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换热器设计
摘自:
ASMEB31.3—2002第2章
管道组件的压力设计
303总则
按表326.1所列标准制造的组件,应认为适用于按302.2.1的压力—温度额定参数值。
304中的规则,适用于326.1所不包括的组件压力设计,但也可以用于对表列组件做特殊的或更精确的设计,这些设计应校核在承受301列举的合适的载荷下是否哟足够的机械强度。
304组件的压力设计
304.1直管
304.1.1总则
(a)管子的直管部分所要求的厚度应应按公式
(2)确定:
tm=t+c
(2)
考虑到钢厂的负偏差,所选用的管子的最小壁厚t不应小于tm。
(b)直管的压力设计公式中的代号意义如下:
tm=包括机加工、腐蚀和冲蚀裕量在内的所需最小厚度
t=压力设计厚度,内压按304.1.2计算,外压按304.1.3确定
c=加工裕量(螺纹或槽的深度)与腐蚀和冲蚀裕量的总和。
对于带螺纹的组件,应采用公称螺纹深度;对于没有规定公差的机加工表面或槽,应在规定的切削深度上加上0.5mm的公差
T=管壁厚(实测或按采购技术条件中的最小壁厚)
d=管子内经,对于压力设计计算时,管子内经应是采购技术条件下的最大值
P=设计内压
D=列于标准或技术条件表中或实测的管子的外径
E=表A-1A或A-1B表所列质量系数
S=材料的许用应力,查表A-1
Y=从表304.1.1查得的系数,但限于t 对于中间温度,Y值可用内插法求得。 Fort≥D/6,Y=(d+2c)/(D+d+2c) 表304.1.1系数Y之值(t 材料 温度(℃) ≦482(900) 510(950) 538(1000) 566(1050) 593(1100) ≧621(1150) 铁素体钢 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7 奥氏体钢 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7 其他韧性材料 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 铸铁 0.0 … … … … … 304.1.2承受内压的直管 (a)当t t=(PD)/2(SE+PY)(3a) t=P(d+2c)/2[SE–P(1-Y)](3b) (b)当t≥D/6或forP/SE>0.385时,直管的内压设计厚度计算要求考虑诸如失效机理、疲劳影响和热应力等因数。 304.1.3承受外压的直管 确定承受外压的直管的壁厚和刚性加强要求时,应遵照BPV规范第VIII卷第一册UG-28至UG-30规定的程序,使用UG-29规定的两刚性加强圈断面中心线间长度作为设计长度L,作为例外的是当Do/t<10时,用于确定Pa2的S值应是设计温度下管子材料下列数值中的较小值: (a)本规范附录表A-1的许用应力的1.5倍,或 (b)列于第II卷D部分表Y-1相应材料屈服强度的0.9倍。 304.2管子的弯曲管段和斜接管段 304.2.1弯管 经弯管成型后的弯管所需最小厚度tm,按公式 (2)和(3c)来确定: t=(PD)/2[SE/I+PY](3c) 在弯管半径内侧处: I=[4(R1/D)–1]/[4(R1/D)–2](3d) 在弯管半径外侧处: I=[4(R1/D)+1][4(R1/D)+2](3e) 在弯曲中心线侧壁处: I=1.0。 R1=焊接弯头或管子弯曲处的弯曲半径。 从内弧到外弧和沿弯曲长度壁厚的变化应是渐进的,公式的厚度要求用于弯曲的中跨,r/2处、内弧、外弧和弯曲的中心半径处。 切断末端的最小厚度应不小于1.3.1对于直管的要求(见图304.2.1) 图304.2.1管子弯头的符号 304.2.2弯头 不按303制作的弯头应按304.7.2的要求评定或按304.2.1设计。 304.2.3斜接弯管 一个偏斜角为3°或更小(图304.2.3中的a角)的管段,不要求作为斜接弯管来考虑设计。 用于多弯和单弯斜接弯管压力设计容许的方法分别給于下述(a)和(b)。 图304.2.3斜接弯管的符号 (a)多弯的斜接弯管 最大容许压应等于用公式(4a)和(4b)计算出来的较小值。 (这些公式不适用于θ>22.5°时) (b)单弯的斜接弯管 (1)θ角不大于22.5°的单弯斜接弯管的最大容许内压应按公式(4a)计算出。 (2)θ角大于22.5°的单弯斜接弯管的最大容许内压应按公式(4c)计算出; (c)用于公式(4a)、(4b)和(4c)各式中的斜接弯管壁厚T应包括从斜接弯管焊缝的内岔口至直管段对接焊缝的距离范围M,M为2.5(rT)0.5和tanθ(R1-r1)两者中较大者。 斜接弯管末端斜度的长度可包括于M内。 (d)斜接弯管的压力计算公式(4a)、(4b)和(4c)使用下列符号: Pm=斜接弯管的最大允许内压 r2=用公称壁厚T的管子平均半径 R1=斜接弯管的有效半径,即从管子中心线到相邻斜接接头平面交点的最短距离 T=斜接管壁厚 θ=外斜接处切角 α=斜接接头的方向转变角,等于2θ。 按本规范要求,R1值应不小于公式(5)给出的值: 式中A具有下列经验值: (1)对于SI制单位 (2)对于US常用单位 304.2.4承受外压管子的弯曲管段和斜接管段 承受外压管子的弯曲管段和斜接管段的壁厚可按与304.1.3关于确定直管壁厚相同的方法确定。 304.3直管连接件 304.3.1总则 (a)除下面(b)规定外,304.3.2至304.3.4的要求适用于按下列方法制成的直管连接件: (1)管件(三通、挤压出口管段、按MSSSP-97的直管引出口管件、斜三通、四通)。 (2)未列表的与主管用焊接相连接的引出口管件,包括铸造或锻造的接管,不大于DN80(NPS3)的支管接头。 (3)支管直接与主管焊接,可补强也可不补强。 (b)304.3.2至304.3.4的规则是对支管连接的最低要求,仅在下述条件下有效: (1)主管的直径与厚度之比(Dh/Th)小于100且支管与主管的直径之比(Db/Dh)不大于1.0; (2)主管的(Dh/Th)≧100,支管的直径Db小于主管直径Dh的1/2; (3)β≧45°; (4)支管轴线与主管轴线相交。 (c)其他有关支管连接的设计考虑见304.3.5。 304.3.2支管连接的强度 有支管连接的管子由于管子本身必须开孔而使强度降低,除非管子的壁厚比承压所需的厚度大得多,否则必须采取补强措施。 承受压力所需的补强量应按304.3.3或304.3.4确定。 但是有些支管连接在结构上已有足够的耐压强度或补强,如满足以下条件,则可认为支管连接可不经计算而足以承受内、外压力: (a)支管连接采用303规定的管件 (b)支管连接是按328.5.4所述,将一个螺纹或承插焊的管接头或半管接头不超过DN80(NPS2)和主管直径的1/4。 管接头在补强区内任何一处的最小厚壁(如在补强区内有螺纹,则壁厚是从螺纹根部量到最小外径)应补小于无螺纹支管的最小壁厚,管接头或半管接头在任何情况下其额定参数均不应小于ASMEB16.11C1.2000。 (c)支管连接若利用未列表的管件,则管件应是用表A-1所列材料制成并证明支管连接按304.7.2要求通过评定。 304.3.3焊接的支管连接件补强 当支管连接的组件不满足补强要求时,需要外加补强,以满足303.3.3(b)和(c)提出的准则。 (a)符合以下符合用于支管连接的压力设计,并表示于图304.3.3,但该图没有表示制作或焊接的细节。 附录J中的一些术语在这里作了进一步的限定或有所变动。 b=以来表示支管的下标 d1=在支管处从主管上去掉的有效长度,对于支管开孔相交的连接是支管内径的投影(例如预制的管到管的支管),d1=[Dd-2(Tb-c)]/sinβ d2=补强区宽度的一半,为d1或(Tb-c)+(Th-c)+d1/2两者中较大值,但在任何情况下均不大于Dh h=用来表示主管或集管的下标 L4=主管外补强区的高度,为2.5(Th-c)或2.5(Th-c)+Tt,中较小值 Th=支管壁厚(实测或采购技术条件中的最小壁厚),支管连接管件除外。 对于这种连接,用于计算L4、d2和A3的Tb值是补强圆筒的厚度(按采购技术条件中的最小壁厚),条件是圆筒的厚度是均匀的并至少伸出到L4的范围 Tr=由管制成的补强圈或补强鞍板的最小厚度(由伴制成时则为其公称厚度)。 如没有补强圈或补强鞍板,则Tr=0 t=按适当的壁厚公式或304.1程序确定的管子压力设计厚度。 对焊制管,当支管不与主管的纵焊缝相交时,为求取tk可使用管材的基本许用应力S,但仅限于补强计算用。 当支管与主管纵缝相交时,在计算中应采用主管的SE。 计算tb时应使用支管的SE的乘积 β=支管的主管轴线间的较小夹角。 (b)所需的补强面积在内压下,支管连接所需的补强面积A1为: A1=th(2-sinβ)d1(6) 外压下支管连接所需的补强面积为内压所需的面积的一半。 (c)有效的补强面积有效的补强面积规定为: A2+A3+A4≧A1(6a) 这些面积均在补强区之外,并进一步定义如下: (1)面积A2是主管壁多余厚度导致的面积: A2=(2d2-d1)(Th-th-c)(7) (2)面积A3是支管壁多余厚度导致的面积: A3=2L4(Tb-tb-c)/sinβ(8) 如果支管壁的许用应力小于主管壁的需用应力,计算的面积应按两许用应力之比相应减少,以确定其对面积A3的贡献。 (3)面积A3是由焊缝和适当的外加补强提供的面积。 (d)补强区补强区是一个平行四边形,其长度为从支管中心线向两侧延伸至d2 距离,其宽度为从主管的内表面(在已腐蚀情况下)开始,延伸到距主管的外表面L4垂直距离。 (e)多个支管当两个或更多的支管连接于同一主管距离很小以至补强区重叠时,两开孔中心线之间的距离至少应为两孔平均直径的1.5倍,任意两孔之间的补强面积应至少为该两孔所需补强面积之和的50%。 每开孔均应按304.3.3(b)和(c)的要求有足够的补强。 补强截面内的金属只能用于一个开孔的补强,而不能在重叠区重复使用一次以上。 (f)外加的补强 (1)作为面积A4的一部分以补强圈或补强鞍板形式外加的补强应具有适当的固定的宽度。 (2)补强材料可与主管不同,但其焊接性、热处理要求、电化腐蚀和热膨胀等性能应与主管和支管的性能相匹配。 (3)如果外加补强材料的许用应力小于主管材料的许用应力,在确定其面积A4时必须按其许用应力的比值相应也较少。 (4)当外加补强材料的许用应力比主管的更大时,增加的强度不计入。 304.3.4挤压引出口集管的补强 (a)304.3.3所述的补强原则基本上适用于挤压引出口集管。 一个挤压引出口集管是一段管子,该管段上有一个或多个用于与支管连接的引出口,这些引出口是挤压成型的,成型靠模具来控制其挤压半径。 挤压引出口在集管表面以上的伸出高度hx应等于或大于引出口的外轮廓的曲率半径rx(即hx≧rx)。 (b)304.3.4的规则是最低要求,仅适用于图304.3.4所示的几何极限,和引出口的轴线与集管轴线垂直相交的情况。 如不满足上述要求,或增加了如补强圈、补强板或鞍状件等非整体补强材料,则压力设计应按304.7.2的要求来评定。 (c)符号此处使用的符号表示在图304.3.4中,注意下标x表示为“挤压引出口”,下面未列的其他符合参见304.3.3(a)。 dx=挤压出口的设计内容,系在集管的外表面的水平面上测量。 该尺寸应除去所有的加工和腐蚀裕量及厚度公差 hx=挤压出口的高度,必须等于或大于rx L5=补强区的高度, Tx=除去腐蚀裕量后的挤压引出口厚度,从集管外表面以上高度为rx处测得的厚度 d2=补强区宽度之半 rx=引出口外轮廓部分的曲率半径,在集管和支管轴线的平面上测得 (d)半径rx的限制外轮廓的半径rx受下列限制 (1)rx最小值: 0.05Db或38mm中的较小者; (2)rx最大值应不大于: (a)对于Db (b)对于Db≧DN200者,为0.1Db+13mm. (3)当外轮廓由一个以上半径组成时,45°弧内的最佳配合半径作为最大半径并符合上述 (1)和 (2)的要求; (4)为满足上述要求,不应采用机械加工的方法。 (e)所需的补强面积所需的补强面积用下式求得: A1=Kthdx(9) 式中K按下述条件确定: (1)Db/Dh>0.60时,K=1.00 (2)K=0.6+2/3(Db/Dh),0.60≧Db/Dh>0.15时 (3)Db/Dh≦0.15时,K=0.70 图304.3.4挤压引出口集管的符号 (f)有效的补强面积有效的补强面积规定为: A2+A3+A4≧A1(9a) 这些面积均在补强区之内,并进一步解释如下: (1)面积A2是从集管壁多余厚度部分分取得: A2=(2d2-dx)(Th–th-c)(10) (2)面积A3是从支管壁多余厚度部分取得: A3=2L5(Tb–tb-c)(11) (4)面积A4是从挤压引出口凸缘部分的多余厚度取得: A4=2rx(Tx–Tb-c)(12) (g)多个开孔的补强除补强区和补强面积按1.3.4外,其余规定应按304.3.3(e)的要求。 (h)标志制造者应规定设计压力和设计温度并在每个挤压引出口集管上作出上述标记,同时还应标出下列符号“B31.3”,制造厂名称或商标。 304.3.5补充的设计考虑 304.3.1至304.3.4的要求系考虑只管连接件仅承受压力时能保证具有满意的性能,设计者还考虑以下几个方面: (a)除压力载荷之外还有由于热膨胀、收缩、固定的和活动的负荷及管道的端部和支架的位移所引起的外力和位移作用于支管连接上。 在设计支管连接是应对承受这些作用力和位移予以特殊考虑。 (b)在下列情况下,应避免将支管直接焊在主管上形成支管连接: (1)当支管尺寸接近主管尺寸时,特别是用变形超过1.5%的冷胀法成形的管子,或是使用具有冷作硬化倾向的材料胀制的管子做主管时; (2)由于振动、脉动压力、温度循环等可使连接部分受到反复应力的管道。 对这些情况建议采用较保守的设计,并考虑采用三通或用整通圆周式的补强。 (c)从大直径主管分支出来的小直径管线,应具有足够的柔性以适应大管线的热膨胀和其他位移。 (d)若采用了加强筋、角撑板或夹板以加固只管连接,则它们的面积不能计算在304.3.3(c)或304.3.4(f)所规定的补强面积内,但若设计是按304.7.2要求评定的,则加强筋或角撑可以代替304.3.3和304.3.4所规定的补强,用于增加支管连接的压力强度。 (e)那些不满者304.3.1(b)要求的支管连接,应考虑采用整体补强、整圈补强或其他补强方式。 304.3.6承受外力的支管连接件 承受外压的支管连接件的压力设计可按304.3.1的要求,采用304.3.3(b)规定的补强面积。 304.4管道封头 304.4.1总则 (a)不按照303或304.4.1(b)设计的封头应按304.7.2的要求评定。 (b)对于本节所包括的材料和设计条件,封头可按BPV规范第VIII卷第1册的规范设计,按公式(13)计算: tm=t+c(13) 式中tm=包括加工、腐蚀和冲蚀裕量在内的所需的最小厚度 t=压力设计厚度,按封头形式和受力方向根据表304.4.1所示条款中的公式计算。 但由于确定t所需的符号应为: E=与1.1.1定义相同 P=设计表压 S=与1.1.1定义相同 c=1.1.1规定的裕量之总和 304.4.2封头上的开孔 (a)304.4.2(b)至(g)中的规则适用于封头的开孔,开孔尺寸不应大于(BPV规范)第VIII卷第1册UG-36规定的封头半径之一半。 更大开孔的封头宜按304.6的要求作为半径段设计,如为平封头,则按304.5作为法兰设计。 (b)封头由于开孔而使强度降低,需加补强,封头的厚度比所需厚度有足够的多余量者除外。 封头是否需要补强及所需补强量应按下列条款确定,除非封头开孔处的引出口连接已满足304.3.2(b)和(c)的要求,则可认为开孔已补强。 (c)封头上一个开孔的补强面积分布,应使位于开孔每一边的补强面积(指通过开孔中心垂直于封头表面的任意平面内),至少等于在该平面内所需面积之半, (d)通过开孔中心的任意给定平面上补强所需的总截面积应不小于UG-37(b)、UG-38和UG-39的规定。 (e)补强面积和补强区应按304.3.3和304.3.4的规定计算,仅需将式中原来适用于主管或集管的下标h视作适用于封头。 如果封头是曲面的,则补强区的界限应随封头轮廓而定,而补强区的尺寸应在平行于和垂直于封头的表面上测量。 (f)如果有两个或多个开孔位于一个封头上,则304.3.3和304.3.4关于多个开孔的补强的规则宜适用于封头。 (g)304.3.5述及的关于支管连接的补充设计条件同样适用于封头的开孔。 304.5法兰和盲板的压力设计 304.5.1法兰总则 (a)不按303或304.5.1(b)或(c)设计的法兰应按304.7.2的要求评定。 (b)法兰可用B31.3规范的需要应力和温度范围按BPV规范第VIII卷第1册强制性附录2来设计。 符号定义应按附录2,下列符号除外: P=设计表压 Sa=在环境温度下螺栓的设计应力 Sb=在设计温度下螺栓的设计应力 Sr=法兰或管子材料的SE(应力值S和从表A-1A或A-1B查得的相应质量系数E的乘积)。 见302.3(e) (c)上款(b)的规则不适用于那些垫片延伸至螺栓外侧(通常是延伸至法兰外径处)的法兰连接。 对于螺栓圆外法兰面相接触的法兰设计,宜用第VIII卷第1册附录Y的规则设计。 304.5.2盲法兰 (a)不按303或304.5.2(b)设计的盲法兰应按304.7.2的要求来评定。 (b)盲法兰可按公式(14)计算,其包括钢厂负公差在内的最小厚度应不小于tm: tm=t+c(14) 计算t可使用第VIII卷第1册UG-34的规则,但其中的符号按下列定义: t=压力设计厚度,根据忙疯了的类型,使用UG-34中螺栓连接的平盖板的相应公式计算出 c=304.1.1规定的裕量的总和 P=设计的内压或外压 Sf=法兰材料的SE 304.5.3盲板 永久性盲板(代表性的外形示于图304.5.3)所需的最小厚度应按公式(15)进行计算: 式中dg=凸面或平面法兰的垫片内径,或环槽式连接和垫片完全卡住的法兰的垫片平均直径 E=与304.1.1的定义相同 P=设计表压 S=与304.1.1的定义相同 c=304.1.1规定的裕量的总和 304.6变径段 304.6.1同心变径段 (a)不按303或304.6.1(b)设计的同心变径段应按304.7.2的要求评定。 (b)圆锥或反向曲线的同心变径段或这两种形式组合的同心变径段,可按304.4.1所述的锥形或翻边锥形封头的规则进行设计。 304.6.2偏小变径段 不按303规则设计的偏心变径段,应按304.7.2的要求评定。 图1.5.3盲板 304.7其他组件的压力设计 304.7.1表列的组件 按表326.1所列标准制造的其他承受组件,可按303的规定使用。 304.7.2非表列的组件和零件 不适用于304规则的非表列的组件和其他管道零件的压力设计,应按与本规范的设计准则一致的原则计算。 计算应在考虑301.4至301.10提及的冲击载荷、热载荷、循环载荷的影响及热冲击的情况下,按304.7.2(a)、(b)、(c)和(d)的一个或多个方法进行设计。 表明符合304.7.2(a)、(b)、(c)或(d)和(e)的计算和文件应提交业主批准。 (a)用同样或类似材料制作的相似比例的组件,在类似条件下所获得的广泛成功的使用经验; (b)按BPV规范第VIII卷第2册附录6中所述的实验应力分析; (c)按ASMEB16.9MSSSP-97或BPV规范第VIII卷第1册UG-101规定的验证试验; (d)附有按第VIII卷第2册附录4的4-1评述的结构的详细应力分析。 第2册中设计温度下的Sm值用本规范表A-1中的基本许用应力代替。 在蠕变范围的设计温度下,可能需要额外考虑超出第2册的范围的条件。 (e)按上述条款确定尺寸、壁厚和压力等级时,设计者可用内插法,并可在有关材料中确定任何类似的材料。 304.7.3带有非金属承压件的金属组件 表326.1所列标准中未包括的组件且这些组件同时有承压的金属和非金属零件时,应按A304.7.2和304.7.2的有关要求确定。 304.7.4膨胀节 (a)金属波纹管膨胀节金属波纹管膨胀节应按附录X的要求设计,进一步的设计考虑参见附录F中的F304.7.4。 (b)滑动型膨胀节 (1)承压件应符合318和本规范其他有关要求。 (2)外部的管道负荷不应对膨胀节施加过分的弯曲力。 (3)有效的轴向压力面积应按管子外径计算。 (c)其他形式的膨胀节其他形式膨胀节的设计应按304.7.2的要求评定。
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