附錄A中列(lie)有常用鋼(gang)管(guan)、鋼(gang)板、螺栓、鋼(gang)鍛件、鑄鐵和某些有色金屬管(guan)材料(liao)的(de)(de)機(ji)械性能(neng)資(zi)料(liao)。表中還列(lie)有某些材料(liao)在(zai)各種(zhong)設(she)計溫度下的(de)(de)許用應(ying)力值(zhi)。上述資(zi)料(liao)數據(ju)主要(yao)取自現行的(de)(de)國家標(biao)準,詳見各表格(ge)。下面(mian)對編制依據(ju)作幾點(dian)說明。
許(xu)用應力是(shi)(shi)按(an)材料的力學性(xing)能除以相(xiang)應的安全(quan)系數而得(de),但安全(quan)系數的取定與諸(zhu)多因素有關,例如材料性(xing)能、荷(he)載、設計方(fang)法、質量管理水平(ping)、操作(zuo)使(shi)用經驗等,是(shi)(shi)一(yi)個(ge)比較復(fu)雜的課題,很難用很少的人力,在很短的時間內,制訂一(yi)個(ge)專用的系列(lie)。
近來國(guo)(guo)內外的(de)標準(zhun)和規范(fan)中(zhong)采(cai)用的(de)安全(quan)(quan)系數不盡相同,而且(qie)隨著(zhu)時間的(de)推移(yi)和科學技術(shu)的(de)進步,還在不斷(duan)的(de)修訂(ding)。下面(mian)著(zhu)重介(jie)紹一(yi)些工業(ye)發達國(guo)(guo)家、國(guo)(guo)際標準(zhun)組(zu)織和我(wo)國(guo)(guo)的(de)有關標準(zhun)或規范(fan)在安全(quan)(quan)系數取定準(zhun)則方面(mian)的(de)情況,供使用參考。
根據(ju)日本鍋爐協會副(fu)會長野原(yuan)石松先生在第244號《鍋爐研究》中撰寫的(de)(de)“國(guo)(guo)外鍋爐、壓力(li)容器結構(gou)規范動向(xiang)”中提到(dao)的(de)(de),某些國(guo)(guo)家和組(zu)織在1990年10月以前,確(que)定軋制碳素鋼許用應力(li)所采用的(de)(de)安全系數詳(xiang)見本附錄A說明表1。
根據美國(guo)管道(dao)規范(fan) ASME B31.3(原名(ming)“Chemical plant and petroleum refinery piping”新版改(gai)名(ming)“Process piping”)中提出的(de)(de)確定金(jin)屬材(cai)料許用應力值的(de)(de)準則如下∶
1. 在(zai)設計溫度下的螺栓材(cai)料設計應力值不應超過下列的最小值∶
①. 除了下(xia)列③的(de)規(gui)(gui)定外,取1/4的(de)常溫下(xia)規(gui)(gui)定的(de)最小(xiao)抗(kang)拉(la)強度(du)(SMTS)和(he)1/4的(de)設(she)計溫度(du)下(xia)的(de)抗(kang)拉(la)強度(du)的(de)較小(xiao)者(zhe);
②. 除了下列(lie)③的(de)(de)規定外,取2/3的(de)(de)常溫下規定的(de)(de)最小屈服(fu)強度(SMYS)和2/3的(de)(de)設(she)計溫度下的(de)(de)屈服(fu)強度的(de)(de)較小者;
③. 在蠕變(bian)(bian)范圍以下(xia)的溫(wen)度時,對(dui)于(yu)已經熱(re)處理或應變(bian)(bian)硬化而使(shi)強(qiang)度有所提高的螺栓材(cai)料(liao),取(qu)1/5的常(chang)溫(wen)下(xia)規定的最(zui)小抗拉強(qiang)度(SMTS)和1/4的常(chang)溫(wen)下(xia)規定的最(zui)小屈(qu)服強(qiang)度(SMYS)的較(jiao)小者(除非這(zhe)些數(shu)值小于(yu)退火材(cai)料(liao)的相應值,則此時應取(qu)退火的數(shu)值)
④. 取(qu)在(zai)設計(ji)溫度下(xia)屈服強度的2/3;
⑤. 取每1000h具有0.01%蠕變率的(de)平(ping)(ping)均應力(li)的(de)100%;⑥取10000h終(zhong)了(le)的(de)平(ping)(ping)均斷裂應力(li)的(de)67%;⑦取100000h終(zhong)了(le)的(de)最小斷裂應力(li)的(de)80%;
2. 鑄(zhu)鐵∶在設計溫度下的鑄(zhu)鐵的基(ji)本許用應(ying)力不(bu)應(ying)超過下列的較小者∶
①. 常溫(wen)下規定的最小抗拉強度(SMTS)的1/10;
②. 在設計(ji)溫度下抗(kang)拉強度的1/10。
3. 可(ke)鍛鑄鐵∶其基本許用應力在設計溫度下不應超(chao)過(guo)下列的(de)較小值∶
①. 常溫下規定的最小(xiao)抗拉(la)強(qiang)度的1/5;
②. 在設計溫度下抗拉強度的1/5。
4. 其他材料∶上述以外的(de)(de)(de)材料的(de)(de)(de)許(xu)用應(ying)力不應(ying)超過下列的(de)(de)(de)最小者(zhe)
①. 1/3的常溫下(xia)規定(ding)的最小抗(kang)拉強(qiang)度(SMTS)和1/3的設計溫度下(xia)的抗(kang)拉強(qiang)度中的較小者;
②. 除了下列③的(de)規(gui)定外,取2/3的(de)常溫(wen)(wen)下規(gui)定的(de)最小(xiao)屈服強度(du)(du)(SMYS)和2/3的(de)設計溫(wen)(wen)度(du)(du)下的(de)屈服強度(du)(du)中的(de)較小(xiao)者;
③. 對于(yu)奧氏體不銹鋼(gang)和鎳(nie)合金(jin)鋼(gang)具有(you)相似(si)的(de)應力一應變(bian)情況者(zhe)(zhe),取2/3的(de)常溫(wen)下(xia)規定的(de)最小屈服強度(du)(SMYS)和90%的(de)設計溫(wen)度(du)下(xia)的(de)屈服強度(du)中的(de)較小者(zhe)(zhe);
④. 對于蠕變率為(wei)每1000h0.01%者,取100%的平均應力值;
⑤. 對于(yu)在10000h終(zhong)了斷裂者,取其(qi)67%的平均應力值;
⑥. 對(dui)于在10000h終(zhong)了(le)斷裂者,取其(qi)最小應力的80%;
⑦. 對于構造等(deng)級的材(cai)料(liao),其(qi)基(ji)本許用應力(li)應為0.92倍的按上述的①至⑥確定的最小值(zhi)。
5. 應用限制
按(an)照上述(shu)4)③確定的(de)應(ying)力值不推(tui)薦用于(yu)法蘭接點和(he)其他組成件,因在這些部(bu)位只(zhi)要(yao)有少許變形就(jiu)會導(dao)致漏泄和(he)失效,見本規范附錄A表(biao)A.0.2及表(biao)A.0.4的(de)注中所解釋的(de)。
上述 ASME B31.3中確(que)定(ding)的金屬材(cai)料設計應力(li)的準則和(he)本附錄(lu)(lu)A說明表3中的規(gui)定(ding)相同,而且在大(da)多數情況(kuang)下,在本規(gui)范附錄(lu)(lu)A中列出的蠕變范圍以下的應力(li)值是和(he)該規(gui)范中所公布的相應值相同的。
根據ASMEB31.1中提出(chu)的管道(dao)用的鐵基和非鐵基材料許用應(ying)力值的準則是(shi)與(yu)本(ben)附錄A說明表(biao)2相同。其中抗拉強度的安全系數(shu)為4。
除此之外,鑄(zhu)鐵的(de)許用(yong)應力是根據《ASME 鍋(guo)爐及壓(ya)力容器規(gui)范第八(ba)卷第1冊壓(ya)力容器》中的(de)表UCI-23中的(de)規(gui)則所確定的(de)安全系(xi)數10求定的(de)。
根據美國《冷凍管(guan)道規范(fan)ASME B31.5》中提出的求定鐵基和非鐵基材料許用應(ying)力的準則(ze)如下∶
1. 鐵(tie)基(ji)材(cai)料
在100F(37.8℃)及以下(xia),許用應力(li)是取用25%的(de)(de)常(chang)溫下(xia)規定(ding)(ding)的(de)(de)最(zui)(zui)小(xiao)抗拉(la)強度(SMTS)和62.5%常(chang)溫下(xia)規定(ding)(ding)的(de)(de)最(zui)(zui)小(xiao)屈(qu)服強度(SMYS)或(huo)0.2變形時(shi)的(de)(de)較小(xiao)值。
在(zai)100F(37.8℃)以上,但低于400F(204℃)時(shi)(shi),許用應力不(bu)超過在(zai)設計溫度(du)(du)下,變形0.2%時(shi)(shi)的(de)(de)預(yu)期平(ping)均屈服(fu)強度(du)(du)的(de)(de)62.5%,或者不(bu)超過設計溫度(du)(du)下的(de)(de)預(yu)期平(ping)均抗拉強度(du)(du)的(de)(de)25%。
對于構(gou)造用(yong)材,應采用(yong)0.92的質量系數(shu)。
2. 非(fei)鐵基材料
在(zai)溫(wen)度(du)超過100°F(37.8℃)時,材料的基本許用應力值(zhi)取(qu)決于下列的最小值(zhi),而(er)且還要在(zai)抗拉(la)強度(du)和屈服強度(du)都是取(qu)自(zi)設計溫(wen)度(du)下的標準(zhun)短時試驗(yan)時∶
①. 最小的(de)抗拉強度的(de)1/4;
②. 最小的屈服強度的2/3;
③. 在1000h末產生0.01%蠕變率的應力(li)值(zhi);
④. 在10000h產生斷裂的(de)應力(li)值(zhi)。
在100F(37.8℃)及(ji)以下時,許用應(ying)力取用下列的最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)值,即(ji)取1/4的常溫(wen)下規定(ding)的最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)抗(kang)拉(la)強度(du)(SMTS)或2/3的常溫(wen)下規定(ding)的最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)屈服強度(du)(SMYS)中的最(zui)(zui)小(xiao)(xiao)值。
抗拉強(qiang)度(du)和屈服強(qiang)度(du)是通過(guo)取用試驗(yan)結果,乘以最小(xiao)指定的(de)(de)(de)或預期的(de)(de)(de)抗拉強(qiang)度(du)或屈服強(qiang)度(du)和實際的(de)(de)(de)常溫下的(de)(de)(de)抗拉或屈服強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)比值,來(lai)把它們(men)調整到最小(xiao)值的(de)(de)(de)。
蠕變(bian)(bian)和斷(duan)裂(lie)應力(li)強度是按 Francis B.Foley 在 Metal Pro-gress,June 1947,P.P.951-958所(suo)(suo)指出(chu)(chu)的(de)(de)“蠕變(bian)(bian)和斷(duan)裂(lie)應力(li)數據的(de)(de)說明"中(zhong)所(suo)(suo)描(miao)述的(de)(de)方(fang)法畫出(chu)(chu)的(de)(de)蠕變(bian)(bian)和斷(duan)裂(lie)應力(li)曲線來加以確定(ding)的(de)(de)。
求(qiu)定剪切應力和(he)支承的(de)許用應力時,亦應在抗拉許用應力的(de)基(ji)礎(chu)上分別順次(ci)乘以(yi)0.8和(he)1.6的(de)系數(shu)。
現行國家(jia)標準(zhun)《鋼制(zhi)壓力容器(qi)》GB150與(yu)本(ben)規范中所規定的鋼材安全系數相(xiang)同,詳見本(ben)規范第3章表3.2.3-1 及表3.2.3-2.
國家(jia)現(xian)行標準《火力(li)發電廠汽水管(guan)道(dao)應(ying)力(li)計算技術(shu)規定(ding)》SDGJ6中規定(ding),鋼材(cai)的(de)許用應(ying)力(li),應(ying)根據鋼材(cai)的(de)有關(guan)強(qiang)度特性取下列三項中的(de)最小值(zhi)∶q30/3,q/1.5或(huo)qq.2%/1.5,c6/1.5.
從(cong)上述提供的(de)(de)國(guo)內外有關的(de)(de)標準(zhun)和規范(fan)看(kan),美國(guo)的(de)(de)ASME規范(fan)是(shi)目前國(guo)際上公認的(de)(de)先進壓力容器中最廣泛使用(yong)的(de)(de)規范(fan)。管道的(de)(de)性能和工作情況雖不完全等(deng)同于壓力容器,但有許多相似之處(chu),因此在確定材料的(de)(de)安(an)全系數方面所采取(qu)(qu)的(de)(de)準(zhun)則基本上也是(shi)一致(zhi)的(de)(de)。我國(guo)的(de)(de)現(xian)行國(guo)家標準(zhun)《鋼制壓力容器》GB150所取(qu)(qu)用(yong)的(de)(de)金屬安(an)全系數,除(chu)了熱處(chu)理的(de)(de)螺(luo)栓外,與(yu)本附(fu)錄A說明表3和ASME B31.3的(de)(de)主要規定也基本上是(shi)一致(zhi)的(de)(de)。
再則(ze),我國(guo)(guo)(guo)現行國(guo)(guo)(guo)家標(biao)(biao)準(zhun)《鋼制壓力容(rong)器》GB150是在原石(shi)油(you)、化工(gong)和(he)(he)機(ji)械三部標(biao)(biao)準(zhun)實(shi)(shi)(shi)施(shi)20多年的基(ji)礎上,總結大量的工(gong)程實(shi)(shi)(shi)踐(jian)經驗(yan),以理論和(he)(he)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)研究(jiu)為(wei)指(zhi)導,并吸收了國(guo)(guo)(guo)外同類先進標(biao)(biao)準(zhun)的有關內容(rong)編制而成的。應該說(shuo)是切合我國(guo)(guo)(guo)實(shi)(shi)(shi)際的。因此,本(ben)規范基(ji)本(ben)上用現行國(guo)(guo)(guo)家標(biao)(biao)準(zhun)《鋼制壓力容(rong)器》GB150的數據(ju)。
1. 關于經熱處(chu)理的螺栓(shuan)的許(xu)用(yong)應力問題,在(zai)本附錄(lu)A說明(ming)表(biao)2及表(biao)3中以(yi)及ASME B31.3中有以(yi)下規(gui)定(ding)∶“按常溫下抗拉強度的安全(quan)系(xi)數為(wei)5,按常溫下屈(qu)服點的安全(quan)系(xi)數為(wei)4”。
2. ASME B31.3中是考慮經(jing)熱處理的螺栓(shuan)其(qi)力(li)學性能(neng)在使(shi)用(yong)中有(you)可能(neng)降(jiang)低,故采用(yong)較高(gao)的安全(quan)系(xi)數。這對(dui)于避免法蘭(lan)泄漏應是有(you)利的。但由于現行(xing)法蘭(lan)標準(zhun)(zhun)大多參(can)照歐美法蘭(lan)體(ti)系(xi)編制(zhi)的,法蘭(lan)設計計算(suan)還有(you)基準(zhun)(zhun)溫度不(bu)同的問題,條件(jian)比(bi)較復雜,今后有(you)必(bi)要進一(yi)步(bu)研究,合(he)理解決調質螺栓(shuan)的許(xu)用(yong)應力(li)的問題。目前,仍按現行(xing)國家標準(zhun)(zhun)《鋼制(zhi)壓力(li)容器(qi)》GB150規定的許(xu)用(yong)應力(li)。
3. 關于鑄鐵的(de)(de)力學性(xing)能(neng)。本規范附錄A中表A.0.6、A.0.7 系(xi)按國家(jia)標(biao)準(zhun)列(lie)出了灰(hui)鑄鐵、可(ke)鍛鑄鐵和(he)球墨(mo)鑄鐵的(de)(de)常溫力學性(xing)能(neng)及(ji)(ji)許用應(ying)力,已計入鑄件的(de)(de)質(zhi)量系(xi)數0.8。在表 A.0.6 及(ji)(ji)A.0.7中暫缺提高溫度(du)下(xia)的(de)(de)許用應(ying)力。選用閥門時(shi),可(ke)按本規范條文說明第(di)5.6.1條中所列(lie)的(de)(de)標(biao)準(zhun),按公稱壓(ya)力及(ji)(ji)溫度(du)決定最大工作壓(ya)力。
4. 關于(yu)有色金屬材料(liao)的(de)(de)力(li)(li)學性能(neng)。考慮到(dao)鋁是工業(ye)管(guan)道工程中可(ke)能(neng)使(shi)用(yong)的(de)(de)材料(liao),目前鋁材標準正處于(yu)修訂階段,本規范僅編了附錄A的(de)(de)表A.0.8“鋁和鋁合金管(guan)的(de)(de)許用(yong)應(ying)力(li)(li)”。其它鋁材的(de)(de)許用(yong)應(ying)力(li)(li)數據,可(ke)按《鋁制焊接容器》標準的(de)(de)規定。
5. 在現行國家標準《鋼制壓力容器》GB150的許用應力表中鋼管的標準還不全,故本規范補充了碳鋼、不銹(xiu)鋼焊管及鍋爐用鋼管等的許用應力。
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