ASME规范第Ⅰ卷学习札记(一)~(四)

上海发电设备成套设计研究所 吕 翔

(一)

         自1983年全国汽轮机锅炉行业采用国际标准厂长会议上制定了六五期间采用ISO/R831、七五期间采用ASME规范的规划后,不仅锅炉行业,安全监察和电力部门也都在不同程度上开展对ASME规范的学习。据ASME产品协作网(CACI)的统计,至2000年底,我国已有22个锅炉厂取得按ASME规范建造锅炉的资格。在另一方面,这22个锅炉厂中只有为数不多的几个锅炉厂已制定了符合ASME规范要求的企业标准,因此结合三次为授权检验师资格考试培训班讲授ASME规范第Ⅰ卷的经验,编写这个札记,不仅仅是供编制符合ASME规范要求的企业标准的参考,更重要的是希望能对提高我国锅炉标准水平有所助益。
        这个札记包括六个部分,即:概论、材料、设计、制造、安全附件、检查和检验,力求实用性,突出重点和难点。

第一部分 概论

一、ASME规范的发展简况
         1911年,时任ASME主席的E·D·Meiler(他又是某一锅炉厂的厂长和美国锅炉制造厂协会的委员)为了防止各方面在锅炉设计和制造规则上各行其是,牵头组织了一个专门委员会制定各方面均能接受的规则,成员7人,来自锅炉厂、保险公司和大学,1914年提出第1版,即现在的ASME规范第Ⅰ卷动力锅炉建造规则。
前述的专门委员会现名锅炉及压力容器委员会,简称ASME/BPVC。
八十多年来,ASME规范的主要发展如下:
(1) 1923年,将第Ⅰ卷中属于采暖锅炉的条款另出一卷,即现在的第Ⅳ卷。
(2) 1924年,将第Ⅰ卷中的材料标准另出一卷,即现在的第Ⅱ卷。
(3) 1925年制定了《不受火压力容器》,1952年与美国石油协会(API)的《不受火压力容器》合并,即现在的第Ⅷ卷。
(4) 1926年制定了《锅炉检验规则》,即现在的第Ⅴ卷。
(5) 1926年制定了《动力锅炉维护推荐导则》,即现在的第Ⅶ卷。
(6) 1941年将《压力容器》中的焊接评定部分另出一卷,即现在的第Ⅸ卷。
(7) 1963年制定了《核容器》,即现在的第Ⅲ卷。
(8) 1970年制定了《采暖锅炉运行和维护推荐规则》,即现在的第Ⅵ卷。

二、与锅炉有关的卷简介
         目前,ASME规范共有11卷,其中供建造锅炉用的为第Ⅰ、Ⅳ卷和B31.1 动力管道,另外还有与其相配套用的第Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ卷,因此与锅炉有关的共8个,其中第Ⅰ、Ⅳ卷为强制性的,第Ⅱ、Ⅴ、Ⅸ卷和B31.1因被第Ⅰ或Ⅳ卷引用,也是强制性的,第Ⅵ、Ⅶ卷为志愿性的。
         现将除第Ⅰ卷以外的其他7个标准简介如下。

1.第Ⅳ卷
         第Ⅳ卷 采暖锅炉建造规则用于建造采暖用的蒸汽锅炉或热水锅炉,以及供给热水用的热水锅炉,蒸汽锅炉的出口压力不大于0.103MPa,热水锅炉的出水压力不大于1.1MPa,出水温度不大于121℃。这种锅炉相当于我国的E级锅炉或生活锅炉。
         同为建造规则,第Ⅳ卷与第Ⅰ卷的差别主要有三个,即:
         (1) 介质参数。 以上述参数为分界,高于此参数时使用第Ⅰ卷。
         (2) 材料。 除了钢外,按第Ⅳ卷建造的锅炉还可以使用铸铁。
         (3) 无损检验。 按第Ⅳ卷建造的锅炉不要求进行无损检验,与此相应,抗拉强度的安全系数由4增加到5,因此,同一材料的许用应力比第Ⅰ卷低。

2. 第Ⅱ卷
         第Ⅱ卷 材料标准分为A~D篇,A~C篇为ASME规范所允许使用材料的标准汇编,包括:铁基材料、非铁基材料和焊接材料。此类材料标准系由美国材料和试验协会(ASTM)或美国焊接协会(AWS)提出,并为ASME所采用,共10类236个标准,见表1-1:
表1-1 第Ⅱ卷材料类别

类别

管材

板材

棒材

结构钢

耐腐蚀和耐热钢

锻件

铸件

管道附件

紧固件

焊接材料

数目

47

43

11

3

39

17

17

16

13

30

         A篇中还列入10个方法标准,例如SA-370 钢制品力学性能试验方法和定义。
         D篇包括4个分篇,即:许用应力、物理性能、外压件计算用图表,另有5个附录。

3. 第Ⅴ卷
         第Ⅴ卷 无损检验共11章,包括了锅炉和压力容器的5种无损检验方法,即:射线、超声波、液体渗透、磁粉、涡流和目视,另外还有泄漏检验。
         第1章为总要求,着重说明对制造厂在建立无损检验工艺方面应负的责任,包括:设备、人员要求、规程等。

4. 第Ⅸ卷
         第Ⅸ卷为焊接和钎接评定,焊接评定包括工艺评定和焊工技能评定。
         需要注意的是第Ⅸ卷2000年增补,增加了很重要的一章,即制定焊接工艺规程时使用的标准,给出允许使用的AWS标准清单,共17个,这些标准的评定方法较第Ⅸ卷简便。

5. 第Ⅵ卷
         为了加强锅炉的安全运行,从制造厂的角度编制了第Ⅵ卷采暖锅炉维护和运行推荐规则,供对采暖锅炉运行和维护负有责任的人员参考。主要内容为:
         (1) 给出运行、停运、维护和检查的主要程序或项目。
         (2) 给出运行中进行校验和试验的具体项目。

6. 第Ⅶ卷
         第Ⅶ卷动力锅炉维护推荐导则的用途与第Ⅵ卷相同,只是为了适应介质参数较高的特点,对锅炉运行给出较为详细的要求并增加锅炉内部化学工况方面的内容。

7. B31.1
         B31.1动力管道是ASME/B31.1委员会发布的,是《压力管道》系列标准中的一个,适用于锅炉范围内管道的建造。
         共6章,即:适用范围和定义、设计、材料、尺寸要求、制造装配和安装、检查检验和试验,以设计这一章最为重要。
         第2章设计共6节,主要内容为:设计条件(即所需的已知条件)和设计准则、强度计算、膨胀和柔性、支吊件、管道系统。
         另外还有8个强制性附录和7个非强制性附录,强制性附录包括许用应力等,非强制性附录中有几个很值得注意,例如安全阀的设计规则、管道的腐蚀控制、运行维护的推荐规则等。

三、第Ⅰ卷内容简介

1. 适用范围
  (1) 锅炉类别
         包括以下五种锅炉:
         a. 动力锅炉:额定蒸汽压力大于0.103MPa的蒸汽锅炉。
         b. 高温热水锅炉:出水压力大于1.1MPa或出水温度大于121℃的热水锅炉。
         c. 特小型锅炉:锅壳内径不大于406mm或受热面积不大于1.9m2或总容积不大于0.14m3或最高允许工作压力不大于0.69MPa的锅炉。
         d. 电热锅炉:以电为热源的动力锅炉或高温热水锅炉。
         e. 有机液体蒸发器:以有机液体作热载体加热其他物质的锅炉。
  (2) 安全监察
         锅炉本体和锅炉范围内管道属于ASME规范的安全监察范围,需打钢印,见第Ⅰ卷序言第三段.
  (3) 部件类别
         只适用于受压件和有关的非受压件例如焊接在受压件上的吊耳、搁脚等,不包括钢架、燃烧设备和空气预热器等部件。
  (4) 热能利用
         按热能的来源,既包括利用石化燃料燃烧释放出热能的受火锅炉,也包括受幅射热的烟道式余热锅炉,但以下两类应划入第Ⅷ卷:
         a. 各类蒸发器(例如排污水的扩容蒸发器、水处理设备中的蒸发器等)和换热器(例如给水加热器、减温减压装置等);
         b. 不受辐射热的余热锅炉例如管壳式余热锅炉。
         在热能利用方面的这一分界与我国锅炉、压力容器安全技术监察规程的分界范围一致。

2. 组成
         第Ⅰ卷由两部分组成,即:各卷共同部分和第Ⅰ卷本身。
(1) 各卷共同部分
         各卷共同部分即第Ⅰ~第Ⅸ卷都有的内容,包括:
         a. ASME对标准制订程序和性质的声明;
         b. 前言,说明编制ASME规范的指导思想、工作方针和使用须知等;
         c. 对使用ASME认证标志的声明;
         d. ASME/BPVC所属机构和人员名单。
(2) 第Ⅰ卷本身
         第Ⅰ卷本身由序言、正文和附录组成,共2部分,序言说明第Ⅰ卷的适用范围和编制的指导思想,第Ⅰ卷正文共10篇,各篇编号中的第一个字母为P,即Power Boiler(动力锅炉)的代码,图、表均按所在条款编号而不编流水号,便于查找、便于修订。10篇以PG篇为中心。

四、近五十年主要修订内容
         第Ⅰ卷于1914年出第1版,1940年第一次修订,2001年版为第24版,亦即已修订了23次。一些重要的修改项目有:
1. 50年代 允许在焊缝上开胀接管孔、补充了管接头连接型式和连接焊缝强度计算。
2. 60年代 补充了锅炉范围内管道、安全阀认证试验、锅炉合格认证,修改了水压试验地点的规定(过去要求在制造厂内打水压)。
3. 70年代 补充了对制造厂质量体系的要求,即A-300质量控制体系;
4. 80年代 补充了使用非ASME规范材料时的认同细则,
5. 90年代 90年代最主要的一项修订是加强了合格认证的管理,要点如下:
         (1) 明确已取证和未取证组织的区别
         凡未取得ASME授权证书的组织均不得承担按ASME规范建造产品的责任,这一责任应理解为:不得在合同或宣传中声明按ASME规范建造产品。
         (2) 规定申请者与AIA的关系
         申请者必须与授权检验机构(AIA)签订协议,规定提供检验服务的项目和条件。
         (3) 明确AIA的认可规定
         由ASME按QAI- 1 授权检验的合格评定的规定对AIA进行认可。
         此外,还补充了对奥氏体钢冷加工成形时的应变限制以防止发生应力腐蚀断裂,将授权检验师的检验项目予以汇总并作必要的补充。

五、今后发展趋势
         在政治多极化、经济全球化的国际形势下,ASME规范也要在日益激烈的竞争中寻求发展。

1. 美国的政策
         美国各州过去在州的《锅炉压力容器安全法》中规定只允许安装按ASME规范建造的承压设备,为了消除非技术性贸易壁垒,大多数州已在1997年实施了新的安全监察要求,允许安装按其他国家标准生产的承压设备,但应符合美国锅炉压力容器检验师协会(NB)1997年10月27日发布的NB-264 锅炉压力容器和其他承压设备注册准则,注册的主要要求有三个:
         (1) 该承压设备的建造规范(Code of Construction)已取得NB承认。
         (2) 该制造厂已建立了质量管理体系。
         (3) 该承压设备已由第三方进行了检验。
         根据NB1998年统计,已有加拿大、英国、欧共体、日本和韩国的锅炉建造规范取得NB的承认。

2. ASME的方针
         主要有以下三条:
         (1) 加强宣传 1992年版起在封面上加注“国际公认标准”,1998年版进一步改为“国际性标准”。
         (2) 加强销售 近二十年来,ASME规范在美国以外地区的销售额占总销售额的比例由22%增加到39%,同时还出版中文、法文、德文、日文、葡文、俄文和西班牙文版。
         (3) 加强合作 与各国的进口许可制度进行协调以取得认可。

3. ASME的技术措施
         据ASME规范和标准部压力技术分部马克·西恩主任2000年10月在ASME/CACI锅炉压力容器规范技术研讨会上的报告,ASME规范未来的发展主要有以下三个方面:采纳国外材料标准、统一各卷和B31.1中的焊后热处理规则、考虑余热锅炉的设计。

(二)

第二部分 材 料

一、概述

1.对材料的限制
⑴第Ⅱ卷

         1998年以前,ASME/BPVC对列入ASME规范第Ⅱ卷中的铁基材料、非铁基材料和焊接材料,只限于美国材料与试验协会(ASTM)材料标准和美国焊接学会(AWS)焊接材料标准中的铁基材料、非铁基材料和焊接材料,凡等同采用ASTM或AWS标准的ASME规范材料标准,均在ASTM或AWS标准编号之前加注S或SF(F为filler metal,填充金属的缩写),以资识别,例如ASTM标准中的A299和AWS标准中的A5.1,在ASME规范第Ⅱ卷中的编号分别为SA299和SFA5.1。
         与1998年版在封面上加注“国际性标准”的同时,ASME/BPVC在使用国外材料上的方针也有所放宽,过去的原则是:按ASTM材料标准生产的材料,其生产国别并无限制;现在是:允许将其他国家的材料标准列入ASME规范第Ⅱ卷。按此方针,第Ⅱ卷1998年版中已列入加拿大、欧盟和日本的3个材料标准。
⑵第Ⅰ卷
         根据PG-5.1的规定,凡按第Ⅰ卷建造锅炉时,受压件的材料只限于符合PG-6~PG-9、PG-11~PG-13要求的材料,以板材为例,虽然第Ⅱ卷中的板材标准有43个之多,但第Ⅰ卷只允许使用其中的9个。除此以外,PG-5.1还规定了材料的使用温度不得超过第Ⅱ卷D篇各表中对该材料最高允许壁温的一些限制,主要有两个,一是强度方面的限制,即表中给出许用应力的最高温度,例如对SA-192受热面用管材,表1A中只给出1000°F(536℃)及以下温度的许用应力,因此该表中SA-192的最高许用壁温为1000°F,另一个是金属组织方面的限制,在表注中有这方面的说明,例如碳钢长期暴露在800°F(425℃)以上温度时,钢中的碳化物相会石墨化,这表示ASME认为碳钢的最高允许壁温不宜大于850°F。
         至于非受压件如吊耳、托架、搁脚、销钉、鳍片等,第Ⅰ卷对其材料的限制只有一个,即焊接性能对受压件和非受压件材料的共同要求:含碳量不大于0.35%。

2. 申请使用新材料的规定
         第Ⅱ卷D篇附录5为ASME/BPVC批准使用新材料的规定,要点如下:
         ⑴对申请机构的限制 只限于锅炉、压力容器和核电设备的制造厂和用户。
         ⑵对申请材料的限制 只限于以下两类材料:
         a. 已列入ASTM或AWS标准中的材料;
         b. ASME/BPVC允许使用的已列入国际标准或其他国家标准中的材料。
         ⑶申请时需提供的资料 申请机构应提供的主要资料为:
         a. 材料的使用要求:包括使用温度范围、是否在循环工况下运行、承受内压还是外压、尺寸范围等。
         b. 材料性能:包括物理性能、力学性能和焊接性能等共同要求,此外还需根据受压件的设计和制造上的专门要求,补充相应的资料和数据,例如冲击韧性、外压强度计算共线图用的应力-应变曲线、抗疲劳性能、高温下金相组织的变化等。

二、铁基材料标准简介

1.标准类别
⑴按制品型式和用途分类

         第Ⅱ卷A篇铁基材料包括钢和铁,铁基材料按制品型式和用途分为板材、管材、棒材、锻件、铸钢件、铸铁件和紧固件七类,分类方法有以下三个需要注意的地方:
         a. 板材标准。 凡名称中有“压力容器用”的标准也适用于锅炉,换言之,锅炉与压力容器钢板使用同一个标准,不象我国,锅炉钢板标准为GB 713,压力容器钢板为GB 6654。
         b. 管材标准。 管材按管径和厚度的表示方法分为受热面用管材(tube)和管道用管材(pipe)两种,管道用管材用于制造管道,与阀门、法兰等管道附件一样,都用公称管径(nominal pipe size,NPS)而不是用公称外径来表示其直径。应当注意,美国使用NPS-词可上溯到1886年,有其自己的历史原因,并非管道用管材的专门要求,因为其他国家并不使用这个术语。
         顺便说来,日本的管材也分两种,即配管用钢管(STP)和热传达用钢管(STB),配为汉字输送,配管用钢管相当于管道用管材,热传达为汉字传热,热传达用钢管相当于受热面用管材。 管材标准的另一个特点是除了无缝钢管外还有焊接钢管,焊接钢管按用途分有受热面用和管道用的焊接钢管,按化学成分和金相组织分有碳钢、铁素体合金钢和奥氏体钢焊接钢管。
         c. 紧固件材料标准。 ASME规范在紧固件材料方面有两个特点,一是有紧固件材料的专用标准,包括室温和高温下使用的紧固件材料,另一是螺栓和螺母各有相应的标准。我国的紧固件材料使用结构钢标准,对硬度、热处理和无损检验均无要求。
⑵按化学成分分类
         在化学成分分类方面,可将基本常用的材料分为四类: 碳钢、低合金钢、高合金钢和奥氏体不锈钢。与我国不同之处为:
         a. 碳钢-- ASME规范中的碳钢还包括碳锰钢,在我国,碳锰钢(例如16Mng) 有的文件列为碳钢,有的又列为合金钢。
         b. 合金钢-- ASME规范中的合金钢分为高低两类,低合金钢中,合金元素成分最高的为9Cr1Mo,合金元素成分较9Cr1Mo更高的称为高合金钢。
         c. 不锈钢-- ASME规范中的不锈钢,牌号非常多,以SA-213标准为例,共有44个牌号之多,我国又太少,只有2个,这是提高蒸汽参数的一个重要障碍。

2. 标准的特点
⑴适用于订货

         ASME规范材料标准是一种协(学)会标准,此类标准的共同特点是从指导购买商品的角度出发来制订,主要内容是:订货须知、技术要求、质量要求、试验方法、试验报告和验收等,企业另按更加具体和要求更高的企业标准组织生产,现举两例说明如下:
         a. 技术要求各取所需
         标准中技术要求分为两种,一种是标准本身的要求,如果采用该标准,此类要求即为强制性的,另一种是列于标准后面的补充要求(supplement requirement),此种要求由用户根据需要在订货时选用。用户还可根据需要在订货时增加一些标准中没有列入的要求,此种要求称为附加要求(additional requirement)。以GB 713《锅炉用钢板》中的检验要求为例,冷弯、室温冲击、高温拉伸、超声波检验在ASME规范材料标准中都属于补充要求,而时效冲击和厚度方向性能试验在ASME规范材料标准中都没有这些要求。
         b. 企业重视产品质量
         以钢板的表面质量为例,虽然我国钢材标准对表面质量有具体规定,但国产钢材特别是管材的表面质量一直是个老大难的问题,ASME规范材料标准对表面质量只有原则性规定,例如SA20中对管材表面质量的要求虽然只有两个字即良好,但实物的表面质量均能达到我国相应标准的要求。
⑵标准数量繁多
         ASME规范材料标准数量繁多,这可能与材料生产厂从商业需要出发有关,使用时需掌握以下两点:
         a. 只限于第Ⅰ卷中允许使用的材料。
         b. 标准名称的表示方法与我国不完全一样,例如板材标准名称中的“压力容器用”,实为“锅炉和压力容器用”,而我国按前苏联模式,锅炉和压力容器用钢板的标准是分开的,再如SA192《高压锅炉用碳钢无缝钢管》,实际上相当于GB 3087《低中压锅炉用无缝钢管》中的10号钢。
⑶使用自己的牌号表示方法
         ASME的牌号表示方法不仅与GB/T 221《钢铁产品牌号表示方法》有很大差别,与英、法、德、日也有些不同,ASTM用阿拉伯数字或拉丁字母组成的级别(grade)或型号(type)来表示牌号,例如公称成分为1Cr-0.5Mo的压力容器钢板,在SA387的级别号为12,相当于GB 713中的15CrMog,再如公称成分为1Cr-0.5Mo的受热面用管材,在SA213中的级别号为T12,相当于GB 5310中的15CrMo。
⑷分别以专门标准规定通用要求
         以板材和管材为例,制定了SA-20《压力容器用钢板通用要求》、SA-450《碳钢、铁素体合金钢和奥氏体合金钢管通用要求(适用于受热面用管材)》、SA-530《专门用途碳钢和合金钢管通用要求(适用于管道用管材)》。凡属于板材或管材的共同性要求,例如订货要求、试验方法、试验报告等均在这三项标准中分别作出统一规定,避免重复。
⑸受热面和管道用管材使用不同的标准
         ASTM对管材制定了两套标准,分别用于受热面用管材和管道用管材,两种管材标准的主要区别如下:
         a. 管径和厚度的表示方法不同
         管径和厚度的表示方法,受热面用管材用公称外径和最小厚度,管道用管材用NPS和管壁厚度系列号(schedule number)。管壁厚度系列号由薄到厚为10、20、30、40、80、120、140、160号共8个系列,其中40号为标准系列,80号为加厚系列,120号为特厚系列。
         应当注意,美国的公称管径(NPS)与GB/T 1047《管道元件的公称通径》一样,都是与制造尺寸有关经过修约的规格标记,并非外径更非内径,以NPS2的管材为例,其外径为2.375in(60.3mm),内径则与管壁厚度系列号有关,40号时,其内径为2.375-2×0.154=2.067in(52.5mm),80号时为2.375-2×0.218=1.939in(49.3mm)。
         b. 管径和厚度的范围不同
         受热面用管材的管径和厚度较小,例如按SA-213供货的管材,外径最大为5in(127mm),最小厚度最大为0.5in(13mm),管道用管材的管径和厚度则没有限制。
         由于对管材制定了两套标准,所以化学成分相同的受热面用和管道用管材,牌号的表示方法也有所不同,例如公称成分为1Cr-0.5Mo的铁素体钢管,受热面用管材的牌号为SA-213,T12,管道用管材为SA-335,P12,两种管材牌号的差别,一是标准号不同,分别为SA-213和SA-335,再一个是在12前分别加注T和P,但对奥氏体钢管来说,受热面用和管道用管材的牌号不再分别加注T或P,而是统一加注TP,例如公称成分为18Cr-8Ni的奥氏体钢管,受热面用管材为SA-213,TP304H,管道用管材为SA-376,TP304H。
⑹板材厚度增加时强度不变
         板材厚度增加时,由于化学成分和金属组织不均匀的影响,强度有所降低,美国的措施是增加碳、锰含量使强度保持不变,我国按前苏联模式,厚度增加时,碳、锰含量不变但强度降低。

3. 与我国牌号的对应关系
         为便于了解ASME规范中一些基本常用的锅炉用钢,现以板材和管材为例,按公称成分列表说明与我国牌号的对应关系。应当注意,这种对应关系并非等同,因为化学成分不一定相同,而化学成分基本相同的牌号( 例如SA-299与GB 713中的22Mng),由于标准中的技术要求不完全一样,也不能认为是等同的牌号。
⑴板材 常用板材的牌号见表2-1。
⑵管材 常用管材的牌号见表2-2。

表2-1 常用板材的牌号

序号

公称成分

ASME规范牌号

我国牌号

化学成分比较

1

C

SA-285,A级

Q235

不完全相同

2

C-Si

SA-515,60级

20g

不完全相同

3

C-Mn-Si

SA-516,70级

16Mng、19Mng

不完全相同

4

C-Mn-Si

SA-299

22Mng

基本相同

5

1Cr-0.5Mo

SA-387,12级

15CrMog

基本相同

6

Mn-0.5Mo-0.75Ni

SA-302,D级

13MnNiCrMoNbg

不完全相同

表2-2 常用管材的牌号

序号

公称成分

ASME规范牌号

我国牌号

化学成分
比较

受热面用

管道用

1

C-Si

SA-192

10G

不完全相同

2

C-Si

SA-210,A-1级

SA-106,B级

20MnG

不完全相同

3

C-Si

SA-210,C级

25MnG

基本相同

4

C-0.5Mo

SA-209,T1a级

SA-335,P1级

20MoG

基本相同

5

0.5Cr-0.5Mo

SA-213,T2级

SA-335,P2级

12CrMoG

基本相同

6

1Cr-0.5Mo

SA-213,T12级

SA-335,P12级

15CrMoG

基本相同

7

1.25Cr-0.5Mo

SA-213,T11级

Sa-335,P11级

8

2.25Cr-1Mo

SA-213,T22级

SA-335,P22级

12Cr2Mo

基本相同

9

9Cr-1Mo-V

SA-213,T91级

SA-335,P91级

10Cr9MoVNb

完全相同

10

18Cr-8Ni

SA-213,TP304H级

SA-335,TP304H级

1Cr18Ni9

基本相同

11

18Cr-10Ni-Ti

SA-213,TP347H级

SA-335,TP347H级

1Cr19Ni11Nb

基本相同

三、焊接材料标准简介
         第Ⅱ卷C篇中的焊接材料包括铁基和非铁基材料用的焊接材料,本文只对钢材用的焊接材料作简要介绍。

1.标准类别
         第Ⅱ卷中钢材的焊接材料包括焊条、焊丝、填充丝和焊剂,此处的焊丝是焊接时作为导电的填充金属,而填充丝则是不导电的填充金属。GB/T 3375《焊接名词术语》中焊丝的定义为:焊接时作为填充金属或同时作为导电的金属丝,换言之,我国的焊丝(welding wire)包括了美国的welding rod(焊丝)和filler wire(填充丝)。
         标准类别按制品型式分为:药皮焊条、焊丝、填充丝、药芯焊丝和焊剂,按化学成分分为碳钢、合金钢和不锈钢。

2. 标准特点
         我国焊接材料标准有不少已采用AWS标准,因此,现以第Ⅱ卷C篇中的SFA5.5《低合金钢手工电弧焊焊条》,结合GB/T 5118《低合金钢焊条》,对ASME规范C篇中焊接材料标准的特点作简要介绍。
         由于GB/T 5118等效采用AWSA5.5,而SFA5.5等同于AWSA5.5,因此GB/T 5118与SFA5.5也有一个等效的关系。
⑴范围 按熔敷金属的化学成分,分为C-Mo、Mn-Mo、Mn-Ni、和Cr-Mo四类。
⑵型号 GB/T 5118中的型号编制方法与AWSA5.5基本相同,只是型号的前两位数不同,GB/T 5118为公制单位的抗拉强度,AWSA5.5为英制单位,例如GB/T 5118中的E5010-X相当于AWSA5.5中的E7010-X。GB/T 5118共有44个型号,AWSA5.5共有42个型号。
⑶技术要求 虽然项目相同,但AWSA5.5作为一种贸易型标准,与GB/T5118有一个很重要的不同点,即AWSA5.5在表5中对各型号焊条的试验要求作了明确规定,例如只有低氢型焊条才要求进行冲击试验和药皮含水量试验,这是因为低氢型焊条的熔敷金属抗裂性好,适用于有冲击韧性要求的焊件,因此这两个试验项目对低氢型焊条是强制性的。GB/T 5118虽然等效采用AWSA5.5,由于仍然是一种生产型的标准,其中的检验规则定位在焊条厂的出厂检验,因此就删去了AWSA5.5(也就是ASME规范第Ⅱ卷C篇SFA-5.5)中的表5。

3. 与我国型号的对应关系
         由于我国的焊接材料标准等效采用AWS标准,因此两者的型号都存在一定的对应关系,例如GB/T5117中的E4310型碳钢焊条相当于AWS5.1中的E6010型,GB/T 11493中的E500T5-A1型碳锰钢药芯焊丝相当于AWS5.29中的E7XT5-A1型等。 现将采用AWS焊接材料标准的我国标准汇总列于表2-3,这些标准采标的一致性程度都是等效采用。
表2-3 采用AWS焊接材料标准的我国标准

序号

我国标准

AWS标准

1

GB/T 983不锈钢焊条

A5.4不锈钢手工电弧焊焊条

2

GB/T 5117碳钢焊条

A5.1碳钢手工电弧焊焊条

3

GB/T 5118低合金钢焊条

A5.5低合金钢手工电弧焊焊条

4

GB/T 5293埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂

A5.17埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂

5

GB/T 8110气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝

A5.18气体保护焊用碳钢填充丝
A5.28气体保护焊用低合金钢焊丝和填充丝

6

GB/T 10045碳钢药芯焊丝

A5.20碳钢电弧焊药芯焊丝

7

GB/T 12470低合金钢埋弧焊用焊剂

A5.23低合金钢埋弧焊用焊丝和焊剂

8

GB/T 17493低合金钢药芯焊丝

A5.29低合金钢药芯焊丝

9

GB/T 17853不锈钢药芯焊丝

A5.22弧焊和钨极气体保护焊用不锈钢药芯焊丝

四、许用应力
         ASME规范确定许用应力的方法与ISO和我国相比,在力学性能、数据处理方法和安全系数三个方面均有不同之处。

1. 力学性能
         ASME规范在考虑材料力学性能方面有自己的发展过程,1914年版用爆破压力来确定许用应力,1931年版改用室温抗拉强度,1951年增补增加了屈服强度、平均温度下的抗拉强度、蠕变极限、持久强度,1968年版又增加了平均温度下的屈服强度,这就是现在使用的6个力学性能,见第Ⅱ卷附录1,1-100。
         此处的平均温度为元件内外壁温度的算术平均值,即元件的计算壁温。
         这6个力学性能以材料的蠕变温度为界,第Ⅱ卷D篇表1A和表1B用符号T表示的表注中,给出该牌号材料力学性能随时间而变化的温度,也就是该牌号材料需要考虑蠕变的温度。
         在蠕变温度以下的温度区间,ASME规范使用室温和平均温度下的抗拉强度和屈服强度,使用平均温度下抗拉强度是基于以下两种考虑:
         a. 温度升高时抗拉强度的降低幅度一般要比屈服强度来得大;
         b. 屈强比比较高的材料,按平均温度下的抗拉强度偏于安全。
         值得注意的是,前苏联强度计算标准1975年版中的强度特性为:室温抗拉强度、计算壁温下的屈服点、持久强度和蠕变极限,1985年版取消了室温抗拉强度,代以计算壁温下的抗拉强度。

2. 数据处理方法
         根据对某一材料是否要考虑蠕变极限和持久强度的温度区间,分别采用不同的数据处理方法。
⑴蠕变温度以下的数据
         用最低位置(minimum point value)曲线法求得平均温度下的抗拉强度和屈服强度,现以抗拉强度为例说明如下,见图2-1:

                  a) 最低位置曲线

                  b) 平均比值趋向曲线
                                             图2-1 最低位置曲线方法
         a. 以不同炉号试样进行试验,求得室温下和不同温度下抗拉强度的试验值,将这些数据列于图的上方。
         b. 计算同一炉号试样不同温度下抗拉强度与室温下抗拉强度之比,将不同炉号试样的这些比值列于图的下方。
         c. 用最小二乘法对这些比值进行数据处理后作出比值随温度变化的曲线,称为平均比值趋向曲线(average ratio trend curve),由此曲线可求得不同温度下的RT。
         d. 将RT乘以材料标准中该材料室温下的最小抗拉强度,将求所得不同温度下的抗拉强度数据再列于图的上部,通过这些数据作出光滑曲线,称为最低位置曲线,此曲线给出该材料在不同温度下的抗拉强度。
         用同样方法求得该材料在平均温度下的屈服强度。
⑵蠕变温度及以上的数据

         a. 蠕变极限-- 按ASTM E150《用快速加热和较短时间进行金属材料蠕变和应力-断裂试验》的规定,以1000h引起0.01%残余变形的平均应力作为该材料在该温度下的蠕变极限。
         b. 持久强度-- 按Larson-Miller参数方程式来确定应力与蠕变断裂时间的关系,通过较短时间(至少为5000小时)外推至10万小时。
         ASME规范中确定蠕变极限和持久强度的方法与我国基本相同,只是在持久强度的数据上有两种,一个是平均值,另一个是最小值,我国只取平均值。

3. 安全系数
⑴定义和影响因素

         在机械设计中,安全系数的定义是:零件的失效应力与设计应力之比,安全系数的大小与失效形式(按静载荷还是按疲劳)、强度判断准则(按应力还是按寿命)、计算的精确性、制造时的质量控制等因素有关。
对受压件来说,计算的精确性主要体现在四个方面: 三向应力折算到当量应力的精确性、安全阀起跳时的超压、附加应力(外载应力、热应力等)、水柱静压。除了前苏联以外,包括我国在内的其他国家都把安全阀的超压放在设计压力中考虑。
         ASME于1999年将安全系数改称材料设计系数,但是其含义并未改变,亦即材料设计系数的大小仍然与材料、设计、制造和质量控制有关。
⑵修改简况
         a. 抗拉强度安全系数:
           1914年版中,室温抗拉强度的安全系数取5.0,至1944年为节约钢材曾降低到4.0,1945年恢复到5.0,1951年增补把室温和平均温度抗拉强度的安全系数取同一数值,即4.0。
           1999年将抗拉强度安全系数由4.0降低到3.5,降低了12.5%,应当注意,这并不表示第Ⅱ卷D篇中按抗拉强度求得的许用应力也增加了这么多。
         b. 屈服强度安全系数:1951年以前,屈服强度安全系数为1.6,1954年起改为1.5,沿用至今。
         c. 持久强度安全系数: 1951年确定持久强度平均值的安全系数为1.67,最小值的安全系数为1.25,1974年将平均值的安全系数降低到1.49,最小值的安全系数未作修改,两者均沿用至今。
         d. 蠕变极限安全系数: 1951年确定蠕变极限安全系数为1.0,50年来未作修改。
⑶抗拉强度安全系数的修改原因
         2000年5月,美国锅炉压力容器检验师协会(NB)与ASME共同召开第68届锅炉及压力容器规范会议,会上由Domenic. A. Canonico对修改抗拉强度安全系数的问题作了专题报告。 与50年前相比,主要的技术进步有以下四项:
         a. 材料质量。 由于冶炼水平提高,钢中有害元素的含量降低很多,例如上个世纪60年代,钢板的含硫量约0.02%,现在已降低到0.002%,再如含磷量已可降低到小于0.01%,这些都有利于提高缺口韧性。
         b. 焊接技术。 第Ⅰ卷的PW-38预热和PW-39焊后热处理是在1962年版补入的,在这之前,预热和焊后热处理是非强制性的。
         c. 无损检验。 一方面是射线照相检验已不再因射线能量而限制了透照厚度,另一方面超声波检验已用于生产。
         d. 断裂力学。 可用断裂力学对受压件进行强度分析和缺陷的定量评估。
⑷各国安全系数的比较
         现以铁素体钢为例,将各国的安全系数列表作一比较,见表2-4。
表2-4 各国的铁素体钢安全系数

强度特性

美国

ISO

中国

英国

德国

日本

前 苏联

ISO R831-1968

ISO 5730-1992

室温抗拉强度

3.5

2.7

2.4

2.7

2.7

2.4

4

室温屈服强度

1.5

1.5

平均温度抗拉强度

3.5

4

2.4

平均温度屈服强度

1.5

1.6

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

持久强度(平均值)

1.49

1.6

1.5

1.3

1.5

1.49

1.5

持久强度(最小值)

1.25

1.25

蠕变极限

1.0

1.0

1.0

1.0


4. 确定许用应力的依据
⑴概述

         第Ⅱ卷D篇附录1对确定许用应力的依据作了简要说明,附录1表1-100包括以下两种情况的许用应力公式:
         a.铁基和非铁基的轧材、锻件和铸件;
         b.铁基和非铁基的焊接管。
⑵焊接管和结构钢的许用应力
         由第Ⅱ卷附录1表1-100可知,焊接管的许用应力要打八五折,这是因为进行力学性能试验所用的试样是没有纵向接头的,对于产品,就要考虑纵缝的减弱系数。在另一方面,第Ⅱ卷的焊接管标准,在正文或补充要求中都规定了要逐根进行无损检验,因此这个八五折是否合理值得研究。
         应当注意,第Ⅱ卷D篇表1A中焊接管的许用应力是已打过折扣的数值。

5. 许用应力的变化
         现以表2-1中的SA-299和表2-2中的SA-192、SA-213、T2和T22为例,将近半个世纪来这四种基本常用材料的许用应力列于表2-5,由表可见:
⑴力学性能的影响
         1956~1995年,这四种材料的许用应力都保持不变,这表明这些材料的力学性能长期以来保持稳定。
⑵安全系数的影响
         蠕变温度以下的温度区间,1998年的许用应力有不同程度的提高,这表明抗拉强度安全系数由4.0降低到3.5,在1998年以前就开始着手准备了。
         在另一方面,抗拉强度安全系数的修改,从实际使用上的影响来说,主要是蠕变温度以下使用的材料例如表2-1中六种板材在500°F~700°F温度的许用应力,1998年版均有不同程度的提高,提高幅度为8%~14%。 前已指出,抗拉强度安全系数由4.0降低到3.5,对许用应力的影响为增加12.5%。
表2-5 许用应力的变化

牌号

温度
°F(℃)

许用应力kpsi

1956~1995

1998 ~2001

SA-299

500(260)

18.8

21.4

600(315)

18.8

21.4

700(370)

17.7

19.6

SA-192

500(260)

11.8

13.4

600(315)

11.8

13.3

700(370)

11.5

12.4

750(398)

10.7

10.7

850(453)

7.1

7.1

SA-213
T2

500(260)

15.0

16.9

600(315)

15.0

16.4

700(370)

15.0

15.7

950(509)

9.2

9.2

1000(536)

5.9

5.9

SA-213
T22

500(260)

15.0

16.6

600(315)

15.0

16.6

700(370)

15.0

16.6

950(509)

10.8

10.8

1050(564)

5.7

5.7

6. 铸钢件的许用应力
⑴概述

         a. 用途。 铸钢件主要用于铸造法兰和阀门,在建立压力-温度等级时需要将法兰或阀门的公称压力按工作温度与室温下许用应力之比折算成工作温度下的允许工作压力。
         b. 确定方法。 铸钢件力学性能的试验要求与轧材和锻件相同,只是取样时用与所代表炉号的钢水在特制的铸模中浇注试样并按与产品相同的工艺进行热处理。试样加工和试验方法与轧材和锻件相同。
⑵B16.34的规定
         ASMEB16.34《法兰、螺纹和用焊接端部连接的阀门》对建立压力-温度等级时所用材料的许用应力作了一系列规定,此规定对用轧材、锻件或铸件制造的法兰和阀门均适用,有关要点如下:
         a. 工作温度低于蠕变温度。 取该材料在100°F时屈服强度的60%,或ASME规范第Ⅱ卷D篇表1A工作温度下许用应力的1.25倍,取两者中的较小值。
         b. 工作温度不低于蠕变温度。 取该材料在工作温度时屈服强度的60%,或表1A工作温度下的许用应力,取两者中的较小值。
⑶第Ⅰ卷的规定
         a. 铸钢件的铸造质量系数
         第Ⅰ卷PG-25规定:由第Ⅱ卷D篇所查得的铸钢件许用应力要乘以铸造质量系数,凡只按材料标准中最低要求进行检查的铸钢件,其铸造质量系数不得大于80%,只有按材料标准中专门规定的方法进行检查的铸钢件才允许采用较大的铸造质量系数,但不得大于100%。
         所谓材料标准中的最低要求,即铸钢件标准(例如SA-216《可熔焊高温用碳钢铸件》)中的外观检查,所谓专门规定的方法即订货时的补充要求,这些补充要求的依据可以来自B16.5或B16.34,也可以来自PG-25.2,换言之,如果该铸件用于B16.5的法兰或B16.34的阀门,必然要将射线照相检验和液体渗透或磁粉检验列入补充要求,如果用于其他的受压件,则应按PG-25.2的规定将以上无损检验列入补充要求。
         b. 无损检验要求
         除了公称厚度大于4in(114mm)铸钢件的射线照相检验范围以外,PG-25.2中无损检验的所有其他要求与B16.34是完全一致的。公称厚度大于4in铸钢件的射线照相检验范围,PG-25.2为所有部位,B16.34为规定部位,这是第Ⅰ卷与B16.34的重要差别。现将B16.34中对闸阀、截止阀所规定的射线照相检验部位引用如下,有助于理解PG-25.2.1.1对铸钢件关键部位射线照相检验中“关键部位”(critical area)一词的含义,见图2-2。

a).闸 阀

b) 截止阀
注:阴影部分为需进行射线照相检验的部位。
图2-2 闸阀和截止阀的射线照相检验部位

五、采购

1. 采购管理
⑴与GB/T19000的比较

         ASME规范对体系认证(见PG-105.4、A-302.4等)和产品认证(见PG-90.1.6)时采购管理的要求可汇总如下:
         a. 所采购的材料是否为第Ⅰ卷允许使用的材料;
         b. 入厂的材料应能正确识别并具有证明文件。
         《NB的认证审核指南》(《NB Guide for Review》)第2章质量控制体系的联合审核中,对采购管理列有很详细的审核问题,例如:采购命令单是否可追溯到采用该材料产品的生产命令单和材料的证明文件、入厂材料如何进行验收、授权检验师(AI)对材料和材料缺陷修补的认可等等。
         将以上要求与GB/T19000系列标准中采购管理的要求一一对比,可以认为:按GB/T19000系列标准制定的采购管理基本上能够符合ASME规范的要求。
⑵需要注意的问题
         由于具体情况不完全相同,在我国还不能照搬ASME规范中的要求来实施采购管理,需要注意的主要问题有以下三个:
         a. 安全监察要求不同
         以蒸汽锅炉为例,《蒸汽锅炉安全技术监察规程》(下简称《蒸规》)第31条规定:锅炉厂应对主要材料按有关规定进行入厂验收,这个有关规定就是JB/T 3375《锅炉用材料入厂验收规则》,JB/T 3375与ASME规范的不同处在于:JB/T 3375除了象ASME规范那样核对标志和证明文件外,还要求锅炉制造厂取样进行检(试)验。
         因此,我国锅炉厂按ASME规范建造的产品,如果用于国外,因无需执行《蒸规》中的要求,因而也无需按JB/T 3375的规定进行入厂验收,这与所采用的是国产还是进口材料无关。
         b. 采购程序不同
         美国锅炉厂对材料的供方要经过选择并制定了相应的企业标准来保证所采购材料的质量,主要内容包括: 供方合格评定、通过质量记录保持认可、采购审核。我国应当既积极又稳妥的进行采购改革,推行这种先进的程序。
         c. 材料质量不同
         其理易明,无需赘述,特别是管材。

2. 订货要求
⑴概述

         作为典型的订货用的贸易型标准,ASME规范材料标准的内容不仅与我国,而且与其他国家例如德国的同类型标准也有所不同,具有较大的灵活性,便于适应各种不同的需要。我国标准中的一些要求在ASME规范材料标准中却没有,一个重要的原因是这些要求是列入钢厂的企业标准来加以控制的,正因如此,按ASME规范建造产品时材料的订货要求与按我国标准相比有许多需要注意的问题,不提补充要求有可能影响实物质量,提补充要求将影响价格。
⑵需要注意的问题
         现以管材为例说明如下:
         a. 表面质量。 只要求没有氧化皮,不象我国锅炉钢管标准对表面缺陷有明确具体的规定。
         b. 厚度负公差。 受热面用管材为0,管道用管材为-12.5%,这是因为受热面用管材的厚度用最小厚度表示,管道用管材的厚度用公称厚度表示。
         c. 化学成分
         ASME规范对钢材化学分析的要求按ASTM A751《钢制品化学分析的定义和标准操作方法》,分为熔炼分析(cast analysis)和成品分析(product analysis)两种,熔炼分析是在浇注钢水过程中取样浇入专用的铸模中进行分析,作为提供给用户的分析报告,成品分析是在成品或半成品上取样,通常用来确定化学成分是否符合材料产品标准的要求。A751中这两种化学分析的定义与GB/T 222《钢的化学分析用试样取样法及成品化学成分允许偏差》中的定义基本相同。
         两种分析结果会有一定的差别,一是取样方法不同,二是成品上的化学成分可能有偏析。我国材料标准规定按熔炼分析结果验收,ASME规范中,有的材料标准如SA-192,只有熔炼分析是强制性的,有的标准如SA-213,两种分析都是强制性的。
         d. 力学性能
         ASME规范的管材标准无冲击试验要求,应当指出,板材标准虽有冲击试验的要求但是一种补充要求,因为按第Ⅰ卷建造的产品,无论板材、管材,无论碳钢或SA-302之类的高强度锰镍钼钢,都无冲击试验的要求。当然,制造厂可根据具体情况在订货合同中增加冲击试验,但这已超出了ASME规范最低安全要求的范围。
         e. 显微组织。 钢的显微组织除与化学成分和热处理制度有关外,还与具体操作情况有关,我国标准中对各种牌号钢管的显微组织都有规定,而ASME规范材料标准中没有这个要求。
         f. 无损检验。 ASME规范受热面用管材的标准中没有超声波检验的要求,而管道用管材的标准则有此要求,只是作为用户有要求时才做的检验项目。在这方面,DIN 17175《耐热钢无缝管》中的规定较为合理,无损检验要求只与管材的质量等级有关,对Ⅲ级管材,无损检验是强制性的,当然作为Ⅲ级管,已包含了价格因素。

3. 焊接材料的专门要求
         焊接材料的采购与板材或管材相比,由于种类、型号和规格都比较多,有自己的专门要求,因此,AWS制定了A5.01《填充金属采购导则》,帮助用户采购焊接材料,该导则主要包括:填充金属的类别、批量类别和试验大纲的等级,现将后两项简介如下:
⑴批量类别 正确划分批量是正确识别材料和保证质量的必要措施,而焊接材料特别是焊条的批量划分要比板材和管材复杂,这是因为焊条的尺寸小,每批焊条如果以40t计,要有几千包。AWS5.01规定了焊条的批量有C1、C2、C3、C4和C5级,供用户选择,C1级最为简单,由焊条厂根据自己的质量大纲来确定,作为标准批量,C4级是按同炉号焊芯和同一种湿混料,C5级是按同炉号焊芯和同一种组合干配料。我国现行的焊条标准中,对批量的划分方法没有规定。
⑵试验等级 所谓试验等级(level of testing),指试验项目、取样方法和提供合格证明方法的组合。试验项目可以是按AWS相应产品标准中的全部试验项目,也可以按AWSA5.01中规定的项目。取样方法可以按焊接材料生产厂规定的批量,也可以是按每批交货产品。提供合格证明的方法可以是提供合格证,也可以是提供试验报告。 试验等级分为F、G、H、I、J、K六类,其中F类为标准级,即:以焊接材料生产厂规定的批量按AWS相应产品标准检验合格,应当注意,这个检验合格是指全部项目还是部分项目在A5.01中未作规定。

4. 证明文件
         证明文件包括合格证书(相当于我国的质量证明书)和试验报告,不同类别材料因材料本身的特点,提供证明文件的方式也不完全相同。
⑴轧材 包括板材和管材,均在相应的通用标准(板材为SA-20、受热面用管材为SA-450、管道用管材为SA-530)中规定:订货合同有规定时才提供证明文件,而我国的规定是:应向用户提供质量证明书。
⑵锻件和铸件 均在相应的通用标准(锻件为SA-788、铸钢件为SA-703、铸铁件为SA-834)中规定:应向用户提供合格证书和试验报告,我国标准虽规定应向用户提供质量证明书,但不提供试验报告。
⑶焊接材料 按AWS标准生产的焊接材料是通过产品包装上的标志作为合格证明的,不另提供证明文件,换言之,美国的焊接材料比钢铁材料更加强调生产厂的质量保证。

六、非ASME规范材料
         非ASME规范材料( non-ASME specification material )指按第Ⅱ卷以外其他材料标准生产的材料。

1. PG-10的演变
⑴identify的含义

         ASME规范于1956年在第Ⅷ卷UG-10发布了以Material not fully identified为标题的条文,1965年,第Ⅰ卷将原来的PG-10(对泥锅筒材料的限制)条文全部删去,移植了UG-10的标题和全部条文。
         英文中的一词多义,ASME规范也是如此,identify一词可作为典型。按《Webster’s New Word Dictionary for American Language》,identify的含义中,一个是identify with,其含义为:to consider or treat as the same,译为“认同”或“等同”,另一个是不与with连用,其含义为:to recognize as being to be the very person or thing known,译为“识别”,前一个含义认同见PG-10。因此,结合PG-10的条文,Material not fully identfied应译为“未能全面认同的材料”,不能理解为“标志不全的材料”,或者“未经全面鉴定的材料”。后一个含义识别是一种使用较多的含义,在ASME规范中也不例外,见PG-11.3中标准受压件的识别。
⑵1987年以前的规定
         1965年至1987年,PG-10规定了使用非ASME规范材料的手续,有以下两种方式可供选择:
         a. 按PG-10.1提供与材料标志相符的试验记录;
         b. 按PG-10.2重新进行试验。
   凡满足PG-10.1或PG-10.2的材料,均需按PG-10.3的规定,由制造厂出具一份题为“未认同材料的试验报告”的证明文件,经AI同意后,作为认同于ASME规范材料并准予使用的凭证。
   因此,PG-10的规定可以概括如下:对未能全面认同的材料可通过重新合格评定(requalification)和重新出具证明(recertification)认同其相当于某一ASME规范材料。
⑶1987年修订的背景
         1985年10月15日,以D. H. Pai(白先忠) 为团长的ASME压力容器和管道访华团与中国动力工程学会在上海发电设备成套设计研究所就采用ASME规范中的一些技术问题进行了座谈,代表团成员中有ASME规范和标准理事会常务理事M. R. Green、BPVC主席W. R. Mikesell等,分动力锅炉、受压件强度、无损检验三个组。动力锅炉组在座谈中向ASME提出按ASME规范建造锅炉时使用我国材料的认可问题,希望对PG-10中的规定加以扩充,使制造厂便于执行。M. R.Green和W. R. Mikesll当场同意,并表示1986年前后可望完成。修订后的PG-10于1987年发布,沿用至今。

2. PG-10的主要修改
  重新合格评定和重新出具证明这个原则不变,只是增加了实施时的细节,主要为:
⑴适用范围 不变,修订后,PG-10.1和PG-10.2适用于非ASME规范材料的认同,PG-10.3适用于未能全面认同的材料。
⑵重新合格评定的方法 不变,仍然是通过提供文件或取样进行试验的试验报告来重新合格评定,修订后增加了许多具体要求,有的属于技术性的,有的属于质量管理性的。
⑶重新出具证明的单位
         a. 非ASME规范材料。 修订前只允许由锅炉制造厂或试验机构重新出具证明文件,修订后改为可由锅炉制造厂或其他组织重新出具证明文件。
         b. 未能全面认同的材料。 修订后只允许由锅炉制造厂重新出具证明文件。

(三)

第三部分设计(上)

一、总则

1、设计的指导思想

         主要有三个:
⑴ 只规定基本安全要求
         ASME规范虽然是一种安全标准,但正如第Ⅰ卷序言第二段所指出:“本规范并未对设计和制造中的所有细则都作出具体规定”,由此可以理解,为什么我国《蒸汽锅炉安全技术监察规程》(下简称《蒸规》)中的许多安全要求,在第Ⅰ卷中都没有相应的规定。
         与国外同类型安全标准(例如ENI2952《水管锅炉及附属设备》)一样,第Ⅰ卷在设计方面的基本要求可概括为两项,即:受压件强度计算和管道及附件的布置。
         但不作规定并非放任自流,序言第二段的后面对此提出原则性的要求,即制造厂所补充的细则,在安全性方面不得低于第Ⅰ卷中的相应要求。
⑵ 只考虑基本的失效模式
         主要考虑弹性失稳和蠕变失效,不考虑脆性破裂和循环疲劳等失效模式。
⑶ 只按经验法进行设计
         所谓经验设计法又称规则设计法(design by rules),是相对于上个世纪50年代发展的分析设计法(design by analysis)而言的。经验设计法的主要特点有三个:
         a.应力类型-- 只考虑一次薄膜应力,不考虑二次应力、峰值应力和热应力的影响。
         b.受压件结构-- 只采用规定的形式并按规定的质量要求验收,例如锅筒(壳)的纵、横向焊缝应采用全焊透型焊缝并进行100%射线照相检验,这是焊缝减弱系数取1.0的先决条件。
         c.质量控制-- 规定了对受压件质量控制体系的要求。
         因此,虽然对受压件没有按不同的应力类型分别进行强度计算,但几十年的实践证明,这种设计方法是偏于安全的。
         1985年与ASME压力容器和管道访华团进行座谈时,时任ASME/BPVC主席的W.R.Mikesell对锅炉受压件不采用分析设计法的原因作了如下说明: 锅炉中受压件的应力属于一般水平,按经验设计法已可满足要求,像核电设备和高压容器那样采用分析设计法尚无必要。此外,锅炉受压件的温度较高,需考虑蠕变。

2、设计荷载
         第Ⅰ卷对受压件的强度计算,只考虑介质压力和水柱静压,见PG-22,不考虑风荷载、地震荷载等其他荷载,这是与压力容器不同之处。

3、设计寿命

         在确定许用应力时,取10万小时的持久强度,如果考虑安全系数为1.25,则为125000小时,以年运行8000小时计,相当于15.6年,但这并非受压件的设计寿命,因为ASME规范对设计寿命只有一个原则性的规定:“相当长的安全使用期”(见前言第二段),国外其他安全标准也同样没有对设计寿命做出具体规定。
         现在有这样一种说法,由于大机组的设计寿命要由20年增加到30年,因此要按20万小时的持久强度来确定许用应力,这是缺少根据的。

4、设计参数

         受压件的设计参数(design conditions)包括设计压力和设计温度,第Ⅰ卷并未对受压件的设计参数做出具体规定,应当由制造厂、工程的设计人员或用户来选用,例如PG-112.2.3中的工程承包商,这种承包商对整台锅炉所规定的技术要求(design specification)中即包括了锅炉的设计压力和设计温度。
⑴ 设计压力
         a.定义
         第Ⅰ卷中只使用最高允许工作压力(MAWP)而不使用设计压力这个术语,工作压力即介质压力,在第Ⅷ卷附录3对设计压力给出以下定义:
         设计压力:设计容器的元件时,为确定容器上不同部位在计算壁温下的最小允许厚度或结构特性而使用的压力。
         可以认为:MAWP与设计压力的含义是一样的,第Ⅷ卷附录3中设计压力的定义与PG-21中MAWP定义的区别仅仅是表达的角度不同而已。同样可以理解,MAWP相当于我国的计算压力。
在另一方面,一台锅炉的MAWP与锅炉额定出口压力之间有一定的联系,这个联系来自安全阀的最低整定压力,由PG-67.3可知,安全阀的最低整定压力Ps.min不得大于MAWP,由第Ⅶ卷C4.130可知,锅炉额定出口压力应低于Ps.min,其差值与锅炉的设计压力即MAWP的大小有关,当设计压力由0.1MPa至2.1MPa时为10%,大于2.1MPa至6.9MPa时为7%,大于6.9MPa至13.8MPa时为5%,大于13.8MPa时则由设计人员确定。由此可见,设计时所取用的MAWP约比锅炉额定出口压力高5%~10%。
         b.受压件的设计压力
         锅炉与压力容器不同,受压件中有水阻力,但ASME规范对此未作规定而是由制造厂自定,因为这毕竟已超出基本安全要求的范围。
         现将按美国CE公司引进标准生产300、600MW锅炉的设计压力列于表3-1,供参考,应当注意,这是按不低于第Ⅰ卷的要求并结合产品的具体情况确定的。
⑵ 设计温度
         a.定义
         第Ⅷ卷UG-20对设计温度的最大和最小值给出定义,设计温度的最大值为:设计部件时所采用的最高温度,此温度不应低于运行条件下预期的金属平均温度(mean metal temperature)。
         在第Ⅰ卷中,设计温度还有另一种含义,即锅炉的出口温度,见附录表格P-3A整台锅炉工程承包商的数据报告。
         b.受压件的计算壁温
         第Ⅰ卷只对受内压的管子、受外压的炉胆和管子的计算壁温做出原则性规定,对锅筒(壳)、凸形封头、平端盖、管道等其他不受热的受压件,连原则性的规定也没有,由制造厂自己确定。这是与第Ⅷ卷不同之处(见UG-20),这一方面反映了锅炉与压力容器不同之处,另一方面也反映了锅炉自身由于类别、结构、型式和受热面布置多种多样,因此,对计算壁温由制造厂结合热力计算自行确定为宜,这也是与我国不同之处。
         表3-1中对计算壁温的规定与GB/T 9222《水管锅炉受压元件强度计算》和GB/T 16508《锅壳锅炉受压元件强度计算》两个标准有一些不同,例如锅筒的计算壁温取ts+28℃,这是因为300、600MW锅炉的锅筒虽然布置在炉外,但又处于炉顶大罩壳以内,那里的空气温度很高,JB/T 6735《锅炉吊杆强度计算方法》表6-2对布置在炉膛上部炉顶的吊杆,计算壁温的附加值为40℃~50℃,锅筒与吊杆不同,外壁敷有绝热材料,所以计算壁温的附加值要比吊杆低一些。GB/T 9222不考虑这个附加值是对未布置在大罩壳内的锅筒而言的。
表3-1 300、600MW锅炉的设计压力和计算壁温

序号

受压件

设计压力

计算壁温

1

锅筒

锅筒最高工作压力的1.05倍,锅筒最高工作压力取锅炉额定压力加上过热器的水阻力。

ts+28℃

2

水冷壁

烟道外上集箱

ts

上炉膛受热面

ts+28℃

下炉膛受热面

ts+55.6℃

3

过热器

出口集箱

t+16.7℃

出口管道

t+5.6℃

中间集箱

t+11.1℃

受热面

按壁温计算

4

省煤器

烟道外集箱

锅筒设计压力加上静压头和水阻力

ts

烟道内集箱

ts+28℃

受热面

ts

5

水冷壁
下降管和下集箱

烟道外

锅筒设计压力加上静压头和循环泵压头

ts

烟道内

ts+28℃

6

再热器

出口集箱

再热器在额定工况下进口压力的1.12倍

t+16.7℃

出口管道

t+5.6℃

中间集箱

t+11.1℃

受热面

按壁温计算

注:ts为饱和温度,t为预期的介质平均温度。

 二、结构型式
         美国所使用的锅炉型式与我国不完全相同,现按PG-111的规定,按锅和炉的结构,说明如下,共7种型式:
         1、卧式外燃回火管锅炉(horizontal–return tubular boiler),即JB/T 1626《工业锅炉型号编制方法》中代号为WW的锅壳锅炉;
         2、卧式火筒锅炉(horizontal–flue boiler)是JB/T 1626中代号为WW的一个分支,即康尼许(单火筒)和兰开夏(双火筒)锅炉;
         3、机车式锅炉(locomotive–type boiler),在前部装有火箱的卧式锅壳锅炉,火箱的后部为与锅壳相连接并装有管子的管板,燃烧产物离开火箱后进入管子;
         4、立式锅炉(vertical boiler),包括立式火管锅炉(vertical firetube boiler)和立式埋头火管锅炉(vertical submerged tube boiler),两者的结构基本相同,只是立式埋头火管锅炉在上管板出口处加装了水夹套,可使水位高出管板顶部;
         5、水管锅炉,又分为锅筒式和没有汽水分界线的强制流动式(即直流锅炉)两种;
         6、苏格兰船舶锅炉(Scotch marine boiler),即JB/T 1626中代号为WN的锅壳锅炉;
         7、经济式锅炉(economic boiler)又称短火箱锅炉(short firebox boiler),与机车式锅炉的区别为:机车式锅炉的管子为一回程布置而经济式锅炉为两回程,这有利于降低排烟温度。
         有些型式,例如卧式水火管锅炉、立式水管锅炉,虽未列入PG-111内,但从序言第二段可知,并不等于不可以按第Ⅰ卷中的相应规定进行设计制造。

三、圆筒形内压受压件

1、基本公式

         建立圆筒形内压受压件强度计算方法包括三方面内容,即:按材料力学求得复杂受力条件下三向薄膜应力、按强度理论导出基本公式、按各受压件的特性做出补充规定。与我国相比,第Ⅰ卷在第一方面是完全相同的,即:求得薄壁筒体的三向薄膜应力,最大为横向(因为此应力沿圆周方向,也称周向)应力σ1,其次为纵向应力σ2,σ2=0.5σ1,最小为径向应力σ3,对外内径比β很小的薄壁筒体,径向应力可取等于零,此时可将三向应力简化为两向应力。
第Ⅷ卷附录3对薄膜应力给出以下定义:
         薄膜应力:在所考虑横截面的厚度上均匀分布并且等于该截面的平均应力在法线方向的应力分量。
         一次薄膜应力为由外力、内力或力矩所产生的薄膜应力,可以是整体的也可以是局部的。受压件水压试验(PG-99)时所产生的应力即整体一次薄膜应力。
         第Ⅰ卷中的这个基本公式与我国有些差别,既由于强度理论不同,也由于对薄壁筒体的界定,亦即对外内径比β的限制不同。
⑴ 强度理论
         强度理论即关于材料破坏规律的学说,ASME规范采用最大拉应力理论(第一强度理论),我国采用最大剪应力理论(第三强度理论)。
         a.第一强度理论
         第一强度理论创立于17世纪,是一种关于断裂的强度理论,试验数据证明,脆性材料的破坏与这个理论基本一致。由于历史条件的限制,ASME规范第1版采用了这种理论,以后,虽然创立了其他的强度理论,但ASME仍然惯于采用第一强度理论,沿用至今。
         第一强度理论的断裂破坏条件为:最大主应力σ1=σb,相应的强度条件为σ1≤σb /n,σb为抗拉强度,n为安全系数。将这一强度理论用于薄壁圆筒形内压受压件,可得圆筒形内压受压件的基本公式:
                  σ1=PR(1+0.6t/R)/t≤S
                  t=PR/(S–0.6P) ……………………(3-1)
                  公式中的符号同PG-27.4。
         b.第三强度理论
         第三强度理论创立于19世纪末,试验数据证明,塑性材料的破坏与这个理论很接近。
         第三强度理论的屈服破坏条件为:最大剪应力τmax达到单向拉伸屈服时的最大剪应力τs,由材料力学知,
                  τmax=(σ1–σ3)/2,τs=σs/2,
                  σs为屈服强度,相应的强度条件为:
                  σ1–σ3 ≤σs/n。代入可得:
                  σ1–σ3=σ1=PDm/2t<S
                  t=PR/(S–0.5P)……………………(3-2)
         此即GB/T 9222《水管锅炉受压元件强度计算》中的公式,式中,Dm为平均直径,其它采用了与PG-27.4中相同的符号。
         由公式(3-1)和(3-2)可知,就基本公式本身来说,第Ⅰ卷与我国可认为是没有太大的差别。
⑵ 外内径比的限制
         以上的计算公式系以薄壁筒体并以σ3=0为基础,对于厚壁筒体,不仅要考虑σ3而且沿筒体厚度上σ3的分布是非线性的,不能再按薄壁筒体进行计算。第Ⅰ卷在A–150中给出了厚壁筒体的厚度计算公式。
         当β不大于1.2时,薄壁与厚壁筒体的计算结果非常接近,这就是通常将薄壁公式的适用范围定为β不大于1.2的缘故。两种公式的计算结果,在β大于1.5时差别较大,ASME规范从实用角度出发,将两者的分界定在β=1.5,这就是A–150的适用范围为t>0.5R的来源,同样,可以知道PG-27的适用范围为β不大于1.5。
         GB/T 9222对β的限制与第Ⅰ卷有些差别,对锅筒,考虑到工作的重要性,从防止内壁大面积屈服出发,取β不大于1.2,对集箱则根据介质,取β不大于2.0。

2、管子
(1) 计算公式
         PG-27.2.1中的公式适用于外径不大于127mm的受热面管子,包括单根管子(例如水冷壁或对流管束中的管子)、管屏和蛇形管。此计算公式与基本公式相比,有以下三个补充。
         a.改用外径表示并将分母中压力P的系数由0.8修改为1.0;
         b.增加0.005D一项,作为对低压锅炉管壁计算所得厚度太小的补充;
         c.增加e一项,作为胀接连接时管端减薄的补充。
(2) 直管的附加厚度
         只考虑管端连接所要求的附加厚度,对腐蚀、氧化和磨损的附加厚度均不作规定,由制造厂自定。由于美国受热面用管材的负公差为零,不需考虑这方面的附加厚度。
⑶ 弯头的附加厚度
         弯头的附加厚度除了有与直管相同的共性外,还要考虑外侧减薄的影响。第Ⅰ卷对此也不作规定,由制造厂自定。
         美国的制造厂是根据J.H.Harvey的圆环理论,将PG-27.2.1中的最小需要厚度乘以一个大于1的系数k,即外侧的最小需要厚度为kt,k为相对弯曲半径n=R/D的函数,R为弯管半径,D为管材的外径。现将所使用的一种具体规定列举如下,供参考:
         a.外径不大于168mm的管材
         弯头外侧允许有一定的减薄量,当厚度不大于4.6mm时为0.38mm,大于4.6mm时为0.51mm。
         如果所使用的R/D和弯管工艺使减薄量大于以上数值时,就应当按kt增加相应的厚度,k=(n+0.5)/(n+1)。
         b.外径大于168mm的管材
         不管厚度多少均按以上计算k的公式增加相应的厚度。
⑷ 管端的附加厚度
         管子可用螺纹连接、胀接或焊接的方法与筒体或封头相连接,不管何种方法,都要保证管端的强度不低于管子的其他部位。为此,在PG-27.2.1中作了一系列规定,PG-27.2.1.1和PG-27.4的注4用于胀接,PG-27.2.1.2和PG-27.2.1.3用于焊接连接和螺纹连接。
         PG-27.2.1.2中的管子有一个后置定语“strength–welded to headers or drums”,这里的“strength–welded”,理解的思路如下:
         a.与PG-27.2.3用螺纹连接时因管端攻螺纹的附加厚度相联系起来;
         b.与PG-27.4注3(d)中“在连接处不会使管壁减薄的任何方法”联系起来。
         因此,PG-27.2.1.2应理解为:用不会降低管子强度的方法把管子与集箱或锅筒(壳)焊接时,可无需考虑管端的附加厚度。
⑸ 不圆度的附加厚度
         不圆度会产生附加的弯曲应力,由内压和弯曲应力所产生的应力称为一次局部薄膜应力,与我国一样,ASME规范对一次局部薄膜应力的强度条件为不大于许用应力的1.5倍,见第Ⅷ卷附录4-132。因此,第Ⅰ卷对管子不圆度的附加厚度不作规定,由制造厂根据弯管工艺试验自行确定。

3、管道、锅筒(壳)和集箱
(1) 计算公式
         PG-27.2.2中的公式,除适用于管道、锅筒和集箱外,还适用于管接头和锅壳锅炉的锅壳。由附录A-66和A-69可知,管接头是按PG-27.2.2而非PG-27.2.1中的公式计算最小需要厚度,至于锅壳,则因为英文“drum”既包括水管锅炉的锅筒也包括锅壳锅炉的锅壳。此计算公式与基本公式相比,有以下四个修改补充:
         a.增加了减弱系数E,使用时需对PG-27.4注1中的减弱系数给予注意,其中焊缝减弱系数取1.0。
         b.增加了系数y以考虑计算壁温对基本公式的影响,系数y以482℃为起点,换言之,在482℃时,计算公式分母中P的系数为0.6,与基本公式相同。
         c.增加了附加厚度C。
         d.同时使用内径和外径公式。
(2) 附加厚度
         在PG-27.4注3和注5中已对附加厚度C作了说明,此处的附加厚度只适用于用以下四种方法连接的管道:螺纹连接、扩口式管接头连接、平套翻边法兰连接和焊接连接。扩口式管接头(flared compression coupling)类似于GB/T 5625.1《扩口端直通管接头》,平套翻边法兰(Van Stone)类似于JB/T 85《平套翻边法兰》。
         PG-27.4注3(d)中的结构稳定性(structural stability)主要指管道端部扩口或翻边对强度的影响。
⑶ 负公差
         对管道用管材要加上材料标准中所规定的-12.5%负公差。

四、凸形封头

1、基本公式

         承受内压(即凹面受压)凸形封头强度计算的基本公式就是球形壳体的计算公式,球形壳体的应力与圆筒形内压受压件一样也受到三向应力。对于薄壳球体,径向应力可不考虑,横向应力等于纵向应力,等于PD/4t。按第一强度理论,可得薄壁球形壳体的基本公式:
                  σ1=PR(0.5–0.1t/R)/t≤S
                  t=PR/(2S–0.2P) ………………(3-3)
         以上公式适用于β不大于1.356的球形壳体,当β大于1.356时,要考虑径向应力,此时的基本公式为:
                  σ1=P(1+0.5β3)/(β3–1)……………(3-4)
         在β不大于1.356时,薄壁与厚壁公式的计算结果甚为接近。
         按第三强度理论时:
                  t=PR/(2S–0.5P)………………(3-5)
         凸形封头的形状与球形壳体不同时,封头各处因曲率半径不同,横向应力的大小也不同,另外还要考虑封头与筒体连接处结构不连续性的强度问题和工艺问题。

2、型式
         PG-29给出三种型式凸形封头的强度计算方法,即:扁球形封头(segment of a sphere head,见图3-1)、椭球形封头(semiellpsoidal head)和球形封头(hemisphere head)。由图3-1可知,“segment of a sphere head”即PG-34.1和第Ⅷ卷中的torispherical head。

segment of a sphere head
图3-1扁球形封头

3、扁球形封头
        PG-29.1中无孔扁球形封头的厚度计算公式是在球形壳体基本公式的基础上根据试验结果作了修正,主要考虑曲面的曲率半径与转角半径相连接处的结构不连续性。
        PG-29.1中的公式可视为第Ⅷ卷UG-32的简化公式,因为PG-29只对曲面的曲率半径有限制,对转角半径的尺寸未作规定。
扁球形封头开有一个大于152mm的内板边人孔时,厚度应取无孔封头的1.15倍,这与GB/T 9222中有孔封头减弱系数的处理方法是一致的。

4、椭球形封头
        通过分析计算和实测,得到椭球形封头的最大主应力与内直径等于椭球形长轴的圆筒形内压件的横向应力之比,此比值可用函数K=[2+(D/2h)2]/6表示,换言之,椭球形封头的厚度可取为圆筒形内压受压件的K倍。第Ⅰ卷只规定了长短轴比为2椭球形封头的计算方法,此时D/2h=2,K=1,此即PG-29.7中无孔椭球形封头最小需要厚度的来源。K在GB/T 9222中称为封头的形状系数Y。
        有孔椭球形封头最小需要厚度的计算与扁球形相同,仍用PG-29.1中的公式,但L取与椭球形封头相连筒体内直径的0.8倍。

5、球形封头
        球形封头,K=0.5,亦即最小需要厚度为圆筒 形内压受压件的一半。PG-29.11中给出两个计算公式,公式⑴是由PG-29.1所演变的经验公式,较为保守,公式⑵即球形壳体的基本公式,过去在使用何种公式上曾引起我国用户与制造厂的争议,2002年增补取消了公式⑴,只使用原来的公式⑵,这有助于统一认识便于执行。

6、承受外压的凸形封头
        承受外压(即凸面受压)的凸形封头由于容易发生失稳现象并且不易复原,PG-29.9是对MAWP打六折,GB/T 16508是对许用应力打折扣。

五、平端盖

1、基本公式
        无孔平端盖类似于受均布荷载的梁,但在沿半径方向上各点所受到的弯矩与该点的位置有关,另外还与端盖的连接方式有关。ASME规范与GB/T 9222一样,把承受弯曲应力时的强度条件取最大主应力不大于许用应力的1.5倍。PG-31.3.2中的系数C相当于GB/T 9222公式(61)中的K,不过C在根号内而K在根号外。
        C的数值主要取决于平端盖的周边约束条件,即铰支还是固支,还是在两者之间。主要影响因素如下:
⑴ 连接方式
        包括焊接连接、法兰连接和螺纹连接,用焊接连接时要考虑焊缝的强度,用法兰连接时要考虑螺栓的附加力矩,螺纹连接时视为固支。 PG-31.3.2公式⑵中的螺栓总载W可按第Ⅷ卷附录2进行计算。
⑵ 结构尺寸
        主要有转角半径r、筒体与端盖厚度之比α=ts /t、筒体厚度与内径之比β=ts /d。以及表示焊缝位置的尺寸l有关。

2、型式

        图PG-31中共给出17种型式,其中焊接连接的有7种。第Ⅰ卷对这17种型式的适用范围均无限制。

3、连接焊缝

        在图PG-31中对焊缝尺寸作了规定以保证焊缝强度,例如(g)型中,对连接焊缝的厚度tw有这样的规定:tw不得小于tr和1.25ts两者中的较大值,并且不需大于t,tr和t分别为筒体和平端盖的最小需要厚度,ts为筒体的公称厚度。这一规定可理解如下:如果按以上条件求得的tw大于t,是不是要增加平端盖的厚度来满足焊缝厚度呢?PG-31中的相应条文和图PG-31(g)的注中已说明:tw不需大于t。这是因为如将平端盖的厚度增加,反而会使弯矩增加。

4、有孔平端盖

        PG-31中的规定适用于无孔平端盖,有孔平端盖与筒体一样,均按PG-32的规定进行补强。

六、开孔和补强

1、补强原则

        在第Ⅰ卷中补强(compensation)和加强(reinforcement)的含义相同并且是可相互代替的。开孔对受压件强度的影响主要有三个,即:材料因开孔而减弱、应力集中、装设连接件(例如管接头)后因不连续性而产生边缘应力。为补偿这些影响,第Ⅰ卷所采用的补强原则与我国相同,即:
⑴ 等面积补强 用有效补强范围内可用于补强的金属来补偿因开孔而失去的金属。用此方法时除了要计算所需的补强金属外,还要计算这些补强金属连接焊缝的强度。
⑵ 平均补强 按两孔间所失去金属对许用应力打一折扣来补偿开孔的影响。这一原则有助于理解孔排(特别是PG-53中不规则排列孔排)的减弱系数计算方法。由PG-32~PG-39可知,第一个原则对单孔和孔排均适用,第二个原则仅适用于孔排。

2、与我国的主要差别
主要有三个:
⑴ 单孔的定义
        所谓单孔,即两孔边缘的距离使相互间不受影响的孔,GB/T 9222对单孔按公式(17)作了定量的规定,这个公式有助于确定成排管孔的含义,例如在JB/T 1625《中低压锅炉焊接管孔尺寸》中有这样的规定:孔排或密集的管孔不得用热切割方法开孔,此处的孔排或密集的管孔的含义可按这一公式加以确定。而在第Ⅰ卷中对单孔却没有定量的规定,由制造厂自定。
        由于圆筒形内压受压件上横向应力为轴向应力的两倍,所以开孔后过孔中心与筒体轴线成θ角(见图3-2)的各个截面上,减弱的程度是不一样的,如果将θ=0(即沿筒体轴线方向,见图3-2)截面上的主应力σ为基础,则角度为θ截面上的主应力为σθ,角度修正系数
        F=σθ/σ=0.5(1+cos2θ),θ=90o时,F=0.5,亦即在垂直于筒体轴线的截面上,开孔只使筒体减弱了一半,换言之,如果说在θ=0的截面上,开孔所造成的减弱等于挖去了筒体上数量为d×t的金属,则在θ=900的截面上只等于挖去了0.5(d×t)的金属。
        图3-2有助于理解图PG-33中夹角的含义,系数F用于计算开孔任何截面上所需要的补强面积,见PG-33.2和附录A-69例题。GB/T 9222不考虑开孔各截面上减弱的差别,因此也就没有这个系数。

图3-2开孔截面与筒体轴线的夹角
⑶ 连接焊缝的强度
        在筒体上装设管接头或垫板时,无论是否用于补强,与筒体的连接焊缝均应有足够的强度以承受内压所产生的荷载,GB/T 9222中对此未作规定,JB/T 6734《锅炉角焊缝强度计算方法》是以国际焊接协会《在静载条件下焊接结构的计算》为基础,其强度条件与受压件不同。

3、开孔强度计算程序
(1) 确定是否需要补强
        凡符合以下条件之一的开孔均不需补强:
        a.锅筒(壳)或集箱的筒体、凸形封头和平端盖上孔径不大于图PG-32中最大允许开孔直径[d]的单孔,以及最大孔径不大于[d]的孔排;
        b.锅筒(壳)或集箱的筒体、凸形封头和平端盖上符合PG-32.1.3.1要求的单孔;
        c.凸形封头上符合PG-29和PG-34要求的内板边人孔;
        d.凸形封头上符合PG-32.1.4~PG-32.1.5要求的单孔。
(2) 计算最大允许开孔直径
        PG-32.1.2中系数K的含义与GB/T 9222公式(66)基本相同,即最小需要厚度与公称厚度之比,表示因厚度裕量所具有的自身补强能力。图PG-32与GB/T 9222图16的原始公式也基本相同。GB/T 9222图16的原始公式如下:
                [d]=8.1[DnSy(1–k)]1/3……………(3-6)
        公式(3-6)中的常系数为8.1,图PG-32中的常系数为2.75,是因为单位制不同。将第Ⅰ卷附录A-68中的开孔按公式(3-6)计算,求得的[d]为118mm,而A-68的计算结果,[d]为110mm,较为接近。
(3) 计算有效补强范围
        与GB/T 9222基本相同,见PG-36.2和PG36.3。
⑷ 计算可用于补强的金属
        见PG-36.4,为便于使用,第Ⅰ卷2002年增补新增加图PG-33.1。现将图PG-33.1引用于此,见图3-3。在使用此图中的公式时要注意尺寸d、te等与补强件的形状和连接方式有关。特别是d,d为完工后(finished)的孔径或内螺纹的大径。
        根据2002年增补的有关修改可知,焊接管接头如果是全焊透型,d取管接头的内径,如果是部分焊透型或者用角焊缝连接的,d取筒体上的孔径,这一修改便于统一认识,避免争议。
按图3-3计算后,如果ΣFi>A,即表示开孔补强符合要求。

七、孔桥减弱系数

1、概述

        开孔补强中的平均补强是通过孔桥减弱系数来实现的,既然是平均补强,就会有差异,例如当其他条件相同时,孔排中管孔数目不同时,减弱程度是不同的。
        第Ⅰ卷中孔桥减弱系数的计算方法与GB/T 9222有相同之处也有不同之处。相同之处为:纵、横向孔桥减弱系数的计算方法相同。主要不同之处有三个:
        a.斜向孔桥减弱系数的计算方法有差异;
        b.第Ⅰ卷对非径向孔、有凹座的孔的孔桥减弱系数未作规定,由制造厂自定;
        c.对节距不等但有规则排列和不规则排列的孔排,在PG-52.2.2和PG-53中分别给出孔桥减弱系数的计算方法,这是GB/T 9222中所没有的。

2、孔排类别
        共两种:即有规则和无规则排列的孔排。
        有规则排列的孔排可理解为在一定排数内按相同方式排列的孔排,图PG-52.2为每一排为一组节距再现,即等节距孔排,图PG-52.3为每三排为一组节距再现,即三孔孔排,图PG-52.4为每六排为一组节距再现,即六孔孔排。
不规则排列的孔排即在一定长度内不按相同方式排列的孔排,此一定长度可以是筒体的内直径或内半径。
        两种孔排都按平均补强原则进行补强。

3、斜向孔桥减弱系数
        斜向孔桥减弱系数用来表示管排中心线与筒体轴线成θ角时的减弱系数,θ=0o时即纵向孔桥减弱系数,θ=90o时即横向孔桥减弱系数,θ在0o和90o之间时为斜向孔桥减弱系数。
        第Ⅰ卷与GB/T 9222计算三向应力的公式均按材料力学,但在主应力的次序上有所不同,GB/T 9222按σmin<0,第Ⅰ卷按σmin>0排列,因此,斜向孔桥减弱系数略有差别。
        为便于使用,第Ⅰ卷在图PG-52.1中以共线图的形式给出求得斜向孔桥减弱系数的方法,并通过PG-52.4和图PG-52.5举例说明。
        按GB/T 9222公式(21)对图PG-52.4中A、B两点的斜向孔桥减弱系数进行计算,A点的斜向孔桥减弱系数为0.40(按PG-52.4为0.37),B点为0.47(按PG52.4为0.426)。

4、有规则排列孔排的减弱系数

        等节距孔排的减弱系数比较简单,需要注意的是多排为一组节距再现的有规则排列孔排,计算时需要找出孔排中的基本组,图PG-52.3的基本组为左起第1~3组、第3~5组等,比较容易理解,图PG-52.4则稍为复杂,不过图中已指出其基本组为左起第3~8排。此类管排的孔桥减弱系数按(p1-nd)/p1计算,p1为基本组的长度,n等于基本组内管孔数减1。

5、不规则排列孔排的减弱系数
(1) 纵向孔桥减弱系数
        图3-4为不规则排列的纵向孔排,筒体内直径为1600mm,纵向孔桥减弱系数的计算方法按PG-53.2,现举例说明如下:
        a.按PG-53.2.1计算
        筒体内直径大于1520mm,取区间长度为1520mm,计算序号1~7孔的纵向孔桥减弱系数:
                E1=(e1+e2+e3+e4 +e5 +e6)/6=0.740

说明:(a)本图说明管接头的常见型式,并非以此来禁止使用本规范所允许的其他型式。(b)图中符号的定义见PG-33.3和PG36。
注:⑴本图适用于有效补强范围内截面为矩形的补强件。
图3-3计算开孔补强用的符号和公式(引用第Ⅰ卷图PG-33.1)
        b.按PG-52.2.2计算
                E2=(p1–nd)/p1=0.748
        c.按PG-53.2.1校核
        由PG-53.2.1可知:当按PG-53.2.1所求得的E1小于按PG-52.2.2所求得的E2时,仍取E2而不取E1,但是,如E1>E2时,不得取E1。
        暂定取E=0.748进行筒体强度计算。
        d.再按PG-53.2.2计算
        筒体内半径大于762mm,取区间长度为762mm,计算序号1~4孔的纵向孔桥减弱系数:
E=(e1+e2+e3)/3=0.743
        e.再按PG-52.2.2计算, E=(p–n’d)/p=0.753
        f.按PG-53.2.2校核
        同序号c,因E>E,取E,即0.753。由于0.8×E2=0.8×0.748=0.598<E,因此,取E2进行筒体强度计算是符合PG-53.2.2要求的。
图3-4不规则排列的纵向孔排

图3-5不规则排列的斜向孔排
⑵ 斜向孔桥减弱系数
        图3-5为不规则排列的斜向孔排,筒体内径1600mm,斜向孔桥减弱系数的计算方法按PG-53.3,现举例说明如下:
        a.按PG-53.2.1计。 同前,取区间长度为1520mm计算序号1、3、5、7孔的纵向孔桥减弱系数,E1= 0.868。
        b.按PG-52.2.1计算。 E2=(1380–3×60)/1380=0.87
        c.按PG-53.2.1校核。 E1<E2,取E2 ,即纵向孔桥减弱系数为0.87。
        d.计算斜向孔桥节距。 按图PG-52.6进行计算并查得斜向孔桥的当量纵向减弱系数Eeq:

孔桥

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

P’1 mm

264

248

261

313

252

304

θo

37

40

32

27

34

27

P’/d

4.4

4.1

4.3

5.2

4.2

5.1

Eeq%

86

85

82

85

82

84

        将6个斜向孔桥的当量减弱系数按斜向节距加权平均:
                Σ(Eeq×p’)/Σp’=0.84
        由于斜向孔桥1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7的当量减弱系数小于纵向孔桥1-3、3-5、5-7的孔桥减弱系数,所以取斜向孔桥的当量减弱系数,其平均值为0.84。

八、管接头连接焊缝

1、概述

        筒体上管接头的连接焊缝承受两种拉力,一个是介质通过管接头对焊缝所施加的平行于管接头轴线的拔脱力,另一个是介质通过筒体对焊缝所施加的平行于筒体轴线的薄膜力。
        第Ⅰ卷虽早在上个世纪50年代就要求对管接头连接焊缝进行强度计算,但限于当时的条件,只给出焊缝金属许用应力的修正系数(即现在的PW-16.2),到70年代中期才拟定了计算公式(见PG-37.2)并提出承载途径(load-carrying path,即图PW-16)的概念,所谓承载途径是基于管接头连接焊缝在运行中所可能发生的破坏形式。计算时,先按PG-37.2计算所应承受的荷载W,再按PW-15、图PW-16.1去查图PW-16,求得承载途径,然后计算每一承载途径所能承受的荷载是否小于所应承受的荷载。

2.实施中的问题
        主要有以下三个:
⑴ 承受的荷载 PG-37.2中计算承受荷载的公式共有三个,第一个公式可看成是筒体厚度t等于最小需要厚度tr时的荷载,第二、三个公式则是t>tr时的荷载,从实际出发,三个公式用一个来概括就可以了,用三个反而使用不便。
⑵ 孔径 PG-37.2中有两个孔径,即d和dl,d为完工后的孔径,dl为未完工时(unfinished)的孔径,两者有何区别,没有说明,过去是这样理解的:图PW-16.1简图(e-2)之类型式中的孔径属于dl,但也吃不准。
⑶ 承载途径
        这是实践中令人最头疼的一个问题,图PW-16.1共有三个途径,按规定的管接头型式和规定的途径分别计算角焊缝和坡口焊缝的强度,角焊缝当然验算剪切强度,坡口焊缝则要根据具体情况来验算剪切或拉伸强度(见PW-15.1.3),这个具体情况是什么呢?条文中未作任何说明。在三次AI资格考试培训班中都碰到这个问题,只能按附录A-69依样画葫芦。曾将此问题在2000年11月举行的ASME规范技术研讨会上提出,但未得明确答复。
        2002年增补取消了图PW-16,使这一疑难问题得到解决。

3、现行规定
        第Ⅰ卷2002年增补在这方面建立了全新的理念,现按现行规定将计算程序简要说明如下。
⑴ 选用焊缝型式
        应采用以下四种型式之一:从一侧或两侧施焊的全焊透型焊缝、从两侧施焊的部分焊透型焊缝、从两侧施焊的角焊缝、从一侧施焊的角焊缝加上从另一侧施焊的部分焊透型焊缝,见PW-16.1。
⑵ 确定是否要进行焊缝强度计算
        图PW-16.1中简图(a)、(b)、(c)、(g)、(h)、(o)、(q-1)~(q-4)、(u-1)、(U-1)、(w-1)、(y)和(z)共15种型式的管接头连接焊缝不要求进行焊缝强度计算,见PW-15.1.6,这15种型式都是全焊透型焊缝。
        另外,在修订后的PG-37.3中规定:如果加装了垫板,则管接头与垫板、垫板与筒体的连接焊缝要验算其强度,这一要求在过去的条文中不够明确。
⑶ 计算焊缝截面积
        由于管接头连接焊缝所受到的荷载W是作用在通过开孔中心各一半的两个对称截面上,亦即每边各承受0.5W。为便于计算,用另一种方式来表达这个关系,即计算荷载时按W,计算面积时取焊缝截面积的一半,以上规定与过去相同。
        为了解决取消图PW-16后对角焊缝和部分焊透型焊缝截面积的计算方法以及焊缝承受荷载的类型,新增图PW-15作为举例,见图3-6。
        a.角焊缝。 焊缝截面的宽度为焊角高度WL,焊缝截面的长度为按管接头外径所求得周长的一半。
        b.坡口焊缝。 焊缝截面的宽度为焊缝厚度(depth),焊缝截面的长度为按管接头外径所求得周长的一半。
⑷ 确定荷载类型
        角焊缝均承受剪切荷载,至于坡口焊缝,在何种情况下要考虑剪切荷载,在何种情况下要考虑拉伸荷载,可参考图PW-15的举例。
⑸ 查许用应力修正系数
        T形接头由于受力方向和焊缝的几何形状与对接接头有很大差别,应力分布和应力集中远比对接接头来得复杂,因此用许用应力修正系数来考虑这些影响,其含义类似于焊接结构强度计算中的焊缝强度系数。
        在PW-15.2中给出4个系数,其中管壁剪切的修正系数在2002年增补中已取消。总的原则是:考虑T形接头端部和侧向荷载的影响,取0.875,考虑许用剪切应力与许用拉伸应力的折算关系,取0.8,由此可得:
        a.坡口焊缝拉伸:由于坡口焊缝受拉伸时的计算截面积偏大,需在0.875之外再打一个八五折,即 0.875×0.85=0.74。
        b.坡口焊缝剪切: 0.74×0.8=0.60
        c.角焊缝剪切: 需将角焊缝的截面积换算为角焊缝的计算截面积(throat area),即 0.875×0.707×0.8=0.49。
        如果焊缝或垫板材料的许用应力低于筒体,还应按PG-37.1的规定对筒体材料的许用应力Sυ打一折扣,即图PW-15中的fri。
⑹ 验算焊缝强度
        第Ⅰ卷2002年增补新增图PW-15,举例说明三种型式管接头连接焊缝的强度计算方法,见图3-6。
        该图中,简图(b)焊缝强度公式,t2(受剪力),似应为t2(受拉伸),理由有三:第一是这个部分焊透焊缝承受的是周向载荷而非径向载荷;第二,其后的许用应力百分数为0.74而非0.6;第三是简图(c)中与之相同的部分焊透焊缝为t2(受拉伸)。
        如果所求得的焊缝强度大于所要求的焊缝强度,则认为焊缝强度符合PW-15.1的要求。

⑺ 核对焊缝尺寸
        按图PW-16.1相应简图中的尺寸要求进行核对。
        简图(a):所要求的焊缝强度(PG-37.2): W =(AA1)SV
                焊缝强度=WL1(受剪切)+WL2(受剪切)
                =0.49(1/2)WL1π(d+2tn)SVfr1+ 0.49(1/2)WL2π(d+2tn)SVfr1
        简图(b):所要求的焊缝强度(PG-37.2): W =(AA1)SV
                焊缝强度=WL1(受剪切)+t2(受剪切)
                =0.49(1/2)WL1π(d+2tn)SVfr1+ 0.74(1/2)t2π(d+2tn)SVfr1
         简图(c):⑴所要求的焊缝强度(PG-37.2):W =(AA1)SV
                 焊缝强度=WL2(受剪切)+t2(受拉伸)
                =0.49(1/2)WL2π(DP)SVfr3+ 0.74(1/2)t2π(d+2tn)SVfr1
⑵校核管接头与垫板以及垫板与筒体连
         接焊缝的强度(PG-37.3):
         焊缝强度=WL1(受剪切)+t2(受拉伸)
                  =0.49(1/2)WL1π(d+2tn)SVfr1+0.74(1/2)t2π(d+2tn)SVfr1
         图3-6焊缝强度计算举例(引自第I卷图PW-15)

(四)

第三部分 设计(中)

九、圆筒形外压受压件

1.概述
         圆筒形外压受压件主要为锅壳锅炉的炉胆、火筒、烟管和上烟箱。火筒用于PG-111.2中的卧式火筒锅炉,例如康尼许(Cornish)或兰开夏(Lancashire)锅炉。另外,虽然美国的立式锅炉没有冲天管,但我国按第I卷建造立式锅炉时,冲天管也应按此进行计算。
         圆筒形外压受压件的失效除了要考虑强度不足时发生破裂外,还要考虑因刚度不足,在应力低于屈服强度时几何形状就开始发生变化,这种失效与材料力学中细长压杆在较低荷载作用下因弯曲变形而失效一样,均称为失稳,即承载后不能保持原来的几何形状,开始发生显著变形而丧失稳定性,由于这种失效是在材料屈服之前发生的,又称弹性失稳。圆筒形外压受压件与压杆的失稳,不同之处是:压杆失稳时形状变化沿其纵向截面,而圆筒形外压受压件则沿其横向截面,因此,圆筒形外压受压件的失稳又称为塌陷(collapse)。
         与防止压杆失稳一样,要防止圆筒形外压受压件失稳也要求得发生失稳时的最低压力,此压力称为临界压力Pc,在另一方面,当厚度较大时,还要计算防止破裂所允许的最大压力,取两者中的较小值作为最高允许工作压力。因此在薄壁时应防止失稳,在厚壁时,既要防止失稳又要防止破裂。
         第I卷于1989版起采用第Ⅷ卷中的有关规定,增加了厚壁时防止失稳和破裂方面的计算公式,均见PFT-51。
         现参考这方面的专门著作,主要有张康达:外压圆筒和外压球壳(见《GB150标准释义》)和丁伯民:《ASME压力容器规范分析――ASMEⅧ-1和Ⅷ-2》,对防止这两种失效模式作简要说明。

2.防止失稳的计算公式
         为防止圆筒形受压件失稳,国外在计算临界压力Pc时均以Mises公式作为基本公式,这个公式不仅变数多而且表达式也很复杂,经简化后的公式称为Bresse-Bryan公式。
         Mises公式的函数形式为Pc=f(L、Do、t、E、μ、N)。现将这六个变数对失稳的影响说明如下:
(1)L/ Do 筒体长度L与外径Do之比表示筒体的相对长度,L/ Do较小时,圆筒两端对筒体几何形状变化所起的加固作用较大,不容易发生失稳,较大时则反之。临界压力与L/ Do无关时的相对长度称为临界相对长度。L/ Do不小于临界相对长度的圆筒称为长圆筒,此时可不考虑两端的约束,按材料力学中承受外压的圆环计算其临界压力,反之则称为短圆筒,计算较为复杂。
(2)t/ Do 筒体厚度t与外径Do之比反映筒体的弯曲刚度,也就是筒体发生塌陷的难易程度,按t/ Do的大小分为薄壁和厚壁圆筒两类。为便于计算,通常用其倒数Do /t来表示。
(3)E 弹性模量E是金属材料在弹性变形范围内正应力σ与相应的正应变ε之比。钢的弹性模量与化学成分和温度都略有关系,但低碳钢(SA-515)和碳锰钢(SA-299)的E可视为相同。温度升高时E有所降低,这是因为温度高时产生单位应变的应力略有降低。
(4)μ 泊松比μ是金属材料的横向收缩量除以伸长量,反映材料的横向收缩能力,对钢材来说,与化学成分和温度无关,约为0.25~0.33。
(5) N 发生塌陷时圆筒体离开圆形外凸或内陷的曲线数,N=2时为压扁成椭圆形,N=3时则为三瓣形,等等。N增加时Pc增加。
         对Mises公式略去了一些数值不大的次要项并取μ=0.3(金属材料),N=2(几何形状变化最小时),即得Bresse-Bryan公式:
                  Pc=2.2E(t/D)3……………(3-7)

3.ASME规范的线算图
         第I卷从1956版起所给出计算炉胆厚度用的线算图是以Bresse-Bryan公式为基础,并结合美国海军水槽试验公式进行编制的,以防止圆筒形外压受压件失稳。1992版起将该线算图移至第Ⅱ卷D篇。编制该线算图的指导思想是把金属材料拉伸试验时的σ-ε曲线与失稳计算结合起来,为此建立了两个系数:A和B,相应的线算图为第Ⅱ卷D篇的图G和图CS。
         第I卷在1989版之前,该线算图用于计算薄壁圆筒形外压受压件,1989版起将适用范围扩展到厚壁并增加了相应的计算公式。
(1)系数A
         由圆筒形受压件三向应力计算公式的推导过程可知,所得到的公式既适用于内压,也适用于外压,并且也以环向应力σ1最大。取失稳时的临界应力σc等于σ1可得:
                  σc=PcDo/2t……………(3-8)
                  将σc=Eεc代入公式(3-8),可得:
                  εc=PcDo/2tE……………(3-9)
         另一方面,将公式(3-7)中的E用E=σc/εc和公式(3-8)中的σc代入,可得εc的另一表达式:
                  εc=1.1(t/Do)2……………(3-10)
         用参数A表示εc,可知A即发生失稳时的横向应变,A的数值与L/Do和Do/t有关而与金属材料的性能无关,因此适用于所有金属材料。
         对长圆筒,A的数值只取决于Do/t而与L/Do无关,对短圆筒,A的数值与Do/t和L/Do都有关系。第Ⅱ卷图G对每个Do/t所绘出的图线,直线部分相当于长圆筒,曲线部分相当于短圆筒。
(2)系数B
         正如计算强度时要考虑强度安全系数n一样,计算失稳时也不能把Pc作为MAWP,而要考虑留有一个安全裕量,即稳定安全系数m,m=Pc/Pa,Pa为防失稳的MAWP。
         改写公式(3-9),将Pc用m Pa代入并取m=4,可得:
                  εc=A=2 PaDo/tE……………(3-11)
         令B= PaDo/t,可得:
                  B=EA/2……………(3-12)
         由于EA为发生失稳时的横向应力,因此B的物理意义为:发生失稳时横向应力的一半。
(3)A-B线算图
         公式(3-12)表明,圆筒形外压受压件发生失稳时的横向应力B与横向应变A之间存在一定的关系,从而可通过材料的拉伸试验编制相应材料的A-B线算图。
         使用线算图的优点为:
         对弹性状态(E为常数)和非弹性状态均适用;可以反映材料温度升高时E有所降低的影响。
(4)适用范围
         a.受压件-- 对薄壁和厚壁的圆筒形外压受压件均适用。
         需要注意的是:用于装有加强圈的炉胆时,稳定安全系数m仍取4。
         b.结构尺寸-- 图G中L/ Do的范围为0.05~50.0,这是从锅炉和压力容器产品结构的实际出发,尽量 减少图的无用部分,可以说,L/ Do小于0.05或大于50的外压受压件实际上并不存在,同理,Do/t的范围也是这样确定的,试想实际上会有ф1000×250mm的锅壳或ф25×6的烟管吗?
         c.材料-- 在第Ⅱ卷D篇表1A中注明该材料的外压图表号,例如SA-210,A-1级为图CS-2,SA-299 为图CS-3等。
         d.设计温度-- 材料的弹性模量不仅与应力(即系数B)和应变(即系数A)有关,与温度也有关系。 图CS中给出相应的温度范围,例如图CS-1和图CS-2为室温至9000F。
(5)使用说明
         在PFT-51.1.2和A-380中已有说明,现补充如下:
         在查图CS时,过某一A值作垂直线,与某一温度线的交点可分为三种情况:
         a.与温度线相交。 由交点可查得相应的B值。
         b.在温度线末端的右边。 这表示A值所代表的应变已超出非弹性状态,应予限制,改取相应于末端处的B值来计算Pa。
         c.在温度线左边。 这表示A值所代表的应变比温度曲线上弹性状态下的应变还要小。作为一种保守的计算,可按公式(3-12)并乘以4/3(考虑m由4改为3的影响)来求得系数B。

4.厚壁圆筒
(1)厚壁与薄壁的分界
         由公式(3-7)可知,圆筒形外压受压件当厚度增加时,临界压力增加很快,亦即不易失稳,因此当Do/t降低到某一数值时,还需附加验算强度。
         由公式(3-10)可知,当Do/t=10时,临界应变εc=1.1%,此时的横向应力σ1已大于材料的屈服强度,不仅要防止失稳,还要防止强度不足产生破坏,因此ASME规定,将Do/t<10承受外压的圆筒作为厚壁,相应的外内径比β=1.25,亦即,ASME规范对厚壁与薄壁的分界,承受内压时为β=1.5,承受外压时β=1.25。
(2)承受外压时的应力
         同为厚壁圆筒形受压件,承受外压与承受内压时的应力分布有共性也有特性,共性有三个:
         a.都要考虑径向应力σ3;
         b.沿筒体厚度上σ3和横向应力σ1的分布都是非线性的,但纵向应力σ2则都保持不变;
         c.最大应力都是σ1并且都在内壁。
         特性只有一个,即:受内压时的σ1为拉伸应力,其值为P(β2-1)/( β2+1),受外压时的σ1为压缩应力,其值为:
                  σ1=2Pβ2/( β2+1)……………(3-13)
         显而易见,受压缩时的横向应力要比受拉伸时小一些。
(3)防失稳公式
         与薄壁不同,ASME规范对厚壁圆筒形受压件按防止横向应力σ1达到设计温度下的屈服强度Syt来求得防止失稳的计算公式,即σ1≤Syt/m。
         当D0/t=10时取m=3,这是因为ASME在制定厚壁圆筒的防失稳计算公式时,m的数值已由4改为3。当D0/t=2时m=2,因此时圆筒已成为圆柱,安全系数可以取得小些。
         将σ1=Eεc和σ1≤Syt/m代入公式(3-9)可得:
                  σ1=PaD0/2t= Syt/3……………(3-14)
                  σ1=PaD0/2t= Syt/2……………(3-15)

         在D0/t=10~2的区间,可认为σ1的数值与D0/t成线性关系,即:
                  PaSyt=a+b(D0/t)……………(3-16)
         将D0/t=10和D0/t=2分别代入公式(3-16)求解系数a、b,并令k=D0/t,可得:
                  Pa=Syt〔(13/k)-0.5〕/12……………(3-17)
         圆筒达到屈服时,其横向应力EA= Syt。
         将EA= Syt代入公式(3-12),再将B代入公式(3-17),即得
                  Pa=〔(2.167-0.0833k)〕B/k……………(3-18)
         此即PFT-51.1.2中D0/t<10的防失稳计算公式。
(4) 许用压缩应力
         金属材料受压缩时的σ-ε曲线与受拉伸时不同,以低碳钢为例,受拉伸和受压缩时的σ-ε曲线见图3-7:

图3-7低碳钢的σ-ε曲线
         主要差别有三个:
         a)受拉伸时的变形为纵向伸长,横向截面减少,受压缩时则反之;
         b)受压缩时屈服台阶不明显;
         c)由于加工硬化,受压缩时σ-ε曲线的最后部分是一种上升曲线,亦即不象受拉伸 时那样会发生断裂,因此也没有抗压强度这个性能指标。
         正如对销轴等的许用支承应力和键的许用挤压应力一样,受压件的许用压缩应力也可用受拉伸时的许用应力来表示,但数值可以放宽。ASME规定:受压缩时的许用应力SB取以下两者中的较小值:设计温度下最大许用应力的两倍和设计温度下屈服强度的1.8倍。
(5)防破裂公式
         将β=D0/( D0-2t)代入公式(3-13)并取σ1=SB,D0/t=k,移项后可得:
                  P=2SB(k-1)/k2……………(3-19)
         此即PFT-51.1.2 D0/t<10时计算Pa1的公式。

5.炉胆
(1)类型
         共五种,平直炉胆是炉胆的基本型式,工艺简单,为了减少长度、降低刚性和便于膨胀,发展了另外四种炉胆。阿登式炉胆早期每节用法兰连接,两节间加装阿登生圈以提高密封性,后改为焊接连接。为了提高刚性,发展了装有加强圈的炉胆。为了便于膨胀,发展了波形炉胆,而组合式炉胆则兼具平直炉胆和波形炉胆的优点。
         PFT-51.1.2中的计算公式适用于平直炉胆、阿登生式炉胆和组合式炉胆的平直部分,装有加强圈的炉胆、波形炉胆和组合式炉胆的波形部分另按专门的计算公式,见PFT-17和PFT-18。
(2)装有加强圈的炉胆
         对装有加强圈的圆筒形外压受压件,基本公式都来自S.Timosenko《材料力学》中圆环的失稳,按以下公式计算单位长度圆环的临界荷载qc:
                  qc=3EI/R3……………(3-20)
         将此公式用于炉胆上的加强圈,在临界压力Pc时,加强圈节距Ls的长度上,每个加强圈所受到的总荷载为PcLs,可得:
                  PcLs=24EI/D3……………(3-21)
         公式(3-21)中的惯性矩I应当是加强圈本身的惯性矩Is与长度为Ls筒壁的惯性矩的组合,直径D原为圆环的平均直径。由于这些数据在设计时需先假定后验算,为便于求解,作了以下简化:
         a)取I=1.3Is;
         b)取D等于炉胆外径Do;
         c)取在长度为Ls的筒节上,炉胆和加强圈的组合厚度为t+△t,△t=As/Ls,亦即将 装有加强圈的炉胆视为厚度为t+△t的圆筒形外压受压件;
         d)除了稳定安全系数外,再加上10%的裕量。
         再加10%裕量的原因,可理解如下:组合厚度为t+△t的当量圆筒毕竟与实际厚度为t+△t的圆筒有一些区别,需额外增加裕量以资弥补。另外,对m的值仍取4.
         根据这些简化,公式(3-21)可改写如下:
                  Is=0.071PcLsDo3/2E……………(3-22)
         另外,按组合厚度改写公式(3-11):
                  A=PcDo/2E(t+△t)……………(3-23)
         将公式(3-22)的分子和分母分别乘以t+△t并将公式(3-23)中的A代入,可得:
                  Is=0.071(LsDo2)(t+△t)A……………(3-24)
         此即PFT-17中的公式。需要注意的是:PFT-17中的公式与第Ⅷ卷UG-29中的公式有两个区别:一个是UG-29还要计算加强圈筒体组合截面的惯性矩Is’,另一个是m=3而不是4。
(3)波形炉胆
         与平直炉胆相比,波形炉胆不仅有利于热膨胀,而且不容易失稳,因此设计时只需考虑防破裂而不考虑防失稳,PFT-18中的计算公式是一种简化了的防破裂公式:
                  P=Ct/D……………(3-25)
         C为经验系数,对每种标准结构型式的波形炉胆给出相应的数据。
         PFT-18中五种波形炉胆的波纹见图3-8。

图3-8 波形炉胆的波纹

6.GB/T16508的规定
(1)平直炉胆
         我国对圆筒形外压受压件的计算公式经历了《火管锅炉受压元件强度计算暂行规定》、JB3622和GB/T16508三个阶段,这三个标准虽然分别采用不同的国外标准,但这些国外标准的基本公式仍然是Mises公式,只是作了不同程度的简化并给予不同的系数,因此均为半经验公式。
         GB/T16508中卧式锅壳锅炉平炉胆的计算公式来自ISO5730《固定式焊接结构锅壳锅炉》,由于ISO5730只适用于卧式锅壳锅炉,所以在编制GB/T16508时对立式锅炉的炉胆采用JIS8201《陆用钢制锅炉的结构》中立式炉胆的计算公式。李之光《锅炉强度计算标准应用手册》对此作了简要说明。
(2)装有加强圈的炉胆
         GB/T16508中的计算公式也是以Timoshenko的公式为基础,与ASME规范中公式的主要区别在于GB/T16508只考虑加强圈本身的惯性矩,另外,稳定安全系数取m=5。
(3)波形炉胆
         GB/T16508中的波纹即Morison式,因我国锅炉厂都使用这种波纹,其优点为便于冲压。所使用的公式与ASME规范基本相同。

十、有拉撑的表面

1.概述
        有拉撑的表面(stayed surface)即装有拉撑件(stay)或加固件(brace)的平面和曲面,平面例如管板和背板,曲面例如外火箱板(wrapper sheet)和火箱顶板(crown sheet)。至于水夹套,可以是平面的(用于机车式锅炉),也可以是曲面的(用于立式锅炉)。
        在承压的表面上装设拉撑件的目的,对平面来说主要是降低弯曲应力防止鼓泡(bagging,又称bulge),对曲面来说主要是降低相对长度L/D0,防止失稳。
现参考李之光等《锅炉材料及强度与焊接》,对有拉撑表面的计算方法作简要说明。

2.基本公式
(1)平面
        与平端盖相同,都是按弯曲应力不大于最大许用应力S来确定厚度,不同之处是并非象平端盖那样周边全部连接。PG-46中的公式来自Timoshenko《板壳理论》中的数行等距柱支板的弯曲,经简化而得。图3-9中平面所受到的弯矩M为αPp2,α为与拉撑件结构型式有关的系数。在厚度为t、宽度为单位长度的截面上,截面系数W等于t2/6,可得:
             
   S=M/W=6αPp2/ t2……………(3-26)
        将α=1/6C代入,即得PG-46中的公式。需要指出,PG-46虽然是由平面推导而得,也是计算曲面时需要使用的一个公式。

图3-9 受拉撑的表面
        
与平端盖一样,PG-46中系数C的数值大小与拉撑件对支撑表面发生变形的约束程度有关,固支时C的数值较大而铰支时较小。约束程度最大的是螺纹连接并且在外部装设直径很大(不小于0.4p)并且厚度也很大(不小于t)的垫圈,这样大的垫圈虽然约束程度很大,但很难实施。最方便的要算焊接或带铆钉头的螺纹连接,见第I卷图A-8简图(c),采用这种连接方式时,C的数值与表面的厚度也有一点关系,厚度大时约束大,C的数值略高,另外,用拉撑管支撑的管板,系数C的数值与焊接或铆接的拉杆是一样的,见PFT-31.2。
        顺便指出,虽然Timoshenko是按等节距进行推导的,但锅炉上的拉撑件不一定都能按等节距布置,所以PG-46中取各节距中的最大值。
(2)曲面
        作为曲面,本身具有象圆筒形受压件一样的承压能力,使其抗弯曲的能力得到加强,但为了便于计算,仍将其视为与平面相同,因此PFT-23.1中规定,曲面的MAWP取以下两者中的较小值:
        P1+P2;
        P1+P3;
        P1为按PG-27.2.2所求得的压力,计算时要考虑孔桥减弱系数,P2为按PG-46所求得的压力,计算时取C=1.3,P3为拉撑件所能承受的压力。

3.拉撑件
(1)类型
        主要类型与我国一样,分为直拉杆(包括短拉杆和长拉杆)、斜拉杆和拉撑管。第I卷图A-8中给出短拉杆、长拉杆和斜拉杆的典型结构。至于拉撑管,由PFT-31.1可知,用于multitubular boiler中管板的支撑,此处的multitubular boiler即通常说的烟管锅炉,例如PG-111.1中的卧式外燃回火管锅炉、PG-111.3中的机车式锅炉。
        拉撑件与有拉撑表面的连接方式,短拉杆可采用螺纹连接、焊接或铆接,长拉杆只采用螺纹连接,斜拉杆只采用焊接,拉撑管可采用焊接或胀接,见PFT-31.4。
(2)计算方法
        拉撑件的计算比较简单,但第I卷中这方面的规定条文分散,现汇总如下。
        a.节距
        PFT-26.1规定:在计算拉撑件的支撑面积时应按full pitch dimensions,我过去译为全节距尺寸,什么是全节距,难道象部分焊透焊缝那样,还有部分节距吗?这不仅读者看不懂,连我自己也看不懂。觉今是而昨非,现说明如下。 Full的含义是:holding or containing as much as possible,而pitch dimension则为用来表示节距的尺寸,因此,full pitch dimension的含义是:支撑面积最大的拉撑件的节距。 拉撑件特别是管板上的拉撑件,纵向节距P1和横向节距P2通常都布置成相等的,如果不相等,则应取a= P1× P2值为最大的一块表面,并按p2= P1× P2求得当量节距。
        b.受拉撑表面的面积
        由于拉撑件在受拉撑表面上所占据的面积as是不承压的,PFT-26.1规定:应在面积a中将as予以扣除。as的计算方法如下: 焊接连接时按拉杆的公称直径d,螺纹连接时,按PG-49.2的规定取螺纹的小径。
        c.拉撑件的最小需要截面积
        在面积a上,一个拉撑件所受到的力F=P(a-as)。
        按PG-49.1的规定,拉撑件的最小需要截面积等于1.1F/S,S为拉撑件材料的最大许用应力。
        应当注意,如果是斜拉杆,应再按PFT-32的规定将最小需要截面积作相应增加。
        d.拉撑件的数量
        在总面积为A的受拉撑表面上应布置拉撑件的数量为n, n=A/a。 如果n的数值较大布置不下,则应增加节距使n减少。
        e.与其他支撑点的距离
        除了拉撑件外,一些其他支撑点也具有一定的支撑作用,这些支撑点主要有管板与筒体的连接处、人孔边缘等,在PFT-25、PFT-26和PFT-27中对此作出一系列规定并用图A-8简图(q)和(r)作具体说明。这些要求可概括成以下两个原则: i)对管板与筒体连接处的支撑作用取为拉撑件的两倍,亦即节距减半; ii)扳边部分无支撑作用,因此应将这段距离予以扣除。
        f.立式锅炉短拉杆的节距
        立式锅炉炉胆的尺寸较小,为了简化,短拉杆的节距可按PG-46计算,但外径不大于 38in时,短拉杆的纵向节距另按PFT-23.3.1中的公式计算,这个公式是第I卷特有的,不仅其他国家没有,而且也难于推导,估计是美国锅炉厂的一种经验公式。

4.拉撑件连接焊缝
(1)焊缝类型
        现将PW-19和PFT-12对拉撑件连接焊缝类型的要求汇总后列于表3-1。
表3-1 拉撑件连接焊缝的类型

序号

焊件

焊缝类型

条款号

1

拉杆与平板

全焊透焊缝

PW-19.1

2

斜拉杆与筒体

角焊缝

PW-19.4

3

拉撑管与管板

部分焊透焊缝

PFT-12.2.1.2

(2)焊缝强度
        不管是坡口焊缝或者是角焊缝,均按以下两条确定焊缝强度:
        a)焊缝承受平行于拉杆轴线方向荷载时的剪切强度不得小于拉杆承受内压时的拉伸 强度;
        b)焊缝的许用剪切应力按PW-15.2的规定,取等于许用拉伸应力的0.8倍。 此即PW-19.1和PW-19.4.1中1.25倍的来源。
        由此可以理解为什么表3-1序号3拉撑管可以来用部分焊透焊缝的原因,管壁的横截面 积毕竞比拉杆要小得多,不需要那么多的焊缝面积。

5.机车式锅炉的火箱
(1)概述
        PG-111.3中的机车式锅炉是上个世纪的早期产品,即使在美国,现在也很少生产。机 车式锅炉的燃烧空间称为火箱,由四块板组成,外火箱板承受与火箱顶板之间的内压,而火箱顶板则承受外压,火箱管板承受火箱后部锅水的外压,只有面对炉前装设炉门的前板是不承压的。
        PFT篇中火箱的计算公式均为上个世纪早期使用的,均为经验或半经验公式,考虑到机车式锅炉目前已很少生产,因此只作简要说明。
(2)外火箱板
        外火箱板的顶板可以是曲面也可以是平面,见图3-10。在需要支撑时,曲面只能装设拉撑件,平面则可以装设加固横梁。

               a) 曲面                     b) 平面
图3-10 外火箱板和火箱顶板
        装有拉撑件的曲面外火箱板,ASME规定还要考虑曲面上拉撑件所在截面中力的平衡,即内压施加于该截面的力等于该截面上材料本身所能承受的力加上各拉撑件对该截面支撑力之和,计算公式见PFT-23.2。
(3)火箱顶板
        平面的火箱顶板按平面计算,曲面的火箱顶板,虽然在第I卷中没有规定,但从PFT-23.3.2可知,可以视为平面按PG-46计算,这是需要注意的地方。
(4)管板
        火箱顶板如果没有装设拉撑件,顶板所承受的外压要传递到前板和管板上,因此对管板除按受拉撑的平面计算厚度外,还要验算孔桥的承压强度,计算公式见PFT-13.1。
(5)加固件
        附录制造厂数据报告,表格P-2序号11中的加固件也是一种支撑用的零件,主要用来支撑难于布置拉撑件的部位。PFT-30中的顶板拉撑(crown bar)和加固横梁(girder stay)都是美国上个世纪早期使用的加固件,沿火箱宽度方向布置几个垂直于火箱前板和管板的加固件,其节距可视为拉撑件的节距。PFT-30.1中的公式适用美国上个世纪早期使用的螺栓连接结构,见图3-11,现已很少使用,多采用焊接结构。无论是螺栓连接还是焊接连接,加固横梁上应开有水通道,便于锅水流动。

                a) 顶板拉撑                        b) 加固横梁
图3-11 顶板拉撑和加固横梁

6. GB/T16508的规定
(1)受拉撑表面的面积
        GB/T16508中受拉撑表面的面积计算方法采用ISO5730的方法,与ASME规范基本相同。主要差别是:这个面积的定性尺寸,ISO5730按过三个支撑点所作假想圆的直径,而ASME规范按正方形或矩形上支撑点的节距。虽然四点法比三点法更接近周边全部受到支撑,但差别并不很大。此外,GB/T16508并不要求扣除拉撑件所占据的面积。
(2)拉撑管的连接方式
        GB/T16508规定:只有焊接连接的烟管才有支撑作用,而ASME规范则规定:连接方法符合PFT-12.2要求的烟管均有支撑作用。因此,当管子与管板用胀接连接并翻边时,是否还要再装设拉撑件就成了两个标准的一个差别。
(3)人孔区域的厚度
        GB/T16508对人孔和头孔区域的厚度按专门公式计算,ASME规范则根据孔的结构(扳边或不扳边、孔的位置等),规定这些支撑点与拉撑件的距离,不需另行计算这部分的厚度。

十一、 其他设计要求

1.管接头厚度
(1)概述
        管接头用于连接受热面管子、管道和附件,除承受内压外还承受外部荷载,特别是连接水位表、压力表等附件的管接头,不象与管子或管道连接的管接头那样受到支撑,因此只按内压计算厚度是不够的,需要有一定的附加裕量,这就是各国标准对管接头的厚度有专门规定的原因。
(2)现行规定
        第I卷对管接头厚度的规定见PG-43,这个规定可以追溯到上个世纪50年代以前的P-268条。2003年增补对此作了修订。修订后条文的要点如下:
        a.管接头的范围----是广义的,即除了与受热面管子、管道和附件连接的管接头外,还包括人孔、检查孔补强用的孔圈。同时,无论是补强孔还是不补强孔上的管接头均应符合PG-43的要求。此外,管接头的厚度按管接头颈部(nozzle neck)的厚度计算,即按管接头与筒体连接处的厚度。
        b.对厚度的要求----2003年增补取消了承受内压600psi所需要的厚度,这是因为对管接头厚度的要求只有对低压锅炉才有实际意义,用标准级的管材,其厚度对低压锅炉来说已有很大的裕量,内压600psi这条限制实属多余。
(2)GB/T9222的规定
        GB/T9222的规定与第I卷在表达方式上虽有不同,但无论在范围方面还是厚度要求方面并没有实质性的差别。

2.结构连接件的许用荷载
(1)概述
        结构连接件(structural attachment)是装设在管壁上承受荷载的零件,除了通过强度计算确定连接件的尺寸外,还要计算管壁强度,确定连接件的许用荷载。管壁上的连接件主要有吊耳(图A-71)、定位板(图A-72)、托架(图A-73)、支架(图A-74)等,目前均采用焊接连接。荷载除包括管内介质在内的自重外,还可以包括所支吊(承)的其他重量。PW-43中的计算方法只适用于纵向连接件例如纵向吊耳等,此类连接件只用于受热面管子,至于集箱,则采用横向吊耳,这是因为无论是纵向还是横向吊耳,都是按材料力学中的曲梁来计算外荷载所附加的正应力。显而易见,横向吊耳要比纵向吊耳更加接近曲梁,同时,由于集箱的荷载远比管子为大,仍采用纵向吊耳布置困难。
(2)曲梁
        A.应力计算
        梁有两种,轴线为直线的称为直梁,轴线为曲线的称为曲梁。与直梁相比,曲梁有以下三个特点:
        a)弯曲后中性轴与轴线不重合;
        b)横截面上由荷载P所产生的应力除弯曲应力外还有轴向力N的应力,见图3-12;
        c)沿横截面宽度t上,正应力按双曲线规律分布。

图3-12 曲梁的应力
       横截面外边缘和内边缘处的正应力σi(i=1为外边缘,i=2为内边缘)按以下公式计算:
              σi=N/A±kiM/W……………(3-26)
       式中,N为轴向力,N=-Psinθ,A为横截面的面积,M为弯矩,M=PRsinθ,W为横截面对形心轴线的截面系数,ki分别为外边缘和内边缘的应力修正系数,ki的数值与R和t的数值有关。由材料力学的规定可知:公式(3-26)中的符号,外边缘用加号,内边缘用减号,弯矩M,使曲率半径增大时为正,反之为负。为便于理解,现将荷载类别与曲梁横截面内外边缘正应力的关系列于表3-2。
表3-2 荷载类别与横截面上应力的关系

荷载类别

M

曲梁的正应力

管壁的组合应力

连接件的许用荷载

内边缘

外边缘

内壁

外壁

拉伸荷载

-

压缩

拉伸

最小

较小

较大

压缩荷载

+

拉伸

压缩

最大

较小

较小

       B.强度条件
       曲梁的强度条件为:
              σi≤[σ]i……………(3-27)
       式中[σ] i为曲梁材料的许用拉伸应力或许用压缩应力,例如当曲梁承受压缩荷载时,内边缘的正应力为拉伸应力,外边缘的正应力为压缩应力,应分别验算内、外边缘的正应力是否超过相应的许用应力。再如,当材料的许用应力为已知时,由于σi=f(P,R,1/t2),可根据给定的荷载确定曲梁的R和t等结构尺寸,或根据R和t等来限制曲梁的荷载。
(3)组合应力
       当管壁承受结构连接件所施加的荷载时,与连接件相连处的管壁可视为在此部位承受集中荷载的曲梁,曲梁横截面的宽度取单位长度,即等于1,横截面的厚度即管壁厚度t。管壁的应力为内压应力与曲梁正应力的组合应力。
       由公式(3-26)可知,与内压的横向应力一样,正应力也是沿管壁的横向。当管壁承受压缩荷载时,管子的内壁受到附加的正应力为拉伸应力,而外壁为压缩应力,承受拉伸荷载时则反之,见表3-2。由于拉伸荷载时,内壁的附加压缩应力大于外壁的附加拉伸应力,因此,管壁的组合应力以承受拉伸荷载时的内壁为最小,承受压缩荷载时的内壁为最大,见表3-2,这就是当其他条件相同时,连接件的许用拉伸荷载要比许用压缩荷载大一些的原因。
(4)单位长度许用荷载
       PW-43中的单位长度许用荷载始于1935版,1992版作了全面修改,计算方法更加合理,虽然姗姗来迟,但在国外同类型标准中只有ASME规范对此作出具体规定。
       现将PW-43.2.4中单位长度许用荷载La=KLfSt的含义简要说明如下。
       a. St-- 可用应力St为管壁许用应力中可用于承受外荷载的部分,按PW-43.2.3中的公式计算,即内压应力与荷载所引起正应力之和不大于最大许用应力的2倍,这比第Ⅷ卷第二册4-130中的1.5倍略有放宽。
       b. Lf-- 将公式(3-27)曲梁的强度条件用于管壁并用St代替公式(3-27)中的[σ]i,可得:
              ([σ]i /St)≤1……………(3-28)
       将比值σi/St用符号Lf表示,Lf的含义为:连接件荷载所产生的应力在管壁可用应力中所占的份额。在单位长度上施加单位荷载时,Lf的数值由管壁的结构尺寸D和1/t2来确定,前者与单位荷载所产生的弯矩有关,后者与单位长度管壁的截面系数有关。ASME将D与1/t2合并成一个结构参数,并得到管壁承受压缩或拉伸荷载时Lf的计算公式和线算图,见PW-43.2.1、PW-43.2.2和图PW-43.1。
       c.K-- 形状系数K反映荷载在管壁上的分布,与连接件在管壁上的圆心角(见图PW-43.2)有关。当圆心角为0o时,K=1.0,即集中荷载,圆心角增加时,应力分布到更多的管壁上,K的数值相应增加,亦即当其他条件相同时La增加。
       顺便指出,K的原文为design factor,如果译为设计系数,含义太泛,读者不易理解。其实design一词除了设计之外,还有另一个含义:arrangement of lines or shapes,可译为形状,在此为连接件与管壁交线的形状。
(5)偏心荷载
       由于结构布置上的原因,使管壁承受图PW-43.2中的垂直荷载Wr和偏心荷载W,此时可按材料力学中的弯拉(压)组合来求得连接处管壁纵向截面上所承受的实际荷载。PW-43.1.2中的公式表示在长为l、宽为单位长度纵截面上承受垂直荷载和偏心荷载时,正应力为垂直应力Wr/l与弯曲应力6We/l2之和。在长为l的管壁上,垂直应力都是相同的,例如受拉伸荷载时均为拉伸应力。需要注意的是: PW-43.1.2中的公式是原则性的,图PW-43.2中的Wr和W也无箭头,需根据Wr和W的具体情况分别计算管壁在连接处两端的组合应力。现按Wr和W均为同向荷载,将计算公式具体说明如下。
       Wr可以是一个独立的荷载,也可以是W的分量,根据荷载是压缩还是拉伸,管壁在连接处两端(即图3-13中的部位A和B)的垂直应力和弯曲应力见表3-3。

图3-13 垂直荷载和偏心荷载
       由图3-13和表3-3可知:无论是压缩还是拉伸荷载,都需要对部位A和B处的组合应力分别进行计算,求得这两个部位的实际荷载。我在这方面曾有两个教训,一个是第I卷中译本,另一个是JB/T6735。
表3-3 荷载类别与纵截面上应力的关系

荷载类别

压缩荷载

拉伸荷载

图3-12中简图

a)

b)

图3-12中部位

A

B

A

B

垂直应力

压缩

拉伸

弯曲应力

压缩

拉伸

拉伸

压缩

组合应力

压缩加压缩

压缩减拉伸

拉伸加拉伸

拉伸减压缩

       现以图A-72中的定位板为例,定位板承受的压缩荷载虽然垂直于管子轴线,但有偏心距,弯曲应力的分布与图3-13简图a)相同,A处为压缩应力,B处为拉伸应力,与垂直应力(A、B均为压缩应力)相加后,部位A的应力最大。答案中555和75lb/in之后的注,应为压缩处和拉伸处,我错译为压缩时和拉伸时,失之毫厘,差之千里,谨在此向第I卷中译本的读者表示歉意。
(6)JB/T6735的规定
       JB/T6735-1993《锅炉角焊缝强度计算方法》中纵向吊耳的计算采用PW-43中的公式和图,现在看来,有两个问题需给予重视。
       a.单位长度许用荷载: 当时采用第I卷1989版中的公式和线算图,因此需改按第I卷现行版本中的公式和图表计算。
       b.偏心荷载: 在偏心荷载的计算公式中,弯曲应力前的符号,规定拉伸荷载用减号,压缩荷载时用加号,对号入座,使用方便,但不够全面,使用时还是按具体情况具体分析为好。
©2007 Coryright Reserved 版权所有:中石协ASME规范产品协作网(CACI)
地址:北京西城月坛南街26号1号楼4032室
电话:010-68532102 传真:010-68532101 邮编:100825 E_mail:caci@caci.org.cn