熱擠壓三通設計的優(yōu)化

1、熱擠壓三通設計的優(yōu)化林其略上海協(xié)鑫電力工程有限公司,上海浦電路438號,200122摘要：本文用“壁厚等級”研究分析管件結構尺寸變化規(guī)律，論述熱擠壓三通的支管高度、支管壁厚、肩部尺寸的合理選取，提出保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的建議。關鍵詞: 熱擠壓三通；設計；優(yōu)化1 引言為了利用無縫鋼管壓制出結構尺寸符合設計要求的300MW、600MW及以上機組用的大口徑厚壁三通，填補國內(nèi)生產(chǎn)這類三通的空白，使我國三通的設計制造達到國際先進水平，1995年經(jīng)電力規(guī)劃設計總院批準立項，并列入1996年度國家級“星火計劃”，華東電力設計院和天津金鼎管道公司合作研究開發(fā)了電站管制大口徑厚壁三通，1996年年底通過技術鑒定，

2、榮獲國家重點新產(chǎn)品獎和天津市科技進步三等獎。經(jīng)過十多年的不斷實踐、研究、發(fā)展、提高，天津金鼎管道公司制造的超超臨界機組管件的技術和質(zhì)量已達到相當高的水平。優(yōu)質(zhì)的超超臨界機組管件，除了要有優(yōu)質(zhì)的材料、先進的工藝，還要有合理的結構設計。本文將介紹在與天津金鼎管道公司合作開發(fā)電站管制大口徑厚壁三通研究中優(yōu)化設計的點滴體會。2 強度條件2.1 壁厚等級眾所周知，在美國的管子和管件標準中，為便于訂貨普遍采用壁厚等級（管壁厚度號Scheduleo.）表示管子和管件。它和管子、管件的設計壓力及設計溫度下材料的許用應力的關系如式（2.1-1）所示。 （2.1-1） 從式（2.1-1）可知，壁厚等級綜合了設計壓

3、力、設計溫度及材料特性因素，它使管子、管件的研究和應用也變得簡單、方便。不同的系統(tǒng)、不同的材料、不同的設計壓力、不同的設計溫度，只要壁厚等級相同，選用的管子或管件的規(guī)格就是一樣的。電站各種參數(shù)機組四大管道的壁厚等級（為方便分析比較，未作規(guī)整）如表1所示。表1 各種參數(shù)機組四大管道的壁厚等級（未規(guī)整）序號 項 目設計壓力（MPa(g)） 設計溫度 （）管 材 (MPa)Sch一 主蒸汽11000MW超超臨界27.64610A335P9268.56403 2600MW及以上超臨界25.4574A335P9154.11469 3600MW及以上超臨界25.457412Cr1MoVG49.6512 4

4、300MW及600MW亞臨界17.6546A335P91117.0 150 5300MW及600MW亞臨界17.654612Cr1MoVG67.8260 6125MW200MW超高壓13.7354512Cr1MoVG68.5200 7125MW200MW超高壓13.7354510CrMo91050.3273 825MW100MW超高壓9.8154512Cr1MoVG68.5143 925MW100MW超高壓9.8154510CrMo91050.3195 二 再熱蒸汽熱段11000MW超超臨界5.864608A335P9156.65104 2600MW及以上超臨界5.42573A335P2235

5、.69 152 3600MW及以上超臨界5.4257312Cr1MoVG50.2108 4300MW及600MW亞臨界4.8546A335P2259.8 80 5300MW及600MW亞臨界4.8546A691Gr.21/4CrCL2248.19100 6300MW及600MW亞臨界4.854612Cr1MoVG67.871 7125MW200MW超高壓2.7154512Cr1MoVG68.540 8125MW200MW超高壓2.7154510CrMo91050.354 925MW100MW超高壓2.8854512Cr1MoVG68.542 1025MW100MW超高壓2.8854510CrM

6、o91050.357 三再熱蒸汽冷段11000MW超超臨界5.864410A672-B70-CL3294.262 2600MW及以上超臨界5.42342A672-B70-CL32129.742 3600MW及以上超臨界5.4234220101.653 4300MW及600MW亞臨界4.8355A672-B70-CL32127.238 5300MW及600MW亞臨界4.83552098.549 四高壓給水11000MW超超臨界(閥前)47.6191.915NiCuMoNb203234 21000MW超超臨界(閥后)36.3302.415NiCuMoNb203179 3600MW及以上超臨界(閥前

7、)4419315NiCuMoNb203217 4600MW及以上超臨界(閥前)44193A106C137.8319 5600MW及以上超臨界(閥前)4419320G125352 6600MW及以上超臨界(閥后)3728515NiCuMoNb203182 7600MW及以上超臨界(閥后)37285A106C137.8269 8600MW及以上超臨界(閥后)3728520G116.5318 9600MW亞臨界(閥前)32185st45.8/III145.2 220 10600MW亞臨界(閥前)32185A106C137.8232 11600MW亞臨界(閥前)3218520G125256 12600

8、MW亞臨界(閥后)28285st45.8/III103.9269 13600MW亞臨界(閥后)28285A106C137.8203 14600MW亞臨界(閥后)2828520G116.5240 15300MW亞臨界(閥前)27.3185st45.8/III145.2 188 16300MW亞臨界(閥前)27.3185A106B117.8232 17300MW亞臨界(閥前)27.318520G125218 18300MW亞臨界(閥后)24.6285st45.8/III103.9237 19300MW亞臨界(閥后)24.6285A106B117.8209 20300MW亞臨界(閥后)24.6285

9、20G116.5211 21125MW200MW超高壓22.56257st45.8/III111.18203 22125MW200MW超高壓22.5625720G123.6183 2325MW100MW超高壓17.15230st45.8/III121.6141 2425MW100MW超高壓22.5625720G123.6183 2.2承受內(nèi)壓的直管最小壁厚壁厚等級也可以用來表示承受內(nèi)壓的直管最小壁厚的計算公式。按管子外徑確定時： (2.2-1) (2.2-2) (2.2-3) 按管子內(nèi)徑確定時： (2.2-4) (2.2-5) (2.2-6)2.3 熱擠壓三通補強的壓力面積法壁厚等級同樣可以用

10、來表示熱擠壓三通補強的壓力面積法的計算公式。 (2.3-1) (2.3-2) (2.3-3)3 結構尺寸3.1 支管高度表2列出國際標準ISO 3419、5251、美國標準ASME/ANSI B16.9、德國標準DIN 2615、日本標準JIS B2312和GD 87 火力發(fā)電廠汽水管道零部件典型設計對熱擠壓三通支管高度的要求，它們基本上是一致的。然而如表2所示，當三通壁厚增加到一定值（表中沒有涂陰影部分），上述標準規(guī)定的三通支管高度將小于三通主管半徑、支管承載長度及端部坡口和過渡區(qū)尺寸之和。表2 等徑三通支管高度接管外徑Do三通支管高度（三通中心至支管端面距離）ISO 3419ASME B1

11、6.9DIN 2615JIS B2312GD87壁厚等級Sch.(=1000×p/t)4080160240320400114.3105105105104.88595103109115115139.7124124124123.8110106112125132140140168.3143143143142.9143125136150160165170193.7165145155170180190195219.1178178178177.8180160175190206212218244.5200180195212224236243273216216216215.9216200218243

12、258265272323.9254254254254254236258280300315325355.6279279279.4279258290315325335355406.4305305304.8305300325355375387400457343343342.9335365400425437450508381381381365412450462487500559419419412450487515530545610432432450487530560580600660495495487530580600630650711521521515580615650670690762559559

13、5606156706907307508135975976006507107307758008646356356307107507758258509146736736707308008258759009687117117107758508759259501016749749750825875925950100010677627118008759259751000103011188137628259009751000106010901168851800875950103010601090115012198898389009751060109011501180因此熱擠壓三通的研發(fā)就是要以新的設計思想

14、和先進的工藝，使三通的支管高度不小于三通主管半徑、支管承載長度及端部坡口和過渡區(qū)尺寸之和并向上圓整到優(yōu)先數(shù)。3.2 支管壁厚合理的熱擠壓T形三通，其主管和支管的壁厚之比與主管和支管的內(nèi)徑之比基本上是成正比的，而等徑三通的支管壁厚與主管壁厚則完全相等。3.3 肩部尺寸三通肩部尺寸對三通強度特性起著決定性的作用。三通肩部尺寸包括肩部的內(nèi)壁半徑、外壁半徑和肩部壁厚三個要素。這三個要素不僅相互關聯(lián)，而且還應考慮三通外徑與內(nèi)徑比值及支管與主管直徑比值等因素。要協(xié)調(diào)三個要素，使其達到比較理想的結構，也是三通設計優(yōu)化的關鍵。 美國ASME B31壓力管道系列規(guī)范對兩種熱擠壓（鍛造）三通的肩部尺寸有明確規(guī)定（

15、見表3），并給出不同的尺寸系數(shù)計算公式。表3 三通的尺寸系數(shù)和應力增強系數(shù)三通類型符號B31.1B31.3B31.8符合ASME B16.9規(guī)定的對焊三通r0(r0d/8)(r0d/8)r0d/8Tc(Tc1.5tn)(Tc1.5tn)Tc1.5tnio0.9/h2/30.9/h2/30.9/h2/3ii3/4io+1/43/4io+1/4h3.1(4.4)tn/r3.1(4.4)tn/r4.4tn/r滿足ASME B31要求的擠壓三通（翻邊支管）r0r0d/20(38mm); r0d/10+12.7mmr032mm(NPS<6)r0d/20r0d/20Tc cTc<1.5tnTc

16、<1.5tnio0.9/h2/30.9/h2/30.9/h2/3ii3/4io+1/43/4io+1/4htn/rtn/r(1+r0/r)tn/r從表3可以看出：符合ANSI B 16.9規(guī)定的三通，其肩部尺寸應滿足肩部外壁半徑應不小于支管外徑的1/8；肩部壁厚應不小于三通管壁厚的1.5倍的要求。此時，其尺寸系數(shù)為： 如果三通的肩部尺寸不能滿足上述限制又沒有獲得更多的直接應用數(shù)據(jù)時，其尺寸系數(shù)則應為： 。兩者的尺寸系數(shù)和應力增強系數(shù)差別甚大。因此熱擠壓三通的工藝研究，應盡力使三通的肩部尺寸符合B 16.9的要求。圖1給出了兩種熱擠壓（鍛造）三通的壁厚等級與三通特性的關系。圖2和圖3已超超

17、臨界1000MW機組主蒸汽三通為例，分別給出了三通的肩部內(nèi)、外弧半徑對三通特性的影響。增大三通肩部厚度與三通管壁厚之比的途徑是減小三通肩部內(nèi)弧半徑或加大三通肩部外弧半徑。減小三通肩部內(nèi)弧半徑，不僅減小三通的承壓面積，而且增大三通的承載面積，這對降低三通的一次膜態(tài)應力，提高三通強度，起著雙重作用。加大三通肩部外弧半徑，只增大三通的承載面積，而且肩部外弧半徑一般宜小于支管承載長度。3.4 尺寸偏差要保證三通成品質(zhì)量，三通圖樣應規(guī)定三通的線性尺寸偏差和形狀位置偏差：a) 三通最大內(nèi)徑不大于三通補強計算的三通內(nèi)徑；b) 三通主管的主管壁厚和支管壁厚不小于三通補強計算的壁厚；c) 三通肩部外弧半徑應不小于三通補強計算的外弧半徑；d) 三通肩部內(nèi)弧半徑應不大于三通補強計算的內(nèi)弧半徑。4 結論與建議（1） 用“壁厚等級”研究分析管件結構尺寸變化規(guī)律(2) 三通肩部尺寸對三通強度特性起著決定性的作用，既是三通設計優(yōu)化的關鍵，也是產(chǎn)品尺寸檢驗的重點。（3）“最低價中標”的