关于旁路阀壁厚设计标准的对比研究

谢 匡

（上海希希埃动力控制设备有限公司，上海 200090）

0 概 述

汽轮机旁路阀是现代单元机组热力系统的一个组成部分。机组运行时，有时会发生锅炉和汽轮机的运行状态不相匹配的情况，即锅炉产生的蒸汽量大于汽轮机所需要的蒸汽量，旁路阀的作用就是让多余部分的蒸汽不再进入汽轮机，而是经过旁路减温减压后，直接将多余蒸汽引入凝汽器。有些旁路系统还承担着将锅炉主蒸汽经减温减压后，再引入再热器的任务，以保护再热器的安全。旁路系统的这些功能，在机组启动、降负荷或甩负荷时是十分需要的。因此，对于汽轮机旁路阀的壁厚设计要求也非常高，但是，对于旁路阀的壁厚设计，还末有较为详细和统一的标准要求。现根据国内外常用的设计标准并进行对比，引用的设计标准为ASME II Part D、ASME B16.34 、EN 12516－2 、GB150、GB 26640、GBT12224、NB／T 47044。

1 关于许用应力的不同要求

许用应力是机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。在不同国家和地区选用的设计标准中，对于许用应力的要求均有所不同。以中国、美国、欧洲国家为例，设计标准分别为GB150，ASME II Part D，EN 12516－2。

在各国设计标准中，我国根据GB150《压力容器》对材料许用应力的计算方法，如表1所示。美国（1）对奥氐体高合金钢制受压元件，当设计温度低于蠕变范围，且允许有隐量的永久变形时，可适当提高许用应力至0.9RteL（Rtp0.2），但不超过。此规定不适用于法兰或其他有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。根据ASME II Part D对材料许用应力的计算方法，如表2所示。欧洲国家根据EN 12516－2对材料许用应力的计算方法，如表3所示。

表1 GB150中许用应力的计算方法

各标准中，对材料都进行了划分，为了便于对比，选取旁路阀门材料中较为常用的碳钢和低合金钢。

对于碳钢，主要应用在425℃以下的工况中。许用应力的大小，取决于抗拉强度与屈服强度选用的安全系数。经对比，发现在GB150标准中，选取的安全系数分别为2.7或1.5；ASME II标准中的安全系数，分别取3.5或1.5；而在EN12516标准中，安全系数的取值最小，分别为2.4或1.5。可见，在同样设计工况下，EN标准中给出的许用应力将会最大。因此，若根据不同标准，对阀门进行壁厚设计，将对计算结果有着较为直接的影响。

对于低合金钢更多需要考虑高温下的使用工况，在GB150标准中，由10万小时断裂强度和10万小时1%蠕变分别除以安全系数，取较小值，安全系数分别是1.5与1。而在ASME II标准中，同样较多考虑了10万小时断裂强度及1 000小时的0.01%蠕变分别除以安全系数，取较小值，安全系数分别为1.25与1。在EN12516标准中，则仅考虑了10万小时蠕变除以1.5的安全系数。从表面数据分析可知，与常温工况下的设计条件相反，在EN标准中，对于高温下材料采用蠕变强度除以1.5的安全系数，所得的许用应力值是最小的，也是最为保守的。而我国标准和美国标准中的许用应力值则较为接近。

表2 ASME Boiler and Pressure Vessel Code II Part D中对材料许用应力的计算方法

表3 EN 12516－2Shell design strength中对材料许用应力的计算方法

2 壁厚的不同计算方法

关于旁路阀的壁厚计算，我国无直接对应的相关标准，故而选取电站阀门的设计标准 NB／T 47044－2014，参照该标准的计算方法进行计算。而在ASME标准中，录有阀门的专门标准B16.34。在欧洲标准中，仍可采用EN12516标准进行计算。

分别列出3种标准中对于壁厚的计算公式：NB／T 47044－2014标准中的壁厚计算公式：

ASME B16.34标准中的壁厚计算公式：

EN12516标准中的壁厚计算公式：

式（1）～式（4）中：p、pc—设计压力，MPa；

d、di—内直径，mm；

d0—外直径，mm；

t、ec—壁厚，mm；

［σ］、f、st—材料在设计温度下的许用应力，MPa；

kc—焊接系数。

在3种标准中，均有需要注意的细节。在NB／T 47044－2014中，是利用PN 为公称压力进行计算。在ASME B16.34中，是利用Pc的磅级单位进行计算，而EN12516中，则需要首先判断外径与内径的比值，分别按不同的公式进行计算。

为了方便对比各标准计算出来的壁厚数据，仍采用高、低温度下的2种工况，并分别选择2种材料，对应于2种工况条件进行分析计算。

工况1：工作压力为10MPa，工作温度为340℃，对应材料为SA105，阀门内径分别选取100 mm和300mm。

工况2：工作压力为12MPa，工作温度为538℃，对应材料为SA182F91，阀门内径分别选取100mm和300mm。

（1）按工况1进行计算

查 NB／T 47044中表 E.3，PN 选取为160 MPa，d1＝100mm，［σ］＝123.2MPa，t1＝5.98。

查 NB／T 47044中表 E.3，PN 选取为160 MPa，d2＝300mm，S＝123.2MPa，t2＝17.95。

查 ASME B16.34中表2－1.1，Pc＝Class 900，d1＝100mm，ST＝7000，t1＝10.45。

查 ASME B16.34中表2－1.1，Pc＝Class 900，d2＝300mm，ST＝7000，t1＝31.35。

对于EN12516，di1＝100mm，p＝10MPa，f＝123.2MPa，Kc＝1，t1＝5.3。

di2＝300mm，p＝10MPa，f＝123.2MPa，Kc＝1，t2＝13.7。

（2）按工况2进行计算

查NB／T 47044－2014中表E.3，PN 选取为250MPa，d3＝100mm，S＝110.2MPa，t3＝10.94。

查 NB／T 47044中表 E.3，PN 选取为250 MPa，d4＝300mm，S＝110.2MPa，t4＝32.8。

查ASME B16.34中表2－1.15，Pc＝Class 1500，d3＝100mm，ST＝7000，t3＝18.44。

查ASME B16.34中表2－1.15，Pc＝Class，1500，d4＝300mm，ST＝7000，t4＝55.32。

对于EN12516，di3＝100mm，p＝12MPa，f＝111.8MPa，Kc＝1，t3＝6.7，di4＝300mm，p＝12 MPa，f＝111.8MPa，Kc＝1，t4＝18.1。

经计算，2种工况下汇总数据，如表4、表5所示。

表4 按工况1计算所得数据 （mm）

表5 按工况2所得计算数据 （mm）

按工况1及工况2的条件进行计算所得数值，绘制成表格形式进行对比，如图1、图2所示。

图1 按工况1的条件计算所得参数

图2 按工况2的条件计算所得参数

从图1、图2可知，在2种不同工况下，分别应用3种标准进行计算，可以反映出相同的趋势。壁厚的计算厚度趋向于ASME B16.34＞NB／T 47044－2014＞EN12516，无论是100mm内径还是300 mm内径趋势都是相同的。而在图1中，还可以发现，应用NB／T 47044及EN12516标准计算时，在低温小口径时，计算所得的壁厚值较为接近，随着工作温度的升高，待转变至工况2条件时，计算所得的壁厚值将出现明显变化。在材料的选择上，工况1和工况2均选择了ASME材料，从前文关于许用应力计算也可以得知，ASME标准对于许用应力的计算是比较保守的。

3 结 语

通过计算可知，在ASME及B16.34标准中，当阀门在高温高压环境下使用时，壁厚的计算将是极为保守的。特别是在超临界乃至超超临界机组的工况下，采用该类标准对旁路阀进行设计，计算所得的壁厚较大，不但造成了材料的浪费，还增加了不必要的成本，另外，也将增加阀体内外壁的温差，会产生较大的热应力，这样的现象是需要避免的。因此，对于旁路阀的壁厚设计，当使用 NB／T47044及EN12516标准计算时，选取的壁厚较为合理，也比较经济。