华 伟，赵洪生

(东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021)

1 概述

随着国家“一路一带”战略的推进，由中国的国际工程公司负责的EPC项目越来越多的进入了欧洲、中东等高端电力市场。这些国际工程的招标文件多为西方工程咨询公司负责编写，最终的EPC合同中也会明确要求采用ASME等美国技术标准完成仪表导管的选型设计。如何掌握、理解并执行这些国际标准，对于项目的总承包方和设计方提出了更高的要求。

1.1 美标中的导管设计标准

ASME标准并没有专门的针对火电厂仪表导管和阀门的设计标准。而ASME B31.1《动力管道》作为电站锅炉等设备的工业管道系统设计规范，各种仪表导管、阀门、法兰、垫圈、接头等承压部件也在B31.1的适用范围内。ANSI/ISA－77.70《火电厂仪表管路安装》是美标中另一个用于电站仪表导管设计的规范。此标准明确指出了材料的使用条件、部件标准、压力－温度许用值以及连接方法的选用导则及限制等内容全部来自于B31.1中的要求。因此，基于美标的仪表导管和阀门设计的计算和选型主要依据为ASME B31.1及相关尺寸和材料标准。

1.2 Pipe和Tube管的区别

所谓的Pipe管一般用于流体输送，工艺管道专业应用较多。Pipe是以公称直径(NPS)和壁厚号(SCH.No.)来定义，Pipe 管的尺寸规格必须符合ASME B36.10或ASME B36.19尺寸标准。Tube管主要用于换热和传输动力，主要在仪表专业使用，尺寸规格标识为外径(OD)X壁厚。Pipe管的尺寸由国家标准统一规定，不能自定尺寸系列，而Tube管的尺寸规格则是根据使用用途和要求自行规定的。仪表测量的一次门前取压管主要具有流体输送的作用，而一次门后的管道则更多的考虑换热及压力传输的功能。因此一次门前的管道应选择Pipe管，而一次门后的仪表导管则采用tube管。

2 仪表导管及阀门设计

2.1 引出管

根据ASME B31.1中122.3.2仪表管道章节的描述：“信号源处的引出管(Takeoff Connection)包括连接套管、接管或异径管”，在这里，一次门前的管道统一被称为引出管，不再有国内标准中的取压短管和一次门前导管的概念，这也是与国外工程公司的设计分工相一致的。B31.1同时规定引出管要求“至少采用与工艺管道相同材质的材料制造，并且设计参数按照信号源的压力和温度来考虑”，同时提出“运行温度不大于6.2MPa或者425℃时，引出管的公称尺寸应不小于NPS·1/2”；当设计条件超过上述压力或温度任一范围时，应不小于NPS·3/4”。因此对于引出管的尺寸规范我们需要考虑的就是满足B31.1要求的温度和许用压力下的管道壁厚。

管道的壁厚等级确定的因素主要包括温度－压力影响和对壁厚裕的考虑，这些因素对于壁厚的影响在B31.1给出的壁厚计算公式中都得到了相应的体现，根据计算后的最小指定壁厚值来查找ASME B36.10/19中的“尺寸和重量表”就可以找到代表壁厚的SCH· No.等级。

首先，引出管的壁厚需满足设计温度和压力下的强度要求，可以用下面的公式(1)得到计算壁厚t：

式中：t为计算壁厚；Do为管道外径；P为设计压力；S为材料许用压力(来自B31.1附表A)；E为焊接接头系数或铸造质量系数(来自B31.1附表A，通常为1 )；Y为温度修正系数(来自B31.1 表104.1.2，区间内温度的Y值可通过插值法计算得出)。

其次，引出管的最小计算壁厚还需增加由于考虑裕度所引起的附加壁厚C，然后得到最小需要壁厚tm。在仪表测点引出管或导管壁厚的计算中，可以不考虑这部分附加厚度，即C=0

另外，由于管道在实际安装过程中可能需要进行弯管制作，这就需要在管道壁厚的选择中考虑这部分原因引起的壁厚减薄，见公式(3)，其中系数B按照B31.1的表102.4.5选择，通常对管道弯制前直管的最小弯管壁厚tbeng可按照大于等于3倍管子外径来考虑而选择1.25：

最后，管道壁厚还需考虑管道制造过程中的负偏差m%(计算中按照12.5%选取)。按照公式A=m/(100－m)得到管壁厚负偏差系数A。根据公式(4)得到管道的最小指定厚度tmin。根据这一计算值再查ASME B36.10或ASME B36.19的尺寸表并向上取值考虑一定的余量后找到最终的壁厚SCH·No.等级

为减少现场材料的种类，工程中引出管可按照最小公称尺寸为NPS·3/4”的Pipe管道来考虑。根据以上公式计算并选型得到的某工程“四大管道”引出管规格详见表1。

2.2 一次门

根据国外工程公司的设计分工，仪表测量管路中的一次门都习惯由工艺专业完成设计并采用小通径工艺截止阀门(Globe Valve)，而国内设计由于一次门属于热控专业设计范围，更多的是采用仪表阀门(Needle Valve)。B31.1中并没有规定一次门必须采用工艺阀门，仅指出引出管上的截止阀“应能够承受与引出管连接的容器或管道的设计压力和温度”。因此一次门的选型应以主管道的温度和压力作为主要的设计依据，并综合考虑形式、等级、连接、材料和通径等因素来确定。

表1 某超超临界燃煤机组四大管道引出管壁厚计算及尺寸选型

满足ASME标准的工艺截止阀门在制造和测试标准上遵循ASME B16.34规范，其压力－温度额定值是按照磅级数来表示的。在超超临界机组的主蒸汽、再热热蒸汽和主给水压力的测量时，由于主管道的设计参数很高，一次门需采用CL4500压力等级、阀体符合高温锻造ASME SA182规范的合金或不锈钢材料以及连接方式满足ASME B16.11和B16.25规范的焊接工艺阀。

ASME标准体系中没有专门针对仪表阀的制造标准和规范。但美国工业制造商标准协会(Manufacturers Standardization Society)的MSS SP－105《仪表阀适用规范》作为标准和技术条件在B31.1中明确表示是可以使用的。通常的仪表阀阀体、阀盖等受压部件的多是采用ASME CL2500压力等级和ASME SA479棒材材质(其使用温度不能超过427℃)，但SAFELOK等国外阀门厂家也可提供满足高温锻造SA182标准且符合CL4500压力等级的仪表阀。仪表阀与工艺阀相比较，在阀盖的形式、填料密封的方式以及阀杆和手轮操作的方便性、结构强度和使用寿命低等方面具有明显的缺点，因此从一次门的安全性、可靠性和经济性等几方面来考虑，实际工程中“四大管道”及部分高温高压测点上的一次门可采用工艺截止阀门，而其他中低温和中低压的仪表测量管路一次门则全部采用仪表阀门。

2.3 排污门

ASME B31.1中关于排污门的选择主要有两点设计要求：

(1) 对于亚临界压力蒸汽介质，排污门的设计压力不应小于主管道或容器的设计压力，设计温度应为相应饱和蒸汽温度。

(2) 对于所有其他介质，排污门应满足(B.1)的要求。其中提到的(B.1)为前文提到的有关一次门的技术要求。因此我们可以认为：对于超临界压力参数介质，排污门的选型参数需按照主管道的介质压力和温度来确定。

ASME B31.1的描述中也并没有关于配置双排污门的相关设计条件和要求，但考虑到排污门易受到杂质的冲刷和磨损造成泄露故障，以及启动和正常运行中也可能需要对测点进行短时排污操作，在实际工程项目的设计中，对排污门统一按照主管道介质的压力和温度来选型，配置数量和阀门通径同一次门也是符合B31.1相关条款的。

2.4 仪表导管

2.4.1 设计原则

ASME B31.1 的第 122.3.2 节中没有直接提出一次门后仪表导管的选型原则，但在该节B2.2(排污门)中指出：“当采用排污门时，仪表处的阀门以及排污门与仪表之间的任何管道和配件，应在100oF(40℃)下至少能承受1.5倍的主管道设计压力”；在D.2(截流阀和仪表之间的管道材料)中提到“当需要防止堵塞和足够的力学强度时，管子内径不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049英寸(1.25 mm)”；在 E.1(管件和接头)中指出：“管配件应根据需要适宜于集箱压力和相应的饱和蒸汽温度或水温，对于超临界压力工况，管配件应设计成适用于主流体管道的设计压力和温度”。

仪表导管的一端与一次门连接，另一端连接变送器阀组或者二次门等仪表设备。在仪表正常情况下，仪表导管内的介质是不流动的，并因向周围的导热，介质温度沿仪表管道不断降低至仪表阀门处的环境温度。仪表测点在机组低负荷时投运， 排污门打开并进行管路冲洗，介质温度并不会太高；当测点正常投运后一次门后的介质温度远低于介质温度；但由于需要考虑到仪表导管内冷凝水的形成点与导管的长度、保温及传热等有关，同时在实际运行中存在机组高负荷时进行排污操作或者驱除仪表管内气泡的情况，这就会使一次门后导管内的温度很高。

为了能够同时满足ASME B31.1和实际运行工况的要求，并且提高整个仪表导管系统的安全性。仪表导管的材料和尺寸规格按下列设计原则来考虑：

(1) 超临界压力下的仪表管路选型参数按照主流体管道的设计压力和温度来确定；其他介质按照主管道的设计压力和相应压力的饱和蒸汽温度或水温来确定。

(2) 设置排污门时，仪表导管在100oF(40℃)时至少能承受1.5倍的主管道设计压力。

(3) 仪表导管的内径不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049 英寸(1.25 mm)。

2.4.2 导管材料

根据ASME B31.1附表A中提供的材料在一定温度下的许用压力值，选用奥氏体不锈钢材料可以满足超临界机组仪表导管的选型。ASME SA213 TP316/316H具有相同的许用压力。但两者区别主要是含碳量不一样(316H含碳量比316高0.04%～0.10%)，高碳含量可以提高不锈钢的高温强度和抗氧化性能，这也是B31.1规定“当温度高于1000oF时，表中的许用压力仅适用于含碳量等于或大于0.04%的材料”的原因。即TP316材料不能用于介质温度高于538℃的仪表测量管路中。

另外，TP316H的许用压力在高温部分(1050oF以上)与T92基本相同，因此采用TP316H完全可以替代T92在高温高压仪表测量导管上的应用，但为了防止在现场进行异种钢焊接，主蒸汽和再热热压力测量管路中的一次门出口需要设置与仪表导管相同材质的过渡段(随阀门出厂前完成)。而对于高压给水、设备本体测点温度低于 538℃的介质以及其他中低压仪表导管统一采TP316。因此选择SA213 TP316/316H奥氏体不锈钢材料完全可以适用于全厂范围内仪表导管的使用(海水或其他腐蚀性介质除外)，不但满足了B31.1标准的要求，同时减少了现场钢材的种类，便于采购和管理。

2.4.3 导管尺寸规格

由于ASME并没有专门的Tube管(导管)尺寸规格标准，对于Tube管的壁厚选择不能像Pipe管一样直接计算壁厚后再按照某个尺寸规范得到最终的尺寸规格。通Tube管尺寸规格一般是按照“外径(OD)X壁厚”的形式由各个管材制造商自行规定的。国内外主要的Tube管制造商，如Swagelok、Parker和FITOK等都能够提供符合ASME相关材料规范且尺寸标准化和系列化的成品仪表管。在实际的工程设计过程中，仪表导管的规格是通过制造厂提供的Tube管技术数据和材料的许用压力反推一定外径和壁厚的导管在某温度下的许用压力是否能够满足导管设计参数来确定的。

在计算过程中需注意以下几个问题：某些成品管制造商提供的最大许用压力值是按照常温(－28℃～37℃)时ASME SA269以及ASME B31.3 《工艺管道》标准得出的，在确定仪表导管的尺寸规格计算时，最大许用压力值需乘以0.94的系数以满足SA213和B31.1标准；另外，由于计算中采用了316/316H奥氏体不锈钢的许用压力的较大值，此时B31.1规定“这些应力值不宜用于具有垫片的 法兰接头或其它有微小变形会导致泄漏或功能不正常的部件”，因此仪表导管与阀门、管件等的连接全部采用焊接的方式。同时在许用压力的计算中必须考虑额定值降低系数以保证焊接的完整性，一般导管与接头的焊接系数为0.8。按照以上方法计算确定的某国外项目的主要仪表导管的材质和尺寸规格，见表2。

表2 某超超临界机组主要参数测量仪表导管尺寸规格选型

2.4.4 管接头及二次门

与仪表导管一样，B31.1关于管接头及配件的设计要求主要集中在122.3.2 节的D.2和E.1条款中。在工程中考虑到管道以及配件都是按照316/316H奥氏体不锈钢的许用压力的较大值进行计算，以及仪表管制造中的不圆度会引起卡套等连接时的泄露，对于接头、三通等配件全部采用承插焊接，其温度和压力设计要求与仪表管的选型相同。ASME标准中这一设计原则的确定，充分考虑了超超临界机组的主蒸汽和热再热蒸汽测点在满负荷运行排污时，某些特殊情况下二次门前的介质温度可能会接近主管道的温度的情况，因此二次门的选型参数可按照仪表管和管接头的设计参数来确定，保证了更高的安全性和可靠性。

根据国外工程的设计习惯和EPC合同，压力测量仪表大多采用二阀组(压力)和五阀组(差压)作为二次门使用。需要注意的是，一般的阀组都是满足CL2500压力等级和ASME SA479不锈钢棒材材料标准，当用于主蒸汽、再热热蒸汽和主给水等超临界压力或高温度介质的测量时，应选择CL4500压力等级和ASME SA182锻造奥氏体不锈钢材料标准，以满足选型参数为主管道的设计和温度的设计原则。当然，在合同或业主同意的情况下，这样的高温高压测点的阀组也可以采用相应的高温高压仪表阀来代替，以获得更高的经济性。

3 结论

综上所述，采用ASME标准来进行仪表导管和阀门的选型的设计是建立在满足相应温度的许用压力基础之上的。由于材料的选择及相应的计算都有明确的来源、过程和结果，采用ASME标准能够最大程度上保证仪表测量回路的可靠性和安全性，并且对于各种类型的机组仪表管路的连接方式、壁厚的确定和仪表阀门的选型等具有广泛的适用性和准确性。

虽然基于ASME标准的导管设计主要应用于有此要求的国外工程项目中，但对于国内相关标准中未涉及的60万或100万千瓦高参数超超临界机组仪表取样管和导管壁厚，同样可以采用本文提及的壁厚计算公式以及国标GB/T17395的尺寸标准来计算，以确定满足机组安全运行的仪表导管材料及尺寸规格、阀门和附件。

[1]ASME B31.1－2010 动力管道[S].

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

[3]赵春玉.超超临界机组热工仪表导管的计算和阀门的选用[C]//中国电力企业联合会.全国超(超)临界发电机组技术交流研讨会论文集.成都：中国电力企业联合会，2010.