鍋爐受壓筒體強度采用ASME規范與國內標準計算方法的對比

陳志剛，張旭，毛富杰，王方

(天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300192)

0 引言

美國ASME鍋爐及壓力容器規范是由美國機械工程師學會ASME(American Society of Mechanical Engineers)的鍋爐及壓力容器委員會(BPVC)制定的，是世界上最早應用的標準之一，現已被公認為世界上技術內容最完整、應用最廣泛的壓力容器標準。從2010版ASME規范開始，將之前每3年再版1次、每年進行增補的規范更新方式改為每2年再版1次、每年不再進行增補。截至2010年年底，我國大陸地區共有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的特種設備制造許可證。在水管鍋爐的強度計算中，受內壓筒體元件的強度計算十分普遍且非常重要，如鍋筒、集箱等。ASME規范第Ⅰ卷［1］與我國GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》標準［2］關于鍋爐強度計算的規定有所不同，因此，將ASME規范第Ⅰ卷2010版與GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》標準關于受內壓筒體強度計算的異同進行分析，有助于制造廠準確執行ASME規范，提高產品設計效率，增強我國企業的國際競爭力。

1 筒體壁厚強度計算

1.1 計算公式的差異

ASME規范第Ⅰ卷與GB/T 9222—2008中受內壓圓筒形元件強度計算均以最大剪應力強度理論(第三強度理論)為依據，但公式形式、參數選取方式及數值不盡相同。

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

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

ASME規范第Ⅰ卷則根據內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，其最小需要壁厚計算依據為公式(3)，鍋筒、集箱、管道的最小需要壁厚計算依據為公式(4)。

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

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)中的焊縫減弱系數的確定方式不同:在 GB/T 9222—2008中，焊縫減弱系數φh根據8種不同的焊縫形式確定;ASME規范第Ⅰ卷中規定，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，w則根據管子的材料和溫度按照PG－26而定。在計算壁厚時，計算壓力在ASME規范第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的規定。ASME規范第Ⅰ卷中并沒有GB/T 9222—2008中采用的彎管形狀系數K，其類似的壁厚補償值為公式(3)中引入的經驗數據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值小于后者。對于厚壁，ASME規范除去正文中提到的公式(3)，(4)外，還可以根據工程需要適當選擇采用非強制性附錄A－317提供的計算公式(5)，(6)。

式中:D為筒體外徑;Di為筒體內徑，mm;f為脹接管端部處的厚度因子。

此外，ASME規范非強制性附錄A－125還提供了壁厚大于筒體內徑1/2時的計算公式，這些在GB/T 9222—2008 中均沒有涉及［3］。

1.2 孔橋減弱系數

ASME規范第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。前者減弱系數的計算與GB/T 9222—2008的基本思路是一致的，但兩者也有差別。

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

其次，ASME規范第Ⅰ卷中當任意一列管孔的節距不等時(如圖2～圖4所示)，孔橋減弱系數應根據管孔距平均值進行計算

圖1 確定圓筒體開孔間縱向孔橋減弱系數和斜向孔橋減弱系數的線算圖

式中:E為孔橋減弱系數;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內的孔數;d為管孔直徑，mm。

ASME規范中不按一定格式排列的孔排在滿足PG32.1.2的條件下，平均孔橋減弱系數應按照PG53.2和PG53.3進行計算，在一定條件下，不以局部最小的孔橋減弱系數計算筒體壁厚。該類計算和規定比較復雜，因此，為保證產品與規范的一致性，在非必要的情況下，還是采用按一定格式排列孔橋的計算方法確定孔橋減弱系數。

1.3 開孔補強計算

ASME規范第Ⅰ卷將開孔補強分為單孔補強和多孔補強，而GB/T 9222—2008則分為單孔補強和孔橋補強2種。兩者采用的單孔補強均為等面積補強，前者的多孔補強是指任意2個需要補強的相鄰孔，當節距小于2倍PG36.2規定值而發生兩者有效補強范圍重疊時，需要的總補強面積為各個孔單獨所需補強面積之和;而后者所說的孔橋補強是指在作為單孔無需補強的2個孔成為孔橋時，2個孔的剩余金屬對孔橋的補強。ASME規范第Ⅰ卷補強條件范圍更廣，其補強計算根據筒體外徑不同，分別適用于:當D≤1500mm時，d≤0.5D且d≤500mm;當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 單孔補強計算

首先，需要確定單孔是否需要補強。ASME規范規定了筒體未加強孔的最大允許直徑為以下2條中的最大值:

(1)筒體內徑的1/4并且不大于60 mm;

(2)按照 PG32.1.2，即公式(8)進行計算的結果。

式中:dmax為未加強孔最大允許直徑，mm;K =pD/(1.82Sδ)。

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

1.3.2 多孔、孔橋補強計算

圖5 多孔補強示意圖

ASME規范第Ⅰ卷中的孔橋補強計算與單孔補強相類似，也采用PG33的補強公式。2個孔直徑均大于最大未加強孔，間距在4/3倍2個孔的平均直徑和2倍PG36.2規定值之間。ASME規范PG38提供了3種結構形式的補強面積計算方法(圖5中:對于徑向開孔，5，6，7，8 所示的截面面積應至少等于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F。GB/T 9222—2008中僅給出了作為單孔無需補強的2個孔或只有1個孔需要補強的條件下的孔橋補強計算，對于孔橋內2個孔均須補強的情況GB/T 9222—2008在第12章中未涉及相關內容，而是將其放入了第13章采用驗證法進行強度校核。

2 結論

ASME規范第Ⅰ卷的強度計算準則與GB/T 9222—2008基本思路一致，但在某些方面存在一定差異。

(1)ASME規范第Ⅰ卷每2年再版1次，能及時將生產中遇到的實際問題納入規范，具有明顯的先進性和實用性。

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

(3)ASME規范第Ⅰ卷中引入了孔橋內2個孔均須補強時的補強計算方法，GB/T 9222—2008則將其納入驗證法強度校核的范疇，不及ASME規范應用方便。

［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度計算［S］.

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