關于旁路閥壁厚設計標準的對比研究

謝 匡

（上海希希埃動力控制設備有限公司，上海 200090）

0 概 述

汽輪機旁路閥是現代單元機組熱力系統的一個組成部分。機組運行時，有時會發生鍋爐和汽輪機的運行狀態不相匹配的情況，即鍋爐產生的蒸汽量大于汽輪機所需要的蒸汽量，旁路閥的作用就是讓多余部分的蒸汽不再進入汽輪機，而是經過旁路減溫減壓后，直接將多余蒸汽引入凝汽器。有些旁路系統還承擔著將鍋爐主蒸汽經減溫減壓后，再引入再熱器的任務，以保護再熱器的安全。旁路系統的這些功能，在機組啟動、降負荷或甩負荷時是十分需要的。因此，對于汽輪機旁路閥的壁厚設計要求也非常高，但是，對于旁路閥的壁厚設計，還末有較為詳細和統一的標準要求?，F根據國內外常用的設計標準并進行對比，引用的設計標準為ASME II Part D、ASME B16.34 、EN 12516－2 、GB150、GB 26640、GBT12224、NB／T 47044。

1 關于許用應力的不同要求

許用應力是機械設計或工程結構設計中允許零件或構件承受的最大應力值。要判定零件或構件受載后的工作應力過高或過低，需要預先確定一個衡量的標準，這個標準就是許用應力。在不同國家和地區選用的設計標準中，對于許用應力的要求均有所不同。以中國、美國、歐洲國家為例，設計標準分別為GB150，ASME II Part D，EN 12516－2。

在各國設計標準中，我國根據GB150《壓力容器》對材料許用應力的計算方法，如表1所示。美國（1）對奧氐體高合金鋼制受壓元件，當設計溫度低于蠕變范圍，且允許有隱量的永久變形時，可適當提高許用應力至0.9RteL（Rtp0.2），但不超過。此規定不適用于法蘭或其他有微量永久變形就產生泄漏或故障的場合。根據ASME II Part D對材料許用應力的計算方法，如表2所示。歐洲國家根據EN 12516－2對材料許用應力的計算方法，如表3所示。

表1 GB150中許用應力的計算方法

各標準中，對材料都進行了劃分，為了便于對比，選取旁路閥門材料中較為常用的碳鋼和低合金鋼。

對于碳鋼，主要應用在425℃以下的工況中。許用應力的大小，取決于抗拉強度與屈服強度選用的安全系數。經對比，發現在GB150標準中，選取的安全系數分別為2.7或1.5；ASME II標準中的安全系數，分別取3.5或1.5；而在EN12516標準中，安全系數的取值最小，分別為2.4或1.5?？梢?，在同樣設計工況下，EN標準中給出的許用應力將會最大。因此，若根據不同標準，對閥門進行壁厚設計，將對計算結果有著較為直接的影響。

對于低合金鋼更多需要考慮高溫下的使用工況，在GB150標準中，由10萬小時斷裂強度和10萬小時1%蠕變分別除以安全系數，取較小值，安全系數分別是1.5與1。而在ASME II標準中，同樣較多考慮了10萬小時斷裂強度及1 000小時的0.01%蠕變分別除以安全系數，取較小值，安全系數分別為1.25與1。在EN12516標準中，則僅考慮了10萬小時蠕變除以1.5的安全系數。從表面數據分析可知，與常溫工況下的設計條件相反，在EN標準中，對于高溫下材料采用蠕變強度除以1.5的安全系數，所得的許用應力值是最小的，也是最為保守的。而我國標準和美國標準中的許用應力值則較為接近。

表2 ASME Boiler and Pressure Vessel Code II Part D中對材料許用應力的計算方法

表3 EN 12516－2Shell design strength中對材料許用應力的計算方法

2 壁厚的不同計算方法

關于旁路閥的壁厚計算，我國無直接對應的相關標準，故而選取電站閥門的設計標準 NB／T 47044－2014，參照該標準的計算方法進行計算。而在ASME標準中，錄有閥門的專門標準B16.34。在歐洲標準中，仍可采用EN12516標準進行計算。

分別列出3種標準中對于壁厚的計算公式：NB／T 47044－2014標準中的壁厚計算公式：

ASME B16.34標準中的壁厚計算公式：

EN12516標準中的壁厚計算公式：

式（1）～式（4）中：p、pc—設計壓力，MPa；

d、di—內直徑，mm；

d0—外直徑，mm；

t、ec—壁厚，mm；

［σ］、f、st—材料在設計溫度下的許用應力，MPa；

kc—焊接系數。

在3種標準中，均有需要注意的細節。在NB／T 47044－2014中，是利用PN 為公稱壓力進行計算。在ASME B16.34中，是利用Pc的磅級單位進行計算，而EN12516中，則需要首先判斷外徑與內徑的比值，分別按不同的公式進行計算。

為了方便對比各標準計算出來的壁厚數據，仍采用高、低溫度下的2種工況，并分別選擇2種材料，對應于2種工況條件進行分析計算。

工況1：工作壓力為10MPa，工作溫度為340℃，對應材料為SA105，閥門內徑分別選取100 mm和300mm。

工況2：工作壓力為12MPa，工作溫度為538℃，對應材料為SA182F91，閥門內徑分別選取100mm和300mm。

（1）按工況1進行計算

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進行計算

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。

經計算，2種工況下匯總數據，如表4、表5所示。

表4 按工況1計算所得數據 （mm）

表5 按工況2所得計算數據 （mm）

按工況1及工況2的條件進行計算所得數值，繪制成表格形式進行對比，如圖1、圖2所示。

圖1 按工況1的條件計算所得參數

圖2 按工況2的條件計算所得參數

從圖1、圖2可知，在2種不同工況下，分別應用3種標準進行計算，可以反映出相同的趨勢。壁厚的計算厚度趨向于ASME B16.34＞NB／T 47044－2014＞EN12516，無論是100mm內徑還是300 mm內徑趨勢都是相同的。而在圖1中，還可以發現，應用NB／T 47044及EN12516標準計算時，在低溫小口徑時，計算所得的壁厚值較為接近，隨著工作溫度的升高，待轉變至工況2條件時，計算所得的壁厚值將出現明顯變化。在材料的選擇上，工況1和工況2均選擇了ASME材料，從前文關于許用應力計算也可以得知，ASME標準對于許用應力的計算是比較保守的。

3 結 語

通過計算可知，在ASME及B16.34標準中，當閥門在高溫高壓環境下使用時，壁厚的計算將是極為保守的。特別是在超臨界乃至超超臨界機組的工況下，采用該類標準對旁路閥進行設計，計算所得的壁厚較大，不但造成了材料的浪費，還增加了不必要的成本，另外，也將增加閥體內外壁的溫差，會產生較大的熱應力，這樣的現象是需要避免的。因此，對于旁路閥的壁厚設計，當使用 NB／T47044及EN12516標準計算時，選取的壁厚較為合理，也比較經濟。