華 偉，趙洪生

(東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

1 概述

隨著國家“一路一帶”戰(zhàn)略的推進，由中國的國際工程公司負責的EPC項目越來越多的進入了歐洲、中東等高端電力市場。這些國際工程的招標文件多為西方工程咨詢公司負責編寫，最終的EPC合同中也會明確要求采用ASME等美國技術(shù)標準完成儀表導(dǎo)管的選型設(shè)計。如何掌握、理解并執(zhí)行這些國際標準，對于項目的總承包方和設(shè)計方提出了更高的要求。

1.1 美標中的導(dǎo)管設(shè)計標準

ASME標準并沒有專門的針對火電廠儀表導(dǎo)管和閥門的設(shè)計標準。而ASME B31.1《動力管道》作為電站鍋爐等設(shè)備的工業(yè)管道系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，各種儀表導(dǎo)管、閥門、法蘭、墊圈、接頭等承壓部件也在B31.1的適用范圍內(nèi)。ANSI/ISA－77.70《火電廠儀表管路安裝》是美標中另一個用于電站儀表導(dǎo)管設(shè)計的規(guī)范。此標準明確指出了材料的使用條件、部件標準、壓力－溫度許用值以及連接方法的選用導(dǎo)則及限制等內(nèi)容全部來自于B31.1中的要求。因此，基于美標的儀表導(dǎo)管和閥門設(shè)計的計算和選型主要依據(jù)為ASME B31.1及相關(guān)尺寸和材料標準。

1.2 Pipe和Tube管的區(qū)別

所謂的Pipe管一般用于流體輸送，工藝管道專業(yè)應(yīng)用較多。Pipe是以公稱直徑(NPS)和壁厚號(SCH.No.)來定義，Pipe 管的尺寸規(guī)格必須符合ASME B36.10或ASME B36.19尺寸標準。Tube管主要用于換熱和傳輸動力，主要在儀表專業(yè)使用，尺寸規(guī)格標識為外徑(OD)X壁厚。Pipe管的尺寸由國家標準統(tǒng)一規(guī)定，不能自定尺寸系列，而Tube管的尺寸規(guī)格則是根據(jù)使用用途和要求自行規(guī)定的。儀表測量的一次門前取壓管主要具有流體輸送的作用，而一次門后的管道則更多的考慮換熱及壓力傳輸?shù)墓δ?。因此一次門前的管道應(yīng)選擇Pipe管，而一次門后的儀表導(dǎo)管則采用tube管。

2 儀表導(dǎo)管及閥門設(shè)計

2.1 引出管

根據(jù)ASME B31.1中122.3.2儀表管道章節(jié)的描述：“信號源處的引出管(Takeoff Connection)包括連接套管、接管或異徑管”，在這里，一次門前的管道統(tǒng)一被稱為引出管，不再有國內(nèi)標準中的取壓短管和一次門前導(dǎo)管的概念，這也是與國外工程公司的設(shè)計分工相一致的。B31.1同時規(guī)定引出管要求“至少采用與工藝管道相同材質(zhì)的材料制造，并且設(shè)計參數(shù)按照信號源的壓力和溫度來考慮”，同時提出“運行溫度不大于6.2MPa或者425℃時，引出管的公稱尺寸應(yīng)不小于NPS·1/2”；當設(shè)計條件超過上述壓力或溫度任一范圍時，應(yīng)不小于NPS·3/4”。因此對于引出管的尺寸規(guī)范我們需要考慮的就是滿足B31.1要求的溫度和許用壓力下的管道壁厚。

管道的壁厚等級確定的因素主要包括溫度－壓力影響和對壁厚裕的考慮，這些因素對于壁厚的影響在B31.1給出的壁厚計算公式中都得到了相應(yīng)的體現(xiàn)，根據(jù)計算后的最小指定壁厚值來查找ASME B36.10/19中的“尺寸和重量表”就可以找到代表壁厚的SCH· No.等級。

首先，引出管的壁厚需滿足設(shè)計溫度和壓力下的強度要求，可以用下面的公式(1)得到計算壁厚t：

式中：t為計算壁厚；Do為管道外徑；P為設(shè)計壓力；S為材料許用壓力(來自B31.1附表A)；E為焊接接頭系數(shù)或鑄造質(zhì)量系數(shù)(來自B31.1附表A，通常為1 )；Y為溫度修正系數(shù)(來自B31.1 表104.1.2，區(qū)間內(nèi)溫度的Y值可通過插值法計算得出)。

其次，引出管的最小計算壁厚還需增加由于考慮裕度所引起的附加壁厚C，然后得到最小需要壁厚tm。在儀表測點引出管或?qū)Ч鼙诤竦挠嬎阒校梢圆豢紤]這部分附加厚度，即C=0

另外，由于管道在實際安裝過程中可能需要進行彎管制作，這就需要在管道壁厚的選擇中考慮這部分原因引起的壁厚減薄，見公式(3)，其中系數(shù)B按照B31.1的表102.4.5選擇，通常對管道彎制前直管的最小彎管壁厚tbeng可按照大于等于3倍管子外徑來考慮而選擇1.25：

最后，管道壁厚還需考慮管道制造過程中的負偏差m%(計算中按照12.5%選取)。按照公式A=m/(100－m)得到管壁厚負偏差系數(shù)A。根據(jù)公式(4)得到管道的最小指定厚度tmin。根據(jù)這一計算值再查ASME B36.10或ASME B36.19的尺寸表并向上取值考慮一定的余量后找到最終的壁厚SCH·No.等級

為減少現(xiàn)場材料的種類，工程中引出管可按照最小公稱尺寸為NPS·3/4”的Pipe管道來考慮。根據(jù)以上公式計算并選型得到的某工程“四大管道”引出管規(guī)格詳見表1。

2.2 一次門

根據(jù)國外工程公司的設(shè)計分工，儀表測量管路中的一次門都習(xí)慣由工藝專業(yè)完成設(shè)計并采用小通徑工藝截止閥門(Globe Valve)，而國內(nèi)設(shè)計由于一次門屬于熱控專業(yè)設(shè)計范圍，更多的是采用儀表閥門(Needle Valve)。B31.1中并沒有規(guī)定一次門必須采用工藝閥門，僅指出引出管上的截止閥“應(yīng)能夠承受與引出管連接的容器或管道的設(shè)計壓力和溫度”。因此一次門的選型應(yīng)以主管道的溫度和壓力作為主要的設(shè)計依據(jù)，并綜合考慮形式、等級、連接、材料和通徑等因素來確定。

表1 某超超臨界燃煤機組四大管道引出管壁厚計算及尺寸選型

滿足ASME標準的工藝截止閥門在制造和測試標準上遵循ASME B16.34規(guī)范，其壓力－溫度額定值是按照磅級數(shù)來表示的。在超超臨界機組的主蒸汽、再熱熱蒸汽和主給水壓力的測量時，由于主管道的設(shè)計參數(shù)很高，一次門需采用CL4500壓力等級、閥體符合高溫鍛造ASME SA182規(guī)范的合金或不銹鋼材料以及連接方式滿足ASME B16.11和B16.25規(guī)范的焊接工藝閥。

ASME標準體系中沒有專門針對儀表閥的制造標準和規(guī)范。但美國工業(yè)制造商標準協(xié)會(Manufacturers Standardization Society)的MSS SP－105《儀表閥適用規(guī)范》作為標準和技術(shù)條件在B31.1中明確表示是可以使用的。通常的儀表閥閥體、閥蓋等受壓部件的多是采用ASME CL2500壓力等級和ASME SA479棒材材質(zhì)(其使用溫度不能超過427℃)，但SAFELOK等國外閥門廠家也可提供滿足高溫鍛造SA182標準且符合CL4500壓力等級的儀表閥。儀表閥與工藝閥相比較，在閥蓋的形式、填料密封的方式以及閥桿和手輪操作的方便性、結(jié)構(gòu)強度和使用壽命低等方面具有明顯的缺點，因此從一次門的安全性、可靠性和經(jīng)濟性等幾方面來考慮，實際工程中“四大管道”及部分高溫高壓測點上的一次門可采用工藝截止閥門，而其他中低溫和中低壓的儀表測量管路一次門則全部采用儀表閥門。

2.3 排污門

ASME B31.1中關(guān)于排污門的選擇主要有兩點設(shè)計要求：

(1) 對于亞臨界壓力蒸汽介質(zhì)，排污門的設(shè)計壓力不應(yīng)小于主管道或容器的設(shè)計壓力，設(shè)計溫度應(yīng)為相應(yīng)飽和蒸汽溫度。

(2) 對于所有其他介質(zhì)，排污門應(yīng)滿足(B.1)的要求。其中提到的(B.1)為前文提到的有關(guān)一次門的技術(shù)要求。因此我們可以認為：對于超臨界壓力參數(shù)介質(zhì)，排污門的選型參數(shù)需按照主管道的介質(zhì)壓力和溫度來確定。

ASME B31.1的描述中也并沒有關(guān)于配置雙排污門的相關(guān)設(shè)計條件和要求，但考慮到排污門易受到雜質(zhì)的沖刷和磨損造成泄露故障，以及啟動和正常運行中也可能需要對測點進行短時排污操作，在實際工程項目的設(shè)計中，對排污門統(tǒng)一按照主管道介質(zhì)的壓力和溫度來選型，配置數(shù)量和閥門通徑同一次門也是符合B31.1相關(guān)條款的。

2.4 儀表導(dǎo)管

2.4.1 設(shè)計原則

ASME B31.1 的第 122.3.2 節(jié)中沒有直接提出一次門后儀表導(dǎo)管的選型原則，但在該節(jié)B2.2(排污門)中指出：“當采用排污門時，儀表處的閥門以及排污門與儀表之間的任何管道和配件，應(yīng)在100oF(40℃)下至少能承受1.5倍的主管道設(shè)計壓力”；在D.2(截流閥和儀表之間的管道材料)中提到“當需要防止堵塞和足夠的力學(xué)強度時，管子內(nèi)徑不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049英寸(1.25 mm)”；在 E.1(管件和接頭)中指出：“管配件應(yīng)根據(jù)需要適宜于集箱壓力和相應(yīng)的飽和蒸汽溫度或水溫，對于超臨界壓力工況，管配件應(yīng)設(shè)計成適用于主流體管道的設(shè)計壓力和溫度”。

儀表導(dǎo)管的一端與一次門連接，另一端連接變送器閥組或者二次門等儀表設(shè)備。在儀表正常情況下，儀表導(dǎo)管內(nèi)的介質(zhì)是不流動的，并因向周圍的導(dǎo)熱，介質(zhì)溫度沿儀表管道不斷降低至儀表閥門處的環(huán)境溫度。儀表測點在機組低負荷時投運， 排污門打開并進行管路沖洗，介質(zhì)溫度并不會太高；當測點正常投運后一次門后的介質(zhì)溫度遠低于介質(zhì)溫度；但由于需要考慮到儀表導(dǎo)管內(nèi)冷凝水的形成點與導(dǎo)管的長度、保溫及傳熱等有關(guān)，同時在實際運行中存在機組高負荷時進行排污操作或者驅(qū)除儀表管內(nèi)氣泡的情況，這就會使一次門后導(dǎo)管內(nèi)的溫度很高。

為了能夠同時滿足ASME B31.1和實際運行工況的要求，并且提高整個儀表導(dǎo)管系統(tǒng)的安全性。儀表導(dǎo)管的材料和尺寸規(guī)格按下列設(shè)計原則來考慮：

(1) 超臨界壓力下的儀表管路選型參數(shù)按照主流體管道的設(shè)計壓力和溫度來確定；其他介質(zhì)按照主管道的設(shè)計壓力和相應(yīng)壓力的飽和蒸汽溫度或水溫來確定。

(2) 設(shè)置排污門時，儀表導(dǎo)管在100oF(40℃)時至少能承受1.5倍的主管道設(shè)計壓力。

(3) 儀表導(dǎo)管的內(nèi)徑不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049 英寸(1.25 mm)。

2.4.2 導(dǎo)管材料

根據(jù)ASME B31.1附表A中提供的材料在一定溫度下的許用壓力值，選用奧氏體不銹鋼材料可以滿足超臨界機組儀表導(dǎo)管的選型。ASME SA213 TP316/316H具有相同的許用壓力。但兩者區(qū)別主要是含碳量不一樣(316H含碳量比316高0.04%～0.10%)，高碳含量可以提高不銹鋼的高溫強度和抗氧化性能，這也是B31.1規(guī)定“當溫度高于1000oF時，表中的許用壓力僅適用于含碳量等于或大于0.04%的材料”的原因。即TP316材料不能用于介質(zhì)溫度高于538℃的儀表測量管路中。

另外，TP316H的許用壓力在高溫部分(1050oF以上)與T92基本相同，因此采用TP316H完全可以替代T92在高溫高壓儀表測量導(dǎo)管上的應(yīng)用，但為了防止在現(xiàn)場進行異種鋼焊接，主蒸汽和再熱熱壓力測量管路中的一次門出口需要設(shè)置與儀表導(dǎo)管相同材質(zhì)的過渡段(隨閥門出廠前完成)。而對于高壓給水、設(shè)備本體測點溫度低于 538℃的介質(zhì)以及其他中低壓儀表導(dǎo)管統(tǒng)一采TP316。因此選擇SA213 TP316/316H奧氏體不銹鋼材料完全可以適用于全廠范圍內(nèi)儀表導(dǎo)管的使用(海水或其他腐蝕性介質(zhì)除外)，不但滿足了B31.1標準的要求，同時減少了現(xiàn)場鋼材的種類，便于采購和管理。

2.4.3 導(dǎo)管尺寸規(guī)格

由于ASME并沒有專門的Tube管(導(dǎo)管)尺寸規(guī)格標準，對于Tube管的壁厚選擇不能像Pipe管一樣直接計算壁厚后再按照某個尺寸規(guī)范得到最終的尺寸規(guī)格。通Tube管尺寸規(guī)格一般是按照“外徑(OD)X壁厚”的形式由各個管材制造商自行規(guī)定的。國內(nèi)外主要的Tube管制造商，如Swagelok、Parker和FITOK等都能夠提供符合ASME相關(guān)材料規(guī)范且尺寸標準化和系列化的成品儀表管。在實際的工程設(shè)計過程中，儀表導(dǎo)管的規(guī)格是通過制造廠提供的Tube管技術(shù)數(shù)據(jù)和材料的許用壓力反推一定外徑和壁厚的導(dǎo)管在某溫度下的許用壓力是否能夠滿足導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)來確定的。

在計算過程中需注意以下幾個問題：某些成品管制造商提供的最大許用壓力值是按照常溫(－28℃～37℃)時ASME SA269以及ASME B31.3 《工藝管道》標準得出的，在確定儀表導(dǎo)管的尺寸規(guī)格計算時，最大許用壓力值需乘以0.94的系數(shù)以滿足SA213和B31.1標準；另外，由于計算中采用了316/316H奧氏體不銹鋼的許用壓力的較大值，此時B31.1規(guī)定“這些應(yīng)力值不宜用于具有墊片的 法蘭接頭或其它有微小變形會導(dǎo)致泄漏或功能不正常的部件”，因此儀表導(dǎo)管與閥門、管件等的連接全部采用焊接的方式。同時在許用壓力的計算中必須考慮額定值降低系數(shù)以保證焊接的完整性，一般導(dǎo)管與接頭的焊接系數(shù)為0.8。按照以上方法計算確定的某國外項目的主要儀表導(dǎo)管的材質(zhì)和尺寸規(guī)格，見表2。

表2 某超超臨界機組主要參數(shù)測量儀表導(dǎo)管尺寸規(guī)格選型

2.4.4 管接頭及二次門

與儀表導(dǎo)管一樣，B31.1關(guān)于管接頭及配件的設(shè)計要求主要集中在122.3.2 節(jié)的D.2和E.1條款中。在工程中考慮到管道以及配件都是按照316/316H奧氏體不銹鋼的許用壓力的較大值進行計算，以及儀表管制造中的不圓度會引起卡套等連接時的泄露，對于接頭、三通等配件全部采用承插焊接，其溫度和壓力設(shè)計要求與儀表管的選型相同。ASME標準中這一設(shè)計原則的確定，充分考慮了超超臨界機組的主蒸汽和熱再熱蒸汽測點在滿負荷運行排污時，某些特殊情況下二次門前的介質(zhì)溫度可能會接近主管道的溫度的情況，因此二次門的選型參數(shù)可按照儀表管和管接頭的設(shè)計參數(shù)來確定，保證了更高的安全性和可靠性。

根據(jù)國外工程的設(shè)計習(xí)慣和EPC合同，壓力測量儀表大多采用二閥組(壓力)和五閥組(差壓)作為二次門使用。需要注意的是，一般的閥組都是滿足CL2500壓力等級和ASME SA479不銹鋼棒材材料標準，當用于主蒸汽、再熱熱蒸汽和主給水等超臨界壓力或高溫度介質(zhì)的測量時，應(yīng)選擇CL4500壓力等級和ASME SA182鍛造奧氏體不銹鋼材料標準，以滿足選型參數(shù)為主管道的設(shè)計和溫度的設(shè)計原則。當然，在合同或業(yè)主同意的情況下，這樣的高溫高壓測點的閥組也可以采用相應(yīng)的高溫高壓儀表閥來代替，以獲得更高的經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

綜上所述，采用ASME標準來進行儀表導(dǎo)管和閥門的選型的設(shè)計是建立在滿足相應(yīng)溫度的許用壓力基礎(chǔ)之上的。由于材料的選擇及相應(yīng)的計算都有明確的來源、過程和結(jié)果，采用ASME標準能夠最大程度上保證儀表測量回路的可靠性和安全性，并且對于各種類型的機組儀表管路的連接方式、壁厚的確定和儀表閥門的選型等具有廣泛的適用性和準確性。

雖然基于ASME標準的導(dǎo)管設(shè)計主要應(yīng)用于有此要求的國外工程項目中，但對于國內(nèi)相關(guān)標準中未涉及的60萬或100萬千瓦高參數(shù)超超臨界機組儀表取樣管和導(dǎo)管壁厚，同樣可以采用本文提及的壁厚計算公式以及國標GB/T17395的尺寸標準來計算，以確定滿足機組安全運行的儀表導(dǎo)管材料及尺寸規(guī)格、閥門和附件。

[1]ASME B31.1－2010 動力管道[S].

[2]ANSI/ISA77.70－1994 Fossil Fuel Power Plant Instrument Piping Installation [S].

[3]趙春玉.超超臨界機組熱工儀表導(dǎo)管的計算和閥門的選用[C]//中國電力企業(yè)聯(lián)合會.全國超(超)臨界發(fā)電機組技術(shù)交流研討會論文集.成都：中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2010.