ASME BPVC.VIII.1-2021 中换热管与管板连接焊缝强度计算及探讨

王 任 中国成达工程有限公司 成都 610041

在管壳式换热器设计中， 换热管与管板连接型式通常有强度胀、 强度焊、 强度焊加贴胀、 内孔焊， 而强度焊或强度焊加贴胀应用最广。 采用强度焊或强度焊加贴胀时， 换热管与管板连接焊缝尺寸要求及强度校核是换热器设计计算中非常重要的部分。 本文将结合标准规范对此计算进行分析和探讨。

1 ASME BPVC. VIII.1-2021 中强度焊的分类及要求

按ASME BPVC. VIII.1-2021 中UW-20 章节规定， 强度焊分为完全强度焊和部分强度焊。 完全强度焊与部分强度焊尺寸计算公式一致， 只是设计强度与换热管轴向强度之比取值不同， 完全强度焊时， 取设计强度与换热管轴向强度的比值为1。GB／T151-2014 中没有对强度焊进行分类， 只是对设计选定的焊接尺寸进行各工况下的应力校核。

1.1 完全强度焊

对于完全强度焊， 标准中要求焊缝强度应大于等于换热管的轴向强度， 焊缝尺寸需满足UW-20.6 的要求。 根据此原则， 只要换热管与管板连接焊缝尺寸满足完全强度焊的最小尺寸要求， 就无需进行换热管与管板连接焊缝的轴向载荷校核， 此焊缝也无需进行剪切载荷试验， 只需对换热管进行轴向载荷的校核。

1.2 部分强度焊

部分强度焊（非密封焊） 的焊缝强度不大于换热管的轴向强度， 设计强度（焊缝设计强度）是根据各工况下的轴向载荷来确定的， 焊缝的最小尺寸要求是根据设计强度来进行计算的， 即满足UW-20.6 的要求。 按部分强度焊的要求可以得知，由于焊缝强度是小于等于换热管轴向强度的， 因此， 只需校核焊缝由于轴向载荷引起的应力， 此应力满足要求， 换热管的轴向应力也满足要求。 对于部分强度焊， 如果通过计算焊缝尺寸对应的焊缝强度能满足设计中各工况下轴向载荷作用的要求， 则焊缝无需进行剪切载荷试验； 反之， 则需按附录A进行焊缝最大允许载荷测定。

2 符号及公式说明

2.1 ASME BPVC. VIII.1-2021 标准中符合及公式说明

Fd—设计强度， N

Ft—换热管轴向强度（换热管截面积与换热管许用应力的乘积）， N

fd—设计强度与换热管轴向强度比值， 当为全强度焊时， 取值为1.0

d0—换热管外径， mm

Sa—换热管许用应力， MPa

St—与换热管焊接的管板部分材料许用应力，MPa

Sw—换热管与管板连接焊缝许用应力（Sa与St的小值）， MPa

fw—焊缝强度系数， 即Sa／Sw

Ff＝0.55πaf（d0＋0.67af） Sw（对于b 型）

Fg＝0.85πag（d0＋0.67ag） Sw（对于b 型及c 型）

2.2 GB／T151-2014 标准中符合及公式说明

σt—换热管轴向应力， MPa

a—1 根换热管管壁金属的横截面积， mm2

d—换热管外径， mm

l—换热管与管板的焊接高度（强度焊时）， mm

q—换热管与管板连接的拉脱力， MPa

［q］ —许用拉脱力， MPa

3 ASME BPVC. VIII.1-2021 标准中强度焊需要的最小焊缝尺寸分析及推导

管壳式换热器设计中， UW-20 中的b 型和e 型连接接头是使用最频繁的接头型式， 因此， 本文仅对b 型和c 型连接接头的焊缝尺寸公式进行分析和推导， 其余型式的原理一致。 b 型和c 型连接接头的示意图见图1 和图2。

图1 b 型连接接头

图2 c 型连接接头（af ＝ag）

从标准得知， 无论是全强度焊还是部分强度焊， 焊缝强度等于设计强度， 即角焊缝强度与坡口焊缝强度之和等于设计强度， 即

3.1 b 型连接接头焊缝尺寸公式推导

由于b 型连接接头只有坡口焊缝， 因此， Ff＝0， 得出Fg＝Fd， 并将Fg及Fd的公式代入式（1）得出

将Ft＝πt（d0－t）Sa代入上式， 可知

由fw＝Sa／Sw得出Sa＝fwSw， 继续代入公式可得

两边同时乘以1.76 得

数字圆整并在两边同时加上（0.75d）2， 则

由于b 型连接结构中只有坡口焊缝ag参与了计算， 因此对应强度焊， 需要的焊缝尺寸应为

3.2 c 型连接接头焊缝尺寸公式推导

c 型连接接头既有角焊缝又有坡口焊缝， 将Ff、 Fg及Fd的公式代入式（1） 可得

将Ft＝πt（d0－t）Sa代入上式， 可知

将Sa＝fwSw代入上式， 并整理得出

根据标准要求af＝ag， 代入并整理得到

0.938a2g＋1.4d0ag＝fdt （d0－t） fw， 两边都乘以1.07， 整理得到

1.00366a2g＋1.498d0ag＝1.07fdt （d0－ t） fw，圆整并在两边同时加上（0.75d0）2， 得

因此， 需要的总的焊缝尺寸为

4 GB／T151 标准的焊缝拉脱力计算及转换

GB／T151-2014 标准的强度焊没有进行完全强度焊和部分强度焊的划分， 在设计计算时， 同时对焊缝的拉脱力和换热管的轴向应力进行校核。 由于GB／T151 是对焊缝的拉脱应力进行计算， 再与许用拉脱应力进行比较， 计算形式与 ASME BPVC. VIII.1-2021 不一样。 为了方便进行对比，按照GB／T151 的焊缝拉脱力计算原理， 将GB／T151 中拉脱力公式转换为ASME BPVC. VIII.1-2021 中的焊缝强度公式， 具体如下：

按q≤3 ［q］ （考虑膨胀应力）， 两边相等， 进行整理可得到

从标准可知， min ｛［σ］tt， ［σ］tr｝ 与ASME BPVC. VIII.1-2021 中的Sw（换热管与管板连接焊缝许用应力） 一致， l 等于ASME BPVC. VIII.1-2021 中的ag（b 型连接接头时） 或ag＋af（c 型连接 接 头 时）， σta 及 σta／3 即 为 ASME BPVC. VIII.1-2021 中的设计强度Fd， d 用ASME BPVC. VIII.1 －2021 中的d0代替， 则上述公式可以转换为

按本文第3 节的推导Fd＝fdπt （d0－t） fwSw，

将式（5） 及式（6） 进行整理得出

因此， b 型连接接头需要的总焊缝尺寸为：

c 型连接接头需要的总焊缝尺寸为：

5 算例及比较

为了方便比较， 设定ASME BPVC. VIII.1 －2021 与GB／T151 －2014 中选用的材料一致， 且材料的许用应力等力学性能一致。 假设一固定管板换热器的换热管的直径为Φφ19 mm， 换热管壁厚为2 mm， 管板许用应力为100 MPa， 换热管许用应力值为130 MPa， 不计入膨胀变形差的单根换热管轴向力为2136 N， 计入膨胀变形差的单根换热管轴向力6408 N。 根据标准中设计强度的取值原则， 不计入膨胀变形差时， 设计强度都取换热管的轴向载荷， 计入膨胀变形差时， 假定无论合作连接接头型式， 焊脚高度都大于等于换热管厚度， 则ASME BPVC. VIII.1-2021 中的设计强度应为轴向载荷除以2， GB／T151-2014 中的设计强度应为轴向载荷除以3， 计算结果见表1、 2、 3。

表1 设计计算参数表

表2 完全强度焊计算结果

表3 部分强度焊计算结果

6 结语

（1） 采用完全强度焊时， 焊缝尺寸的计算与换热管的轴向强度有关， 而与设计各工况的换热管实际轴向载荷无关， 焊缝尺寸计算简便快捷。

（2） 部分强度焊需要按不同工况下换热管轴向载荷确定的不同设计强度计算焊缝尺寸， 并取大值。

（3） 完全强度焊计算所需的换热管与管板连接接头的焊缝尺寸比部分强度焊所需的焊缝尺寸大。 当换热管实际轴向载荷较小时， 所需焊缝尺寸大小相差特别明显。

（4） 从ASME BPVC. VIII.1-2021 公式中可以看出， 换热管与管板连接的角焊缝考虑的焊缝系数为0.55， 坡口焊缝考虑的焊缝系数为0.85； 而从GB／T151-2014 拉脱力反推过去的公式可以看出，GB／T151-2014 对角焊缝和坡口焊缝考虑的焊缝系数都为0.5。

（5） 根据上述焊缝系数的考虑， 在相同条件下（如材料及许用应力假定一致）， 完全强度焊时， GB／T151-2014 计算所需的焊缝尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021 大； 部分强度焊时， 不考虑膨胀差时， GB／T151-2014 计算所需的焊缝尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021 大； 当考虑膨胀差时， 且焊脚高度大于换热管壁厚时， 由于 ASME BPVC. VIII.1-2021 的轴向允许载荷为焊缝强度的2倍， 而GB／T151-2014 的轴向允许载荷为焊缝强度的3 倍， 因此， 对于b 型连接接头GB／T151-2014计算所需的焊缝尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021大， 对于c 型连接接头GB／T151-2014 计算所需的焊缝尺寸比ASME BPVC. VIII.1-2021 小。

（6） 按照ASME 标准中的规定， 部分强度焊焊缝的最大许用轴向载荷可以按标准中UW-20.5计算或非强制性附录A 的规定进行计算。 当部分强度焊不满足UW-20.5 的要求时， 需按附录A 确定焊接接头的最大允许载荷。