锅炉受压筒体强度采用ASME规范与国内标准计算方法的对比

陈志刚，张旭，毛富杰，王方

(天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192)

0 引言

美国ASME锅炉及压力容器规范是由美国机械工程师学会ASME(American Society of Mechanical Engineers)的锅炉及压力容器委员会(BPVC)制定的，是世界上最早应用的标准之一，现已被公认为世界上技术内容最完整、应用最广泛的压力容器标准。从2010版ASME规范开始，将之前每3年再版1次、每年进行增补的规范更新方式改为每2年再版1次、每年不再进行增补。截至2010年年底，我国大陆地区共有500余家制造厂持有ASME钢印700余枚，其中绝大部分厂家亦持有国内的特种设备制造许可证。在水管锅炉的强度计算中，受内压筒体元件的强度计算十分普遍且非常重要，如锅筒、集箱等。ASME规范第Ⅰ卷［1］与我国GB/T 9222—2008《水管锅炉受压元件强度计算》标准［2］关于锅炉强度计算的规定有所不同，因此，将ASME规范第Ⅰ卷2010版与GB/T 9222—2008《水管锅炉受压元件强度计算》标准关于受内压筒体强度计算的异同进行分析，有助于制造厂准确执行ASME规范，提高产品设计效率，增强我国企业的国际竞争力。

1 筒体壁厚强度计算

1.1 计算公式的差异

ASME规范第Ⅰ卷与GB/T 9222—2008中受内压圆筒形元件强度计算均以最大剪应力强度理论(第三强度理论)为依据，但公式形式、参数选取方式及数值不尽相同。

GB/T 9222—2008中锅筒筒体设计计算厚度采用了公式(1)，集箱、管子和锅炉范围内管道的设计厚度可以归纳为计算公式(2)。

式中:δs为筒体设计计算厚度，mm;p为计算压力，MPa;Dn为筒体内径，mm;Dw为筒体外径，mm;φmin为最小减弱系数;［σ］为许用应力，MPa;δf为附加壁厚;φ为减弱系数(对于集箱取为φmin，对于管子和管道取为φh)。

ASME规范第Ⅰ卷则根据内压筒体的用途和外径尺寸的不同分为:对于外径≤125 mm的管子，其最小需要壁厚计算依据为公式(3)，锅筒、集箱、管道的最小需要壁厚计算依据为公式(4)。

式中:p为最高允许工作压力，MPa;D为筒体外径，mm;S为金属设计温度下的最大许用应力，MPa;w为焊接减弱系数;e为胀接管端部处的厚度因子;y为温度系数;E为减弱系数。

需要指出的是，这里所说的管道为公称管，其用途为流体输送，与管子不同。因此，即使管道的外径≤125 mm也不得使用公式(3)。公式(2)，(3)中的焊缝减弱系数的确定方式不同:在 GB/T 9222—2008中，焊缝减弱系数φh根据8种不同的焊缝形式确定;ASME规范第Ⅰ卷中规定，无缝或焊接筒体的E值为1，或者等于PG－52或PG－53的孔桥减弱系数，w则根据管子的材料和温度按照PG－26而定。在计算壁厚时，计算压力在ASME规范第Ⅰ卷和GB/T 9222—2008中均为受压元件各自的工作压力，但由于安全阀整定值的不同，前者的附加压力(安全阀超压幅度不得大于6%)要小于GB/T 9222—2008中的值。此外，管子壁厚计算公式(3)中的p无需考虑部件位置的静压头，这也不同于GB/T 9222—2008的规定。ASME规范第Ⅰ卷中并没有GB/T 9222—2008中采用的弯管形状系数K，其类似的壁厚补偿值为公式(3)中引入的经验数据0.005D。公式(3)，(4)中的附加壁厚可包括腐蚀裕量、螺纹接头附加厚度，与GB/T 9222—2008中的附加厚度有所差异且数值小于后者。对于厚壁，ASME规范除去正文中提到的公式(3)，(4)外，还可以根据工程需要适当选择采用非强制性附录A－317提供的计算公式(5)，(6)。

式中:D为筒体外径;Di为筒体内径，mm;f为胀接管端部处的厚度因子。

此外，ASME规范非强制性附录A－125还提供了壁厚大于筒体内径1/2时的计算公式，这些在GB/T 9222—2008 中均没有涉及［3］。

1.2 孔桥减弱系数

ASME规范第Ⅰ卷中将孔桥分为按一定格式排列孔桥和不按一定格式排列孔桥2种。前者减弱系数的计算与GB/T 9222—2008的基本思路是一致的，但两者也有差别。

首先，ASME规范中斜向孔桥减弱系数的计算公式较GB/T 9222—2008要相对复杂，虽然均提供了线算图，但ASME规范的查找条件为纵向孔桥减弱系数和2个孔间节距比值p′/p(如图1所示)，这与GB/T 9222—2008中的查找方法不同。

其次，ASME规范第Ⅰ卷中当任意一列管孔的节距不等时(如图2～图4所示)，孔桥减弱系数应根据管孔距平均值进行计算

图1 确定圆筒体开孔间纵向孔桥减弱系数和斜向孔桥减弱系数的线算图

式中:E为孔桥减弱系数;l1为一系列按一定格式排列的管孔组中2个开孔之间的距离，mm;n为长度l1内的孔数;d为管孔直径，mm。

ASME规范中不按一定格式排列的孔排在满足PG32.1.2的条件下，平均孔桥减弱系数应按照PG53.2和PG53.3进行计算，在一定条件下，不以局部最小的孔桥减弱系数计算筒体壁厚。该类计算和规定比较复杂，因此，为保证产品与规范的一致性，在非必要的情况下，还是采用按一定格式排列孔桥的计算方法确定孔桥减弱系数。

1.3 开孔补强计算

ASME规范第Ⅰ卷将开孔补强分为单孔补强和多孔补强，而GB/T 9222—2008则分为单孔补强和孔桥补强2种。两者采用的单孔补强均为等面积补强，前者的多孔补强是指任意2个需要补强的相邻孔，当节距小于2倍PG36.2规定值而发生两者有效补强范围重叠时，需要的总补强面积为各个孔单独所需补强面积之和;而后者所说的孔桥补强是指在作为单孔无需补强的2个孔成为孔桥时，2个孔的剩余金属对孔桥的补强。ASME规范第Ⅰ卷补强条件范围更广，其补强计算根据筒体外径不同，分别适用于:当D≤1500mm时，d≤0.5D且d≤500mm;当D≥1500mm时，d≤1/3D且d≤1000mm(d为开孔直径)。GB/T 9222—2008适用于:d/D＜0.8且d＜600 mm的径向开孔(当开孔为长短轴之比≤2的椭圆孔时，d取长轴直径)。

1.3.1 单孔补强计算

首先，需要确定单孔是否需要补强。ASME规范规定了筒体未加强孔的最大允许直径为以下2条中的最大值:

(1)筒体内径的1/4并且不大于60 mm;

(2)按照 PG32.1.2，即公式(8)进行计算的结果。

式中:dmax为未加强孔最大允许直径，mm;K =pD/(1.82Sδ)。

GB/T 9222—2008则规定:当K＜0.4时不需进行计算，当K≥0.4时的最大允许直径根据线算图查得。这与ASME规范2007版确定最大允许直径的线算图法相类似。ASME规范第Ⅰ卷中引入了修正系数F，用于反映相对于圆筒体纵轴的不同截面上压力所产生应力的差异，但GB/T 9222—2008仅在计算孔桥加强时才引入了类似的修正系数。ASME规范第Ⅰ卷中孔的补强形式中还增加了带过渡段形式的管接头补强要求。2种方法在所需补强面积的算法上基本一致，但补强面积中壁厚和有效加强高度等有所差异，具体数值也不完全相同。

1.3.2 多孔、孔桥补强计算

图5 多孔补强示意图

ASME规范第Ⅰ卷中的孔桥补强计算与单孔补强相类似，也采用PG33的补强公式。2个孔直径均大于最大未加强孔，间距在4/3倍2个孔的平均直径和2倍PG36.2规定值之间。ASME规范PG38提供了3种结构形式的补强面积计算方法(图5中:对于径向开孔，5，6，7，8 所示的截面面积应至少等于1，2，3，4所示的截面面积乘以0.7;δr为无缝筒体的最小需要壁厚)，此处仍然引入了修正系数F。GB/T 9222—2008中仅给出了作为单孔无需补强的2个孔或只有1个孔需要补强的条件下的孔桥补强计算，对于孔桥内2个孔均须补强的情况GB/T 9222—2008在第12章中未涉及相关内容，而是将其放入了第13章采用验证法进行强度校核。

2 结论

ASME规范第Ⅰ卷的强度计算准则与GB/T 9222—2008基本思路一致，但在某些方面存在一定差异。

(1)ASME规范第Ⅰ卷每2年再版1次，能及时将生产中遇到的实际问题纳入规范，具有明显的先进性和实用性。

(2)ASME规范第Ⅰ卷对管子厚度计算引入了焊缝强度减弱系数、附加厚度、胀接管端部处厚度因子并且计算压力不计入静压头，提供了厚壁筒体的强度计算方法，其应用范围比 GB/T 9222—2008更广。

(3)ASME规范第Ⅰ卷中引入了孔桥内2个孔均须补强时的补强计算方法，GB/T 9222—2008则将其纳入验证法强度校核的范畴，不及ASME规范应用方便。

［1］ASME/BPVC SEC I Spanish—2010，Section I Rules for Construction of Power Boilers［S］.

［2］GB/T 9222—2008，水管锅炉受压元件强度计算［S］.

［3］唐志忠，夏国泉.ASME规范第l卷锅炉受压元件强度准则分析［J］.江苏锅炉，2010(2):1 －2.