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大口径厚壁三通的研制

作者:admin 来源:原创 日期:2017-12-8 2:55:26 人气:48

1、引论

目前国内生产的大口径厚壁三通,主要有锻造三通、焊接三通和热挤压三通三种。锻造三通不仅费料、费工、成本高,而且结构不连续,应力分布很不均匀,焊接三通主支管相接处的焊缝对于弯曲应力特别敏感(在蟠变条件下运行时),因而在高温下使用的焊接三通要特别注意。热挤压三通不仅在弯曲应力最大的区域无焊缝,易于进行非破坏性的检验,而且在应力最大的部位,壁厚也最大,合理地利用金属,使热挤压三通的整体强度大为提高。热挤压三通的外形变化平缓,壁厚分布无突变,也提高了低周疲劳强度极限。很明显,只要工艺采用得当,其经济性将优于锻造和焊接三通,而其可靠性也将大大超过焊接三通。因此,电力部各有关司局于1991年在大连市召开的300MW及以上机组非标准高压管件研讨会认定:“正交热挤压三通具有结构型式好、经济等优点,经过鉴定宜优先选用。”

    然而,目前国内生产的热挤压成形三通,受工艺、工装的限制,其支管高度过小,不能符合设计要求,而且无法生产300MW及以上机组的主燕汽管道三通.有些工程进口国外制造的三通,其质量也不尽人意。

    为了利用钢管热成形制造出结构尺寸符合设计要求的300MW, 600MW及以上机组用的大口径厚壁三通,填补国内生产这类三通的空白,促进管件国产化、标准系列化,使我国三通的设计制造达到国际先进水平。华东电力设计院和天津金鼎管道公司于1995年初决定合作研究开发管制电站大口径厚壁三通,上报电力规划设计总院,电力规划设计总院以电规计(1995)18号文批准《管制电站大口径厚壁三通研制》立项。确定主办单位为华东电力设计院,协作单位为天津金A管道公司。华东电力设计院负责三通的设计研究,天津金鼎管道公司负贵三通的制造研究,三通的应力测试和内压爆破委托上海发电设备成套设计研究所进行。天津金鼎管道有限公司国家科委以国科发计字(1996)049号文通知,将“管制电站大口径厚壁三通研制”列为1996年度国家级“星火计划”,编号为96B101D6100011

    经过一年多的研究和探索,终于完成了300MW, 600MW机组大管道管制T形三通系列标准以及300MW, 600MW机组主燕汽管道异径三通和600MW机组主给水管道等径三通的设计、制造、试验土作。1996128日天津市科委召开技术鉴定会通过对管制电站大口径厚壁三通的技术鉴定。参加鉴定会的有中电联、电力部各司局、各直属院所、江苏院、机械部机械科学研究院、上海发电设备成套设计研究所、上海锅炉厂、化工部化工工艺配管设计技术中心站、中国球化学工程公司、中国石化配管中心站、核工业第二研究设计院等单位.

    目前已有广安、襄樊、双辽等300MW机组工程和吴径电厂八期600MW机组工程的部分四大管道选用了管制T形三通。为了适应新材料P91的推广使用,华东电力设计院和天津金鼎管道公司己着手研制A335  P91主蒸汽管道管制T形三通。

    即将发布的中华人民共和国电力行业标准《钢制电站对焊管件》已编该项科研成果。

    2.设计

    2.1设计依据

    电力部各有关司局于199410月在长沙市联合召开了“九五”.期间主要汽水管道和管件规格化会议。会议根据汽水管道应力计算SDGJ6-90技术规定,对“八五”期间主要汽水管道部分设计参数进行了调整.对主要汽水管道规格进行了核算并作部分调整,纪要要求各电力设计院在设计中原则应按纪要所附推荐规格选用。管件制造厂应按纪要推荐规格编制管件规格,以达到统一规范尺寸。

    大连会议指出,“管件材料应尽量采用与主管一致的材料;当工艺能力受到限制时,管材也可采用12Cr1MoV代替10CrMo910.但其许用应力应按‘应规SDGJ 6- 90’计算,并注意热处理工艺,高锻制管件宜采用国产12Cr2Mol,再热冷锻焊制件板材宜采用国产20G,如果上述材料解决不了,也可采用进口同类型的管材代用。对再热冷段三通应尽采用厚壁管制造,如供应有困难时,也可用卷板焊制的三通,以板材代替管材.长抄会议则根据600MW机组使用的经验,提出“冷再热蒸汽管道采用电熔焊钢管替代A 106B无缝钥管,既可清足技术要求又能节约投资,故300MW机组冷再热管道改用600MW机组冷再热管道的同种管材。

    本课题编制的300MW 600MW机组四大管道管制T形三通系列标准中,使用的设计参数、管道规格和三通材料均以上述纪要文件为依据,主蒸汽管道和高温再热蒸汽管遭三通,采用ASTM  A335  P22,主给水管道三通,采用ASTM A106B低温再热蒸汽管遭三通,采用ASTM  A672,B70CL32.但此次试样制造中,由于一时难以购买到适合制作管制三通用的进口管材,因此主给水管道三通采用国产20G无缝钢管,低温再热蒸汽管道三通采用国产20g纲板。

    三通材料的许用应力:20G,12CrJMoV的许用应力取自SDGJ6- 90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》;12Cr 2M。的许用应力取自GB 150(钥制压力容器》,A106 BA335 P22的许用应力取自SDGJ 6-90的《条文说明》(其值与ASNI /ASME B31. 1相同);A672 B70-CL32的许用应力取自ASNI/ASME B31. 1

    2. 2结构尺寸

    2. 2.1支管高度

    大连会议纪要规定:“热挤压三通,支管高度应符合典管要求”,这是因为GD 87(火力发电厂汽水管道零部件典型设计》对热挤压三通支管高度的要求,与国际标准ISO3419, 5251及美国标准ASME/ANSIB16.9规定的高度基本相符(见表1);同时也说明目前国内生产的热挤压成形三通,受工艺、工装的限制.其支管高度过小,不能符合设计要求。然而如表1所示,当三通壁厚增加到一定值(表中没有涂阴影部分),上述标准规定的三通支管高度将小于三通主管半径、支管承载长度及端部坡口和过渡区尺寸之和。事实上,ISO 3419规定的三通最大壁厚为12. 5mm,该标准不适用于厚壁三通。

    本课题研究的重点就是以新的设计思想和先进的工艺,使管制三通的支管高度不仅达到而且超过ISO3419的规定值.本课题编制的300MW, 600MW机组四大管道管制T形三通系列标准,其三通支管高度就是取三通主管半径、支管承载长度及端部坡口和过彼区尺寸之和并向上圆整到优先数。

    2. 2. 2支管壁厚

    《火力发电厂汽水管道零部件典型设计》为了适应原有热挤压三通工艺、工装的限制,降低热挤压三通的支管高度,不得不减薄三通支管的厚度以缩短支管承载长度,并将三通支管端部坡口和过波区设在支管承载长度之内。GD 87“典管”热挤压等径三通的支管壁厚只有主管壁厚的78%,与接管壁厚相差无几。这样的三通结构,三通支管膜态应力将比主管高出25环以上,还将延缓三通肩部内壁高应力区向支管的衰减,甚至可能增大三通肩部内壁的最大应力。

    本课题编制的300MW, GOOMW机组四大管道管制T形三通系列标准,三通主管和支管的壁厚之比与主管和支管的内径之比基本上是成正比的,而等径三通的支管壁厚与主管壁厚则完全相等。

    2.2.3肩部尺寸

    三通肩部尺寸对三通强度特性起着决定性的作用。三通肩部尺寸包括肩部的内壁半径、外壁半径和肩部壁厚三个要素。这三个要素不仅相互关联。而且还应考虑三通外径与内径比值及支管与主管直径比值等因素。要协调三个要素,使其达到比较理想的结构,也是本课题设计和制造的难题.

    ANSI/ASME B31.3附录DD-1规定符合ANSI B16.9的三通,其肩部尺寸应满足肩部外壁半径应不小于支管外径的1/8;肩部壁厚应不小于三通管壁厚的1.5(GD87“典管”热压三通肩部壁厚仅为三通主管壁厚的1.0-1.1)的要求。此时,其柔性系数为:

h=4. 4t1/Y

如果三通的肩部尺寸不能满足上述限制又没有获得更多的直接应用数据时,其柔性系数则应为:

    h=t,/γ

    从表3AB两个试样的应力集中系数差异看出:这种结构尺寸的三通,其肩部基本没有加强,应力集中系数将比肩部壁厚加厚的三通大得多,要保证三通强度就不得不大大增加三通的整体壁厚,显然是不经济。

    增大三通肩部厚度与三通管壁厚之比的途径是减小三通肩部内壁半径或加大三通肩部外壁半径。

    减小三通肩部内壁半径,不仅减小三通的承压面积,而且增大三通的承载面积、这对降低三通的一次膜态应力,提高三通强度,起着双重作用。因此,本课题不断研究和探索新的工艺,使三通肩部内壁半径尽盒减小。本次提供鉴定的6 00MW机组主给水等径三通,其肩部内璧半径为16mm,仅为三通主管壁厚的1/4.

    加大三通肩部外壁半径,只增大三通的承载面积,而且肩部外壁半径应小于支管承载长度,以确保三通支管有一定直管段。

    管制三通的肩部尺寸完全按照ANSIB 31.3指出的符合ANSI B 16.9规定的三通尺寸要求、因此三通的应力增强系数也按ANSI B 31.3B 31. 3的规定计算。在工作参数、三通材料相同和应力增强系数相等的条件下。管制三通的金属材料和价格将比锻焊三通、厚壁加强、式加强和单筋加强挥接三通低。管制三通不仅可用于捍接三通低。管制三通不仅可用于300MW, 600MW机组四大管道的正交兰通,而且可以广泛代替各种正交厚壁加强、操式加强和单筋加强焊接三通。

    2.2.4尺寸偏差

    本课题编制的300MW, 600MW机组四大管道管制T形三通系列标准,其线性尺寸偏差和形状位置偏差与ISO 3419.ASMEANSI  B16.9GB12459GB/T13401基本一致或更严。

    按照大连会议关于三通.通流面积不得小于主管通流面积90肠”的要求和三通自身的强度条件,三通内外径及壁厚偏差按如下原则确定:

    a)在三通最大外径和最小璧厚条件下,确保三通计算一次膜态应力不大于三通材料在工作度下的许用应力;

    b)在三通最小外径和最大壁厚条件下,确保三通通流面积不小于主管通流面积的90%

    3.制造

    3.1内壁形线

    华东电力设计院和天津金鼎管道有限公司合作研制管制大口径厚壁三通的工艺采取合理组织和控制金属流动等措施。使三通肩部内壁形线平滑无突变,更有利于降低高应力区的最大应力,而从国外进口的一些热挤压成形三通肩部内壁,有明显凹陷。

    3.2工装模具

    华东电力设计院和天津金鼎管道有限公司合作研制管制大口径厚壁三通的工艺采取减小承压面积和变形抗力等措施.与国内外现有工艺相比,能用较小吨位的压力机和较少模具生产出较大规格、形状各异的三通。

    3. 3制造成本

    管制大口径厚壁三通与目前国内300MW机组主燕汽管锻焊三通相比.金属材料节省30%以上,制造工效提高10倍以上。初步估计,管制大口径厚壁三通的价格将比级焊三通、厚壁加强、葬式加强和单筋加强焊接三通约低20%左右。

    4.测试

    为了验证管制大口径厚壁三通的设计强度和对三通肩部结构尺寸的分析比较,我们委托上海发电设备成套设计研究所对两个300MW机组主燕汽异径三通和一个600MW机组主给水等径三通进行应力侧量,并对一个300MW机组主燕汽异径三通和一个600MW机组主给水等径三通进行内压爆破。

    试样选择原则:挑选制造质量较差,三通壁厚较薄的产品,以保证批量生产的三通有足够的安全可书性.300MW机组主蒸汽异径三通试样中,挑选了一个肩部壁厚只有119mm,不仅比肩部璧厚计算值小25. 8mm,而且比三通主管设计最小壁厚也小1mm的兰通(以下简称" A试样")进行应力侧量和内压姗破。另选一个实际尺寸接近设计最小壁厚的300MW机组主燕汽异径三通(以下简称“B试样”)进行应力测食。600Mw机组主给水等径三通,也挑选一个肩部内壁半径偏大、主管壁厚偏薄的三通(以下简称“c试样勺作为试样.进行应力侧量和内压爆破。

    为了检验三通经过热加工和热处理后的是否具有良好的金相组织和常机械性能,我们委托电力工业部电力管道产品质量检验澎试中心站在三通的相贯线区域中取样,做材料的力学性能侧试和金相显徽组织检验。

    4.1应力测试

    三个三通试样应力侧试结果如表3所列。从表中可以看出:B,C两个试样的应力集中系数均小于3,在工作压力下三通内璧最大当量应力均小于三倍工作温度下材料的许用应力,按GB 922288《水管锅炉受压元件强度计算》规定的应力骏证法确定的最高允许计算压力大于设计压力;A试祥肩部壁厚只有计算值的82.2.应力集中系数高达4. 55 ,最高允许计算压力小于设计压力,但其最大当量应力仍小于两倍工作温度下材料的屈服强度,还是满足安定分析的设计要求,这是因为工作温度下材料的许用应力是按工作温度下持久强度确定的,仅为工作温度下材料屈服强度的30.8%.

    此外,正如电力部电力建设研究所在(600MW机组大直径焊接三通有限元计算报告》(以经电力部评议通过)中指出:根据ASME《锅炉与压力容器规范》第三卷应力分类的有关规定,对三通强度评定只考虑一次局部膜应力和二次应力,而不计人峰值应力,因为高温工作下的三通的峰值应力会在运行初期因蟠变而迅速降低,即峰值应力会很快得到松弛。在本三通应力侧试验证中。鉴于计及三通肩部内壁的峰值应力,B试样校核的最高允许工作压力虽接近设计压力但仍大于设计压力,故未再用有限元计算将三通肩部内壁的峰值应力从三通最大当量应力中扣除。估计三通肩部内壁的峰值应力约占三通最大当量应力的40--50%因此,可以认为成品三通的壁厚已有足够裕度。

    鉴定委员会认为:华东电力设计院和天津金鼎管道有限公司共同研制的用于电站600MW机组、30OMW机组的热挤压三通、符合有关的国家标准和行业标准规范的规定。这种热挤压三通具有结构型式好,流体阻力小,有利于减少结构不连续应力,能够合理地利用金属材料,提高三通整体强度等优点。而且在生产过程中不需要锻打,不需要大量切削金属,噪声小,废料少,成本低。因此,具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。

    本课题研制的管制电站大口径厚壁三通的结构尺寸的选择比较合理,达到相关国际标准的规定值.工艺比较先进,解决了过去热挤压三通支管高度过小的间题。其三通主管和支管壁厚比与主管和支管的内径比成正比,三通支管的高度不小于三通主管半径、支管承载长度及端部坡口和过渡区尺寸之和,三通内壁形线也比较好。经试样应力测试和内压爆破试验证明,研制的三通强度符合要求。管制电站大口径厚壁三通的研制成功,填补国内生产这类三通的空白,达到国内领先水平。这对于发展我国大型电站主要管道的三通品种和促进热挤压三通的国产化有重要的意义。

    研制的管子热成形三通不仅可以替代高高压锻造三通,而且可以广泛替代各种加强的焊制三通。表7列出PN4, 6. 4,10管制T形三通系列尺寸、重量和应力增强系数(初稿)供读者选用参考。