基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的超超臨界機(jī)組儀表導(dǎo)管設(shè)計(jì)研究

華 偉，趙洪生

(東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 概述

隨著國(guó)家“一路一帶”戰(zhàn)略的推進(jìn)，由中國(guó)的國(guó)際工程公司負(fù)責(zé)的EPC項(xiàng)目越來(lái)越多的進(jìn)入了歐洲、中東等高端電力市場(chǎng)。這些國(guó)際工程的招標(biāo)文件多為西方工程咨詢公司負(fù)責(zé)編寫(xiě)，最終的EPC合同中也會(huì)明確要求采用ASME等美國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完成儀表導(dǎo)管的選型設(shè)計(jì)。如何掌握、理解并執(zhí)行這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于項(xiàng)目的總承包方和設(shè)計(jì)方提出了更高的要求。

1.1 美標(biāo)中的導(dǎo)管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

ASME標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有專門(mén)的針對(duì)火電廠儀表導(dǎo)管和閥門(mén)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。而ASME B31.1《動(dòng)力管道》作為電站鍋爐等設(shè)備的工業(yè)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，各種儀表導(dǎo)管、閥門(mén)、法蘭、墊圈、接頭等承壓部件也在B31.1的適用范圍內(nèi)。ANSI/ISA－77.70《火電廠儀表管路安裝》是美標(biāo)中另一個(gè)用于電站儀表導(dǎo)管設(shè)計(jì)的規(guī)范。此標(biāo)準(zhǔn)明確指出了材料的使用條件、部件標(biāo)準(zhǔn)、壓力－溫度許用值以及連接方法的選用導(dǎo)則及限制等內(nèi)容全部來(lái)自于B31.1中的要求。因此，基于美標(biāo)的儀表導(dǎo)管和閥門(mén)設(shè)計(jì)的計(jì)算和選型主要依據(jù)為ASME B31.1及相關(guān)尺寸和材料標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 Pipe和Tube管的區(qū)別

所謂的Pipe管一般用于流體輸送，工藝管道專業(yè)應(yīng)用較多。Pipe是以公稱直徑(NPS)和壁厚號(hào)(SCH.No.)來(lái)定義，Pipe 管的尺寸規(guī)格必須符合ASME B36.10或ASME B36.19尺寸標(biāo)準(zhǔn)。Tube管主要用于換熱和傳輸動(dòng)力，主要在儀表專業(yè)使用，尺寸規(guī)格標(biāo)識(shí)為外徑(OD)X壁厚。Pipe管的尺寸由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定，不能自定尺寸系列，而Tube管的尺寸規(guī)格則是根據(jù)使用用途和要求自行規(guī)定的。儀表測(cè)量的一次門(mén)前取壓管主要具有流體輸送的作用，而一次門(mén)后的管道則更多的考慮換熱及壓力傳輸?shù)墓δ堋Ｒ虼艘淮伍T(mén)前的管道應(yīng)選擇Pipe管，而一次門(mén)后的儀表導(dǎo)管則采用tube管。

2 儀表導(dǎo)管及閥門(mén)設(shè)計(jì)

2.1 引出管

根據(jù)ASME B31.1中122.3.2儀表管道章節(jié)的描述：“信號(hào)源處的引出管(Takeoff Connection)包括連接套管、接管或異徑管”，在這里，一次門(mén)前的管道統(tǒng)一被稱為引出管，不再有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中的取壓短管和一次門(mén)前導(dǎo)管的概念，這也是與國(guó)外工程公司的設(shè)計(jì)分工相一致的。B31.1同時(shí)規(guī)定引出管要求“至少采用與工藝管道相同材質(zhì)的材料制造，并且設(shè)計(jì)參數(shù)按照信號(hào)源的壓力和溫度來(lái)考慮”，同時(shí)提出“運(yùn)行溫度不大于6.2MPa或者425℃時(shí)，引出管的公稱尺寸應(yīng)不小于NPS·1/2”；當(dāng)設(shè)計(jì)條件超過(guò)上述壓力或溫度任一范圍時(shí)，應(yīng)不小于NPS·3/4”。因此對(duì)于引出管的尺寸規(guī)范我們需要考慮的就是滿足B31.1要求的溫度和許用壓力下的管道壁厚。

管道的壁厚等級(jí)確定的因素主要包括溫度－壓力影響和對(duì)壁厚裕的考慮，這些因素對(duì)于壁厚的影響在B31.1給出的壁厚計(jì)算公式中都得到了相應(yīng)的體現(xiàn)，根據(jù)計(jì)算后的最小指定壁厚值來(lái)查找ASME B36.10/19中的“尺寸和重量表”就可以找到代表壁厚的SCH· No.等級(jí)。

首先，引出管的壁厚需滿足設(shè)計(jì)溫度和壓力下的強(qiáng)度要求，可以用下面的公式(1)得到計(jì)算壁厚t：

式中：t為計(jì)算壁厚；Do為管道外徑；P為設(shè)計(jì)壓力；S為材料許用壓力(來(lái)自B31.1附表A)；E為焊接接頭系數(shù)或鑄造質(zhì)量系數(shù)(來(lái)自B31.1附表A，通常為1 )；Y為溫度修正系數(shù)(來(lái)自B31.1 表104.1.2，區(qū)間內(nèi)溫度的Y值可通過(guò)插值法計(jì)算得出)。

其次，引出管的最小計(jì)算壁厚還需增加由于考慮裕度所引起的附加壁厚C，然后得到最小需要壁厚tm。在儀表測(cè)點(diǎn)引出管或?qū)Ч鼙诤竦挠?jì)算中，可以不考慮這部分附加厚度，即C=0

另外，由于管道在實(shí)際安裝過(guò)程中可能需要進(jìn)行彎管制作，這就需要在管道壁厚的選擇中考慮這部分原因引起的壁厚減薄，見(jiàn)公式(3)，其中系數(shù)B按照B31.1的表102.4.5選擇，通常對(duì)管道彎制前直管的最小彎管壁厚tbeng可按照大于等于3倍管子外徑來(lái)考慮而選擇1.25：

最后，管道壁厚還需考慮管道制造過(guò)程中的負(fù)偏差m%(計(jì)算中按照12.5%選取)。按照公式A=m/(100－m)得到管壁厚負(fù)偏差系數(shù)A。根據(jù)公式(4)得到管道的最小指定厚度tmin。根據(jù)這一計(jì)算值再查ASME B36.10或ASME B36.19的尺寸表并向上取值考慮一定的余量后找到最終的壁厚SCH·No.等級(jí)

為減少現(xiàn)場(chǎng)材料的種類(lèi)，工程中引出管可按照最小公稱尺寸為NPS·3/4”的Pipe管道來(lái)考慮。根據(jù)以上公式計(jì)算并選型得到的某工程“四大管道”引出管規(guī)格詳見(jiàn)表1。

2.2 一次門(mén)

根據(jù)國(guó)外工程公司的設(shè)計(jì)分工，儀表測(cè)量管路中的一次門(mén)都習(xí)慣由工藝專業(yè)完成設(shè)計(jì)并采用小通徑工藝截止閥門(mén)(Globe Valve)，而國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)由于一次門(mén)屬于熱控專業(yè)設(shè)計(jì)范圍，更多的是采用儀表閥門(mén)(Needle Valve)。B31.1中并沒(méi)有規(guī)定一次門(mén)必須采用工藝閥門(mén)，僅指出引出管上的截止閥“應(yīng)能夠承受與引出管連接的容器或管道的設(shè)計(jì)壓力和溫度”。因此一次門(mén)的選型應(yīng)以主管道的溫度和壓力作為主要的設(shè)計(jì)依據(jù)，并綜合考慮形式、等級(jí)、連接、材料和通徑等因素來(lái)確定。

表1 某超超臨界燃煤機(jī)組四大管道引出管壁厚計(jì)算及尺寸選型

滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的工藝截止閥門(mén)在制造和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)上遵循ASME B16.34規(guī)范，其壓力－溫度額定值是按照磅級(jí)數(shù)來(lái)表示的。在超超臨界機(jī)組的主蒸汽、再熱熱蒸汽和主給水壓力的測(cè)量時(shí)，由于主管道的設(shè)計(jì)參數(shù)很高，一次門(mén)需采用CL4500壓力等級(jí)、閥體符合高溫鍛造ASME SA182規(guī)范的合金或不銹鋼材料以及連接方式滿足ASME B16.11和B16.25規(guī)范的焊接工藝閥。

ASME標(biāo)準(zhǔn)體系中沒(méi)有專門(mén)針對(duì)儀表閥的制造標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但美國(guó)工業(yè)制造商標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(Manufacturers Standardization Society)的MSS SP－105《儀表閥適用規(guī)范》作為標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件在B31.1中明確表示是可以使用的。通常的儀表閥閥體、閥蓋等受壓部件的多是采用ASME CL2500壓力等級(jí)和ASME SA479棒材材質(zhì)(其使用溫度不能超過(guò)427℃)，但SAFELOK等國(guó)外閥門(mén)廠家也可提供滿足高溫鍛造SA182標(biāo)準(zhǔn)且符合CL4500壓力等級(jí)的儀表閥。儀表閥與工藝閥相比較，在閥蓋的形式、填料密封的方式以及閥桿和手輪操作的方便性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命低等方面具有明顯的缺點(diǎn)，因此從一次門(mén)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等幾方面來(lái)考慮，實(shí)際工程中“四大管道”及部分高溫高壓測(cè)點(diǎn)上的一次門(mén)可采用工藝截止閥門(mén)，而其他中低溫和中低壓的儀表測(cè)量管路一次門(mén)則全部采用儀表閥門(mén)。

2.3 排污門(mén)

ASME B31.1中關(guān)于排污門(mén)的選擇主要有兩點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：

(1) 對(duì)于亞臨界壓力蒸汽介質(zhì)，排污門(mén)的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于主管道或容器的設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)為相應(yīng)飽和蒸汽溫度。

(2) 對(duì)于所有其他介質(zhì)，排污門(mén)應(yīng)滿足(B.1)的要求。其中提到的(B.1)為前文提到的有關(guān)一次門(mén)的技術(shù)要求。因此我們可以認(rèn)為：對(duì)于超臨界壓力參數(shù)介質(zhì)，排污門(mén)的選型參數(shù)需按照主管道的介質(zhì)壓力和溫度來(lái)確定。

ASME B31.1的描述中也并沒(méi)有關(guān)于配置雙排污門(mén)的相關(guān)設(shè)計(jì)條件和要求，但考慮到排污門(mén)易受到雜質(zhì)的沖刷和磨損造成泄露故障，以及啟動(dòng)和正常運(yùn)行中也可能需要對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行短時(shí)排污操作，在實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，對(duì)排污門(mén)統(tǒng)一按照主管道介質(zhì)的壓力和溫度來(lái)選型，配置數(shù)量和閥門(mén)通徑同一次門(mén)也是符合B31.1相關(guān)條款的。

2.4 儀表導(dǎo)管

2.4.1 設(shè)計(jì)原則

ASME B31.1 的第 122.3.2 節(jié)中沒(méi)有直接提出一次門(mén)后儀表導(dǎo)管的選型原則，但在該節(jié)B2.2(排污門(mén))中指出：“當(dāng)采用排污門(mén)時(shí)，儀表處的閥門(mén)以及排污門(mén)與儀表之間的任何管道和配件，應(yīng)在100oF(40℃)下至少能承受1.5倍的主管道設(shè)計(jì)壓力”；在D.2(截流閥和儀表之間的管道材料)中提到“當(dāng)需要防止堵塞和足夠的力學(xué)強(qiáng)度時(shí)，管子內(nèi)徑不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049英寸(1.25 mm)”；在 E.1(管件和接頭)中指出：“管配件應(yīng)根據(jù)需要適宜于集箱壓力和相應(yīng)的飽和蒸汽溫度或水溫，對(duì)于超臨界壓力工況，管配件應(yīng)設(shè)計(jì)成適用于主流體管道的設(shè)計(jì)壓力和溫度”。

儀表導(dǎo)管的一端與一次門(mén)連接，另一端連接變送器閥組或者二次門(mén)等儀表設(shè)備。在儀表正常情況下，儀表導(dǎo)管內(nèi)的介質(zhì)是不流動(dòng)的，并因向周?chē)膶?dǎo)熱，介質(zhì)溫度沿儀表管道不斷降低至儀表閥門(mén)處的環(huán)境溫度。儀表測(cè)點(diǎn)在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)投運(yùn)， 排污門(mén)打開(kāi)并進(jìn)行管路沖洗，介質(zhì)溫度并不會(huì)太高；當(dāng)測(cè)點(diǎn)正常投運(yùn)后一次門(mén)后的介質(zhì)溫度遠(yuǎn)低于介質(zhì)溫度；但由于需要考慮到儀表導(dǎo)管內(nèi)冷凝水的形成點(diǎn)與導(dǎo)管的長(zhǎng)度、保溫及傳熱等有關(guān)，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中存在機(jī)組高負(fù)荷時(shí)進(jìn)行排污操作或者驅(qū)除儀表管內(nèi)氣泡的情況，這就會(huì)使一次門(mén)后導(dǎo)管內(nèi)的溫度很高。

為了能夠同時(shí)滿足ASME B31.1和實(shí)際運(yùn)行工況的要求，并且提高整個(gè)儀表導(dǎo)管系統(tǒng)的安全性。儀表導(dǎo)管的材料和尺寸規(guī)格按下列設(shè)計(jì)原則來(lái)考慮：

(1) 超臨界壓力下的儀表管路選型參數(shù)按照主流體管道的設(shè)計(jì)壓力和溫度來(lái)確定；其他介質(zhì)按照主管道的設(shè)計(jì)壓力和相應(yīng)壓力的飽和蒸汽溫度或水溫來(lái)確定。

(2) 設(shè)置排污門(mén)時(shí)，儀表導(dǎo)管在100oF(40℃)時(shí)至少能承受1.5倍的主管道設(shè)計(jì)壓力。

(3) 儀表導(dǎo)管的內(nèi)徑不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049 英寸(1.25 mm)。

2.4.2 導(dǎo)管材料

根據(jù)ASME B31.1附表A中提供的材料在一定溫度下的許用壓力值，選用奧氏體不銹鋼材料可以滿足超臨界機(jī)組儀表導(dǎo)管的選型。ASME SA213 TP316/316H具有相同的許用壓力。但兩者區(qū)別主要是含碳量不一樣(316H含碳量比316高0.04%～0.10%)，高碳含量可以提高不銹鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，這也是B31.1規(guī)定“當(dāng)溫度高于1000oF時(shí)，表中的許用壓力僅適用于含碳量等于或大于0.04%的材料”的原因。即TP316材料不能用于介質(zhì)溫度高于538℃的儀表測(cè)量管路中。

另外，TP316H的許用壓力在高溫部分(1050oF以上)與T92基本相同，因此采用TP316H完全可以替代T92在高溫高壓儀表測(cè)量導(dǎo)管上的應(yīng)用，但為了防止在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行異種鋼焊接，主蒸汽和再熱熱壓力測(cè)量管路中的一次門(mén)出口需要設(shè)置與儀表導(dǎo)管相同材質(zhì)的過(guò)渡段(隨閥門(mén)出廠前完成)。而對(duì)于高壓給水、設(shè)備本體測(cè)點(diǎn)溫度低于 538℃的介質(zhì)以及其他中低壓儀表導(dǎo)管統(tǒng)一采TP316。因此選擇SA213 TP316/316H奧氏體不銹鋼材料完全可以適用于全廠范圍內(nèi)儀表導(dǎo)管的使用(海水或其他腐蝕性介質(zhì)除外)，不但滿足了B31.1標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)減少了現(xiàn)場(chǎng)鋼材的種類(lèi)，便于采購(gòu)和管理。

2.4.3 導(dǎo)管尺寸規(guī)格

由于ASME并沒(méi)有專門(mén)的Tube管(導(dǎo)管)尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于Tube管的壁厚選擇不能像Pipe管一樣直接計(jì)算壁厚后再按照某個(gè)尺寸規(guī)范得到最終的尺寸規(guī)格。通Tube管尺寸規(guī)格一般是按照“外徑(OD)X壁厚”的形式由各個(gè)管材制造商自行規(guī)定的。國(guó)內(nèi)外主要的Tube管制造商，如Swagelok、Parker和FITOK等都能夠提供符合ASME相關(guān)材料規(guī)范且尺寸標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的成品儀表管。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，儀表導(dǎo)管的規(guī)格是通過(guò)制造廠提供的Tube管技術(shù)數(shù)據(jù)和材料的許用壓力反推一定外徑和壁厚的導(dǎo)管在某溫度下的許用壓力是否能夠滿足導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定的。

在計(jì)算過(guò)程中需注意以下幾個(gè)問(wèn)題：某些成品管制造商提供的最大許用壓力值是按照常溫(－28℃～37℃)時(shí)ASME SA269以及ASME B31.3 《工藝管道》標(biāo)準(zhǔn)得出的，在確定儀表導(dǎo)管的尺寸規(guī)格計(jì)算時(shí)，最大許用壓力值需乘以0.94的系數(shù)以滿足SA213和B31.1標(biāo)準(zhǔn)；另外，由于計(jì)算中采用了316/316H奧氏體不銹鋼的許用壓力的較大值，此時(shí)B31.1規(guī)定“這些應(yīng)力值不宜用于具有墊片的 法蘭接頭或其它有微小變形會(huì)導(dǎo)致泄漏或功能不正常的部件”，因此儀表導(dǎo)管與閥門(mén)、管件等的連接全部采用焊接的方式。同時(shí)在許用壓力的計(jì)算中必須考慮額定值降低系數(shù)以保證焊接的完整性，一般導(dǎo)管與接頭的焊接系數(shù)為0.8。按照以上方法計(jì)算確定的某國(guó)外項(xiàng)目的主要儀表導(dǎo)管的材質(zhì)和尺寸規(guī)格，見(jiàn)表2。

表2 某超超臨界機(jī)組主要參數(shù)測(cè)量?jī)x表導(dǎo)管尺寸規(guī)格選型

2.4.4 管接頭及二次門(mén)

與儀表導(dǎo)管一樣，B31.1關(guān)于管接頭及配件的設(shè)計(jì)要求主要集中在122.3.2 節(jié)的D.2和E.1條款中。在工程中考慮到管道以及配件都是按照316/316H奧氏體不銹鋼的許用壓力的較大值進(jìn)行計(jì)算，以及儀表管制造中的不圓度會(huì)引起卡套等連接時(shí)的泄露，對(duì)于接頭、三通等配件全部采用承插焊接，其溫度和壓力設(shè)計(jì)要求與儀表管的選型相同。ASME標(biāo)準(zhǔn)中這一設(shè)計(jì)原則的確定，充分考慮了超超臨界機(jī)組的主蒸汽和熱再熱蒸汽測(cè)點(diǎn)在滿負(fù)荷運(yùn)行排污時(shí)，某些特殊情況下二次門(mén)前的介質(zhì)溫度可能會(huì)接近主管道的溫度的情況，因此二次門(mén)的選型參數(shù)可按照儀表管和管接頭的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定，保證了更高的安全性和可靠性。

根據(jù)國(guó)外工程的設(shè)計(jì)習(xí)慣和EPC合同，壓力測(cè)量?jī)x表大多采用二閥組(壓力)和五閥組(差壓)作為二次門(mén)使用。需要注意的是，一般的閥組都是滿足CL2500壓力等級(jí)和ASME SA479不銹鋼棒材材料標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)用于主蒸汽、再熱熱蒸汽和主給水等超臨界壓力或高溫度介質(zhì)的測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇CL4500壓力等級(jí)和ASME SA182鍛造奧氏體不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)，以滿足選型參數(shù)為主管道的設(shè)計(jì)和溫度的設(shè)計(jì)原則。當(dāng)然，在合同或業(yè)主同意的情況下，這樣的高溫高壓測(cè)點(diǎn)的閥組也可以采用相應(yīng)的高溫高壓儀表閥來(lái)代替，以獲得更高的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

綜上所述，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行儀表導(dǎo)管和閥門(mén)的選型的設(shè)計(jì)是建立在滿足相應(yīng)溫度的許用壓力基礎(chǔ)之上的。由于材料的選擇及相應(yīng)的計(jì)算都有明確的來(lái)源、過(guò)程和結(jié)果，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)能夠最大程度上保證儀表測(cè)量回路的可靠性和安全性，并且對(duì)于各種類(lèi)型的機(jī)組儀表管路的連接方式、壁厚的確定和儀表閥門(mén)的選型等具有廣泛的適用性和準(zhǔn)確性。

雖然基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)管設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于有此要求的國(guó)外工程項(xiàng)目中，但對(duì)于國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的60萬(wàn)或100萬(wàn)千瓦高參數(shù)超超臨界機(jī)組儀表取樣管和導(dǎo)管壁厚，同樣可以采用本文提及的壁厚計(jì)算公式以及國(guó)標(biāo)GB/T17395的尺寸標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，以確定滿足機(jī)組安全運(yùn)行的儀表導(dǎo)管材料及尺寸規(guī)格、閥門(mén)和附件。

[1]ASME B31.1－2010 動(dòng)力管道[S].

[2]ANSI/ISA77.70－1994 Fossil Fuel Power Plant Instrument Piping Installation [S].

[3]趙春玉.超超臨界機(jī)組熱工儀表導(dǎo)管的計(jì)算和閥門(mén)的選用[C]//中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).全國(guó)超(超)臨界發(fā)電機(jī)組技術(shù)交流研討會(huì)論文集.成都：中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，2010.