服务热线：影响椭圆形封头壁厚等级确定的因素
2016年10月19日
沧州五森管道有限公司
材料的许用应力是指材料的强度指标除以相应的 系数而得到的值。在第三章中已经了解到，椭圆形封头的机械性能指标有屈服极限、强度极限、蠕变极限、疲劳极限等，这些指标分别反映了材料在不同状态下失效的极限值。为了保证管道运行中的强度 性，常将管道元件中的应力限制在各强度指标下某一值，该数值一般由各强度指标除以一个大于等于的系数得到，并称之为许用应力，这里的系数被称为 系数。当管道元件中的应力超过其许用应力值时，管件的强度将难以保证。因此说，材料的许用应力是确定椭圆形封头壁厚等级的基本参数。
不同的设计标准，采用的 系数是不同的，也 是说选取的许用应力值是不同的。对椭圆形封头来说，国内的设计标准一般是取按GB150《钢制压力容器》规范确定的许用应力值，而ASTM材料则是取按ANSI B31.3《 Process Piping》标准确定的许用应力值。
为了便于材料工程师查阅，在这里给出几个常用设计标准的许用应力确定方法。
ANSI B31.3规定：计算椭圆形封头强度时的许用应力值不应超过下列中的 小值（不包括螺栓的许用应力值）：
1. 室温下规定的 小抗拉强度的1/3；
b、该温度下的抗拉强度的1/3；
c、室温下规定的 小屈服强度的2/3；
d、该温度下屈服强度的2/3。但对奥氏体不锈钢和某些镍钢除外，它们可以达到该温度下屈服极限的90%，但不能大于室温下规定的 小屈服强度的2/3；
e、每1000小时蠕变率为0.01%的平均应力的 ；
f、每100000小时终了时的平均断裂应力的67%；
g、每100000小时终了时的 小断裂应力的80%；
计算螺栓强度时的许用应力值不应超过下列中的 小值：
1. 室温下规定的 小抗拉强度的1/4；
b、该温度下的抗拉强度的1/4；
c、室温下规定的 小屈服强度的2/3；
d、该温度下屈服强度的2/3；
e、每1000小时蠕变率为0.01%的平均应力的 ；
f、每100000小时终了时的平均断裂应力的67%；
g、每100000小时终了时的 小断裂应力的80%；
GB150标准规定的管材许用应力按表4-3选取。
椭圆形封头用钢材（螺栓材料除外）的许用应力
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材料
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许用应力取下列各值中的 小值，MPa
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碳钢、低合金钢
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σb /3.0、σs /1.6、σSt/1.6、σDt/1.5、σnt/1.0
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高合金钢
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σb /3.0、σs(σ0.2) /1.5、σSt(σt0.2)/1.5、σDt/1.5、σnt/1.0
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对奥氏体高合金钢钢制受压元件，当设计温度低于蠕变温度范围，且允许有微量的 变形时，可适当提高许用应力至0.9σSt(σt0.2)，但不得超过σs(σ0.2)/1.5。此规定不适用于法兰或其它有微量 变形 产生泄漏或故障的场合。
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螺栓材料的许用应力按表4-4选取：
椭圆形封头用螺栓材料的许用应力
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材 料
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螺栓直径
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热处理状态
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许用应力取下列各值中的 小值，
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mm
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MPa
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碳钢
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£M22
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热轧、正火
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σSt/2.7
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M24~M48
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σSt/2.5
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低合金钢
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£M22
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σSt(σt0.2)/3.5
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马氏体高合金钢
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M24~M48
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调质
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σSt(σt0.2)/3.0
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σDt/1.5
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³M52
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σSt(σt0.2)/2.7
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奥氏体高合金钢
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£M22
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固溶
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σSt(σt0.2)/1.6
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M24~M48
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σSt(σt0.2)/1.5
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表中：σb……材料标准抗拉强度下限值，MPa；
σs(σ0.2)……材料标准常温屈服点（或材料发生0.2％屈服变形时对应的强度值），MPa；
σSt(σt0.2)……材料在设计温度下的屈服点（或材料在设计温度下发生0.2％屈服变形时对应的强度值），MPa；
σDt……材料在设计温度下经历10万小时断裂的持久强度的平均值，MPa；
σntt……材料在设计温度下经历10万小时蠕变率为1％的蠕变极限，MPa。
ANSI B31.4则规定许用应力为 小屈服点的72%。
ANSI B31.1与ANSI B31.3的规定相近（略）。
2、腐蚀余量
腐蚀余量是考虑因介质对椭圆形封头的腐蚀而造成的管道壁厚减薄，从而增加的管道壁厚值。它的大小直接影响到管道壁厚的取值，或者说直接影响到壁厚等级的确定。腐蚀余量一般是根据介质对管道材料的腐蚀性和椭圆形封头的设计寿命确定的。但是，目前工程上比较难做到的是，大多数腐蚀环境对金属材料的年腐蚀量难以确定。第三章中已经讲到，目前我国尚没有一套有关各种腐蚀介质在不同条件下对各种材料的腐蚀速率数据，因此，工程上大多数情况下仍是凭经验来确定其腐蚀余量的。为了简化计算数据，许多国内外的工程公司或设计院通常都将腐蚀余量分为如下四级：
a、无腐蚀余量。对一般的不锈钢管道多取该值；
b、1.6mm腐蚀余量。对于腐蚀不严重的碳素钢和铬钼钢管道多取该值；
c、3.2mm腐蚀余量。对于腐蚀比较严重的碳素钢和铬钼钢管道多取该值；
d、加强级（大于3.2mm）腐蚀余量。对于有固体颗粒冲刷等 殊情况下的管道，根据实际情况确定其具体值。
椭圆形封头及其元件在制造过程中，相对于其公称壁厚（或者说是理论壁厚）都会有正、负偏差，因此在确定管子及其元件公称壁厚时一定要考虑可能出现的负偏差值。各种钢管标准中规定的偏差值是不完全相同的，GB8163《流体输送用无缝钢管》和GB13296《流体输送用不锈钢无缝钢管》规定的壁厚偏差值见表4-5。
椭圆形封头常用标准的钢管壁厚偏差值
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材 料
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壁 厚 （mm）
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偏差值 （%）
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GB8163《流体输送用无缝钢管》
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≤20
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+15
－10
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GB13296《流体输送用不锈钢无缝钢管》
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<15
³15
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+15，－12.5
+20，－15
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4、焊缝系数
金属的焊接过程，实质上是一个冶金过程，其组织带有明显的铸造组织 征。一般情况下，铸造组织缺陷较多，材料性能也有所下降，有关这方面的知识将在第九章和第十章中介绍。对于有纵焊缝和螺旋焊缝的焊接椭圆形封头及其元件，相对于无缝管子及其元件来说，工程上常给它一个强度降低系数（即焊缝系数），以衡量其机械性能下降的程度。机械性能下降的多少取决于焊缝中存在缺陷的多少，通常用无损探伤（主要是射线探伤RT）来检查焊缝缺陷，并以射线探伤检查的多少来衡量机械性能下降的程度。设定无缝钢管的焊缝系数为1，那么不同的焊接型式、不同的射线探伤比例，其焊缝系数的取值见表4-6。
焊接椭圆形封头的焊缝系数
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序 号
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焊接方法
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接头型式
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焊缝型式
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检验型式
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焊缝系数
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1
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锻焊（炉焊）
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对 焊
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直线
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按标准要求
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0.6
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2
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电阻焊
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对 焊
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直线或螺旋形
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按标准要求
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0.85
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3
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电弧焊
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单面对焊
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直线或螺旋形
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无RT
10%RT
RT
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0.8
0.9
1.0
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双面对焊
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直线或螺旋形
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无RT
10%RT
RT
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0.85
0.9
1.0
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5、椭圆形封头铸造质量系数
同焊缝一样，相对于轧制或锻制的管子元件来说，铸件存在的缺陷相对较多，使得其机械性能有所下降。在ANSI B31.3中，为了衡量铸件机械性能下降的程度，用铸造质量系数来表示。铸造质量系数同样与无损探伤的检验数量有关。一般情况下，符合材料基本要求且根据MSS SP－55的规定已经过肉眼检验的静态铸件，可取其基本铸造质量系数为0.8，对每一铸件进行补充检验后可以按表4-7的要求提高。值得一提的是，铸件用作压力管道及其元件的情况并不多，仅大直径（DN³50）阀门的阀体常采用铸件，但阀门阀体的强度设计一般由制造商进行，而且多数阀门标准已经给出了 小壁厚要求，故实际的压力管道设计中很少用到铸造质量系数这个概念。
椭圆形封头铸造质量系数
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检 验 项 目
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铸造质量系数
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1、根据ANSI B46.1规定，对所有表面进行机加工，表面机加工精度为250微英寸，以增加表面检查效果
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0.85
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2a、对于碳素钢和铬钼钢铸件，按ASTM E709或E138标准，进行磁粉探伤（MT），并按ASTM E125的参照照片判定合格；
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0.85
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2b、对于不锈钢铸件，按ASTM E165标准，进行液体渗透探伤（PT），并按ASTM E125的参照照片判定合格
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0.85
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3a、对每个铸件，按ASTM E114标准进行 超声波探伤（UT），并确定缺陷深度不超过公称壁厚的5%时；
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0.95
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3b、对每个铸件，按ASTM E142标准进行 的射线探伤（RT），并确定符合ASTM E446、E186、E280标准II级合格时
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0.95
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满足1和2a、2b时
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0.9
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满足1和3a、3b时
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1.0
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满足2a、2b和3a、3b时
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1.0
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满足MSS SP-55标准要求时
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0.8
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ANSI B31.3规定，用于剧烈操作条件下及工艺介质管道上的焊接和铸造管件，其焊接质量系数和铸造质量系数均不得低于0.9。
6、设计寿命
前面已经提到，设计寿命与椭圆形封头的腐蚀余量有关。对于均匀腐蚀来说，当知道其年腐蚀速率后，根据预定的设计寿命， 很容易算出其应取的腐蚀余量了。除此之外，设计寿命还与交变应力作用的荷载变化次数、氢损伤的孕育时间、断裂因子的扩展期等影响因素有关，同时又与椭圆形封头的一次性投资、资金代尝期和技术 新周期有关。美国一杂志上推荐的设计使用寿命为：碳钢为5年；铬钼钢和不锈钢为10年。SH3059标准规定的使用寿命为（10～15）年。国外的一些工程公司对总承包项目和非总承包项目分别规定了不同的设计寿命，前者一般为10年，后者一般为15年，以便从中获取较大的利润。
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