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關(guān)于鍋爐管子彎頭強(qiáng)度的檢驗(yàn)

新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 南光福

【摘 要】文章介紹了為保證鍋爐管子彎頭強(qiáng)度所采取的控制措施，并提出了明確的檢驗(yàn)要求。
【關(guān)鍵詞】鍋爐 管子 彎頭 強(qiáng)度 檢驗(yàn)

0、引 言
鍋爐受壓元件的強(qiáng)度是指該元件在載荷作用下，在設(shè)計(jì)期限內(nèi)不發(fā)生失效的能力。鍋爐受壓元件一般承受的載荷包括：①由介質(zhì)壓力作用于元件壁上所形成的工作應(yīng)力；②由元件壁溫差或變動(dòng)溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力；③由焊接、脹接等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；④由支承、懸吊等外部附加載荷產(chǎn)生的附加應(yīng)力，由此可見(jiàn)，鍋爐受壓元件處于一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力狀況。根據(jù)有關(guān)強(qiáng)度理論的規(guī)定，可以將復(fù)雜應(yīng)力折算成一個(gè)當(dāng)量應(yīng)力，并使其不超過(guò)元件材料的許用應(yīng)力，即認(rèn)為強(qiáng)度滿足要求。所謂的許用應(yīng)力是指用以確定受壓元件在工作條件下所允許的最小壁厚及最大承受壓力時(shí)的應(yīng)力，它是通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)所得出的材料強(qiáng)度指標(biāo)抗拉強(qiáng)度αb、屈服強(qiáng)度αts和持久強(qiáng)度αtD除以各自安全系數(shù)nb=2.7、ns=1.5、nD=1.5后，并取三者中最小值而得到的，因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度指標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)試樣在特定的試驗(yàn)條件下得到的，它與實(shí)際工作條件之間有很大差異，故要除以一個(gè)大于1的安全系數(shù)以增加保險(xiǎn)性，由抗拉強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力反映了與元件爆破之間所留的裕度，同時(shí)也可防止單純追求采用屈強(qiáng)比高的材料以提高許用應(yīng)力所帶來(lái)的脆性破壞危險(xiǎn)，由屈服強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力反映了防止元件內(nèi)壁產(chǎn)生大面積屈服現(xiàn)象，由持久強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力反映了高溫元件在設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)不發(fā)生蠕變破壞。對(duì)于不產(chǎn)生高溫蠕變破壞的元件，鍋爐受壓元件設(shè)計(jì)期限一般按鍋爐起停過(guò)程中的應(yīng)力大幅度升降所導(dǎo)致的低周疲勞破壞來(lái)估算，對(duì)于工業(yè)鍋爐允許起停次數(shù)為一萬(wàn)次，電站鍋爐為兩千次；對(duì)于產(chǎn)生蠕變破壞的鍋爐高溫元件，采用十萬(wàn)小時(shí)壽命的持久強(qiáng)度特性，那么如何保證并延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命呢？這就存在如何選擇受壓元件的安全裕度問(wèn)題。元件的安全裕度不同于安全系數(shù)，同一類型的元件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)安全系數(shù)是相同的，但由于元件的結(jié)構(gòu)，工作條件及制造工藝水平的不同，它們的安全裕度可以相差很大，通過(guò)對(duì)元件壁厚的調(diào)整如增加壁厚，可以降低應(yīng)力水平，使元件距離屈服及破裂的裕度加大，還可以有效抵抗均勻腐蝕及磨損，使其工作壽命延長(zhǎng)，但這也增加了金屬材料的消耗，同時(shí)元件壁熱應(yīng)力增加，加大了發(fā)生低周疲勞破壞的可能，這里存在一個(gè)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的選擇，對(duì)于鍋爐管子彎頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)同樣如此。
1、對(duì)GB/T9222-2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》（以下簡(jiǎn)稱08版）新修訂內(nèi)容的理解
新修訂的08版標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)鍋爐管子彎頭強(qiáng)度方面做出了如下重要改進(jìn)：
①明確了受壓元件“最小需要厚度“的含義：原88版標(biāo)準(zhǔn)定義受壓元件最小需要厚度δmin=理論計(jì)算厚度δL+附加厚度C，概念含義不清，新08版標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)受壓元件在原材料定貨、材料入廠（制造前）和制造完成后（成品）等不同階段存在不同的最小需要厚度，分別給予重新界定：
定貨最小需要厚度=理論計(jì)算厚度δL+考慮腐蝕減薄的附加厚度C1+考慮工藝減薄的附加厚度C2+考慮厚度下偏差負(fù)值的附加厚度C3
制造前最小需要厚度=理論計(jì)算厚度δL+考慮腐蝕減薄的附加厚度C1+考慮工藝減薄的附加厚度C2
成品最小需要厚度δmin=理論計(jì)算厚度δL+考慮腐蝕減薄的附加厚度C1
由此新增加了成品最小需要厚度和設(shè)計(jì)計(jì)算厚度概念（即定貨最小需要厚度），便于生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。
②科學(xué)界定了管子彎管附加厚度及有效厚度的計(jì)算方法：
a.調(diào)整了附加厚度的計(jì)算基數(shù)：原88版標(biāo)準(zhǔn)附加厚度C2的計(jì)算基數(shù)是理論計(jì)算厚度δL，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)受壓元件應(yīng)有不小于δL+C1的厚度，才能確保其在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的安全使用，故新的08版標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，考慮工藝減薄的附加厚度C2以δ1+C1為基數(shù)，考慮厚度負(fù)偏差的附加厚度C3以δL+C1+C2為基數(shù)，在校核計(jì)算時(shí)，考慮厚度負(fù)偏差的附加厚度C'3以δ為基數(shù)，考慮工藝減薄的附加厚度C'2以δ-C'3為基數(shù)，δ—管子取用厚度。
b.分類給出了各附加厚度的計(jì)算公式：原88版標(biāo)準(zhǔn)中把管子彎曲后外側(cè)壁厚減薄、管子壁厚負(fù)偏差及管子彎頭外壁應(yīng)力變化等三方面因素綜合考慮給出附加厚度C2，而沒(méi)有體現(xiàn)出所采用的彎管減薄率的具體數(shù)據(jù)，而新的08版標(biāo)準(zhǔn)不論是設(shè)計(jì)還是校核計(jì)算，每種附加壁厚均給出了唯一計(jì)算公式，便于實(shí)踐應(yīng)用中控制。
c.重新明確了有效厚度的概念：所謂管子有效厚度是指在最不利（原材料管子壁厚達(dá)到了其允許下偏差的極限值，工藝減薄量和腐蝕減薄量都達(dá)到了設(shè)計(jì)取用值）的情況下，管子在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)可能出現(xiàn)的最小壁厚。原88版標(biāo)準(zhǔn)中按δy=δ—（A1δ+C1）/（1+A1）求出的有效壁厚，即不是管子彎頭外側(cè)可能出現(xiàn)的最小壁厚，也不是管子彎頭直段部分可能出現(xiàn)的最小壁厚，實(shí)質(zhì)上是管子彎頭外側(cè)可能出現(xiàn)的最小壁厚與管子彎頭外側(cè)相對(duì)于直管允許的壁厚減薄量之和。因此依照此有效厚度所作的強(qiáng)度校核并不能真實(shí)反映管子彎頭最危險(xiǎn)部位的強(qiáng)度狀況，而新的08版標(biāo)準(zhǔn)所給出的有效厚度δy
    =δ×■×■－C1
m——管子厚度負(fù)偏差與取用厚度的百分比值，b——彎管外側(cè)厚度的實(shí)際制造工藝減薄率，其物理概念很明確：在取用壁厚δ的基礎(chǔ)上，乘上（100-m）/100得入廠直管可能的最小壁厚，再乘上（100-b）/100得彎后管子彎頭外側(cè)可能的最小壁厚，再減去C1得設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)管子彎頭外側(cè)可能的最小厚度。
③新增加了“彎管外側(cè)厚度實(shí)際制造工藝減薄率”和“彎管成品外側(cè)最小需要厚度”控制指標(biāo)：根據(jù)理論推導(dǎo)，管子彎頭內(nèi)側(cè)理論計(jì)算厚度大于直管理論計(jì)算厚度，管子彎頭外側(cè)理論計(jì)算厚度小于直管理論計(jì)算厚度，而管子彎曲后，正好內(nèi)側(cè)增厚，外側(cè)減薄，似乎用直管彎成的彎管不需增加附加厚度管子彎頭強(qiáng)度就能滿足要求，這里存在一個(gè)彎管理論允許減薄率問(wèn)題。如果彎管外側(cè)實(shí)際壁厚減薄率小于彎管理論允許減薄率，自然不需增加附加厚度，強(qiáng)度就能滿足要求，而如果大于彎管理論允許減薄率，就需要增加一個(gè)附加厚度，故很有必要增加控制“實(shí)際制造工藝減薄率”這個(gè)指標(biāo)。
根據(jù)應(yīng)力分析，在不考慮壁厚減薄和橢圓度影響時(shí)，管子彎頭內(nèi)側(cè)應(yīng)力最大，外側(cè)應(yīng)力最小，中心面應(yīng)力與直圓筒壁上一樣，而管子彎頭內(nèi)側(cè)切向應(yīng)力在考慮了壁厚增大反而比直筒壁上的小，管子彎頭外側(cè)的切向應(yīng)力在考慮了壁厚減薄以后反而比直筒壁上的大，另外大量彎管爆破實(shí)驗(yàn)也證實(shí)：一般破壞裂口均出現(xiàn)在管子彎頭外側(cè)或中心面附近，故新的08版標(biāo)準(zhǔn)給出了“彎管成品外側(cè)最小需要厚度”這一控制指標(biāo)，以便定量考核。
2、在鍋爐檢驗(yàn)中如何貫徹落實(shí)新08版標(biāo)準(zhǔn)的要求
①設(shè)計(jì)計(jì)算方面：在鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查受壓元件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總表，看是否列出成品最小需要厚度、管子設(shè)計(jì)計(jì)算厚度、各項(xiàng)附加厚度、彎管外側(cè)厚度實(shí)際制造工藝減薄率、彎管成品外側(cè)最小需要厚度等項(xiàng)目，并復(fù)核其取值的合理性；
②制造監(jiān)檢方面：
  a.以管子設(shè)計(jì)計(jì)算厚度作為管子入廠驗(yàn)收最小需要厚度，以成品最小需要厚度作為管子制造完成后（成品）的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；
b.由于JB1611《鍋爐管子制造技術(shù)條件》中只限定了彎曲比R/Dw在1.8～3.5及大于等于3.5情況下，管子彎頭處壁厚減薄率不得超過(guò)某一控制值，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐意義不大，建議采用制造廠自行確定的彎管工藝減薄率來(lái)確定彎管工藝減薄附加厚度。
c.管子在彎制過(guò)程中會(huì)在橫截面上產(chǎn)生一定橢圓度，由此而產(chǎn)生附加拉伸應(yīng)力，新的08版標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有具體給出圓度對(duì)管子彎頭外側(cè)應(yīng)力的影響數(shù)據(jù)，但為防止管子內(nèi)壁出現(xiàn)大面積屈服，應(yīng)嚴(yán)格按JB1611《鍋爐管子制造技術(shù)條件》的要求控制管子彎頭橢圓率。
③定期檢驗(yàn)方面：當(dāng)管子壁厚減薄較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，帶彎管的管子其最高允許計(jì)算壓力應(yīng)取直管最高允許計(jì)算壓力和彎管最高允許計(jì)算壓力兩者中的較小值。
3、結(jié)束語(yǔ)
要保證鍋爐管子彎頭取用壁厚合理，既節(jié)約材料，還滿足強(qiáng)度要求，這就要求科學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)算，更要有嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗(yàn)控制作保障，只有切實(shí)履行嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗(yàn)制度，才能保證鍋爐的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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［4］陳濟(jì)榕，新老國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)彎管強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)比分析