淺析高壓加熱器的IBR認(rèn)證

肖勁軍，國(guó)金蓮

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

淺析高壓加熱器的IBR認(rèn)證

肖勁軍，國(guó)金蓮

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)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(jìn)行設(shè)計(jì)制造，并與ASME的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析比較。認(rèn)證時(shí)，需要注意幾個(gè)方面，有關(guān)設(shè)備選材、材料安全系數(shù)、水壓試驗(yàn)壓力、補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、換熱管壁厚計(jì)算以及受壓件驗(yàn)證，需由第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行審查檢驗(yàn)。

高壓；加熱器；印度；鍋爐；規(guī)程；設(shè)計(jì)；認(rèn)證；檢驗(yàn)

0 概 述

印度的鍋爐規(guī)程（India Boiler Regulation）簡(jiǎn)稱為IBR，是印度頒發(fā)的強(qiáng)制性規(guī)程，規(guī)程中對(duì)鍋爐材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝、監(jiān)督、檢驗(yàn)、運(yùn)行及附件和維護(hù)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。出口印度的電站設(shè)備必須遵循該規(guī)程，并接受IBR授權(quán)的第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)察，包括設(shè)計(jì)文件審核和制造過程監(jiān)督及現(xiàn)場(chǎng)安裝檢驗(yàn)和注冊(cè)。同時(shí)制造廠需要按IBR要求出具各種制造、安裝和材料認(rèn)證等各類制造與試驗(yàn)證明文件，由授權(quán)機(jī)構(gòu)簽字認(rèn)可才能報(bào)批。在以上所有要求批準(zhǔn)后，制造廠方可投料生產(chǎn)。在設(shè)計(jì)和認(rèn)證過程中，對(duì)印度鍋爐規(guī)程（IBR）的理解和所遇的問題進(jìn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)推薦的材料，如選用國(guó)產(chǎn)牌號(hào)材料則需進(jìn)行材料認(rèn)證。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)推薦材料或印度材料會(huì)減少認(rèn)證方面的工作，但隨之而來的是材料采購(gòu)成本的上升。為了降低成本拓展國(guó)際市場(chǎng)，在得到印方業(yè)主認(rèn)可的前提下，應(yīng)盡量采用國(guó)內(nèi)牌號(hào)材料。某2×600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組工程高壓加熱器為出口印度的項(xiàng)目，高壓加熱器的主要受壓元件選用了國(guó)內(nèi)材料，并進(jìn)行了相關(guān)的材料認(rèn)證。材料認(rèn)證是從材料的化學(xué)成分、各成分的含量、各個(gè)厚度下的應(yīng)力值、材料的用途等幾個(gè)方面進(jìn)行了說明，并列舉該種材料在其他同等級(jí)機(jī)組中的應(yīng)用情況。例如：該印度項(xiàng)目的2×600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組中高壓加熱器的管板選材為20Mn Mo（Ⅳ），在材料認(rèn)證過程中，需提供表1～表3的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到印方業(yè)主認(rèn)可后，才能在設(shè)備制造中應(yīng)用該種材料。

表1 主要受壓元件材料

表2 化學(xué)元素要求

表3 力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)、元素組成、各元素含量、相應(yīng)厚度下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力等方面進(jìn)行了說明。其他類似設(shè)備用料也可根據(jù)實(shí)際使用情況在不會(huì)引起質(zhì)量問題的前提下，參考該工程的材料認(rèn)證方式，盡量采用國(guó)內(nèi)材料便于降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 材料的許用應(yīng)力計(jì)算

印度鍋爐規(guī)程（IBR）中第271條，是對(duì)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(yīng)力的規(guī)定，汽包筒身和聯(lián)箱的最大允許應(yīng)力為下列條件下確定的最小值：

（1）溫度≤454℃時(shí)，取所得2個(gè)數(shù)值中的較小值：

（2）溫度＞454℃時(shí)，取所得2個(gè)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(qiáng)度；

E — 室溫下最小規(guī)定屈服點(diǎn)；

Et— 溫度為t時(shí)的屈服點(diǎn)（0.2%屈服強(qiáng)度）；

SR— 溫度為t時(shí)100，000小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生斷裂的平均應(yīng)力，在任何情況下，當(dāng)應(yīng)力大于最小應(yīng)力的1.33倍時(shí)，均不會(huì)產(chǎn)生斷裂。

注：如果“材料標(biāo)準(zhǔn)”中未提供Sc值，且已知此類材料被用于印度或國(guó)外的鍋爐中，則此類材料的允許應(yīng)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(qiáng)制性附錄1中，對(duì)材料允許工作應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定如下，應(yīng)選取2個(gè)計(jì)算值中的較小值：

（a）材料常溫下的抗拉強(qiáng)度除以安全系數(shù)3.5的比值。

（b）設(shè)計(jì)溫度下材料屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)1.5的比值。

以設(shè)計(jì)條件為4.7 MPa，360℃，鍛件材料為20Mn Mo（Ⅲ），按不同的制造標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了該2×600 MW亞臨界燃煤機(jī)組2號(hào)高壓加熱器殼側(cè)蒸汽接管鍛件的許用應(yīng)力值，如表4所示。

內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)常溫下抗拉強(qiáng)度σb＝530 MPa設(shè)計(jì)溫度下屈服強(qiáng)度σst＝272 MPa設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，計(jì)算所得的受壓元件厚度會(huì)有一定的偏差，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算是比較保守的，但是進(jìn)行IBR認(rèn)證時(shí)，需要提供IBR計(jì)算書和ASME計(jì)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(jì)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(jì)算書通過了，則IBR的計(jì)算書也能通過。

3 確定水壓試驗(yàn)壓力

3.1 關(guān)于印度鍋爐規(guī)程中的水壓試驗(yàn)

按印度鍋爐規(guī)程（IBR）中第268條，需在制造廠進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

（1）對(duì)于內(nèi)徑大于600mm的鍋爐汽包及其它圓柱形部件，應(yīng)于制造完成且檢驗(yàn)人員在場(chǎng)時(shí)，由制造廠對(duì)其進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)的壓力應(yīng)達(dá)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(dāng)控制下逐漸提高試驗(yàn)壓力，以保證每次升壓的壓力增量不超過已達(dá)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(shí)間，以便能夠仔細(xì)觀察承壓部件是否滲漏。

（3）作為壓力試驗(yàn)介質(zhì)的水的溫度應(yīng)在20～50℃之間。

3.2 ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)液壓試驗(yàn)的規(guī)定

按ASME標(biāo)準(zhǔn)第八卷第一冊(cè)壓力容器建造規(guī)則中UG－99標(biāo)準(zhǔn)液壓試驗(yàn)規(guī)定：

（1）按內(nèi)壓設(shè)計(jì)的容器應(yīng)進(jìn)行液壓試驗(yàn)，在液壓試驗(yàn)時(shí)，任一點(diǎn)的壓力至少應(yīng)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(yīng)力比值（LSR），該應(yīng)力比值為每種材料在試驗(yàn)溫度下的應(yīng)力值S與設(shè)計(jì)溫度下的應(yīng)力值S之比。

（2）為了減少脆性斷裂的危險(xiǎn)，在進(jìn)行液壓試驗(yàn)期間金屬溫度至少保持在最低設(shè)計(jì)金屬溫度以上30℉（17℃），但無需高于120℉（48℃）。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)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(gè)規(guī)定，ASME考慮材料在試驗(yàn)溫度和設(shè)計(jì)溫度下的應(yīng)力比值LSR，而印度鍋爐規(guī)程只考慮允許最大工作壓力。當(dāng)LSR值較大時(shí)，液壓試驗(yàn)壓力按照ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出；當(dāng)LSR值較小時(shí)，按照印度鍋爐規(guī)范（IBR）標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值。該印度工程的2×600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，因20Mn Mo材料的LSR值為1，所以設(shè)備的水壓試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)中的允許最大工作壓力即為設(shè)計(jì)壓力，所以最終的設(shè)備水壓試驗(yàn)壓力為1.5倍的設(shè)計(jì)壓力。

4 高壓加熱器換熱管強(qiáng)度計(jì)算

印度鍋爐規(guī)范（IBR）中沒有對(duì)高壓加熱器換熱管強(qiáng)度計(jì)算的明確要求，且印度標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可ASME和TEMA。所以在進(jìn)行換熱管強(qiáng)度計(jì)算時(shí)可參照上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 ASME標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)內(nèi)壓殼體厚度的規(guī)定

按ASME第八卷第一冊(cè)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(jì)算值中的較大者。

（1）環(huán)向應(yīng)力（縱向接頭）。當(dāng)厚度不超過內(nèi)半徑的1／2或P不超過0.385SE時(shí)，應(yīng)采用計(jì)算公式（8）。

（2）縱向應(yīng)力（環(huán)向接頭）。當(dāng)厚度不超過內(nèi)半徑的1／2或P不超過1.25SE時(shí)，應(yīng)采用計(jì)算公式（9）。

P— 設(shè)計(jì)壓力，MPa；

R—?dú)んw內(nèi)半徑，mm；

S — 最大許用應(yīng)力值，MPa；

t —?dú)んw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(jìn)行計(jì)算，彎管部分可按照TEMA標(biāo)準(zhǔn)中U形管計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式（10）中：t1— 換熱管直段計(jì)算厚度，mm；t0— 換熱管彎段計(jì)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(biāo)準(zhǔn)中換熱管的強(qiáng)度計(jì)算

與上述標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的還有表面式給水換熱器標(biāo)準(zhǔn)HEI，該標(biāo)準(zhǔn)中也有對(duì)換熱管強(qiáng)度計(jì)算的明確要求，也是大多數(shù)印方業(yè)主認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。

在HEI標(biāo)準(zhǔn)3.6.5－U形管中規(guī)定，U形管彎頭的最小彎曲半徑應(yīng)是管子直徑的1.5倍，采用下式計(jì)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(shè)計(jì)壓力，MPa；

R— 管子中心線處的彎曲半徑，mm；

S—相應(yīng)于殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力下飽和溫度時(shí)的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，MPa。

根據(jù)上述兩種方法，均可進(jìn)行換熱管的強(qiáng)度計(jì)算。

5 高壓加熱器接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

按印度鍋爐規(guī)范（IBR）第279條，進(jìn)行接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，需考慮接管本身補(bǔ)強(qiáng)的部分，接管的補(bǔ)強(qiáng)，如圖1所示。

圖1 接管的補(bǔ)強(qiáng)圖

接管許用應(yīng)力／容器筒身許用應(yīng)力的比值按實(shí)際比值，計(jì)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(yīng)力，MPa；

fn—在金屬工作溫度下立管或噴嘴材料的允許應(yīng)力，MPa。

按ASME第八卷第一冊(cè)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(bǔ)強(qiáng)規(guī)定：

Fr—強(qiáng)度削弱系數(shù)，不大于1.0；

式（13）中：

Sn— 接管許用應(yīng)力值，MPa；

Sv— 容器許用應(yīng)力值，MPa。

6 需接受第三方檢驗(yàn)的受壓件

對(duì)于出口印度的產(chǎn)品，其主要受壓元件需接受第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的審查和檢驗(yàn)。需第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)審查和檢驗(yàn)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(yàn)的受壓元件

通過該印度工程的2×600 MW亞臨界機(jī)組高壓加熱器的IBR認(rèn)證工作，認(rèn)識(shí)到在為印度制造的電站工程中需注意很多問題，相比國(guó)標(biāo)和ASME標(biāo)準(zhǔn)都有不同之處，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要格外小心?，F(xiàn)從高壓加熱器的設(shè)計(jì)角度對(duì)印度鍋爐規(guī)程（IBR）的一些規(guī)定進(jìn)行了說明，并對(duì)ASME標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的規(guī)定進(jìn)行了對(duì)比分析。通過計(jì)算實(shí)例，了解印度鍋爐規(guī)程（IBR）中有關(guān)高壓加熱器設(shè)計(jì)方面的規(guī)定。在具體設(shè)計(jì)過程中遇到的問題，還需根據(jù)實(shí)際情況和分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的條款進(jìn)行解決。已完工的印度工程2×600 MW亞臨界機(jī)組的高壓加熱器，如圖2所示。

7 結(jié) 語

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

［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(xué)士，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，從事汽輪機(jī)輔機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。