印度工程压力管道直管IBR认证壁厚计算
国核电力规划设计研究院 修恒旭 必维国际检验集团 姜大安
[内容摘要] 本文以印度某300MW工程为例，简要描述了电厂压力管道直管IBR认证的壁厚计算过程，供印度项目工程设计参考。
[关键词] IBR ASME 壁厚计算 许用应力
1 概述
印度经济发展很快，基础设施缺乏，特别是电力的缺口很大，印度主要以火力发电为主。目前已有山东电力建设第一工程公司、山东电力建设第二工程公司等在印度有电厂建设项目。
印度锅炉和压力容器必须分别遵守印度锅炉规程(IBR)，IBR法规主要规定印度国内和进口到印度国内的锅炉压力容器的设计、制造、检验等。进入印度的压力管道同样必须遵守IBR规程。
2 IBR认证范围
对于压力管道来说，IBR认证的范围是
[1]
：
1.“蒸汽管道”，是指蒸汽从锅炉到原动机或其它用汽设备（或是二者）的所有管道，通过上述管道的蒸汽的压力比大气压力高出3.5kg/cm2或上述管道的内径超过254毫米。
2.“给水管道”，是指完全或部分地处于压力下、用于直接向锅炉供水且不属于锅炉部件的管道及配件。
3 IBR及ASME壁厚计算公式
3.1 IBR认证要求的壁厚计算公式[1]
按IBR认证要求，钢管的最大允许工作压力根据以下公式确定：
（a）按直管外径确定时：
W.P.?2fe?t?c?g?t?c （1）
（b）按直管内径确定时：
W.P.?2fe?t?c?d?t?c （2）
其中：t：最小壁厚
W.P.：最小工作压力，
f：由以下原则确定的许用应力
值：
（i）对于454℃及以下的温度，取以下两者中的较小值:f?EtR1.5或f?2.7
（ii）对于454℃以上的温度，取以下三者中的小值：(a)f?Et1.5；(b)f?Sr1.5或
(c) f?Sc
其中：
R：该材料在室温下的最小抗拉强度，
Et：金属工作温度“t”下的屈服点（0.2%试验应力），
Sc：100,000小时内金属工作温度温度“t”条件下产生1%延伸（蠕变）的平均应力，
Sr：100,000小时内金属工作温度温度“t”条件下产生断裂的平均应力，且不能大于1.33倍的产生断裂的最小应力值，
注：如果“材料标准”中未提供Sc值，且已知此类材料被用于印度或国外的锅炉中，则此类材料的允许应力取下列两值中的较小值：
EtSr1.5 或 1.5
g：管子外径， d：管子内径， e：有效系数， e=1.0，适用于无缝钢管及电阻焊焊接的钢管，以及符合IBR第2章要求、焊缝经过完全的射线检验或超声波检验的电熔焊焊接的钢管
e=0.95， 适用于符合IBR第2章要求的电熔焊焊接的钢管
e=0.90， 适用于t值为22mm及以下的焊接钢管，
e=0.85， 适用于t值为22mm以上、29mm以下包括29mm的焊接钢管，
e=0.80， 适用于t值为29mm以上的焊接钢管，
C=0.75mm。
3.2 ASME要求的直管壁厚计算公式[2]
按照ASME B31.1，直管最小壁厚计算如下：
tpD0m?2(SE?Py)?A （3） tSEA?2yPAm?Pd?22(SE?Py?P) （4）
设计压力不应超过：
P?2SE(tm?A)D （5）
0?2y(tm?A)P?2SE(tm?A)d?2y(t （6）
m?A)?2tmtm：所需的最小壁厚， P：设计内压力，
D0：管子的外直径， d：管子内径，
SE或SF：在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，
A：附加厚度， y：系数。
4 ASME及“应规”对许用应力的选取
4.1 ASME对许用应力的选取[3]
按照ASME第二卷附录中许用应力规定如下：
（a）当温度低于控制应力选择的蠕变和应力断裂强度的范围时，最大许用应力值是下列各值中的最低值：
（1）室温下规定的最小抗拉强度除以3.5；
（2）温度下抗拉强度除以3.5； （3）室温下规定的最小屈服强度的2/3；
（4）温度下屈服强度的2/3。 （b）当温度处于控制应力选择的蠕
变和应力断裂强度的温度范围时，委员会确定所有材料的最大许用应力值不超过下列各值中的最低值：
（1）产生0.01%/1000h蠕变率的平均应力的100%；
（2）100,000终了时产生断裂的平均
应力的100Favg% （Favg≤0.67）
（3）100,000终了时产生断裂的最小
应力的80%。
通过IBR许用应力与ASME许用应
力的比较可以得出：ASME许用应力值更趋于保守。且IBR认可美国机械工程师学会（ASME）锅炉和压力容器标准[1]。因此对于ASME材料管道的许用应力可以直接按照ASME规范中给出的许用应力进行选取。
4.2 “应规”对许用应力的选取
《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》（简称“应规”）对钢材的许用应力规定如下[4]：
根据钢材的有关强度特性取下列三项中的最小值：
δ20tb/3；δs/1.5或δts(0.2%)/1.5；
tD/1.5 δ20b-钢材在20℃时的抗拉强度最小
值，MPa；
δδts-钢材在设计温度下的屈服极限最
小值，MPa；
δts(0.2%)-钢材在设计温度下残余变形
为0.2%时的屈服极限最小值，MPa；
δt5
D-钢材在设计温度下10h持久强度
平均值，MPa。
IBR许用应力与“应规”许用应力的比较可以得出：对于454℃及以下的温度，“应规”规定的许用应力比IBR保守，但是IBR未标明认可“GB”（中华人民共和国国家标准）及“DL”（中华人民共和国电力行业标准）。因此对于国产材料管道应按照相关的标准查找抗拉强度、最小屈服强度等再根据IBR或ASME要求转化成IBR或ASME认证要求的许用应力。
5 实际工程IBR认证计算过程
以印度某300MW工程主蒸汽管道、二级抽汽管道为例，简要描述一下IBR认证过程。
5.1 主蒸汽管道（ASME内径管）的IBR及ASME认证计算过程
设计参数：P=18.31MPa，t=546℃，材质为A335P91，选择ID368.3×40的内径管，确定其壁厚是否符合IBR及ASME要求。该管道的内径正偏差是3.175mm，查表可得该温度下的许用应力为107.69MPa。
（1） 按IBR认证要求进行计算 设计温度压力下的最小计算壁厚为：tm?35.264mm；
选用ID368.3×40的内径管在t=546℃所能承受的最大内压为：
P?20.58MPa。
（2） 按ASME要求进行计算
设计温度压力下的最小计算壁厚为：
tm?33.277mm；
选用ID368.3×40的内径管在t=546℃所能承受的最大内压为：
P?21.78MPa
由于选择的内径管壁厚无负偏差，因此可以得出该主蒸汽管道选择ID368.3×40的内径管是安全的。
5.2 二级抽汽管道（GB外径管）的IBR及ASME认证计算过程
设计参数：P=4.355MPa，t=348.67℃，材质为20钢，选择φ219×7外径管，确定其壁厚是否符合IBR及ASME要求。壁厚负偏差按-12.5%考虑。 （1） 按IBR认证要求进行计算 对于20钢管，按照GB3087可得：室温下的最小抗拉强度R=410MPa，金属工作温度“t”下的屈服点可插值为Et=137MPa，因此得出IBR认证中20钢在该温度下的许用应力为410/2.7与137/1.5的较小值，为91MPa。
设计温度压力下的最小计算壁厚为：tm?5.867mm；
选用φ219×7的外径管在348.67℃所能承受的最大内压为：
P?4.57MPa。
（2） 按ASME要求进行计算
对于按ASME对许用应力的计算，为410/3.5与137/1.5的较小值，为91MPa。设计温度压力下的最小计算壁厚为：tm?5.141mm；
选用φ219×7的外径管在348.67℃所能承受的最大内压为：
P?5.20MPa。
考虑到-12.5%的壁厚负偏差，φ219×7外径管可能出现的最小壁厚为
6.125>5.868，因此该抽汽管道选择20钢φ219×7外径管是安全的。
6 结论
本文简要描述了印度电厂压力管道的IBR认证过程。对于印度电厂的管道壁厚设计主要有以下几点建议：
（1） 印度电厂壁厚设计既要满足IBR
要求，同时要满足ASME的要求。
（2） 对于国产材料的许用应力不能直
接查询“应规”，而应该按照IBR或ASME公式进行计算获得。
（3） 由于国产材料IBR公式中的Sc、
Sr值较难获得，建议454℃以上的温度选用ASME材料。
（4） 建议在电厂设计初设阶段就对电
厂管道尤其是需要应力计算管道先进行IBR壁厚计算，以避免施
工图阶段因IBR认证不合格造成工程被动。
参考文献
[1] Indian Boiler Regulations [2] ASME B31.1 Power Piping
[3] ASME Boiler&Pressure Vessle Code Ⅱ [4] 火力发电厂汽水管道应力计算技术规程