PDF《为什 么ASME材料中奥氏体 不锈钢》

第 3期

2 0

0 8年 5月 锅炉制造BOI LER MANUFAC TURI NC NO .

3 Ma y .

2 0

0 8 文章编号 : C N

2 3―1

2 4

9 (

2 0

0 8 )

0 3―

0 0

7 5―0

3 为什 么ASME材料中奥 氏体 不锈钢会有两种许用应力王慧文 ( 哈 尔滨锅 炉厂 有限责任 公司 , 黑龙 江哈尔滨

1 5

0 0

4 6 ) 摘要:本文论述 了ASME法规材料篇 中奥 氏体不 锈钢存在 两种不 同的许 用应力值 及我 们采用作 为锅 炉钢 管 的许用应力值其安全 系数低 于1.5的原 因. 关键词 : A S ME;

奥氏体不锈钢 ;

许用应力 ;

安全系数 中图分 类号 : T K

2 2

9 文献标识码 : A W h y a r e t h e r e Two Di f fe r e n t i a l Al l o wa b l e S t r e s s e s f o r t h e Au s t e n i t i e S t a i n l e s s S t e n o n AS M E Co d e Wa n g Hu i we n ( H a r b i n B o i l e r C o . , L t d . , H a r b i n

1 5

0 0

4 6 , C h i n a ) Ab s t r a c t: Th e r e a r e t wo di f f e r e nt i a l a l l o wa b l e s t r e s s f o r t h e a us t e n i t i c s t a i n l e s s s t e l l o n AS ME c o d e . Th i s p a p e r d e s c r i be d t h e r e a s o n wh y we h a d e a d o p e d t h e l o we r n u me r a l d a t a i n wh i c h t h e s a f e t y C O ― e f f i c i e n t wa s l o we r t h a n

1 .

5 t o b e b o i l e r t u be o r p i p e . Ke y wo r ds: ASME;

t h e a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e l l ;

a l l o wa b l e s t r e s s;

s a f e t y c o e f f i c i e n t O 引言翻开 A S ME法规第 Ⅱ卷 D篇 ( 材料性能篇 ) 就会 发现 奥 氏体 不锈 钢 比如 我们 设计常用 的SA21 3TP

3 0 4H , SA21

3 TP3

4 7H , S A21

3 TP

31 6H , S A

2 1

3 T P

3 1

0 H C b N ( 日本牌号 H R

3 C) 等等都有两 种许用应力值 .详 细数据可参 阅哈锅公 司标参

2 3

6 ( C ) 或哈锅 A S ME强度计算实用手册 .我 们现以常用 的材料 S A

2 1

3 $

3 0

4 3

2 ( 俗称超 级304无缝 管, A S M E C O D E C A S E一2

3 2 8公称成分18cr9Ni3cuNbN) 为例说明 , 它的许用应力值也同 时有两种, 第一行的数值较低 , 简称低应力.第二 行 的数值较高 , 简称高应力 .中温段低应力值约 为同温度下高应力值

7 5 %左右.同一钢种 , 同一 个最低屈服强度值 o r =

3 4 K s i , 同一个最低抗拉 强度值 o r =

8 5 K s i .

1 A S ME 中奥 氏体 不锈 钢 许用 应力与安全 系数 A S ME的许 用应力是按如下规则产生的 : 当 使用温度低于蠕变和持久强度对许用应力起控制 作用 的温度时, 材料 的许用应力取下列各值 中最 低值 : (

1 ) 室温下规定 的最小抗拉强度除以

3 .

5 , 即orb/3. 5;

(

2 ) 使用温度下的抗拉强度乘以

1 .

1 /

3 .

5 , 即orh/3.

1 8;

收稿 日期 :

2 0

0 8―0 2―1

4 作者简介 : 王 慧文(

1 9

7 8一) , 女,黑龙江哈尔滨人 ,

2 0

0 1年 毕业于辽 宁工程技术大学力学系 , 工程师, 在设计 开发处 从事锅炉管道应 力分析与强度设计工作 . 维普资讯 http://www.cqvip.com ・

7 6・ 锅炉制造总第

2 0 9期(3)室温下的规定最小屈服强度乘以

2 /

3 , 即0- /1 . 5;

(

4 ) 使用温度下的屈服强度乘 以2/3或

0 .

9 倍使用温度下的屈服强度 , 后者只适用 于稍微变 形对本身无害的奥氏体不锈钢. 即o J1 . 5且小于

0 - ~ /

1 .

1 . 上面各条中的分母值分别为该规定情况下的 安 全系数 . 一 般情况下钢种 的许用应力值 , 常温下 由抗 拉强度控制, 即第(

1 ) (

2 ) 条起控制作用.中温下 由屈服强度控制 , 即第 (

3 ) (

4 ) 条起作用.高温下 由持 久强 度起作 用.超级

3 0 4或其他奥氏体不锈钢采用不同的许 用应 力值 , 主要 发生 在500.F~1

2 0

0 T(

2 6

0 c 【 = ~

6 4

9 c 【 = ) 属中温段 , 许用应力值 由材料屈服限起 控 制作用 . 通过计算 , 低许用应力值安全 系数为

1 .

5 , 符 合第(

4 ) 条规定的取用原则.高应力值 的安全系 数该是多少呢?以1000T为例 : 高低许 用应力 值分别为

1 8 .

6 K s i 与13.8Ksi,那么高应力值的 安全系数就应该是

1 . 5*1

3 .

8 /

1 8 . 6=1 .

1 1 , 其他 值的许 用应力安 全系数 也都在

1 .

1 1与1.13之 间.这就意味着我们把它作为锅炉钢管设计时 , 安全 系数 只在

1 .

1 2左右,而不 是通常规定 的1.5.这与奥氏体不锈钢的材料特性 一屈强比有关. 屈强 比定 义为同一 钢种同一状 态下屈服强度0-与抗拉强度

0 - 之比值. 多年以来我们锅炉常用的钢材为碳钢与低合 金钢,例如20G,

1 5 C r Mo ,

1 2 C r l Mo V, S A

3 3

5 P

1 2 , S A

3 3

5 P

2 2 , S A

2 9

9 , S A

3 3

5 P

9 1等等.碳钢与低合 金钢材料屈强比都在

0 . 5左右.这0.5意味着当 材料屈服后 , 它到断裂破坏 , 抗拉强度完全耗尽. 还有一半的裕度.当许用应力取 为0-s/1.5后 , 许用应力到抗拉强度存在着

1 . 5*2=3倍裕量. 许用应力值的数量级为抗拉强度的

1 /

3 , 或[0-]

0 .

3 3

0 - 这只是一个数量级概念, 无精确值.取 比值

0 .

3 3仅为了计算方便. 自锅炉问世 以来 , 长期安全使用碳钢与低合 金钢的经历使得人们有这样的经验共识 : (

1 ) 采用其它钢材作锅炉受压件材料时必须 有与碳钢及低合金钢同样的安全裕度 ;

(

2 ) 如果其它钢材作为锅炉受压件材料,它具有碳 钢 与低合金 同样 的安 全裕 度时 也就够 了. 奥氏体不锈钢屈强 比, 相对 于碳钢与低 合金 钢就显的低多了.常温时就很低 , 比如超级

3 0 4,

0 - /

0 - =

3 4 /

8 5=0 .

4 ( 为 了计算方便我们取这个 值为参考值 ) .过 了常 温段 , 屈强比降低到

0 .

3 左右 , 在400c【=~550c【=间屈强比甚至降到

0 .

2 5 . 它到1.0的距 离为

0 .

7 5, 意 味着 从 强度 屈 服再 到强度破坏 有 3倍 的裕 度,如果这时再用通常1.5的安全系数去除屈服限得到许用应力值 , 许用应 力 到强度 破坏 之 间裕度 达 到漫 长的1.5* 3=4 .

5 倍 .这 么高 的裕 度已经违背了上述共 识(2),对我们锅炉管子产品也是太浪费了.锅炉管子即使 有 一小部 分 屈服 , 稍微变形并不 影响锅炉 安全运行.( 许用应力取值原则第(

4 ) 条严格规定 , 不允 许超过

9 0 % 屈服 限, 可 以保证 管子大部分 不屈 服)因此我们完全可以参照碳钢与低合金钢裕度 范围, 在中温段安全系数上适当降低 , 以达到碳钢 与低合金钢同样的安全裕度.那么安全系数取多 少才合适 . 设此 时安 全系 数为 /

7 , , 许用应力 [

0 -]

0 - '

/n 按照碳钢低合金钢[

0 -] /

0 - =

0 .

3 3代入 /凡/0 - =0.

3 3 则/7,=0-y0-;

/0.33=0.4/0.33=

1 .

2 这说明取 /

7 , =1 . 2即可达到同碳钢低合金钢 同样的裕度了.当然这 只是数量级推算 , 各钢种 各温度段数值都不同.但至少可以看 出它 已经不 须/7,=1 .

5 , 低于

1 . 5了( 大部分在

1 . 1~1 . 3之间) .更具体精确的数据还要考虑到钢种使用成 熟程度 , 各种数据的统 计方法,商业利益等. A S M E, 欧盟 ,

1 3本以及我 国新 制订的锅 炉强度标 准都采用这种原则来制订奥氏体不锈钢的锅炉钢 管许用应力值.奥氏体不锈钢锅炉钢管中温段安 全系数都低于

1 .

5 . 当然 , 如果把奥 氏体不锈 钢作为密封 垫片材 料,或其连接法 兰,因微小 畸变 就会 导致泄漏 , 失效.因而不允许产生屈服变形 的情况中, 许用应 力到屈服限之间就需要相当的安全裕度.这时安 全系数就应恢复到

1 .

5 , 就应采用 A S M E应力表 中低应力值 了.由于不锈钢两种不同用途特性 , 因而有两种不同的安全系数的许用应力. [ 下转第

8 0页] 维普资讯 http://www.cqvip.com ・

8 0・ 锅炉制造总第

2 0 9期挥发份 V d a f =

3 3 .

8 % 低位发热值 Q n e t , a r =1

3 .

1 7 m J / k g 变 形温 度1480oC软化温 度1500oC熔化温 度1500oC1.3.2补给水品质符合 G B

1 5

7 6―1

9 9 6热水锅炉水质标 准悬浮物 ≤5 m g / L 总 硬度 ≤0 .

6 mm o l / L P H(

2 5 o C) I >

7 溶 解氧 ≤0 .

1 mg / L 含 油量 ≤2 m g / L

1 .

3 .

3 环境 条件 地震 烈度8度 室温 变化 范围5~3

5 ℃ 湿度变化范围

1 0~9

0 % 运行 时间:连续 运行 6个月

2 2

9 MW 锅 炉分部件结构特 性说 明1)锅筒 的设计 制造严格 按有关规程及标 准 进行, 筒身及封头材料为

2 0 g / G B

7 1

3 .

2 ) 锅筒 的内径为

4 ,

1 5

0 0, 长度近

6 .

7 m, 保留 了足够的水容积空间 , 为停电保护 防止水击 提供 了安 全可 靠 的保证 .

3 ) 锅筒上设置 了必要 的安全阀 、 放气 阀、 疏水阀、压力 表等接 口.

4 ) 锅筒上设有起吊耳板及检修用人孔装置 .

5 ) 根据湍流床 、 快速 床 的传热传质特性 , 设 计了合理的炉膛 断面和布风板 的尺寸及 布置方 位,保证炉内密相区 、 稀相区完成不同的燃烧份额 及换 热特性 .

6 ) 炉膛采用复合点火方式 , 成熟的轻柴油点 火系统 保证一 次点 火J I ~ . N 成功 .冷 态启 动点火 时间≯8小时, 热启动时问《2小时.

7 ) 炉膛水冷 壁(和尾部 烟道 水冷壁)均采用膜式水冷壁结构 , 保证 了炉膛 的严密性及热膨胀 的均匀一致性 .

8 ) 省煤器蛇形 管规格为 ,

1 ,

3 8 X

3 .

5 , 材质 为20#GB3087无缝钢管 , 并考虑了足够的腐蚀裕度. 省煤器第一 、 二排管及两侧弯头部位设计 了防磨 盖板 .

9 ) 省煤器人 口集箱采用多管 配水进入方式 , 有效地减少了分配的不均匀性 , 并通过合理的管 束布置 , 保证省煤器蛇形管受热均匀.

1 0 ) 锅炉钢架为全钢结构并按抗八度地震烈 度设 计.11)构架设计及计算考虑了连接管 吊挂 固定 及烟风道附加荷载.

3 结束语 '

此型锅炉优势明显, 对水质要求没有蒸汽锅 炉要求高 , 水处理设备相对简单 , 且热水炉与蒸汽 锅炉相 比, 运行操作简便 , 运行过程 中只关心量 调,不必考虑质调 , 蒸汽锅炉要保证蒸汽参数 , 如 温度 、 压力等参数 , 所以要严格控制温度 、 压力 的 允许 范围,随时投 入减 温减 压装置 , 以保 证锅 炉蒸 汽的输 出品质, 而热水锅炉对用户提供的热水只 是用来取暖, 对热水的温度参数要求不是很严格 , 为了达到同样的热功率, 只需通过加大循环水流 量来控制即可 , 所以 , 如果不是需要蒸汽源或试验 要求 , 循环流化床热水锅炉是最经济的选择. 参考文献 [

1 ] 芩可法 , 倪 明江 , 骆 仲泱 等.循环流化床锅 炉理 论 设计与运行 [ M] . 北京 : 中国电力 出版社.

1 9

9 8 . [

2 ] 朱 国桢等.循环流化床锅设计与计算 [ M] .清华 大学出版社. [

3 ] 陈学俊 , 陈听宽 .锅炉原理 [ M] .机械工业 出版社 , 】

9 9 0. ( 编辑:刘宝珍 ) [ 上接第

7 6页]2结束语 以上是屈强 比比碳钢低合金钢低的钢管取用 许用应力时采用低 于1.5安全 系数的基本原理. 对屈强比比碳钢低合金钢高的钢种取用许用应力 时,按照上述 共识 (

1 ) 的原 理,它同样 必须采用 高于1_5的安全系数.例如我国近年来从德国引进 D I WA

3 5

3 ( B H W3

5 ) , WB

3 6等钢种 , 属于 中强钢. 它们的屈强比都 比碳钢和低合金钢高 , 高于

0 .

5 . 新制订的 水管锅炉强度计算标准 中许用应力, 在中温段数据, 安全系数都略高于

1 .

5 .具体 的 精确数据则根据使用经验 , 商业成本与数据处理 方法 由专 家们商 定.这也说 明了, 各 国锅炉强度计算标 准尽管都 统一规定了各种安全系数值 , 但到了具体某个数 值, 它却不一定精确的正好等于数学计算值.也 从某一个角度来回答为什么 A S ME法规 中奥氏体 不锈钢会有两种许用应力值 , 我们采用作 为锅炉 钢管时 , 必须采用高应力值的原因. ( 编辑:刘宝珍 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com ........