和c 型連接接頭的示意圖見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 b 型連接接頭

圖2 c 型連接接頭（af ＝ag）

從標(biāo)準(zhǔn)得知， 無(wú)論是全強(qiáng)度焊還是部分強(qiáng)度焊， 焊縫強(qiáng)度等于設(shè)計(jì)強(qiáng)度， 即角焊縫強(qiáng)度與坡口焊縫強(qiáng)度之和等于設(shè)計(jì)強(qiáng)度， 即

3.1 b 型連接接頭焊縫尺寸公式推導(dǎo)

由于b 型連接接頭只有坡口焊縫， 因此， Ff＝0， 得出Fg＝Fd， 并將Fg及Fd的公式代入式（1）得出

將Ft＝πt（d0－t）Sa代入上式， 可知

由fw＝Sa／Sw得出Sa＝fwSw， 繼續(xù)代入公式可得

兩邊同時(shí)乘以1.76 得

數(shù)字圓整并在兩邊同時(shí)加上（0.75d）2， 則

由于b 型連接結(jié)構(gòu)中只有坡口焊縫ag參與了計(jì)算， 因此對(duì)應(yīng)強(qiáng)度焊， 需要的焊縫尺寸應(yīng)為

3.2 c 型連接接頭焊縫尺寸公式推導(dǎo)

c 型連接接頭既有角焊縫又有坡口焊縫， 將Ff、 Fg及Fd的公式代入式（1） 可得

將Ft＝πt（d0－t）Sa代入上式， 可知

將Sa＝fwSw代入上式， 并整理得出

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求af＝ag， 代入并整理得到

0.938a2g＋1.4d0ag＝fdt （d0－t） fw， 兩邊都乘以1.07， 整理得到

1.00366a2g＋1.498d0ag＝1.07fdt （d0－ t） fw，圓整并在兩邊同時(shí)加上（0.75d0）2， 得

因此， 需要的總的焊縫尺寸為

4 GB／T151 標(biāo)準(zhǔn)的焊縫拉脫力計(jì)算及轉(zhuǎn)換

GB／T151-2014 標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度焊沒(méi)有進(jìn)行完全強(qiáng)度焊和部分強(qiáng)度焊的劃分， 在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)， 同時(shí)對(duì)焊縫的拉脫力和換熱管的軸向應(yīng)力進(jìn)行校核。 由于GB／T151 是對(duì)焊縫的拉脫應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算， 再與許用拉脫應(yīng)力進(jìn)行比較， 計(jì)算形式與 ASME BPVC. VIII.1-2021 不一樣。 為了方便進(jìn)行對(duì)比，按照GB／T151 的焊縫拉脫力計(jì)算原理， 將GB／T151 中拉脫力公式轉(zhuǎn)換為ASME BPVC. VIII.1-2021 中的焊縫強(qiáng)度公式， 具體如下：

按q≤3 ［q］ （考慮膨脹應(yīng)力）， 兩邊相等， 進(jìn)行整理可得到

從標(biāo)準(zhǔn)可知， min ｛［σ］tt， ［σ］tr｝ 與ASME BPVC. VIII.1-2021 中的Sw（換熱管與管板連接焊縫許用應(yīng)力） 一致， l 等于ASME BPVC. VIII.1-2021 中的ag（b 型連接接頭時(shí)） 或ag＋af（c 型連接 接 頭 時(shí)）， σta 及 σta／3 即 為 ASME BPVC. VIII.1-2021 中的設(shè)計(jì)強(qiáng)度Fd， d 用ASME BPVC. VIII.1 －2021 中的d0代替， 則上述公式可以轉(zhuǎn)換為

按本文第3 節(jié)的推導(dǎo)Fd＝fdπt （d0－t） fwSw，

將式（5） 及式（6） 進(jìn)行整理得出

因此， b 型連接接頭需要的總焊縫尺寸為：

c 型連接接頭需要的總焊縫尺寸為：

5 算例及比較

為了方便比較， 設(shè)定ASME BPVC. VIII.1 －2021 與GB／T151 －2014 中選用的材料一致， 且材料的許用應(yīng)力等力學(xué)性能一致。 假設(shè)一固定管板換熱器的換熱管的直徑為Φφ19 mm， 換熱管壁厚為2 mm， 管板許用應(yīng)力為100 MPa， 換熱管許用應(yīng)力值為130 MPa， 不計(jì)入膨脹變形差的單根換熱管軸向力為2136 N， 計(jì)入膨脹變形差的單根換熱管軸向力6408 N。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)強(qiáng)度的取值原則， 不計(jì)入膨脹變形差時(shí)， 設(shè)計(jì)強(qiáng)度都取換熱管的軸向載荷， 計(jì)入膨脹變形差時(shí)， 假定無(wú)論合作連接接頭型式， 焊腳高度都大于等于換熱管厚度， 則ASME BPVC. VIII.1-2021 中的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)為軸向載荷除以2， GB／T151-2014 中的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)為軸向載荷除以3， 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、 2、 3。

表1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)表

表2 完全強(qiáng)度焊計(jì)算結(jié)果

表3 部分強(qiáng)度焊計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

（1） 采用完全強(qiáng)度焊時(shí)， 焊縫尺寸的計(jì)算與換熱管的軸向強(qiáng)度有關(guān)， 而與設(shè)計(jì)各工況的換熱管實(shí)際軸向載荷無(wú)關(guān)， 焊縫尺寸計(jì)算簡(jiǎn)便快捷。

（2） 部分強(qiáng)度焊需要按不同工況下?lián)Q熱管軸向載荷確定的不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算焊縫尺寸， 并取大值。

（3） 完全強(qiáng)度焊計(jì)算所需的換熱管與管板連接接頭的焊縫尺寸比部分強(qiáng)度焊所需的焊縫尺寸大。 當(dāng)換熱管實(shí)際軸向載荷較小時(shí)， 所需焊縫尺寸大小相差特別明顯。

（4） 從ASME BPVC. VIII.1-2021 公式中可以看出， 換熱管與管板連接的角焊縫考慮的焊縫系數(shù)為0.55， 坡口焊縫考慮的焊縫系數(shù)為0.85； 而從GB／T151-2014 拉脫力反推過(guò)去的公式可以看出，GB／T151-2014 對(duì)角焊縫和坡口焊縫考慮的焊縫系數(shù)都為0.5。

（5） 根據(jù)上述焊縫系數(shù)的考慮， 在相同條件下（如材料及許用應(yīng)力假定一致）， 完全強(qiáng)度焊時(shí)， GB／T151-2014 計(jì)算所需的焊縫尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021 大； 部分強(qiáng)度焊時(shí)， 不考慮膨脹差時(shí)， GB／T151-2014 計(jì)算所需的焊縫尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021 大； 當(dāng)考慮膨脹差時(shí)， 且焊腳高度大于換熱管壁厚時(shí)， 由于 ASME BPVC. VIII.1-2021 的軸向允許載荷為焊縫強(qiáng)度的2倍， 而GB／T151-2014 的軸向允許載荷為焊縫強(qiáng)度的3 倍， 因此， 對(duì)于b 型連接接頭GB／T151-2014計(jì)算所需的焊縫尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021大， 對(duì)于c 型連接接頭GB／T151-2014 計(jì)算所需的焊縫尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021 小。

（6） 按照ASME 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定， 部分強(qiáng)度焊焊縫的最大許用軸向載荷可以按標(biāo)準(zhǔn)中UW-20.5計(jì)算或非強(qiáng)制性附錄A 的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)部分強(qiáng)度焊不滿(mǎn)足UW-20.5 的要求時(shí)， 需按附錄A 確定焊接接頭的最大允許載荷。