服務(wù)熱線：影響橢圓形封頭壁厚等級確定的因素
2016年10月19日
滄州五森管道有限公司
材料的許用應(yīng)力是指材料的強度指標(biāo)除以相應(yīng)的 系數(shù)而得到的值。在第三章中已經(jīng)了解到，橢圓形封頭的機械性能指標(biāo)有屈服極限、強度極限、蠕變極限、疲勞極限等，這些指標(biāo)分別反映了材料在不同狀態(tài)下失效的極限值。為了保證管道運行中的強度 性，常將管道元件中的應(yīng)力限制在各強度指標(biāo)下某一值，該數(shù)值一般由各強度指標(biāo)除以一個大于等于的系數(shù)得到，并稱之為許用應(yīng)力，這里的系數(shù)被稱為 系數(shù)。當(dāng)管道元件中的應(yīng)力超過其許用應(yīng)力值時，管件的強度將難以保證。因此說，材料的許用應(yīng)力是確定橢圓形封頭壁厚等級的基本參數(shù)。
不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，采用的 系數(shù)是不同的，也 是說選取的許用應(yīng)力值是不同的。對橢圓形封頭來說，國內(nèi)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般是取按GB150《鋼制壓力容器》規(guī)范確定的許用應(yīng)力值，而ASTM材料則是取按ANSI B31.3《 Process Piping》標(biāo)準(zhǔn)確定的許用應(yīng)力值。
為了便于材料工程師查閱，在這里給出幾個常用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力確定方法。
ANSI B31.3規(guī)定：計算橢圓形封頭強度時的許用應(yīng)力值不應(yīng)超過下列中的 小值（不包括螺栓的許用應(yīng)力值）：
1. 室溫下規(guī)定的 小抗拉強度的1/3；
b、該溫度下的抗拉強度的1/3；
c、室溫下規(guī)定的 小屈服強度的2/3；
d、該溫度下屈服強度的2/3。但對奧氏體不銹鋼和某些鎳鋼除外，它們可以達到該溫度下屈服極限的90%，但不能大于室溫下規(guī)定的 小屈服強度的2/3；
e、每1000小時蠕變率為0.01%的平均應(yīng)力的 ；
f、每100000小時終了時的平均斷裂應(yīng)力的67%；
g、每100000小時終了時的 小斷裂應(yīng)力的80%；
計算螺栓強度時的許用應(yīng)力值不應(yīng)超過下列中的 小值：
1. 室溫下規(guī)定的 小抗拉強度的1/4；
b、該溫度下的抗拉強度的1/4；
c、室溫下規(guī)定的 小屈服強度的2/3；
d、該溫度下屈服強度的2/3；
e、每1000小時蠕變率為0.01%的平均應(yīng)力的 ；
f、每100000小時終了時的平均斷裂應(yīng)力的67%；
g、每100000小時終了時的 小斷裂應(yīng)力的80%；
GB150標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材許用應(yīng)力按表4-3選取。
橢圓形封頭用鋼材（螺栓材料除外）的許用應(yīng)力
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材料
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許用應(yīng)力取下列各值中的 小值，MPa
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碳鋼、低合金鋼
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σb /3.0、σs /1.6、σSt/1.6、σDt/1.5、σnt/1.0
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高合金鋼
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σb /3.0、σs(σ0.2) /1.5、σSt(σt0.2)/1.5、σDt/1.5、σnt/1.0
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對奧氏體高合金鋼鋼制受壓元件，當(dāng)設(shè)計溫度低于蠕變溫度范圍，且允許有微量的 變形時，可適當(dāng)提高許用應(yīng)力至0.9σSt(σt0.2)，但不得超過σs(σ0.2)/1.5。此規(guī)定不適用于法蘭或其它有微量 變形 產(chǎn)生泄漏或故障的場合。
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螺栓材料的許用應(yīng)力按表4-4選取：
橢圓形封頭用螺栓材料的許用應(yīng)力
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材 料
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螺栓直徑
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熱處理狀態(tài)
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許用應(yīng)力取下列各值中的 小值，
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mm
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MPa
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碳鋼
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£M22
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熱軋、正火
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σSt/2.7
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M24~M48
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σSt/2.5
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低合金鋼
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£M22
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σSt(σt0.2)/3.5
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馬氏體高合金鋼
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M24~M48
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調(diào)質(zhì)
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σSt(σt0.2)/3.0
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σDt/1.5
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³M52
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σSt(σt0.2)/2.7
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奧氏體高合金鋼
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£M22
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固溶
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σSt(σt0.2)/1.6
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M24~M48
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σSt(σt0.2)/1.5
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表中：σb……材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值，MPa；
σs(σ0.2)……材料標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點（或材料發(fā)生0.2％屈服變形時對應(yīng)的強度值），MPa；
σSt(σt0.2)……材料在設(shè)計溫度下的屈服點（或材料在設(shè)計溫度下發(fā)生0.2％屈服變形時對應(yīng)的強度值），MPa；
σDt……材料在設(shè)計溫度下經(jīng)歷10萬小時斷裂的持久強度的平均值，MPa；
σntt……材料在設(shè)計溫度下經(jīng)歷10萬小時蠕變率為1％的蠕變極限，MPa。
ANSI B31.4則規(guī)定許用應(yīng)力為 小屈服點的72%。
ANSI B31.1與ANSI B31.3的規(guī)定相近（略）。
2、腐蝕余量
腐蝕余量是考慮因介質(zhì)對橢圓形封頭的腐蝕而造成的管道壁厚減薄，從而增加的管道壁厚值。它的大小直接影響到管道壁厚的取值，或者說直接影響到壁厚等級的確定。腐蝕余量一般是根據(jù)介質(zhì)對管道材料的腐蝕性和橢圓形封頭的設(shè)計壽命確定的。但是，目前工程上比較難做到的是，大多數(shù)腐蝕環(huán)境對金屬材料的年腐蝕量難以確定。第三章中已經(jīng)講到，目前我國尚沒有一套有關(guān)各種腐蝕介質(zhì)在不同條件下對各種材料的腐蝕速率數(shù)據(jù)，因此，工程上大多數(shù)情況下仍是憑經(jīng)驗來確定其腐蝕余量的。為了簡化計算數(shù)據(jù)，許多國內(nèi)外的工程公司或設(shè)計院通常都將腐蝕余量分為如下四級：
a、無腐蝕余量。對一般的不銹鋼管道多取該值；
b、1.6mm腐蝕余量。對于腐蝕不嚴(yán)重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
c、3.2mm腐蝕余量。對于腐蝕比較嚴(yán)重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
d、加強級（大于3.2mm）腐蝕余量。對于有固體顆粒沖刷等 殊情況下的管道，根據(jù)實際情況確定其具體值。
橢圓形封頭及其元件在制造過程中，相對于其公稱壁厚（或者說是理論壁厚）都會有正、負(fù)偏差，因此在確定管子及其元件公稱壁厚時一定要考慮可能出現(xiàn)的負(fù)偏差值。各種鋼管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的偏差值是不完全相同的，GB8163《流體輸送用無縫鋼管》和GB13296《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》規(guī)定的壁厚偏差值見表4-5。
橢圓形封頭常用標(biāo)準(zhǔn)的鋼管壁厚偏差值
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材 料
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壁 厚 （mm）
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偏差值 （%）
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GB8163《流體輸送用無縫鋼管》
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≤20
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+15
－10
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GB13296《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》
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<15
³15
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+15，－12.5
+20，－15
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4、焊縫系數(shù)
金屬的焊接過程，實質(zhì)上是一個冶金過程，其組織帶有明顯的鑄造組織 征。一般情況下，鑄造組織缺陷較多，材料性能也有所下降，有關(guān)這方面的知識將在第九章和第十章中介紹。對于有縱焊縫和螺旋焊縫的焊接橢圓形封頭及其元件，相對于無縫管子及其元件來說，工程上常給它一個強度降低系數(shù)（即焊縫系數(shù)），以衡量其機械性能下降的程度。機械性能下降的多少取決于焊縫中存在缺陷的多少，通常用無損探傷（主要是射線探傷RT）來檢查焊縫缺陷，并以射線探傷檢查的多少來衡量機械性能下降的程度。設(shè)定無縫鋼管的焊縫系數(shù)為1，那么不同的焊接型式、不同的射線探傷比例，其焊縫系數(shù)的取值見表4-6。
焊接橢圓形封頭的焊縫系數(shù)
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序 號
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焊接方法
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接頭型式
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焊縫型式
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檢驗型式
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焊縫系數(shù)
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1
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鍛焊（爐焊）
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對 焊
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直線
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按標(biāo)準(zhǔn)要求
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0.6
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2
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電阻焊
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對 焊
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直線或螺旋形
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按標(biāo)準(zhǔn)要求
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0.85
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3
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電弧焊
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單面對焊
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直線或螺旋形
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無RT
10%RT
RT
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0.8
0.9
1.0
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雙面對焊
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直線或螺旋形
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無RT
10%RT
RT
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0.85
0.9
1.0
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5、橢圓形封頭鑄造質(zhì)量系數(shù)
同焊縫一樣，相對于軋制或鍛制的管子元件來說，鑄件存在的缺陷相對較多，使得其機械性能有所下降。在ANSI B31.3中，為了衡量鑄件機械性能下降的程度，用鑄造質(zhì)量系數(shù)來表示。鑄造質(zhì)量系數(shù)同樣與無損探傷的檢驗數(shù)量有關(guān)。一般情況下，符合材料基本要求且根據(jù)MSS SP－55的規(guī)定已經(jīng)過肉眼檢驗的靜態(tài)鑄件，可取其基本鑄造質(zhì)量系數(shù)為0.8，對每一鑄件進行補充檢驗后可以按表4-7的要求提高。值得一提的是，鑄件用作壓力管道及其元件的情況并不多，僅大直徑（DN³50）閥門的閥體常采用鑄件，但閥門閥體的強度設(shè)計一般由制造商進行，而且多數(shù)閥門標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了 小壁厚要求，故實際的壓力管道設(shè)計中很少用到鑄造質(zhì)量系數(shù)這個概念。
橢圓形封頭鑄造質(zhì)量系數(shù)
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檢 驗 項 目
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鑄造質(zhì)量系數(shù)
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1、根據(jù)ANSI B46.1規(guī)定，對所有表面進行機加工，表面機加工精度為250微英寸，以增加表面檢查效果
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0.85
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2a、對于碳素鋼和鉻鉬鋼鑄件，按ASTM E709或E138標(biāo)準(zhǔn)，進行磁粉探傷（MT），并按ASTM E125的參照照片判定合格；
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0.85
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2b、對于不銹鋼鑄件，按ASTM E165標(biāo)準(zhǔn)，進行液體滲透探傷（PT），并按ASTM E125的參照照片判定合格
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0.85
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3a、對每個鑄件，按ASTM E114標(biāo)準(zhǔn)進行 超聲波探傷（UT），并確定缺陷深度不超過公稱壁厚的5%時；
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0.95
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3b、對每個鑄件，按ASTM E142標(biāo)準(zhǔn)進行 的射線探傷（RT），并確定符合ASTM E446、E186、E280標(biāo)準(zhǔn)II級合格時
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0.95
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滿足1和2a、2b時
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0.9
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滿足1和3a、3b時
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1.0
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滿足2a、2b和3a、3b時
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1.0
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滿足MSS SP-55標(biāo)準(zhǔn)要求時
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0.8
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ANSI B31.3規(guī)定，用于劇烈操作條件下及工藝介質(zhì)管道上的焊接和鑄造管件，其焊接質(zhì)量系數(shù)和鑄造質(zhì)量系數(shù)均不得低于0.9。
6、設(shè)計壽命
前面已經(jīng)提到，設(shè)計壽命與橢圓形封頭的腐蝕余量有關(guān)。對于均勻腐蝕來說，當(dāng)知道其年腐蝕速率后，根據(jù)預(yù)定的設(shè)計壽命， 很容易算出其應(yīng)取的腐蝕余量了。除此之外，設(shè)計壽命還與交變應(yīng)力作用的荷載變化次數(shù)、氫損傷的孕育時間、斷裂因子的擴展期等影響因素有關(guān)，同時又與橢圓形封頭的一次性投資、資金代嘗期和技術(shù) 新周期有關(guān)。美國一雜志上推薦的設(shè)計使用壽命為：碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不銹鋼為10年。SH3059標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用壽命為（10～15）年。國外的一些工程公司對總承包項目和非總承包項目分別規(guī)定了不同的設(shè)計壽命，前者一般為10年，后者一般為15年，以便從中獲取較大的利潤。
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