关于锅炉管子弯头强度的检验

新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 南光福

【摘 要】文章介绍了为保证锅炉管子弯头强度所采取的控制措施，并提出了明确的检验要求。
【关键词】锅炉 管子 弯头 强度 检验

0、引 言
锅炉受压元件的强度是指该元件在载荷作用下，在设计期限内不发生失效的能力。锅炉受压元件一般承受的载荷包括：①由介质压力作用于元件壁上所形成的工作应力；②由元件壁温差或变动温差所产生的热应力；③由焊接、胀接等产生的残余应力；④由支承、悬吊等外部附加载荷产生的附加应力，由此可见，锅炉受压元件处于一个复杂的应力状况。根据有关强度理论的规定，可以将复杂应力折算成一个当量应力，并使其不超过元件材料的许用应力，即认为强度满足要求。所谓的许用应力是指用以确定受压元件在工作条件下所允许的最小壁厚及最大承受压力时的应力，它是通过单向拉伸试验所得出的材料强度指标抗拉强度αb、屈服强度αts和持久强度αtD除以各自安全系数nb=2.7、ns=1.5、nD=1.5后，并取三者中最小值而得到的，因为材料强度指标是标准试样在特定的试验条件下得到的，它与实际工作条件之间有很大差异，故要除以一个大于1的安全系数以增加保险性，由抗拉强度确定的许用应力反映了与元件爆破之间所留的裕度，同时也可防止单纯追求采用屈强比高的材料以提高许用应力所带来的脆性破坏危险，由屈服强度确定的许用应力反映了防止元件内壁产生大面积屈服现象，由持久强度确定的许用应力反映了高温元件在设计寿命期限内不发生蠕变破坏。对于不产生高温蠕变破坏的元件，锅炉受压元件设计期限一般按锅炉起停过程中的应力大幅度升降所导致的低周疲劳破坏来估算，对于工业锅炉允许起停次数为一万次，电站锅炉为两千次；对于产生蠕变破坏的锅炉高温元件，采用十万小时寿命的持久强度特性，那么如何保证并延长锅炉的使用寿命呢？这就存在如何选择受压元件的安全裕度问题。元件的安全裕度不同于安全系数，同一类型的元件设计计算时安全系数是相同的，但由于元件的结构，工作条件及制造工艺水平的不同，它们的安全裕度可以相差很大，通过对元件壁厚的调整如增加壁厚，可以降低应力水平，使元件距离屈服及破裂的裕度加大，还可以有效抵抗均匀腐蚀及磨损，使其工作寿命延长，但这也增加了金属材料的消耗，同时元件壁热应力增加，加大了发生低周疲劳破坏的可能，这里存在一个最优化设计的选择，对于锅炉管子弯头的强度设计同样如此。
1、对GB/T9222-2008《水管锅炉受压元件强度计算》（以下简称08版）新修订内容的理解
新修订的08版标准针对锅炉管子弯头强度方面做出了如下重要改进：
①明确了受压元件“最小需要厚度“的含义：原88版标准定义受压元件最小需要厚度δmin=理论计算厚度δL+附加厚度C，概念含义不清，新08版标准根据受压元件在原材料定货、材料入厂（制造前）和制造完成后（成品）等不同阶段存在不同的最小需要厚度，分别给予重新界定：
定货最小需要厚度=理论计算厚度δL+考虑腐蚀减薄的附加厚度C1+考虑工艺减薄的附加厚度C2+考虑厚度下偏差负值的附加厚度C3
制造前最小需要厚度=理论计算厚度δL+考虑腐蚀减薄的附加厚度C1+考虑工艺减薄的附加厚度C2
成品最小需要厚度δmin=理论计算厚度δL+考虑腐蚀减薄的附加厚度C1
由此新增加了成品最小需要厚度和设计计算厚度概念（即定货最小需要厚度），便于生产实践中应用。
②科学界定了管子弯管附加厚度及有效厚度的计算方法：
a.调整了附加厚度的计算基数：原88版标准附加厚度C2的计算基数是理论计算厚度δL，而实际运行时受压元件应有不小于δL+C1的厚度，才能确保其在设计寿命期内的安全使用，故新的08版标准在设计计算时，考虑工艺减薄的附加厚度C2以δ1+C1为基数，考虑厚度负偏差的附加厚度C3以δL+C1+C2为基数，在校核计算时，考虑厚度负偏差的附加厚度C'3以δ为基数，考虑工艺减薄的附加厚度C'2以δ-C'3为基数，δ—管子取用厚度。
b.分类给出了各附加厚度的计算公式：原88版标准中把管子弯曲后外侧壁厚减薄、管子壁厚负偏差及管子弯头外壁应力变化等三方面因素综合考虑给出附加厚度C2，而没有体现出所采用的弯管减薄率的具体数据，而新的08版标准不论是设计还是校核计算，每种附加壁厚均给出了唯一计算公式，便于实践应用中控制。
c.重新明确了有效厚度的概念：所谓管子有效厚度是指在最不利（原材料管子壁厚达到了其允许下偏差的极限值，工艺减薄量和腐蚀减薄量都达到了设计取用值）的情况下，管子在设计寿命期内可能出现的最小壁厚。原88版标准中按δy=δ—（A1δ+C1）/（1+A1）求出的有效壁厚，即不是管子弯头外侧可能出现的最小壁厚，也不是管子弯头直段部分可能出现的最小壁厚，实质上是管子弯头外侧可能出现的最小壁厚与管子弯头外侧相对于直管允许的壁厚减薄量之和。因此依照此有效厚度所作的强度校核并不能真实反映管子弯头最危险部位的强度状况，而新的08版标准所给出的有效厚度δy
    =δ×■×■－C1
m——管子厚度负偏差与取用厚度的百分比值，b——弯管外侧厚度的实际制造工艺减薄率，其物理概念很明确：在取用壁厚δ的基础上，乘上（100-m）/100得入厂直管可能的最小壁厚，再乘上（100-b）/100得弯后管子弯头外侧可能的最小壁厚，再减去C1得设计寿命期内管子弯头外侧可能的最小厚度。
③新增加了“弯管外侧厚度实际制造工艺减薄率”和“弯管成品外侧最小需要厚度”控制指标：根据理论推导，管子弯头内侧理论计算厚度大于直管理论计算厚度，管子弯头外侧理论计算厚度小于直管理论计算厚度，而管子弯曲后，正好内侧增厚，外侧减薄，似乎用直管弯成的弯管不需增加附加厚度管子弯头强度就能满足要求，这里存在一个弯管理论允许减薄率问题。如果弯管外侧实际壁厚减薄率小于弯管理论允许减薄率，自然不需增加附加厚度，强度就能满足要求，而如果大于弯管理论允许减薄率，就需要增加一个附加厚度，故很有必要增加控制“实际制造工艺减薄率”这个指标。
根据应力分析，在不考虑壁厚减薄和椭圆度影响时，管子弯头内侧应力最大，外侧应力最小，中心面应力与直圆筒壁上一样，而管子弯头内侧切向应力在考虑了壁厚增大反而比直筒壁上的小，管子弯头外侧的切向应力在考虑了壁厚减薄以后反而比直筒壁上的大，另外大量弯管爆破实验也证实：一般破坏裂口均出现在管子弯头外侧或中心面附近，故新的08版标准给出了“弯管成品外侧最小需要厚度”这一控制指标，以便定量考核。
2、在锅炉检验中如何贯彻落实新08版标准的要求
①设计计算方面：在锅炉设计文件鉴定时，应重点检查受压元件强度计算结果汇总表，看是否列出成品最小需要厚度、管子设计计算厚度、各项附加厚度、弯管外侧厚度实际制造工艺减薄率、弯管成品外侧最小需要厚度等项目，并复核其取值的合理性；
②制造监检方面：
  a.以管子设计计算厚度作为管子入厂验收最小需要厚度，以成品最小需要厚度作为管子制造完成后（成品）的验收标准；
b.由于JB1611《锅炉管子制造技术条件》中只限定了弯曲比R/Dw在1.8～3.5及大于等于3.5情况下，管子弯头处壁厚减薄率不得超过某一控制值，对指导生产实践意义不大，建议采用制造厂自行确定的弯管工艺减薄率来确定弯管工艺减薄附加厚度。
c.管子在弯制过程中会在横截面上产生一定椭圆度，由此而产生附加拉伸应力，新的08版标准没有具体给出圆度对管子弯头外侧应力的影响数据，但为防止管子内壁出现大面积屈服，应严格按JB1611《锅炉管子制造技术条件》的要求控制管子弯头椭圆率。
③定期检验方面：当管子壁厚减薄较大时，应进行强度校核计算，带弯管的管子其最高允许计算压力应取直管最高允许计算压力和弯管最高允许计算压力两者中的较小值。
3、结束语
要保证锅炉管子弯头取用壁厚合理，既节约材料，还满足强度要求，这就要求科学的设计计算，更要有严格的产品检验控制作保障，只有切实履行严格的产品检验制度，才能保证锅炉的安全运行。

参考文献

［1］蒋智翔、杨小昭编著，锅炉及压力容器受压元件强度
［2］李之光、王铣庆编著，锅炉受压元件强度分析与设计
［3］肖忠华，对GB/T9222-88锅炉管子弯管壁厚计算的浅析和建议
［4］陈济榕，新老国家标准弯管强度计算方法对比分析