ASME B31.1和中國標準在150MW燃煤發電廠四大管道設計上的異同

劉曉偉，黃維林中國東方電氣集團有限公司

ASME B31.1和中國標準在150MW燃煤發電廠四大管道設計上的異同

劉曉偉，黃維林
中國東方電氣集團有限公司

在火力發電廠四大管道承壓設計過程中，ASME B31.1與中國標準的差異一直是國內大型工程公司的設計建造人員尤為關心的問題。本文詳細分析了兩個標準在管道承壓設計方法上的異同，并以某150MW燃煤發電廠四大管道為例，對比了分別按照兩個標準進行規格選型的結果，并評估了其對工程造價的影響。

ASME B31.1；四大管道；承壓設計

在火力發電廠管道設計中，ASME B31.1《動力管道》[1]作為美國國家標準，詳細規定了管道材料、設計、制作、安裝、檢查、檢驗和試驗等要求，并已經成為國際上廣為認可的標準。GB 50764-2012《電廠動力管道設計規范》[2]是我國在動力管道設計領域的一部現行的主要標準，其規定在很多方面借鑒了ASME B31.1的要求，但結合我國國情對某些具體規定作出了相應調整。理清ASME B31.1與GB 50764-2012之間的異同及其對工程造價的影響，是國內大型工程公司的設計建造人員尤為關心的問題。本文將從某150MW等級火力發電廠四大管道規格選型入手，對ASME B31.1與GB 50764-2012在管道規格選擇上的差異進行分析。

1.計算方法對比

1.1ASME B31.1中管道的承壓設計方法

ASME B31.1在其104.1節中指出，承受內壓的直管最小壁厚由下式確定：

其中tm表示管道所需最小壁厚，P表示管道的設計壓力，Do表示管道外徑，SE是設計溫度下由內壓力和焊縫接頭系數所確定的材料最大許用應力，y是與管道材料和設計溫度有關的系數，A表示附加厚度，包括補償機械加工的附加壁厚、增加力學強度的附加壁厚和補償腐蝕侵蝕的附加壁厚。規范要求在按照上式確定最小管壁厚度后，還應加上一定數值，以提供相應管道標準內所允許的或工藝上要求的制造偏差。然后根據厚度規格（如B36.10M[3]內所列規格）或制造廠的非標準厚度規格，選用接近的較厚商品壁厚。

1.2GB 50764-2012中管道的承壓設計方法

GB 50764-2012《電廠動力管道設計規范》[2]是中國適用于火力發電廠范圍內的蒸汽和水管道的設計規范。在其6.2節給出了計算直管最小壁厚、計算壁厚和取用壁厚的方法。對于Do/Di≤1.7的承受內壓的直管的最小壁厚計算公式為：

其中Sm表示管道在設計壓力和設計溫度下所需的最小厚度，p表示管道的設計壓力，Do表示管道外徑，[σ]t是設計溫度下材料的許用應力，η是許用應力的修正系數，與管道種類和檢驗標準有關，Y是與管道材料和設計溫度有關的修正系數，C表示附加厚度，包括腐蝕、磨損和機械強度要求的附加壁厚。同時，管子的計算壁厚按下式進行計算：

其中C1是管子壁厚負偏差的附加值。對于內徑管，負偏差值取0，對于外徑管，m是壁厚允許負偏差，取百分數。管子的取用壁厚還要在計算壁厚的基礎上，計入對口加工裕量，再到管子產品的公稱壁厚系列中進行選取。

對比兩個規范在計算公式上的差別。兩個公式中管道最終選取的壁厚都應不小于取用壁厚，但從公式的組成結構上來看，B31.1中的壁厚選取要考慮承受內壓，并計入腐蝕、磨損、加工損失和加工誤差的影響；而GB 50764-2012中的壁厚選取除了以上因素外，還需要額外考慮對口加工裕量的影響。

1.3計算參數選取的異同

具體到每一個參數的選取，兩個規范的要求大同小異。對于許用應力，B31.1中的SE一項所表達的材料許用應力，考慮了材料種類和焊縫質量系數的影響。GB 50764-2012中的[σ]tη所表達的物理含義是相似的，只是η的取值中還考慮了焊接鋼管采用100%射線或超聲檢驗的情況。在這種情況下，可以認為焊接鋼管的許用應力與無縫鋼管許用應力相等，即η=1，而在B31.1中沒有這樣的規定。

對于Y值，B31.1與GB 50764-2012是大致相同的，其區別在于B31.1給出了某些鎳合金的Y值以及金屬在超過1200℉時的Y值，而這兩種情況在火力發電廠的管道設計中很少出現，因此GB 50764-2012中并沒有界定這兩種情況下的Y值。

對于附加厚度，B31.1中的A值與GB 50764-2012中的C值所考慮的因素是一樣的，即腐蝕、磨損和機械強度。不同點在于GB 50764-2012中給出了C值在某些具體情況下的推薦值。對于管子壁厚負偏差，B31.1僅提及需要考慮負偏差值，但未給出具體的計算方法，而GB 50764-2012給出式(3)所示的計算公式。

綜上所述，在計算四大管道壁厚時，采用B31.1和GB 50764-2012這兩種不同的規范，設計人員可能會在許用應力值、附加壁厚、壁厚負偏差值和對口加工裕量上有所區別，從而計算得到不同的管道取用壁厚。根據管道的取用壁厚，再到各自的規范體系中選用不小于取用壁厚的標準管道規格。

2.計算結果

以某150MW等級燃煤發電廠的設計參數為例進行四大管道選型實例計算。計算時，基于材料理化性能相當和壓力設計時的許用應力相當兩個條件，在兩個標準中選取類似的管材，其許用應力值分別參照B31.1附錄A和GB 50764-2012附錄A取值；管道外徑和壁厚的允許偏差參照GB5310-2008[4]和GB3087-2008[5]中普通級鋼管進行選取。可計算得到四大管道的取用壁厚見表1：

表1　中國標準與ASME標準四大管道取用壁厚

從表1中可以得出以下結論：

（1）從許用應力上來看，12Cr1MoV的許用應力值在設計溫度下明顯高于P22。從取用壁厚計算結果上來看，采用12Cr1MoV作為主蒸汽管道和再熱熱段管道材料，相比于P22，可以有效降低管道壁厚，節約鋼材。

（2）對于再熱冷段管道，在設計溫度下，20號鋼許用應力值低于SA106B，因此計算壁厚大于SA106B，同時由于GB 50764-2012要求考慮較多的壁厚負偏差和對口加工裕量，從計算結果上來看，采用SA106B可以得到比20號鋼更小的取用壁厚。除此以外，由于國內的管道選型通常都會優先選擇典型管道手冊上推薦的壁厚，如本例所示，雖然取用壁厚僅為13.742mm，但由于典型管道手冊上推薦的壁厚為19mm，因此一般在進行設計時都會選擇19mm的管材。這就進一步導致采用20號鋼設計再熱冷段管道的單位管重遠高于采用ASME標準管道的單位管重。

（3）對于高壓給水管道，在設計溫度下，由于20G在該溫度下的許用應力值略大于SA106B，因此計算壁厚較小，在考慮了壁厚負偏差和對口加工裕量后，兩個標準的取用壁厚值差距不大。按照各自的規格表選取后，采用20G設計高壓給水管道的單位管重略高于SA106B。

參照2016年4月某鋼廠鋼材報價，按照某150MW等級燃煤發電廠四大管道管長計算，分別采用ASME標準和中國標準設計的四大管道的鋼管采購價格見表2：

表2　中國標準與ASME標準四大管道鋼管價格對比

表2中的價格僅表示四大管道鋼管采購的價格，不含管道支吊架、閥門、管件等。本文為方便對比，假設采用兩個標準進行設計，管道長度是一致的。從表2可以得到，四大管道無論采用ASME標準進行設計還是采用國標進行設計，其管道總價是差不多的，采用中國標準設計價格略低。

對比用途相近的兩種管材，國標管道每噸單價均略低于ASME管道。國標主蒸汽管道和再熱熱段管道的單位管重低于ASME標準，因此這兩項管道的價格國標管道較低。高壓給水管道的管道單重略高于ASME管道，考慮每噸單價后，該項仍是國標管道價格更低。國標再熱冷段管道由于按照典型管道手冊選型的原因，單位管重明顯高于ASME標準的管道，因此價格明顯比ASME標準管道高。

3.小結與討論

ASME標準作為國際上廣為認可的標準，與中國標準有著千絲萬縷的聯系。在火力發電廠工程設計中，理清采用ASME標準與采用中國標準的差異，并評估其對工程造價的影響，是提高中國企業在海外項目投標中的競爭力的重要途徑之一。本文參照ASME B31.1和GB 50764-2012的有關條文規定，詳細比較了兩者在管道承壓設計上的異同，并對具體參數的選擇進行了說明。以某150MW等級燃煤發電廠四大管道設計為例，參照某鋼廠管材價格，分別得到按照ASME標準和中國標準進行設計的四大管道的鋼管價格。結果表明，采用ASME標準或中國標準進行150MW等級燃煤發電廠四大管道設計，在鋼管價格上兩者是相當的，采用中國標準設計的鋼管價格略低。

在計算過程中還應注意，首先，中國標準的取用壁厚考慮了更多的設計裕量；其次，管材在設計溫度下的許用應力對取用壁厚的影響較大，在對比ASME管材與中國管材時，首先應確定采用哪兩種類似的管材進行對比，許用應力值較大的管材通常取用壁厚更小；再次，實際的管道規格除了與取用壁厚有關，還與兩個標準提供的管道標準規格有關，較小的取用壁厚并不一定對應著較薄的管道規格；最后，對于性能相近的管材，國標管道的每噸單價略低于ASME管道。

[1]ASME B31.1-2014，Power Piping

[2]GB50764-2012，電廠動力管道設計規范

[3]ASME B36.10M-2015，Welded and Seamless Wrought Steel Pipe

劉曉偉（1985-），男，四川成都人，學歷：碩士，研究方向：電力/能源。