基于国外标准的火电厂仪表导管和阀门选型
葛宗年;李炜;张力;刘晓玲
【摘 要】介绍基于 ASME 等国外标准的火电站仪表导管与阀门的设计选型,通过标准在具体工程中的应用,给出国外工程仪表导管和阀门的材料选型、壁厚计算及管径规格等设计思路.
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2018(045)010
【总页数】7页(P745-750,771)
【关键词】仪表导管;阀门;火电厂;ASME标准;选型;壁厚计算;管径规格
【作 者】葛宗年;李炜;张力;刘晓玲
【作者单位】山东电力工程咨询院有限公司;山东电力工程咨询院有限公司;山东电力工程咨询院有限公司;山东电力工程咨询院有限公司
【正文语种】中 文
【中图分类】TH137.52;TH81
随着国内火力发电厂等基础能源建设工程的减少，我国工程公司逐渐在国外承揽项目，仪表用导管和阀门要求采用ASME标准的业主越来越多，例如山东电力工程咨询院有限公司的巴西PAMPA SUL工程、马来西亚康诺桥及孟加拉帕亚拉工程等。对于采用ASME标准的仪表用导管、阀门材料和规格型号的选择，国内暂无标准和规范可循，DL／T 5182-2004[1]中仪表管路的选型并不符合ASME标准的要求，并且超超临界参数仪表导管和阀门也未涵盖。当前国内各电力设计院对ASME标准仪表导管和阀门的选型规格并未形成统一标准和规范。因此，建立一套符合ASME标准要求的典型仪表导管、阀门选型规范尤其重要。
1 仪表导管和阀门标准介绍
国内常规火电工程设计中，仪控仪表导管的选型设计主要依据DL／T 5182-2004。取样管路、测量管路和取压短管的材料和规格，应根据被测介质的类别、参数和管路的安装位置
选择，并给出了常用介质在不同参数范围的材料和壁厚选型参考。取样阀门和排污门根据被测介质温度选型，二次门和阀组按照被测介质的压力选择。涉及到仪表导管壁厚计算时，主要依据 GB 50764-2012[2]、DL／T 5054-2016[3]和 DL／T 5366-2014[4]。虽然计算公式源于 ASME B31.1[5]，但国内标准规定了使用条件，例如满足 D o（管外径）／d（管内径）不大于1.7时才适用。但在进行仪表导管选型时，不少规格都不满足此条件，无法直接使用此计算公式得出壁厚。
当严格按照ASME标准进行仪表阀门和导管设计选型时，使用 ANSI ISA-77.70.02[6]、ASME B31.1、ASME B36.10M[7]和 ASME B36.19M[8]。选择设备材质时，使用ASME BPVC[9]查阅相关材料特性。相对国内标准，ASME B31.1给出的计算公式没有限制条件，对 Pipe和 Tube分别给出了计算公式，并对取样阀、仪表阀、排污阀和管路附件的设计做出了详细规定，需要标准使用者根据不同的情况具体分析。另外，仪表阀门涉及到的标准还有ASME B16.34[10]、MSS SP-105[11]、MSS SP-99[12]及 MSS SP-130[13]等。
2 仪表管路的选型
2.1 Piping和Tubing材料选型
巴西PAMPA SUL工程（亚临界机组）中，一次门前导管（Piping）材料的选择依据ASME B31.1第 122.3.2（A）条款：“仪表管引出接头应能经受信号源的设计压力和温度，并能经受住相对位移和振动产生的荷载。”高温高压阀门以业主要求的“425℃，4MPa”参数为界限，Piping材料选择与主管材一致[5]。
一次门后导管（Tubing）材料采用 A213 TP316H或TP304，根据ASME B31.1，当测量介质设计温度大于1 000℉时，所用材料的含碳量必须不小于0.04%，因此Tubing在1 000℉及以上时宜采用 A213 TP316H，反之采用 TP304即可。对于Tube管的材料选择，根据巴西当地的选型习惯，有两种方案：一种是 A213，另一种是 A269。根据 ASTM A213／A213 M-17标准，A213指的是无缝铁素体和奥氏合金钢锅炉炉管、过热器管和热交换管，适用于ASME B31.1 Power piping；根据ASTM A269／A269M-15a，A269是指一般设备用无缝和焊接奥氏体不锈钢管，涵盖了一般性的耐腐蚀环境和低温／高温环境，适用于 ASME B31.3 Process piping。但是，ASTM A269并未被 ASME第II卷A篇《铁基材料》涵盖其中，是不被ASME铁基材料篇认可的一种材料，且在 ASME B31.1中未被提及。因此高温高压区域，属于BPV规范第I卷的动力锅炉和ASME B31.1规范的锅炉外管等区域的仪表管均采用ASTM A213系列。低温低压区域，需比较A269和A213两种系列。经查阅相关
资料，A269和A213除制造工艺不同外，其他方面非常相似。A269在巴西当地石化行业中应用普遍，并且被巴西当地的PeroBraz企业标准NI-1931 Instrumentation Piping Material所采纳。A269在ASME B31.3中被提及并给出了相应的许用应力系数。实际上，ASME B31.1和 ASME B31.3所用直管部分的壁厚计算公式在一般条件下是相同的，但 A269和 A213相同等级（Grade）的钢材（如316）的应力系数并不完全相同，ASME B31.1中对许用应力的要求比ASME B31.3更为严格。因此，最后同样等级的钢材计算得出的最小壁厚也不相同。最终基于业主的认可，本工程外围小部分低温低压仪表管采用A269系列材料，其他选用A213系列材料。
Piping和Tubing材料见表1。
表1 Piping和Tubing材料环境条件 名称 设计温度／℃ 设计压力／MPa Piping Tubing压力p≥4MPa或温度T≥425℃ 主蒸汽546.00 18.250 A335 P91 A213 TP316H再热蒸汽热段 546.00 5.406 A335 P91 A213 TP316H再热蒸汽冷段（三通前） 510.00 5.650 A335 P11 A213 TP304再热蒸汽冷段（三通后） 367.95 5.650 A106C A213 TP304主给水／高旁减温水 286.10 26.500 A106C A213 TP316过热器减温水 189.10 26.500 A106C A213 TP316
再热器减温水 286.10 14.000 A106C A213 TP316六抽至八抽蒸汽 419.40 7.730 A335 P11 A213 TP304压力p＜4MPa且温度T＜425℃ 无腐蚀环境 ＜425.00 ＜4.000 A312 304 A213 TP304腐蚀环境 ＜425.00 ＜4.000 A312 316L A213 TP316L
2.2 Piping和Tubing的管径与壁厚选型
2.2.1 一般规定
关于一次门前导管的公称直径，ASME B31.1规定，当压力不大于900psi（6 200k Pa）或温度不高于800℉（425℃）时，公称直径应不小于 NPS 1／2（DN15mm）；当压力或温度超过上述值时，公称直径应不小于 NPS 3／4（DN20mm）；如果主管管径小于上述规定值时，仪表管的公称直径应不大于主管公称直径。关于一次门与仪表之间的导管，要求内径不小于0.360in（9.14mm），壁厚不小于0.049in（1.25mm）；其中气源控制管路则要求内径不小于 0.178in（4.52mm），壁厚不小于0.028in（0.71mm）。
2.2.2 壁厚计算
仪表管壁厚选择主要依赖于两个公式，基于ASME B31.1的薄壁管计算式和基于欧盟标准E
N13840的管壁厚计算式。
ASME B31.1定义的薄壁管模型要求，在某种材料设计压力和设计温度对应下的最大许用应力范围（包括力学强度）内，导管壁厚最小厚度t m不小于公式计算值，即：
且设计压力值p不应小于：
其中，A为腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，即用以补偿机械接头中由于加工螺纹或开槽等所减小的壁厚，用以对管子提供足够的力学强度以及用以考虑腐蚀和（或）侵蚀的影响，对于仪表管，可不计；SE（SF）为设计温度下由内压和焊缝接头系数（或铸造质量系数）决定的最大许用应力，psi（kPa），需要注意的是，SE或 SF根据ASME B31.1强制性附表A，查询某种材料在相应设计温度下的值，如果设计温度表格内没有，可用内插法获得；y为修正系数（表2）。
表2 y值列表温度／℉（℃）y值材料≤900（482）950（510）1 000（538）1 050（566）1 100（593）1 150（621）1 200（649）≥1250（677）铁素体钢0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7奥氏体钢0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7 0.7 -镍合金UNS No.N06690 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
0.5 0.7镍合金UNS Nos.N06617，N08800，N08810，N08825 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7碳钢0.0 - - - - - - -其他0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
其中当设计温度值处于表1各温度值之间时y值可用内插法求得。对于铸铁和非铁基金属材料，y＝0.4。当 D o／t m＜6时，对于设计温度不大于900℉（480℃）的铁素体和奥氏体钢，y值应按下式计算：

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