基于ASME標準的超超臨界機組儀表導管設計研究

華 偉，趙洪生

(東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021)

1 概述

隨著國家“一路一帶”戰略的推進，由中國的國際工程公司負責的EPC項目越來越多的進入了歐洲、中東等高端電力市場。這些國際工程的招標文件多為西方工程咨詢公司負責編寫，最終的EPC合同中也會明確要求采用ASME等美國技術標準完成儀表導管的選型設計。如何掌握、理解并執行這些國際標準，對于項目的總承包方和設計方提出了更高的要求。

1.1 美標中的導管設計標準

ASME標準并沒有專門的針對火電廠儀表導管和閥門的設計標準。而ASME B31.1《動力管道》作為電站鍋爐等設備的工業管道系統設計規范，各種儀表導管、閥門、法蘭、墊圈、接頭等承壓部件也在B31.1的適用范圍內。ANSI/ISA－77.70《火電廠儀表管路安裝》是美標中另一個用于電站儀表導管設計的規范。此標準明確指出了材料的使用條件、部件標準、壓力－溫度許用值以及連接方法的選用導則及限制等內容全部來自于B31.1中的要求。因此，基于美標的儀表導管和閥門設計的計算和選型主要依據為ASME B31.1及相關尺寸和材料標準。

1.2 Pipe和Tube管的區別

所謂的Pipe管一般用于流體輸送，工藝管道專業應用較多。Pipe是以公稱直徑(NPS)和壁厚號(SCH.No.)來定義，Pipe 管的尺寸規格必須符合ASME B36.10或ASME B36.19尺寸標準。Tube管主要用于換熱和傳輸動力，主要在儀表專業使用，尺寸規格標識為外徑(OD)X壁厚。Pipe管的尺寸由國家標準統一規定，不能自定尺寸系列，而Tube管的尺寸規格則是根據使用用途和要求自行規定的。儀表測量的一次門前取壓管主要具有流體輸送的作用，而一次門后的管道則更多的考慮換熱及壓力傳輸的功能。因此一次門前的管道應選擇Pipe管，而一次門后的儀表導管則采用tube管。

2 儀表導管及閥門設計

2.1 引出管

根據ASME B31.1中122.3.2儀表管道章節的描述：“信號源處的引出管(Takeoff Connection)包括連接套管、接管或異徑管”，在這里，一次門前的管道統一被稱為引出管，不再有國內標準中的取壓短管和一次門前導管的概念，這也是與國外工程公司的設計分工相一致的。B31.1同時規定引出管要求“至少采用與工藝管道相同材質的材料制造，并且設計參數按照信號源的壓力和溫度來考慮”，同時提出“運行溫度不大于6.2MPa或者425℃時，引出管的公稱尺寸應不小于NPS·1/2”；當設計條件超過上述壓力或溫度任一范圍時，應不小于NPS·3/4”。因此對于引出管的尺寸規范我們需要考慮的就是滿足B31.1要求的溫度和許用壓力下的管道壁厚。

管道的壁厚等級確定的因素主要包括溫度－壓力影響和對壁厚裕的考慮，這些因素對于壁厚的影響在B31.1給出的壁厚計算公式中都得到了相應的體現，根據計算后的最小指定壁厚值來查找ASME B36.10/19中的“尺寸和重量表”就可以找到代表壁厚的SCH· No.等級。

首先，引出管的壁厚需滿足設計溫度和壓力下的強度要求，可以用下面的公式(1)得到計算壁厚t：

式中：t為計算壁厚；Do為管道外徑；P為設計壓力；S為材料許用壓力(來自B31.1附表A)；E為焊接接頭系數或鑄造質量系數(來自B31.1附表A，通常為1 )；Y為溫度修正系數(來自B31.1 表104.1.2，區間內溫度的Y值可通過插值法計算得出)。

其次，引出管的最小計算壁厚還需增加由于考慮裕度所引起的附加壁厚C，然后得到最小需要壁厚tm。在儀表測點引出管或導管壁厚的計算中，可以不考慮這部分附加厚度，即C=0

另外，由于管道在實際安裝過程中可能需要進行彎管制作，這就需要在管道壁厚的選擇中考慮這部分原因引起的壁厚減薄，見公式(3)，其中系數B按照B31.1的表102.4.5選擇，通常對管道彎制前直管的最小彎管壁厚tbeng可按照大于等于3倍管子外徑來考慮而選擇1.25：

最后，管道壁厚還需考慮管道制造過程中的負偏差m%(計算中按照12.5%選取)。按照公式A=m/(100－m)得到管壁厚負偏差系數A。根據公式(4)得到管道的最小指定厚度tmin。根據這一計算值再查ASME B36.10或ASME B36.19的尺寸表并向上取值考慮一定的余量后找到最終的壁厚SCH·No.等級

為減少現場材料的種類，工程中引出管可按照最小公稱尺寸為NPS·3/4”的Pipe管道來考慮。根據以上公式計算并選型得到的某工程“四大管道”引出管規格詳見表1。

2.2 一次門

根據國外工程公司的設計分工，儀表測量管路中的一次門都習慣由工藝專業完成設計并采用小通徑工藝截止閥門(Globe Valve)，而國內設計由于一次門屬于熱控專業設計范圍，更多的是采用儀表閥門(Needle Valve)。B31.1中并沒有規定一次門必須采用工藝閥門，僅指出引出管上的截止閥“應能夠承受與引出管連接的容器或管道的設計壓力和溫度”。因此一次門的選型應以主管道的溫度和壓力作為主要的設計依據，并綜合考慮形式、等級、連接、材料和通徑等因素來確定。

表1 某超超臨界燃煤機組四大管道引出管壁厚計算及尺寸選型

滿足ASME標準的工藝截止閥門在制造和測試標準上遵循ASME B16.34規范，其壓力－溫度額定值是按照磅級數來表示的。在超超臨界機組的主蒸汽、再熱熱蒸汽和主給水壓力的測量時，由于主管道的設計參數很高，一次門需采用CL4500壓力等級、閥體符合高溫鍛造ASME SA182規范的合金或不銹鋼材料以及連接方式滿足ASME B16.11和B16.25規范的焊接工藝閥。

ASME標準體系中沒有專門針對儀表閥的制造標準和規范。但美國工業制造商標準協會(Manufacturers Standardization Society)的MSS SP－105《儀表閥適用規范》作為標準和技術條件在B31.1中明確表示是可以使用的。通常的儀表閥閥體、閥蓋等受壓部件的多是采用ASME CL2500壓力等級和ASME SA479棒材材質(其使用溫度不能超過427℃)，但SAFELOK等國外閥門廠家也可提供滿足高溫鍛造SA182標準且符合CL4500壓力等級的儀表閥。儀表閥與工藝閥相比較，在閥蓋的形式、填料密封的方式以及閥桿和手輪操作的方便性、結構強度和使用壽命低等方面具有明顯的缺點，因此從一次門的安全性、可靠性和經濟性等幾方面來考慮，實際工程中“四大管道”及部分高溫高壓測點上的一次門可采用工藝截止閥門，而其他中低溫和中低壓的儀表測量管路一次門則全部采用儀表閥門。

2.3 排污門

ASME B31.1中關于排污門的選擇主要有兩點設計要求：

(1) 對于亞臨界壓力蒸汽介質，排污門的設計壓力不應小于主管道或容器的設計壓力，設計溫度應為相應飽和蒸汽溫度。

(2) 對于所有其他介質，排污門應滿足(B.1)的要求。其中提到的(B.1)為前文提到的有關一次門的技術要求。因此我們可以認為：對于超臨界壓力參數介質，排污門的選型參數需按照主管道的介質壓力和溫度來確定。

ASME B31.1的描述中也并沒有關于配置雙排污門的相關設計條件和要求，但考慮到排污門易受到雜質的沖刷和磨損造成泄露故障，以及啟動和正常運行中也可能需要對測點進行短時排污操作，在實際工程項目的設計中，對排污門統一按照主管道介質的壓力和溫度來選型，配置數量和閥門通徑同一次門也是符合B31.1相關條款的。

2.4 儀表導管

2.4.1 設計原則

ASME B31.1 的第 122.3.2 節中沒有直接提出一次門后儀表導管的選型原則，但在該節B2.2(排污門)中指出：“當采用排污門時，儀表處的閥門以及排污門與儀表之間的任何管道和配件，應在100oF(40℃)下至少能承受1.5倍的主管道設計壓力”；在D.2(截流閥和儀表之間的管道材料)中提到“當需要防止堵塞和足夠的力學強度時，管子內徑不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049英寸(1.25 mm)”；在 E.1(管件和接頭)中指出：“管配件應根據需要適宜于集箱壓力和相應的飽和蒸汽溫度或水溫，對于超臨界壓力工況，管配件應設計成適用于主流體管道的設計壓力和溫度”。

儀表導管的一端與一次門連接，另一端連接變送器閥組或者二次門等儀表設備。在儀表正常情況下，儀表導管內的介質是不流動的，并因向周圍的導熱，介質溫度沿儀表管道不斷降低至儀表閥門處的環境溫度。儀表測點在機組低負荷時投運， 排污門打開并進行管路沖洗，介質溫度并不會太高；當測點正常投運后一次門后的介質溫度遠低于介質溫度；但由于需要考慮到儀表導管內冷凝水的形成點與導管的長度、保溫及傳熱等有關，同時在實際運行中存在機組高負荷時進行排污操作或者驅除儀表管內氣泡的情況，這就會使一次門后導管內的溫度很高。

為了能夠同時滿足ASME B31.1和實際運行工況的要求，并且提高整個儀表導管系統的安全性。儀表導管的材料和尺寸規格按下列設計原則來考慮：

(1) 超臨界壓力下的儀表管路選型參數按照主流體管道的設計壓力和溫度來確定；其他介質按照主管道的設計壓力和相應壓力的飽和蒸汽溫度或水溫來確定。

(2) 設置排污門時，儀表導管在100oF(40℃)時至少能承受1.5倍的主管道設計壓力。

(3) 儀表導管的內徑不小于0.36 英寸(9.14 mm)，壁厚不小于0.049 英寸(1.25 mm)。

2.4.2 導管材料

根據ASME B31.1附表A中提供的材料在一定溫度下的許用壓力值，選用奧氏體不銹鋼材料可以滿足超臨界機組儀表導管的選型。ASME SA213 TP316/316H具有相同的許用壓力。但兩者區別主要是含碳量不一樣(316H含碳量比316高0.04%～0.10%)，高碳含量可以提高不銹鋼的高溫強度和抗氧化性能，這也是B31.1規定“當溫度高于1000oF時，表中的許用壓力僅適用于含碳量等于或大于0.04%的材料”的原因。即TP316材料不能用于介質溫度高于538℃的儀表測量管路中。

另外，TP316H的許用壓力在高溫部分(1050oF以上)與T92基本相同，因此采用TP316H完全可以替代T92在高溫高壓儀表測量導管上的應用，但為了防止在現場進行異種鋼焊接，主蒸汽和再熱熱壓力測量管路中的一次門出口需要設置與儀表導管相同材質的過渡段(隨閥門出廠前完成)。而對于高壓給水、設備本體測點溫度低于 538℃的介質以及其他中低壓儀表導管統一采TP316。因此選擇SA213 TP316/316H奧氏體不銹鋼材料完全可以適用于全廠范圍內儀表導管的使用(海水或其他腐蝕性介質除外)，不但滿足了B31.1標準的要求，同時減少了現場鋼材的種類，便于采購和管理。

2.4.3 導管尺寸規格

由于ASME并沒有專門的Tube管(導管)尺寸規格標準，對于Tube管的壁厚選擇不能像Pipe管一樣直接計算壁厚后再按照某個尺寸規范得到最終的尺寸規格。通Tube管尺寸規格一般是按照“外徑(OD)X壁厚”的形式由各個管材制造商自行規定的。國內外主要的Tube管制造商，如Swagelok、Parker和FITOK等都能夠提供符合ASME相關材料規范且尺寸標準化和系列化的成品儀表管。在實際的工程設計過程中，儀表導管的規格是通過制造廠提供的Tube管技術數據和材料的許用壓力反推一定外徑和壁厚的導管在某溫度下的許用壓力是否能夠滿足導管設計參數來確定的。

在計算過程中需注意以下幾個問題：某些成品管制造商提供的最大許用壓力值是按照常溫(－28℃～37℃)時ASME SA269以及ASME B31.3 《工藝管道》標準得出的，在確定儀表導管的尺寸規格計算時，最大許用壓力值需乘以0.94的系數以滿足SA213和B31.1標準；另外，由于計算中采用了316/316H奧氏體不銹鋼的許用壓力的較大值，此時B31.1規定“這些應力值不宜用于具有墊片的 法蘭接頭或其它有微小變形會導致泄漏或功能不正常的部件”，因此儀表導管與閥門、管件等的連接全部采用焊接的方式。同時在許用壓力的計算中必須考慮額定值降低系數以保證焊接的完整性，一般導管與接頭的焊接系數為0.8。按照以上方法計算確定的某國外項目的主要儀表導管的材質和尺寸規格，見表2。

表2 某超超臨界機組主要參數測量儀表導管尺寸規格選型

2.4.4 管接頭及二次門

與儀表導管一樣，B31.1關于管接頭及配件的設計要求主要集中在122.3.2 節的D.2和E.1條款中。在工程中考慮到管道以及配件都是按照316/316H奧氏體不銹鋼的許用壓力的較大值進行計算，以及儀表管制造中的不圓度會引起卡套等連接時的泄露，對于接頭、三通等配件全部采用承插焊接，其溫度和壓力設計要求與儀表管的選型相同。ASME標準中這一設計原則的確定，充分考慮了超超臨界機組的主蒸汽和熱再熱蒸汽測點在滿負荷運行排污時，某些特殊情況下二次門前的介質溫度可能會接近主管道的溫度的情況，因此二次門的選型參數可按照儀表管和管接頭的設計參數來確定，保證了更高的安全性和可靠性。

根據國外工程的設計習慣和EPC合同，壓力測量儀表大多采用二閥組(壓力)和五閥組(差壓)作為二次門使用。需要注意的是，一般的閥組都是滿足CL2500壓力等級和ASME SA479不銹鋼棒材材料標準，當用于主蒸汽、再熱熱蒸汽和主給水等超臨界壓力或高溫度介質的測量時，應選擇CL4500壓力等級和ASME SA182鍛造奧氏體不銹鋼材料標準，以滿足選型參數為主管道的設計和溫度的設計原則。當然，在合同或業主同意的情況下，這樣的高溫高壓測點的閥組也可以采用相應的高溫高壓儀表閥來代替，以獲得更高的經濟性。

3 結論

綜上所述，采用ASME標準來進行儀表導管和閥門的選型的設計是建立在滿足相應溫度的許用壓力基礎之上的。由于材料的選擇及相應的計算都有明確的來源、過程和結果，采用ASME標準能夠最大程度上保證儀表測量回路的可靠性和安全性，并且對于各種類型的機組儀表管路的連接方式、壁厚的確定和儀表閥門的選型等具有廣泛的適用性和準確性。

雖然基于ASME標準的導管設計主要應用于有此要求的國外工程項目中，但對于國內相關標準中未涉及的60萬或100萬千瓦高參數超超臨界機組儀表取樣管和導管壁厚，同樣可以采用本文提及的壁厚計算公式以及國標GB/T17395的尺寸標準來計算，以確定滿足機組安全運行的儀表導管材料及尺寸規格、閥門和附件。

[1]ASME B31.1－2010 動力管道[S].

[2]ANSI/ISA77.70－1994 Fossil Fuel Power Plant Instrument Piping Installation [S].

[3]趙春玉.超超臨界機組熱工儀表導管的計算和閥門的選用[C]//中國電力企業聯合會.全國超(超)臨界發電機組技術交流研討會論文集.成都：中國電力企業聯合會，2010.