ASME B31.1和中国标准在150MW燃煤发电厂四大管道设计上的异同

刘晓伟，黄维林中国东方电气集团有限公司

ASME B31.1和中国标准在150MW燃煤发电厂四大管道设计上的异同

刘晓伟，黄维林
中国东方电气集团有限公司

在火力发电厂四大管道承压设计过程中，ASME B31.1与中国标准的差异一直是国内大型工程公司的设计建造人员尤为关心的问题。本文详细分析了两个标准在管道承压设计方法上的异同，并以某150MW燃煤发电厂四大管道为例，对比了分别按照两个标准进行规格选型的结果，并评估了其对工程造价的影响。

ASME B31.1；四大管道；承压设计

在火力发电厂管道设计中，ASME B31.1《动力管道》[1]作为美国国家标准，详细规定了管道材料、设计、制作、安装、检查、检验和试验等要求，并已经成为国际上广为认可的标准。GB 50764-2012《电厂动力管道设计规范》[2]是我国在动力管道设计领域的一部现行的主要标准，其规定在很多方面借鉴了ASME B31.1的要求，但结合我国国情对某些具体规定作出了相应调整。理清ASME B31.1与GB 50764-2012之间的异同及其对工程造价的影响，是国内大型工程公司的设计建造人员尤为关心的问题。本文将从某150MW等级火力发电厂四大管道规格选型入手，对ASME B31.1与GB 50764-2012在管道规格选择上的差异进行分析。

1.计算方法对比

1.1ASME B31.1中管道的承压设计方法

ASME B31.1在其104.1节中指出，承受内压的直管最小壁厚由下式确定：

其中tm表示管道所需最小壁厚，P表示管道的设计压力，Do表示管道外径，SE是设计温度下由内压力和焊缝接头系数所确定的材料最大许用应力，y是与管道材料和设计温度有关的系数，A表示附加厚度，包括补偿机械加工的附加壁厚、增加力学强度的附加壁厚和补偿腐蚀侵蚀的附加壁厚。规范要求在按照上式确定最小管壁厚度后，还应加上一定数值，以提供相应管道标准内所允许的或工艺上要求的制造偏差。然后根据厚度规格（如B36.10M[3]内所列规格）或制造厂的非标准厚度规格，选用接近的较厚商品壁厚。

1.2GB 50764-2012中管道的承压设计方法

GB 50764-2012《电厂动力管道设计规范》[2]是中国适用于火力发电厂范围内的蒸汽和水管道的设计规范。在其6.2节给出了计算直管最小壁厚、计算壁厚和取用壁厚的方法。对于Do/Di≤1.7的承受内压的直管的最小壁厚计算公式为：

其中Sm表示管道在设计压力和设计温度下所需的最小厚度，p表示管道的设计压力，Do表示管道外径，[σ]t是设计温度下材料的许用应力，η是许用应力的修正系数，与管道种类和检验标准有关，Y是与管道材料和设计温度有关的修正系数，C表示附加厚度，包括腐蚀、磨损和机械强度要求的附加壁厚。同时，管子的计算壁厚按下式进行计算：

其中C1是管子壁厚负偏差的附加值。对于内径管，负偏差值取0，对于外径管，m是壁厚允许负偏差，取百分数。管子的取用壁厚还要在计算壁厚的基础上，计入对口加工裕量，再到管子产品的公称壁厚系列中进行选取。

对比两个规范在计算公式上的差别。两个公式中管道最终选取的壁厚都应不小于取用壁厚，但从公式的组成结构上来看，B31.1中的壁厚选取要考虑承受内压，并计入腐蚀、磨损、加工损失和加工误差的影响；而GB 50764-2012中的壁厚选取除了以上因素外，还需要额外考虑对口加工裕量的影响。

1.3计算参数选取的异同

具体到每一个参数的选取，两个规范的要求大同小异。对于许用应力，B31.1中的SE一项所表达的材料许用应力，考虑了材料种类和焊缝质量系数的影响。GB 50764-2012中的[σ]tη所表达的物理含义是相似的，只是η的取值中还考虑了焊接钢管采用100%射线或超声检验的情况。在这种情况下，可以认为焊接钢管的许用应力与无缝钢管许用应力相等，即η=1，而在B31.1中没有这样的规定。

对于Y值，B31.1与GB 50764-2012是大致相同的，其区别在于B31.1给出了某些镍合金的Y值以及金属在超过1200℉时的Y值，而这两种情况在火力发电厂的管道设计中很少出现，因此GB 50764-2012中并没有界定这两种情况下的Y值。

对于附加厚度，B31.1中的A值与GB 50764-2012中的C值所考虑的因素是一样的，即腐蚀、磨损和机械强度。不同点在于GB 50764-2012中给出了C值在某些具体情况下的推荐值。对于管子壁厚负偏差，B31.1仅提及需要考虑负偏差值，但未给出具体的计算方法，而GB 50764-2012给出式(3)所示的计算公式。

综上所述，在计算四大管道壁厚时，采用B31.1和GB 50764-2012这两种不同的规范，设计人员可能会在许用应力值、附加壁厚、壁厚负偏差值和对口加工裕量上有所区别，从而计算得到不同的管道取用壁厚。根据管道的取用壁厚，再到各自的规范体系中选用不小于取用壁厚的标准管道规格。

2.计算结果

以某150MW等级燃煤发电厂的设计参数为例进行四大管道选型实例计算。计算时，基于材料理化性能相当和压力设计时的许用应力相当两个条件，在两个标准中选取类似的管材，其许用应力值分别参照B31.1附录A和GB 50764-2012附录A取值；管道外径和壁厚的允许偏差参照GB5310-2008[4]和GB3087-2008[5]中普通级钢管进行选取。可计算得到四大管道的取用壁厚见表1：

表1　中国标准与ASME标准四大管道取用壁厚

从表1中可以得出以下结论：

（1）从许用应力上来看，12Cr1MoV的许用应力值在设计温度下明显高于P22。从取用壁厚计算结果上来看，采用12Cr1MoV作为主蒸汽管道和再热热段管道材料，相比于P22，可以有效降低管道壁厚，节约钢材。

（2）对于再热冷段管道，在设计温度下，20号钢许用应力值低于SA106B，因此计算壁厚大于SA106B，同时由于GB 50764-2012要求考虑较多的壁厚负偏差和对口加工裕量，从计算结果上来看，采用SA106B可以得到比20号钢更小的取用壁厚。除此以外，由于国内的管道选型通常都会优先选择典型管道手册上推荐的壁厚，如本例所示，虽然取用壁厚仅为13.742mm，但由于典型管道手册上推荐的壁厚为19mm，因此一般在进行设计时都会选择19mm的管材。这就进一步导致采用20号钢设计再热冷段管道的单位管重远高于采用ASME标准管道的单位管重。

（3）对于高压给水管道，在设计温度下，由于20G在该温度下的许用应力值略大于SA106B，因此计算壁厚较小，在考虑了壁厚负偏差和对口加工裕量后，两个标准的取用壁厚值差距不大。按照各自的规格表选取后，采用20G设计高压给水管道的单位管重略高于SA106B。

参照2016年4月某钢厂钢材报价，按照某150MW等级燃煤发电厂四大管道管长计算，分别采用ASME标准和中国标准设计的四大管道的钢管采购价格见表2：

表2　中国标准与ASME标准四大管道钢管价格对比

表2中的价格仅表示四大管道钢管采购的价格，不含管道支吊架、阀门、管件等。本文为方便对比，假设采用两个标准进行设计，管道长度是一致的。从表2可以得到，四大管道无论采用ASME标准进行设计还是采用国标进行设计，其管道总价是差不多的，采用中国标准设计价格略低。

对比用途相近的两种管材，国标管道每吨单价均略低于ASME管道。国标主蒸汽管道和再热热段管道的单位管重低于ASME标准，因此这两项管道的价格国标管道较低。高压给水管道的管道单重略高于ASME管道，考虑每吨单价后，该项仍是国标管道价格更低。国标再热冷段管道由于按照典型管道手册选型的原因，单位管重明显高于ASME标准的管道，因此价格明显比ASME标准管道高。

3.小结与讨论

ASME标准作为国际上广为认可的标准，与中国标准有着千丝万缕的联系。在火力发电厂工程设计中，理清采用ASME标准与采用中国标准的差异，并评估其对工程造价的影响，是提高中国企业在海外项目投标中的竞争力的重要途径之一。本文参照ASME B31.1和GB 50764-2012的有关条文规定，详细比较了两者在管道承压设计上的异同，并对具体参数的选择进行了说明。以某150MW等级燃煤发电厂四大管道设计为例，参照某钢厂管材价格，分别得到按照ASME标准和中国标准进行设计的四大管道的钢管价格。结果表明，采用ASME标准或中国标准进行150MW等级燃煤发电厂四大管道设计，在钢管价格上两者是相当的，采用中国标准设计的钢管价格略低。

在计算过程中还应注意，首先，中国标准的取用壁厚考虑了更多的设计裕量；其次，管材在设计温度下的许用应力对取用壁厚的影响较大，在对比ASME管材与中国管材时，首先应确定采用哪两种类似的管材进行对比，许用应力值较大的管材通常取用壁厚更小；再次，实际的管道规格除了与取用壁厚有关，还与两个标准提供的管道标准规格有关，较小的取用壁厚并不一定对应着较薄的管道规格；最后，对于性能相近的管材，国标管道的每吨单价略低于ASME管道。

[1]ASME B31.1-2014，Power Piping

[2]GB50764-2012，电厂动力管道设计规范

[3]ASME B36.10M-2015，Welded and Seamless Wrought Steel Pipe

刘晓伟（1985-），男，四川成都人，学历：硕士，研究方向：电力/能源。