儀表閥設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

羅雙艷

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

儀表閥作為管路附件，用于接通和切斷儀表與測(cè)量管路的聯(lián)系并控制輸送介質(zhì)的流量。設(shè)計(jì)人員需對(duì)其材料、壁厚及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，使得所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠滿足工作溫度、壓力及閥門材料與工藝設(shè)備或管道材料相適應(yīng)等要求，確保測(cè)量的可靠性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)沒有專門的用于儀表閥設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外也只有美國(guó)閥門和配件工業(yè)制造商標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(MSS)頒布過專門針對(duì)儀表閥門的標(biāo)準(zhǔn)，如MSS SP-105《規(guī)范用儀表閥》、MSS SP-99《儀表閥》及MSS SP-130《儀表閥波紋管》等，這些標(biāo)準(zhǔn)主要適用于儀表閥門(接管直徑不大于DN25mm)和閥組。在此，重點(diǎn)介紹MSS SP-105對(duì)儀表閥的設(shè)計(jì)要求，并給出儀表閥設(shè)計(jì)中采用的標(biāo)準(zhǔn)建議。

1 MSS SP-105的基本要求①

1.1 閥門材料

閥門的材料對(duì)于其長(zhǎng)周期安全運(yùn)行至關(guān)重要，不同材料的性能對(duì)工作介質(zhì)的物理性能(溫度和壓力)和化學(xué)性能(腐蝕和放射)的承受力不同。而不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的性能要求也各有差異，因此在設(shè)計(jì)中首先要確定閥門材料所符合的具體標(biāo)準(zhǔn)。

MSS SP-105規(guī)定的承壓部件材料適用標(biāo)準(zhǔn)比較多樣，包括了適用于傳統(tǒng)石油、化工及制藥和常規(guī)電廠的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如ASME B16.34、ASME B31.1和ASME B31.3；同時(shí)也包括核電廠的核級(jí)材料標(biāo)準(zhǔn)，如ASME BPVC-Ⅲ。此外，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的質(zhì)量保證也提出了要求，規(guī)定承壓部件材料應(yīng)有材料鑒定測(cè)試報(bào)告，鑒定應(yīng)包括化學(xué)分析和機(jī)械特性。對(duì)非承壓部件(如閥桿、填料函和填料壓緊螺母)材料的要求相對(duì)寬泛，只要與承壓部件材料相容即可。

1.2 設(shè)計(jì)要求

確定閥門的工作壓力是設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，不同的標(biāo)準(zhǔn)給出的方法也不相同。MSS SP-105給出了3種方法供選擇，即計(jì)算、水壓實(shí)驗(yàn)和爆破實(shí)驗(yàn)。

MSS SP-105提出的方法比較新穎，確保其按所設(shè)計(jì)的工作壓力滿足實(shí)際的工作要求。MSS SP-105提出閥門鑒定要求：按照要求設(shè)計(jì)的每一種不同尺寸的閥門進(jìn)行鑒定以確定閥門在環(huán)境工況-29～+38℃下的最大允許工作壓力(CWP)等級(jí)。如果對(duì)任何有少量差異(如端部連接和材料)的閥門都進(jìn)行鑒定的話，會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。因此，相同設(shè)計(jì)和尺寸但材料不同的閥門的CWP等級(jí)，可根據(jù)材料的許用應(yīng)力和不同材料所做的閥門的水壓實(shí)驗(yàn)確定；相同設(shè)計(jì)和尺寸，但端部連接不同的閥門的CWP等級(jí)為閥門等級(jí)或端部連接的取小值。

1.3 端部連接

閥門與管道的連接方式有螺紋連接、焊接、法蘭連接及卡套連接等多種。螺紋連接方式中，螺紋的標(biāo)準(zhǔn)繁多；焊接也分對(duì)焊和承插焊；法蘭連接的形式也多種多樣。因此，在設(shè)計(jì)儀表閥的端部時(shí)必須確定具體所采用的符合哪種標(biāo)準(zhǔn)要求的連接方式。

MSS SP-105中提出錐形管道螺紋應(yīng)符合ANSI/ASME B1.20.1、ANSI B1.20.3或ANSI/CGA V-1的要求；連接處承插焊管件直徑、深度尺寸和允許誤差應(yīng)滿足ASME B16.11的要求；對(duì)焊連接端部尺寸應(yīng)滿足ASME B16.25的要求；

與儀表閥連接的管道除了Pipe管之外，很多工程中也有用到Tube管，MSS SP-105對(duì)與Tube的連接形式也做了相關(guān)的規(guī)定。

此外，MSS SP-105要求與閥體焊接的端部連接部分的焊接評(píng)定應(yīng)滿足ASME Ⅸ的要求。

1.4 鑒定

MSS SP-105不但提出了不同的確定閥門壓力等級(jí)的方法，還提出對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行鑒定的要求，該標(biāo)準(zhǔn)給出兩套閥門鑒定方法：計(jì)算和水壓試驗(yàn)；水壓試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)。

1.4.1計(jì)算

計(jì)算包括應(yīng)力和額定壓力計(jì)算。應(yīng)力計(jì)算根據(jù)ASME B31.1、ASME B31.3或ASME-Ⅲ進(jìn)行，應(yīng)力裕量根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中最大許用應(yīng)力表確定，在該計(jì)算過程中可以不考慮腐蝕裕量。大量閥門的工作溫度往往不是環(huán)境溫度，對(duì)于這部分非CWP溫度下的工作壓力可由此溫度下許用應(yīng)力除以CWP下的許用應(yīng)力的比率再乘以CWP獲得。

1.4.2水壓試驗(yàn)

MSS SP-105對(duì)閥門水壓試驗(yàn)的最低要求如下：

介質(zhì) 水或油

溫度 10～50℃

壓力 2CWP

時(shí)間 在試驗(yàn)壓力下至少持續(xù)1min

位置 所有可能使壓力邊界部件承受內(nèi)部壓力的位置

在驗(yàn)證試驗(yàn)階段的任何壓力下，部件、連接和密封處不能有可見泄漏，在驗(yàn)證試驗(yàn)階段除了閥桿填料部分可以調(diào)整外(防止泄漏)，不允許其他任何承壓連接或密封處進(jìn)行調(diào)整。

1.4.3爆破試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)閥門進(jìn)行水壓試驗(yàn)直至爆破，記錄發(fā)生爆破時(shí)的壓力。爆破試驗(yàn)時(shí)允許閥門填料、墊圈和承壓連接處在高于水壓試驗(yàn)壓力時(shí)泄漏。如果在爆破發(fā)生前終止壓力試驗(yàn)，則最高承受壓力為閥門爆破壓力。

根據(jù)爆破試驗(yàn)確定的CWP等級(jí)的計(jì)算公式為：

P≤0.25BTm/Ta

式中B——3次取樣試驗(yàn)中最低的爆破試驗(yàn)壓力；

P——CWP等級(jí)；

Ta——試驗(yàn)閥門的實(shí)際抗拉強(qiáng)度；

Tm——材料的最小抗拉強(qiáng)度。

1.4.4類似閥門

在閥門設(shè)計(jì)、制造中會(huì)有很多類似閥門，如相同設(shè)計(jì)不同尺寸及相同尺寸不同材料等，MSS SP-105對(duì)這類閥門的處理給出的建議為：相同設(shè)計(jì)和尺寸但有較小改動(dòng)的類似的閥門認(rèn)為是合格的，如果改動(dòng)會(huì)增加壓力邊界部件的應(yīng)力水平，則應(yīng)按照應(yīng)力的比率來按比例降低等級(jí)；如果材料有不同的強(qiáng)度，材料許用應(yīng)力的比率也應(yīng)該用來確定新的等級(jí)，作為試驗(yàn)樣本的承壓部件的實(shí)際抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)可追蹤材料熱處理證明或提交的從同一批爐中的取樣材料獲得，驗(yàn)證試驗(yàn)的根據(jù)為ASME-Ⅷ UG-101(J)。

1.5 驗(yàn)收試驗(yàn)

每個(gè)產(chǎn)品在出廠前都應(yīng)進(jìn)行出廠驗(yàn)收試驗(yàn)，儀表閥門主要起隔離或連通作用，因此必須進(jìn)行泄漏試驗(yàn)和殼體水壓試驗(yàn)。MSS SP-105本身并未對(duì)這部分內(nèi)容有過多描述，而是直接引用了MSS SP-61《閥門壓力試驗(yàn)》。

進(jìn)一步查詢可知，儀表閥門殼體試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為1.5CWP，持續(xù)時(shí)間為15s；泄漏試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為1.1CWP，持續(xù)時(shí)間也為15s。

2 MSS SP-105與ASME B16.34比較

ASME B16.34是目前國(guó)際上最為權(quán)威的工業(yè)閥門標(biāo)準(zhǔn)之一，內(nèi)容涉及閥門承壓件壓力等級(jí)、材料種類、壁厚、連接等的計(jì)算、材料制作、材料檢驗(yàn)及閥門驗(yàn)收等，為設(shè)計(jì)人員提供了很好的、全面的規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)與MSS SP-105的具體要求有一定差異。

ASME B16.34主要針對(duì)接管直徑大于DN65mm的工藝閥門，而MSS SP-105主要針對(duì)的是對(duì)接管直徑不大于DN25mm的儀表閥。

兩份標(biāo)準(zhǔn)適用的材料標(biāo)準(zhǔn)都是ASTM和ASME-Ⅱ系列。

ASME B16.34對(duì)如何根據(jù)溫度、壓力、尺寸及材料等確定閥門壓力等級(jí)，以及如何根據(jù)尺寸和壓力等級(jí)確定閥門壁厚等，都有詳細(xì)描述或相應(yīng)表格供查詢。而MSS SP-105給出了幾種閥門工作壓力的確定方法，其中爆破試驗(yàn)方式確定閥門工作壓力是其他標(biāo)準(zhǔn)中都不曾提到的方法。相對(duì)來說，ASME B16.34使用簡(jiǎn)便，可直接通過查表確定部分設(shè)計(jì)參數(shù)；但MSS SP-105在保證閥門設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)閥門壓力等級(jí)的確定提供了更多的選擇。

ASME B16.34中的殼體試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)要求與MSS SP-105(具體參考MSS SP-61)要求相同。對(duì)于閥門口徑不大于DN50mm的閥門殼體試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為1.5CWP，持續(xù)時(shí)間為15s；泄漏試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為1.1CWP，持續(xù)時(shí)間也為15s。

由于ASME B16.34主要適用于與工藝Pipe管連接的閥門，所以該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)端部連接部分的要求限制在ASME/ANSI法蘭、螺紋和焊接連接的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而MSS SP-105考慮到儀表閥可能會(huì)與Tube連接，因此對(duì)端部連接部分要求更為多樣，除了適用ASME/ANSI法蘭、螺紋和焊接連接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，還適用于其他非標(biāo)連接方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

在儀表測(cè)量管路中，閥門是保證儀表可靠測(cè)量的重要部件，如何根據(jù)更為適用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)合適的閥門，直接關(guān)系到儀表測(cè)量管路的安全運(yùn)行和儀表測(cè)量的精度。儀表閥門尺寸較小，通常是由棒材加工而成，而且所連管道形式更為多樣，如果在設(shè)計(jì)過程中籠統(tǒng)地采用工藝閥門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)造成諸多限制和成本浪費(fèi)。在儀表閥設(shè)計(jì)規(guī)范要求中，MSS SP-105更靈活，更加適用于儀表閥的設(shè)計(jì)。因此，建議以MSS SP-105要求為主，ASME B16.34作為設(shè)計(jì)規(guī)范補(bǔ)充。