劉曉偉，黃維林中國東方電氣集團(tuán)有限公司

ASME B31.1和中國標(biāo)準(zhǔn)在150MW燃煤發(fā)電廠四大管道設(shè)計上的異同

劉曉偉，黃維林
中國東方電氣集團(tuán)有限公司

在火力發(fā)電廠四大管道承壓設(shè)計過程中，ASME B31.1與中國標(biāo)準(zhǔn)的差異一直是國內(nèi)大型工程公司的設(shè)計建造人員尤為關(guān)心的問題。本文詳細(xì)分析了兩個標(biāo)準(zhǔn)在管道承壓設(shè)計方法上的異同，并以某150MW燃煤發(fā)電廠四大管道為例，對比了分別按照兩個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)格選型的結(jié)果，并評估了其對工程造價的影響。

ASME B31.1；四大管道；承壓設(shè)計

在火力發(fā)電廠管道設(shè)計中，ASME B31.1《動力管道》[1]作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了管道材料、設(shè)計、制作、安裝、檢查、檢驗(yàn)和試驗(yàn)等要求，并已經(jīng)成為國際上廣為認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。GB 50764-2012《電廠動力管道設(shè)計規(guī)范》[2]是我國在動力管道設(shè)計領(lǐng)域的一部現(xiàn)行的主要標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定在很多方面借鑒了ASME B31.1的要求，但結(jié)合我國國情對某些具體規(guī)定作出了相應(yīng)調(diào)整。理清ASME B31.1與GB 50764-2012之間的異同及其對工程造價的影響，是國內(nèi)大型工程公司的設(shè)計建造人員尤為關(guān)心的問題。本文將從某150MW等級火力發(fā)電廠四大管道規(guī)格選型入手，對ASME B31.1與GB 50764-2012在管道規(guī)格選擇上的差異進(jìn)行分析。

1.計算方法對比

1.1ASME B31.1中管道的承壓設(shè)計方法

ASME B31.1在其104.1節(jié)中指出，承受內(nèi)壓的直管最小壁厚由下式確定：

其中tm表示管道所需最小壁厚，P表示管道的設(shè)計壓力，Do表示管道外徑，SE是設(shè)計溫度下由內(nèi)壓力和焊縫接頭系數(shù)所確定的材料最大許用應(yīng)力，y是與管道材料和設(shè)計溫度有關(guān)的系數(shù)，A表示附加厚度，包括補(bǔ)償機(jī)械加工的附加壁厚、增加力學(xué)強(qiáng)度的附加壁厚和補(bǔ)償腐蝕侵蝕的附加壁厚。規(guī)范要求在按照上式確定最小管壁厚度后，還應(yīng)加上一定數(shù)值，以提供相應(yīng)管道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)所允許的或工藝上要求的制造偏差。然后根據(jù)厚度規(guī)格（如B36.10M[3]內(nèi)所列規(guī)格）或制造廠的非標(biāo)準(zhǔn)厚度規(guī)格，選用接近的較厚商品壁厚。

1.2GB 50764-2012中管道的承壓設(shè)計方法

GB 50764-2012《電廠動力管道設(shè)計規(guī)范》[2]是中國適用于火力發(fā)電廠范圍內(nèi)的蒸汽和水管道的設(shè)計規(guī)范。在其6.2節(jié)給出了計算直管最小壁厚、計算壁厚和取用壁厚的方法。對于Do/Di≤1.7的承受內(nèi)壓的直管的最小壁厚計算公式為：

其中Sm表示管道在設(shè)計壓力和設(shè)計溫度下所需的最小厚度，p表示管道的設(shè)計壓力，Do表示管道外徑，[σ]t是設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，η是許用應(yīng)力的修正系數(shù)，與管道種類和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，Y是與管道材料和設(shè)計溫度有關(guān)的修正系數(shù)，C表示附加厚度，包括腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加壁厚。同時，管子的計算壁厚按下式進(jìn)行計算：

其中C1是管子壁厚負(fù)偏差的附加值。對于內(nèi)徑管，負(fù)偏差值取0，對于外徑管，m是壁厚允許負(fù)偏差，取百分?jǐn)?shù)。管子的取用壁厚還要在計算壁厚的基礎(chǔ)上，計入對口加工裕量，再到管子產(chǎn)品的公稱壁厚系列中進(jìn)行選取。

對比兩個規(guī)范在計算公式上的差別。兩個公式中管道最終選取的壁厚都應(yīng)不小于取用壁厚，但從公式的組成結(jié)構(gòu)上來看，B31.1中的壁厚選取要考慮承受內(nèi)壓，并計入腐蝕、磨損、加工損失和加工誤差的影響；而GB 50764-2012中的壁厚選取除了以上因素外，還需要額外考慮對口加工裕量的影響。

1.3計算參數(shù)選取的異同

具體到每一個參數(shù)的選取，兩個規(guī)范的要求大同小異。對于許用應(yīng)力，B31.1中的SE一項(xiàng)所表達(dá)的材料許用應(yīng)力，考慮了材料種類和焊縫質(zhì)量系數(shù)的影響。GB 50764-2012中的[σ]tη所表達(dá)的物理含義是相似的，只是η的取值中還考慮了焊接鋼管采用100%射線或超聲檢驗(yàn)的情況。在這種情況下，可以認(rèn)為焊接鋼管的許用應(yīng)力與無縫鋼管許用應(yīng)力相等，即η=1，而在B31.1中沒有這樣的規(guī)定。

對于Y值，B31.1與GB 50764-2012是大致相同的，其區(qū)別在于B31.1給出了某些鎳合金的Y值以及金屬在超過1200℉時的Y值，而這兩種情況在火力發(fā)電廠的管道設(shè)計中很少出現(xiàn)，因此GB 50764-2012中并沒有界定這兩種情況下的Y值。

對于附加厚度，B31.1中的A值與GB 50764-2012中的C值所考慮的因素是一樣的，即腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度。不同點(diǎn)在于GB 50764-2012中給出了C值在某些具體情況下的推薦值。對于管子壁厚負(fù)偏差，B31.1僅提及需要考慮負(fù)偏差值，但未給出具體的計算方法，而GB 50764-2012給出式(3)所示的計算公式。

綜上所述，在計算四大管道壁厚時，采用B31.1和GB 50764-2012這兩種不同的規(guī)范，設(shè)計人員可能會在許用應(yīng)力值、附加壁厚、壁厚負(fù)偏差值和對口加工裕量上有所區(qū)別，從而計算得到不同的管道取用壁厚。根據(jù)管道的取用壁厚，再到各自的規(guī)范體系中選用不小于取用壁厚的標(biāo)準(zhǔn)管道規(guī)格。

2.計算結(jié)果

以某150MW等級燃煤發(fā)電廠的設(shè)計參數(shù)為例進(jìn)行四大管道選型實(shí)例計算。計算時，基于材料理化性能相當(dāng)和壓力設(shè)計時的許用應(yīng)力相當(dāng)兩個條件，在兩個標(biāo)準(zhǔn)中選取類似的管材，其許用應(yīng)力值分別參照B31.1附錄A和GB 50764-2012附錄A取值；管道外徑和壁厚的允許偏差參照GB5310-2008[4]和GB3087-2008[5]中普通級鋼管進(jìn)行選取。可計算得到四大管道的取用壁厚見表1：

表1　中國標(biāo)準(zhǔn)與ASME標(biāo)準(zhǔn)四大管道取用壁厚

從表1中可以得出以下結(jié)論：

（1）從許用應(yīng)力上來看，12Cr1MoV的許用應(yīng)力值在設(shè)計溫度下明顯高于P22。從取用壁厚計算結(jié)果上來看，采用12Cr1MoV作為主蒸汽管道和再熱熱段管道材料，相比于P22，可以有效降低管道壁厚，節(jié)約鋼材。

（2）對于再熱冷段管道，在設(shè)計溫度下，20號鋼許用應(yīng)力值低于SA106B，因此計算壁厚大于SA106B，同時由于GB 50764-2012要求考慮較多的壁厚負(fù)偏差和對口加工裕量，從計算結(jié)果上來看，采用SA106B可以得到比20號鋼更小的取用壁厚。除此以外，由于國內(nèi)的管道選型通常都會優(yōu)先選擇典型管道手冊上推薦的壁厚，如本例所示，雖然取用壁厚僅為13.742mm，但由于典型管道手冊上推薦的壁厚為19mm，因此一般在進(jìn)行設(shè)計時都會選擇19mm的管材。這就進(jìn)一步導(dǎo)致采用20號鋼設(shè)計再熱冷段管道的單位管重遠(yuǎn)高于采用ASME標(biāo)準(zhǔn)管道的單位管重。

（3）對于高壓給水管道，在設(shè)計溫度下，由于20G在該溫度下的許用應(yīng)力值略大于SA106B，因此計算壁厚較小，在考慮了壁厚負(fù)偏差和對口加工裕量后，兩個標(biāo)準(zhǔn)的取用壁厚值差距不大。按照各自的規(guī)格表選取后，采用20G設(shè)計高壓給水管道的單位管重略高于SA106B。

參照2016年4月某鋼廠鋼材報價，按照某150MW等級燃煤發(fā)電廠四大管道管長計算，分別采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的四大管道的鋼管采購價格見表2：

表2　中國標(biāo)準(zhǔn)與ASME標(biāo)準(zhǔn)四大管道鋼管價格對比

表2中的價格僅表示四大管道鋼管采購的價格，不含管道支吊架、閥門、管件等。本文為方便對比，假設(shè)采用兩個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，管道長度是一致的。從表2可以得到，四大管道無論采用ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計還是采用國標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，其管道總價是差不多的，采用中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計價格略低。

對比用途相近的兩種管材，國標(biāo)管道每噸單價均略低于ASME管道。國標(biāo)主蒸汽管道和再熱熱段管道的單位管重低于ASME標(biāo)準(zhǔn)，因此這兩項(xiàng)管道的價格國標(biāo)管道較低。高壓給水管道的管道單重略高于ASME管道，考慮每噸單價后，該項(xiàng)仍是國標(biāo)管道價格更低。國標(biāo)再熱冷段管道由于按照典型管道手冊選型的原因，單位管重明顯高于ASME標(biāo)準(zhǔn)的管道，因此價格明顯比ASME標(biāo)準(zhǔn)管道高。

3.小結(jié)與討論

ASME標(biāo)準(zhǔn)作為國際上廣為認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，與中國標(biāo)準(zhǔn)有著千絲萬縷的聯(lián)系。在火力發(fā)電廠工程設(shè)計中，理清采用ASME標(biāo)準(zhǔn)與采用中國標(biāo)準(zhǔn)的差異，并評估其對工程造價的影響，是提高中國企業(yè)在海外項(xiàng)目投標(biāo)中的競爭力的重要途徑之一。本文參照ASME B31.1和GB 50764-2012的有關(guān)條文規(guī)定，詳細(xì)比較了兩者在管道承壓設(shè)計上的異同，并對具體參數(shù)的選擇進(jìn)行了說明。以某150MW等級燃煤發(fā)電廠四大管道設(shè)計為例，參照某鋼廠管材價格，分別得到按照ASME標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計的四大管道的鋼管價格。結(jié)果表明，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)或中國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行150MW等級燃煤發(fā)電廠四大管道設(shè)計，在鋼管價格上兩者是相當(dāng)?shù)?，采用中國?biāo)準(zhǔn)設(shè)計的鋼管價格略低。

在計算過程中還應(yīng)注意，首先，中國標(biāo)準(zhǔn)的取用壁厚考慮了更多的設(shè)計裕量；其次，管材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力對取用壁厚的影響較大，在對比ASME管材與中國管材時，首先應(yīng)確定采用哪兩種類似的管材進(jìn)行對比，許用應(yīng)力值較大的管材通常取用壁厚更?。辉俅?，實(shí)際的管道規(guī)格除了與取用壁厚有關(guān)，還與兩個標(biāo)準(zhǔn)提供的管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格有關(guān)，較小的取用壁厚并不一定對應(yīng)著較薄的管道規(guī)格；最后，對于性能相近的管材，國標(biāo)管道的每噸單價略低于ASME管道。

[1]ASME B31.1-2014，Power Piping

[2]GB50764-2012，電廠動力管道設(shè)計規(guī)范

[3]ASME B36.10M-2015，Welded and Seamless Wrought Steel Pipe

劉曉偉（1985-），男，四川成都人，學(xué)歷：碩士，研究方向：電力/能源。