ASME规范第I卷学习札记(6)注第四部分制造(上)(节选)
Studying Notes for ASME Code Sec. I (6) Part FourFabrication ( Part A)
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I卷制造方面规则时的理解,主要内容为:、接头设计、焊接评定和焊接作业,并与我国标准中的相应条文进行比较。
Comprehensions while studying the rules for fabrication in ASME Code,Sec,I,the main contents of this paper are :joint deign,welding qualification and welding works,and comparing with the relevant provisions in China Standards.

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

       锅炉制造中使用的工艺很多,包括:机加工、压力加工(锻压、冲压)、连接(焊接、胀接、铆接、钎焊)和铸造,但第I卷中只有用焊接、铆接和钎焊方法制造锅炉的规则,对其他制造方法则规定很少。以胀接为例,按PG-39的规定,允许采用胀接连接,美国的制造厂对胀接不仅用于锅壳锅炉,还用于水管锅炉,例如CE公司的VU型锅炉和BW公司的FM型锅炉,但第I卷只在PWT-11PFT-12中对胀接结构的型式作了一些规定,至于管孔间距、材料硬度、胀管率等均不作规定,由制造厂自订。
       本文包括焊接和其他制造方法。

一、接头设计
       接头的设计原则是保证强度和便于施焊,对受压件,还要防止泄漏。
1.焊缝类型
       ASME规范对焊缝按熔敷金属位置、焊件位置和荷载类别分类。
       (1)熔敷金属位置
       由第Ⅸ卷《焊接及钎接评定标准》中的术语可知,ASME规范把熔敷金属在焊件表面内的焊缝称为坡口焊缝,在表面外的称为角焊缝,有的焊件还使用坡口焊缝与角焊缝的组合,以提高焊缝抗剪切的强度和完整性。
       坡口焊缝又按焊缝厚度等于焊件的全厚度或部分厚度,分为全焊透和部分焊透焊缝。以管接头与筒体的连接焊缝为例,外置式管接头按管壁上的焊缝厚度,图PW-16.1中,简图(a)、(b)等为全焊透焊缝,内置式则按器壁上的焊缝厚度,筒图(f)为部分焊透焊缝,简图(g)则为全焊透焊缝。
       部分焊透(partial penetration)和未焊透(imcompletion penetration)有区别,前者表示焊件的连接程度,后者表示焊缝的不完整性。
       (2)焊接位置
       ASME规范与我国一样,也按焊件的相对位置分为对接、角接和T形接头。
       (3)荷载类别
       共3种,承受内或外压、承受重力、不承受荷载。承受重力的焊缝主要为吊耳等支吊件上的焊缝,不承受荷载的焊缝主要为焊接鳍片管上的扁钢和敷设覆盖层用的销钉。
2.主要设计要求
       受压件上的对接接头与T形接头,在荷载、施焊和检查三个方面的具体情况不完全相同,因此设计要求有差别。
       (1)对接接头
       a.强度
       从两方面来保证强度,一个是应采用全焊透焊缝,见PW-9.1PW-41.2.2,另一个是应100%射线照相检验,见表PW-11。因此焊缝减弱系数取1.0,见PG-27.4,注1。
       b.位置
       对焊缝位置有这样那样的要求,本质上都是为了避免焊缝会受到各种不同附加应力的影响,例如应力集中(开孔)和局部弯曲应力(形状不连续部位),另外还要考虑相邻焊缝对施焊质量的影响和焊接应力的相互影响。在第I卷中,只对封头扳边直段的长度有要求,见PW-13,其他方面由制造厂自定。
       PW-13中对封头扳边直段的要求不包括球形封头,这是因为球形封头的应力只有在筒体的一半,附加弯曲应力可不考虑。这有利于降低球形封头顶部的工艺减薄量。
       在开孔方面,上世纪50年代后,由于焊接和无损检验技术的发展,ASME规范允许在焊缝上及其附近开任何型式的孔,见PW-14。根据PG-39管子和管接头与容器壁的连接,这里的任何型式开孔包括PG-39中的焊接、胀接等4种连接方法的开孔。
       c.坡口
       坡口形状和尺寸与焊接方法和焊件厚度有关,用两个尺寸来表示,一个是坡口尺寸,另一个是钝边尺寸。PW-9.2对坡口提出原则性要求:使接头能完全熔合和全焊透,这要求坡口尺寸不能太小,太小会造成熔深不足和末焊透,两个尺寸选用不当都会影响接头强度。
       当然,设计时还要考虑坡口尺寸太大易于变形和钝边尺寸太小易于烧穿的问题。
       d.削薄
      
尺寸不同材料对接主要有两种情况,一种是锅筒纵缝(上、下半瓦对接)或环缝(封头与筒体对接),另一种是外径或(和)厚度不等管材的对接。削薄与弯管一样,都会因形状不连续而产生附加的弯曲应力。与弯管不同的是这个弯曲应力除了与反映形状不连续的削薄斜度有关外,还要受到对齐方式的影响。现根据圆筒形内压受压件三向应力的以下两个特点对削薄作简要说明:一个特点是三向应力中环向应力最大,另一个特点是环向应力沿筒体厚度的分布,内壁最大,外壁最小。
       不等厚度筒体中线对齐时,削薄斜度取1:3,削薄处横截面上环向应力最大值的位置已不在内壁而在中线处,但最大值仅增加4%左右,因此图PW-9.1削薄斜度取1:3是安全的。

在另一方面,对齐方式对应力影响要大得多,当其他条件相同时,中线对齐的环向应力小于内或外壁对齐,这是因为内或外壁对齐时,还要考虑中线偏斜所产生的附加弯曲应力。因此图PW-9.1把中线对齐作为优先选用的型式,允许使用内壁对齐,但只限于环缝,这既是由于环缝在装配时按中线对齐难度较大,同时也考虑了环缝应力只有纵缝的一半。
       然而即使是纵向接头,中线对齐毕竟没有内或外壁对齐方便,通过应力分析,美国某制造厂提出是否允许不等厚度的接头内壁对齐的技术咨询,ASME/BPVC于1995年发布规范案例2210表示同意,并提出附加要求。案例2210已经以第I卷2001年增补的形式转化为PW-9.3.1的条文。
       (2)T形接头
       a.管接头连接焊缝
       在本文第二部分设计,第八节管接头连接焊缝(见本刊2003年第3期第37页)中对此类焊缝的型式和强度作了简要说明,现补充如下。
       对管接头连接焊缝的设计要求只有两个,即:型式和强度。
       在型式方面,应当在PW-16.1中所规定的4种型式中任择其一,这个规定始于上世纪50年代。由于焊接技术的发展,为了在确保安全的基础上降低生产成本,2004版新增PW-16.6,明确规定管径不大于NPS6(外径168mm)的管接头或管子可以一侧用部分焊透焊缝或角焊缝与容器连接,见图PW-16.1中的简图(y),(z)和(aa)。GB/T16507图10-6简图(d)的型式与图PW-16.1筒图(z)基本相同。
       在强度方面,除全焊透焊缝外,其他型式的连接焊缝均需按PW-15.1的规定进行强度计算,见PW-15.1.6
       b.其他连接焊缝
       受压件上的T形接头,除管接头连接焊缝外,主要为:烟管(见PFT-12)、支吊件(即PW-43中的结构连接件)、焊接拉杆(见PW-19)和焊接鳍片管上扁钢的连接焊缝,共4种。
       对烟管与管板的连接焊缝,除了图PFT-12.1中的简图(f)(角焊缝)和简图(g)(组合焊缝)外,2003年发布了案例2428,提供了一个全新的型式,见图3-1,其优点为:可以不将烟管插入管板使焊缝受到锅水冷却、便于从管板外侧施焊。该案例的编号现为2428-1,批准日期为2004年8月4日,除非ASME在今后予以废止,这种型式将继续允许使用。
图3-1烟管与管板的连接焊缝(略)
       对支吊件连接焊缝,只在图PW-16.2中给出允许采用的3种型式,即:双侧角焊缝、全焊透或部分焊透焊缝加双侧角焊缝,至于强度,PW-43中的规则只用于计算管壁所能承受的荷载(见本刊2004年第2期第11页),至于焊缝的强度计算,则由制造厂自订。
       对焊接拉杆连接焊缝,在PW-19中对焊缝型式和强度计算均有明确规定,本文第三部分曾作简要说明,见本刊2004年第2期第9页
       对焊接鳍片管,由于扁钢是不承受荷载的非受压件,只在PW-28.1.2中规定应进行焊接评定,其他方面由制造厂自定。
3.我国的规定
       我国在焊接接头设计方面与第I卷的主要差别有以下4项。
       (1)焊缝位置(略)
       (2)焊缝上开孔(略)
       (3)管接头连接焊缝(略)
       (4)其他连接焊缝(略)

二、焊接评定
       焊接评定的规则按第Ⅸ卷,现简要说明如下。
       焊接评定包括焊接工艺评定和焊工技能评定。焊接评定不仅用于受压件,焊接其他受力构件(例如钢结构)时也应进行焊接评定。
       焊接评定是通过制备试件来证实所拟定的焊接工艺规程或者按评定合格焊接工艺规程施焊焊工的技能是否满足规定要求的过程。这个规定要求,各国不完全一样,ASME规范是:工艺评定时是保证力学性能,技能评定时是保证熔敷优质焊缝金属的能力。力学性能中,一种是冲击韧性以外的其他力学性能如抗拉强度等,另一种是冲击韧性。
       现将焊接评定的主要规则简要说明如下。
1.焊工(略)
2试件(略)

3.焊接条件(略)
4.母材分类(略)
5.重新评定(略)
6.我国的规定(略)

三、焊接作业
       第I卷在焊接作业方面的规则,除了要求焊工按通过工艺评定所编制的焊接工艺规程施焊外,其他内容可概括为:焊接方法、预备性作业、完工焊缝识别和缺陷修补5项。
1.焊接方法(略)
2.预备性作业(略)
3.完工(略)
4.焊缝识别(略)
5.缺陷修补(略)
6.我国的规定
       我国对锅炉受压件在焊接作业方面的要求按《蒸规》和JB/T1613《锅炉受压元件焊接技术条件》等系列标准,与第I卷最重要的差别在缺陷修补方面,有两个很大的差别,一个是:修补次数,第I卷不作规定,我国则不得超过3次,第二个是:第I卷中的规则是为了补焊后不重新焊后热处理而制定的,我国则规定:要求焊后热处理的焊件,返修后应进行焊后热处理。对生产成本的影响不言自明。因此如何才能做到既要迎头赶上又要适合国情,是一个很值得注意的问题。

©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