服務熱線：影響橢圓形封頭壁厚等級確定的因素
2016年10月19日
滄州五森管道有限公司
材料的許用應力是指材料的強度指標除以相應的 系數而得到的值。在第三章中已經了解到，橢圓形封頭的機械性能指標有屈服極限、強度極限、蠕變極限、疲勞極限等，這些指標分別反映了材料在不同狀態下失效的極限值。為了保證管道運行中的強度 性，常將管道元件中的應力限制在各強度指標下某一值，該數值一般由各強度指標除以一個大于等于的系數得到，并稱之為許用應力，這里的系數被稱為 系數。當管道元件中的應力超過其許用應力值時，管件的強度將難以保證。因此說，材料的許用應力是確定橢圓形封頭壁厚等級的基本參數。
不同的設計標準，采用的 系數是不同的，也 是說選取的許用應力值是不同的。對橢圓形封頭來說，國內的設計標準一般是取按GB150《鋼制壓力容器》規范確定的許用應力值，而ASTM材料則是取按ANSI B31.3《 Process Piping》標準確定的許用應力值。
為了便于材料工程師查閱，在這里給出幾個常用設計標準的許用應力確定方法。
ANSI B31.3規定：計算橢圓形封頭強度時的許用應力值不應超過下列中的 小值（不包括螺栓的許用應力值）：
1. 室溫下規定的 小抗拉強度的1/3；
b、該溫度下的抗拉強度的1/3；
c、室溫下規定的 小屈服強度的2/3；
d、該溫度下屈服強度的2/3。但對奧氏體不銹鋼和某些鎳鋼除外，它們可以達到該溫度下屈服極限的90%，但不能大于室溫下規定的 小屈服強度的2/3；
e、每1000小時蠕變率為0.01%的平均應力的 ；
f、每100000小時終了時的平均斷裂應力的67%；
g、每100000小時終了時的 小斷裂應力的80%；
計算螺栓強度時的許用應力值不應超過下列中的 小值：
1. 室溫下規定的 小抗拉強度的1/4；
b、該溫度下的抗拉強度的1/4；
c、室溫下規定的 小屈服強度的2/3；
d、該溫度下屈服強度的2/3；
e、每1000小時蠕變率為0.01%的平均應力的 ；
f、每100000小時終了時的平均斷裂應力的67%；
g、每100000小時終了時的 小斷裂應力的80%；
GB150標準規定的管材許用應力按表4-3選取。
橢圓形封頭用鋼材（螺栓材料除外）的許用應力
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材料
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許用應力取下列各值中的 小值，MPa
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碳鋼、低合金鋼
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σb /3.0、σs /1.6、σSt/1.6、σDt/1.5、σnt/1.0
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高合金鋼
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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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對奧氏體高合金鋼鋼制受壓元件，當設計溫度低于蠕變溫度范圍，且允許有微量的 變形時，可適當提高許用應力至0.9σSt(σt0.2)，但不得超過σs(σ0.2)/1.5。此規定不適用于法蘭或其它有微量 變形 產生泄漏或故障的場合。
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螺栓材料的許用應力按表4-4選取：
橢圓形封頭用螺栓材料的許用應力
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材 料
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螺栓直徑
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熱處理狀態
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許用應力取下列各值中的 小值，
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mm
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MPa
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碳鋼
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£M22
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熱軋、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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低合金鋼
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£M22
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σSt(σt0.2)/3.5
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馬氏體高合金鋼
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M24~M48
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調質
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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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奧氏體高合金鋼
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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……材料標準抗拉強度下限值，MPa；
σs(σ0.2)……材料標準常溫屈服點（或材料發生0.2％屈服變形時對應的強度值），MPa；
σSt(σt0.2)……材料在設計溫度下的屈服點（或材料在設計溫度下發生0.2％屈服變形時對應的強度值），MPa；
σDt……材料在設計溫度下經歷10萬小時斷裂的持久強度的平均值，MPa；
σntt……材料在設計溫度下經歷10萬小時蠕變率為1％的蠕變極限，MPa。
ANSI B31.4則規定許用應力為 小屈服點的72%。
ANSI B31.1與ANSI B31.3的規定相近（略）。
2、腐蝕余量
腐蝕余量是考慮因介質對橢圓形封頭的腐蝕而造成的管道壁厚減薄，從而增加的管道壁厚值。它的大小直接影響到管道壁厚的取值，或者說直接影響到壁厚等級的確定。腐蝕余量一般是根據介質對管道材料的腐蝕性和橢圓形封頭的設計壽命確定的。但是，目前工程上比較難做到的是，大多數腐蝕環境對金屬材料的年腐蝕量難以確定。第三章中已經講到，目前我國尚沒有一套有關各種腐蝕介質在不同條件下對各種材料的腐蝕速率數據，因此，工程上大多數情況下仍是憑經驗來確定其腐蝕余量的。為了簡化計算數據，許多國內外的工程公司或設計院通常都將腐蝕余量分為如下四級：
a、無腐蝕余量。對一般的不銹鋼管道多取該值；
b、1.6mm腐蝕余量。對于腐蝕不嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
c、3.2mm腐蝕余量。對于腐蝕比較嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
d、加強級（大于3.2mm）腐蝕余量。對于有固體顆粒沖刷等 殊情況下的管道，根據實際情況確定其具體值。
橢圓形封頭及其元件在制造過程中，相對于其公稱壁厚（或者說是理論壁厚）都會有正、負偏差，因此在確定管子及其元件公稱壁厚時一定要考慮可能出現的負偏差值。各種鋼管標準中規定的偏差值是不完全相同的，GB8163《流體輸送用無縫鋼管》和GB13296《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》規定的壁厚偏差值見表4-5。
橢圓形封頭常用標準的鋼管壁厚偏差值
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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《流體輸送用無縫鋼管》
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≤20
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+15
－10
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GB13296《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》
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<15
³15
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+15，－12.5
+20，－15
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4、焊縫系數
金屬的焊接過程，實質上是一個冶金過程，其組織帶有明顯的鑄造組織 征。一般情況下，鑄造組織缺陷較多，材料性能也有所下降，有關這方面的知識將在第九章和第十章中介紹。對于有縱焊縫和螺旋焊縫的焊接橢圓形封頭及其元件，相對于無縫管子及其元件來說，工程上常給它一個強度降低系數（即焊縫系數），以衡量其機械性能下降的程度。機械性能下降的多少取決于焊縫中存在缺陷的多少，通常用無損探傷（主要是射線探傷RT）來檢查焊縫缺陷，并以射線探傷檢查的多少來衡量機械性能下降的程度。設定無縫鋼管的焊縫系數為1，那么不同的焊接型式、不同的射線探傷比例，其焊縫系數的取值見表4-6。
焊接橢圓形封頭的焊縫系數
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序 號
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焊接方法
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接頭型式
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焊縫型式
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檢驗型式
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焊縫系數
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1
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鍛焊（爐焊）
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對 焊
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直線
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按標準要求
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0.6
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2
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電阻焊
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對 焊
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直線或螺旋形
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按標準要求
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0.85
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3
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電弧焊
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單面對焊
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直線或螺旋形
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無RT
10%RT
RT
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0.8
0.9
1.0
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雙面對焊
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直線或螺旋形
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無RT
10%RT
RT
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0.85
0.9
1.0
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5、橢圓形封頭鑄造質量系數
同焊縫一樣，相對于軋制或鍛制的管子元件來說，鑄件存在的缺陷相對較多，使得其機械性能有所下降。在ANSI B31.3中，為了衡量鑄件機械性能下降的程度，用鑄造質量系數來表示。鑄造質量系數同樣與無損探傷的檢驗數量有關。一般情況下，符合材料基本要求且根據MSS SP－55的規定已經過肉眼檢驗的靜態鑄件，可取其基本鑄造質量系數為0.8，對每一鑄件進行補充檢驗后可以按表4-7的要求提高。值得一提的是，鑄件用作壓力管道及其元件的情況并不多，僅大直徑（DN³50）閥門的閥體常采用鑄件，但閥門閥體的強度設計一般由制造商進行，而且多數閥門標準已經給出了 小壁厚要求，故實際的壓力管道設計中很少用到鑄造質量系數這個概念。
橢圓形封頭鑄造質量系數
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檢 驗 項 目
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鑄造質量系數
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1、根據ANSI B46.1規定，對所有表面進行機加工，表面機加工精度為250微英寸，以增加表面檢查效果
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0.85
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2a、對于碳素鋼和鉻鉬鋼鑄件，按ASTM E709或E138標準，進行磁粉探傷（MT），并按ASTM E125的參照照片判定合格；
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0.85
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2b、對于不銹鋼鑄件，按ASTM E165標準，進行液體滲透探傷（PT），并按ASTM E125的參照照片判定合格
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0.85
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3a、對每個鑄件，按ASTM E114標準進行 超聲波探傷（UT），并確定缺陷深度不超過公稱壁厚的5%時；
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0.95
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3b、對每個鑄件，按ASTM E142標準進行 的射線探傷（RT），并確定符合ASTM E446、E186、E280標準II級合格時
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0.95
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滿足1和2a、2b時
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0.9
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滿足1和3a、3b時
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1.0
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滿足2a、2b和3a、3b時
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1.0
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滿足MSS SP-55標準要求時
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0.8
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ANSI B31.3規定，用于劇烈操作條件下及工藝介質管道上的焊接和鑄造管件，其焊接質量系數和鑄造質量系數均不得低于0.9。
6、設計壽命
前面已經提到，設計壽命與橢圓形封頭的腐蝕余量有關。對于均勻腐蝕來說，當知道其年腐蝕速率后，根據預定的設計壽命， 很容易算出其應取的腐蝕余量了。除此之外，設計壽命還與交變應力作用的荷載變化次數、氫損傷的孕育時間、斷裂因子的擴展期等影響因素有關，同時又與橢圓形封頭的一次性投資、資金代嘗期和技術 新周期有關。美國一雜志上推薦的設計使用壽命為：碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不銹鋼為10年。SH3059標準規定的使用壽命為（10～15）年。國外的一些工程公司對總承包項目和非總承包項目分別規定了不同的設計壽命，前者一般為10年，后者一般為15年，以便從中獲取較大的利潤。
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