ASME规范第I卷学习札记(5)注第三部分设计(下)
Notes in Learning ASME Code Sec. I (5) Part ThreeDesign (The last of three papers)(节选)
吕翔Lǔ Xiang
上海发电设备成套设计研究所 Shanghai Power Equipment Research Institute

简要说明学习ASME规范第1卷和B31.1中管道设计规则时的理解,主要内容为:管道类别、设计参数、承压设计和热膨胀设计,并与我国标准中的相应条文进行比较。
A brief description of understanding from learning the rules of piping design in ASME Code Sec. I and B31.1, the subject matters are:classification of piping, design conditions, pressuredesign and thermal expansion design, and comparing with the relevant provisions in China Standard.

ASME规范;第I卷;管道设计
ASME Code;Sec. I;Piping design

十二管道
        在管道设计方面,第I卷与ASME/B31.1《动力管道》有分有合,有分指锅炉本体管道的设计要求全部遵循第I卷,有合指锅炉范围内管道在总则方面遵循第I卷,在具体要求方面遵循B31.1。同为管道,B31.1中的设计要求要比第I卷复杂,其中既有锅炉本体管道与锅炉范围内管道本身的差别,也有由不同标委会起草的原因。
        动力厂的管道通常称为管道系统(piping system)或简称管系,可以认为:管系是由若干管道组成的一个整体。
1.管道类别
        上世纪60年代,ASME/BPVC的动力锅炉分委员会认为:原来对锅炉上所有管道均按第I卷进行建造的规定已不能满足高压高温锅炉安全运行的需要,为此把锅炉的汽水管道分为两类,一类是锅炉本体管道(boiler proper piping),另一类是锅炉范围内管道(boiler external piping),并把动力厂内不属于锅炉的汽水管道称为锅炉范围外管道(nonboiler external piping)。
        第I卷图PG-58.3.1、B31.1图100.1.2(A)以及第I卷序言第四段规定了这三类管道的安全监督范围和相应的接口,这些接口并非一定就是制造厂供货范围的接口。
        (1)锅炉本体管道
        锅炉本体内各受压件的连接管道,它们虽在炉外,仍属于锅炉本体,均称锅炉本体管道,它们的始端就是受压件上的接头。锅炉本体管道均按第I卷进行建造。
        (2)锅炉范围内管道在锅炉本体以外但均在锅炉范围(boundary of boiler)内的汽水管道均称锅炉范围内管道,包括:
        给水、主蒸汽和杂项管道。杂项管道为疏水、放水、放气、加药、排污、表计等管道的总称,高温热水锅炉的回水管道也属于锅炉范围内管道。
        第I卷和B31.1中称为boiler external piping的汽水管道,在我国称为锅炉范围内管道,见GB/T2900.48《固定式锅炉名词术语》和我国的锅炉安全技术规范。
        根据PG-58.3的规定,锅炉范围内管道在材料、设计、制造、安装和试验方面的要求均按B31.1,但它们与锅炉本体管道一样,也属于第I卷的安全监督范围,亦即,应填写制造厂数据报告、打ASME认证标志钢印和由授权检验师进行检验。
        锅炉范围内管道的始端在锅炉本体上的规定接头,终端在图PG-58.3.1和图PG-58.3.2以及PG-58.3.1~PG-58.3.7所规定的阀门。现以给水、主蒸汽和杂项管道为例,对它们的终端作进一步说明,见表3-4。
        表3-4锅炉范围内管道的终端

序号

名称

终端

1

给水管道

(1)单元制:止回阀,(2)母管制:调节阀,在上游未装截断阀时,为调节阀,在调节阀上下游各装一只截断阀时,为下游截断阀。

2

主蒸汽管道

(1)单元制:锅炉出口装有截断阀时,为此截断阀,未装时则为用汽设备上截断阀的进口,(2)母管制:锅炉出口第二只截断阀。

3

杂项管道

最外一只截断阀

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????        (3)锅炉范围外管道
        共三种,第一种是与锅炉相通,但在图PG-58.3.1等所规定的阀门以外,第二种是与锅炉以外其他压力容器(例如图PG-58.3.2中的启动分离器)相通的,第三种是与其他设备相通的。需要注意的是,再热蒸汽管道虽然与主蒸汽管道一样,是由锅炉本体接出的,但从图PG-58.3.1和图PG-58.3.2都可看出,它们属于锅炉范围外管道。
        第I卷和B31.1中的nonboiler external piping,在我国尚无相应术语,但由于它们处于锅炉范围以外,译为锅炉范围外管道比较易于理解。
        锅炉范围外管道与锅炉范围内管道在建造方面的要求相同,只是不属于第I卷的安全监督范围,因此不需要填写制造厂数据报告等。B31.1的136.1.2对它们的检验有以下规定:业主有责任进行符合性验证,即证明符合B31.1的所有有关要求。
        (4)我国的规定
        在我国,锅炉本体管道和锅炉范围内管道安全监督的依据是锅炉安全技术规范,锅炉范围外管道则按压力管道安全技术规范。
2.设计参数
        (1)概述
        B31.1第1篇的design conditions, condition一词的含义,作为名词主要有:particular state of existence (情况)、thing on which another thing depends (条件),作为动名词,则有大家已熟悉的 air condition(空调),此外,在某些词组中,它还有其他特定含义,例如在动力工程中广泛使用的 steam condition, 中译名为蒸汽参数(cen),而非蒸汽状态、蒸汽工况或蒸汽条件,此处的参数一词,含义为:在一系列给定的条件下不变而在另一些条件下可能会不同的量。由于这里的condition指设计时所使用的物理量,例如压力和温度等,在一定条件下,例如蒸汽管道的设计压力按安全阀整定压力,对给定的整定压力,此设计压力的数值是不变的,反之则应相应改变。SDJ6《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》和DL/T5054《火力发电厂汽水管道设计技术规定》都把这些物理量称为管道的设计参数。
        (2)实例(略)
        (3)我国的规定(略)
3.承压设计
        管道的承压设计即承受内压时的强度计算。对于直管,第I卷与B31.1的计算方法是一样的,差别在弯管。B31.1对弯管的承压设计有具体规定,例如厚度减薄和扁平度(f1attening,其含义相当于JB/T1611的椭圆率)等,第I卷则对此不作规定,由制造厂自定。
        (1)弯管与直管的差别(略)
        (2)弯管的管壁应力(略)
        (3)I-83-23条款解释(略)
        (4)美国制造厂的规定(略)
        (5)B31.1的规定(略)
        (6)我国的规定(略)
4.热膨胀设计
        所有的受压件都要考虑热膨胀,锅筒、集箱和管子由于有一定的膨胀位移,约束较小,管道则受到边界条件的限制,会使管材受到很大的热胀应力,同时,与管道相连接的零部件会受到很大的推力。虽然第I卷对热膨胀也没有作出规定,但美国制造厂在他们的应力分析企业标准中都按照B31.1的要求自订细则。由于热膨胀设计涉及较多的力学专业知识,本文仅作一般性说明。
        (1)热胀应力(略)
        (2)柔性分析(略)
        (3)热胀应力范围验算(略)
        (4)我国的规定
        GB/T16507《固定式锅炉建造规程》第10章水管锅炉,对热膨胀设计给出较为全面的原则性要求(东锅肖忠华起草),其中热胀应力范围的定义和许用值与B31.1基本相同。SDJ6则给出管道热胀应力范围验算的具体计算公式,也与B31.1基本相同。可以认为通过采用B31.1标准并结合自己的实践经验,我国在锅炉受压件热膨胀设计方面已有较为完整的规定。
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