超超临界机组仪表导管壁厚计算的适用条件

2014-09-29侯新建包一鸣

电力勘测设计 2014年1期

侯新建，包一鸣

(华东电力设计院，上海 200063)

1 概述

超超临界机组汽水系统的压力和温度较以往的亚临界机组有了大幅度的提高，此部分的仪表导管规格需要根据壁厚计算公式计算确定。在国内火电厂的工程设计中，仪表导管壁厚计算采用的计算公式依据通常为GB 50764《电厂动力管道设计规范》、DL/T 5054《火力发电厂汽水管道设计技术规定》、DL/T 5366《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》。上述三者中的壁厚计算公式是一致的，且均来源于ASME B31.1《Power Piping》。但在应用这些标准时，发现公式增加了ASME B31.1所没有的适用条件，而且出现了此适用条件无法满足的情况。本文对此进行了分析和计算，为设计工作提出个人的见解，供参考。

2 内压直管最小壁厚计算公式及适用条件

内压作用下直管最小壁厚计算公式的出发点是薄壁模型，薄壁圆筒与厚壁圆筒的划分一般以K=D0/Di=1.2为界，D0和Di分别为管道外径和内径。当K≤1.2S时为薄壁圆筒，K>1.2时为厚壁圆筒。理论直接推导出内压直管最小壁厚Sm：

式中：Sm为直管的最小壁厚，mm；D0为管子外径，mm；p为设计压力，MPa(g)；[σ]t为钢材在设计温度下的许用应力，MPa。

对于内压圆筒，如果采用薄壁假设，其计算结果是偏于危险的。当K=D0/Di=1.2时的计算误差约为11%，即此时σdh/σdb≈1.11；Di为管子内径，σdh为厚壁筒采用最大剪应力理论时的最大当量应力(发生在内壁处)，σdb为薄壁管采用最大剪应力理论时的当量应力。当K=1.5时，计算结果的误差可达32%，即此时σdh/σdb≈1.32。一般情况下，屈服极限σs的许用应力安全系数为1.5左右，即[σ]= σs/1.5。所以对于K=1.5的情况，当薄壁模型的当量应力σdb等于[σ]时，厚壁模型最大当量应力为σdh=1.32σdb=1.32σs/1.5=0.88σs，此时厚壁模型的当量应力仍未达到屈服，因此仍然是安全的。

按照上述分析，式(1)的适用条件应为K=D0/Di≤1.7，超过此范围则不能采用由薄壁圆筒模型推导出的壁厚计算公式，而应采用根据厚壁筒极限分析得出的壁厚计算公式(拉美公式)，如下：

3 工程设计中的内压直管最小壁厚计算公式分析

按照ASME B31.1，对于低于蠕变范围使用的无缝、纵焊缝或螺旋焊缝管的直管最小壁厚计算如下：

式中：Sm为直管的最小壁厚，mm；p为设计压力，MPa(g)；D0为管子外径，mm；[σ]t为钢材在设计温度下的许用应力，MPa。

Y为温度对计算管子壁厚公式的修正系数，对于铁素体钢，480℃及以下时Y=0.4，510℃时Y=0.5，538℃及以上时Y=0.7；对于奥氏体钢，566℃及以下时Y=0.4，593℃时Y=0.5，621℃及以上时Y=0.7；中间温度的Y值，可按内插法计算；当管子的D0/Sm<6时，对于设计温度小于等于480℃的铁素体和奥氏体钢，其Y值应按下式计算：

式中：Di为管子内径，mm；η为许用应力的修正系数。仪表导管均为无缝钢管，因此η=1.0；α为考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度mm。对于仪表导管，可不考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度(即α=0)。

式(3)是一个半经验性的公式，这主要是由于式中引入了温度影响系数Y。当Y等于0.5时，式(3)可以简化为式(1)。Y等于0.4时，式(3)的计算结果接近于采用厚壁拉美公式的计算结果，这主要是为了弥补薄壁理论计算公式因未考虑应力沿壁厚的变化，而导致计算壁厚数值偏小的缺陷。并且明确当D0/Sm<6(与D0/Di<1.5等价)等条件时进一步修正Y值。

从以上分析可以看出ASME B31.1对于厚壁管道壁厚计算时未直接应用拉美公式，还是使用式(3)，但是采用修订Y值来减少误差。

由Y的取值还可以看到，总体来讲当温度较高时，Y值也逐渐增大。当Y值大于0.5时，式(3)的计算值比式(1)的计算值要小。这主要是考虑到，当温度较高发生蠕变时，环向应力和纵向应力沿壁厚的分布将发生变化。在此过程中，环向应力的数值将由弹性时的内壁最大外壁最小，逐渐趋于沿壁厚均匀分布，最终达到内壁最小外壁最大；纵向应力的数值将由弹性时沿壁厚均匀分布，最终转变为内壁小于零，而外壁大于零且比弹性数值有所增大。式(3)按照Y等于0.7计算得到的数值，与考虑蠕变后的最终结果相当接近。

GB 50764、DL/T 5054、DL/T 5366标准中的内压直管最小壁厚计算公式来源于ASME B31.1，但是却增加了D0/Di≤1.7的适用条件，据标准的条文解释，其原因是：所列公式是根据管壁内压平均应力导出的，考虑内压周向应力是平均分布的，而管壁内周向应力的分布，实际是不均匀，内壁大，外壁小，在外径(或内径)一定时，壁厚愈大，内外壁应力值差别也愈大，因此，内壁内周向应力比平均周向应力要高。因而有时按平均应力是满足了，而内壁实际应力却超过了屈服极限，产生材料屈服，甚至管壁上出现大面积屈服，这对管子的运行不利，通过计算比较，如果以管壁内压平均折算因为(应力为平均值)选择管子壁厚时，当许用应力采用以屈服极限为基准的安全系数为1.5时，在D0/Di=1.6时，管子内壁才有可能屈服，内壁内压实际折算应力超过屈服极限的2%，但管壁大部分仍处于弹性状态。在现在的电力建设中，超临界和超超临界参数机组主蒸汽、再热蒸汽蒸汽管道的选材一般选用强度高的A335P91、A335P92来降低管道厚度，这样管道的D0/Di值都在1.6以下。因此规定最小壁厚计算公式的适用范围为D0/Di≤1.7[1]。从上述解释可以看出，适用条件定为D0/Di≤1.6是可以接受的，但是结论却放宽到D0/Di≤1.7，没有因果关系。此外，GB 50764、DL/T 5054、DL/T 5366没有交代D0/Di>1.7时的最小壁厚计算公式，而超超临界仪表导管需现场弯制加厚壁厚的特点使其计算正好碰到了D0/Di>1.7这个问题(具体见下文计算)。

另外文献[2]也对上述条文解释提出了疑问，并说明承受内压壁厚直管壁厚计算公式的适用条件无论是D0/Di<1.5，还是D0/Di≤1.7，厚壁模型的最大当量应力均未达到屈服极限，分别为0.88σs和0.99σs，只是安全裕度不同。

为此，根据以上分析和第2章节的结论，建议在计算超超临界仪表导管时，可遵循ASME B31.1；或者，在薄壁仪表导管计算时，采用式(1)，在厚壁仪表导管计算时采用式(2)(这也正是欧盟标准EN 13480《Metallic industrial piping》采用的壁厚计算方法)。