附录A中列有常用钢管、钢板、螺栓、钢锻件、铸铁和某些有色金属管材料的机械性能资料。表中还列有某些材料在各种设计温度下的许用应力值。上述资料数据主要取自现行的国家标准,详见各表格。下面对编制依据作几点说明。
许用应力是按材料的力学性能除以相应的安全系数而得,但安全系数的取定与诸多因素有关,例如材料性能、荷载、设计方法、质量管理水平、操作使用经验等,是一个比较复杂的课题,很难用很少的人力,在很短的时间内,制订一个专用的系列。
近来国内外的标准和规范中采用的安全系数不尽相同,而且随着时间的推移和科学技术的进步,还在不断的修订。下面着重介绍一些工业发达国家、国际标准组织和我国的有关标准或规范在安全系数取定准则方面的情况,供使用参考。
根据日本锅炉协会副会长野原石松先生在第244号《锅炉研究》中撰写的“国外锅炉、压力容器结构规范动向”中提到的,某些国家和组织在1990年10月以前,确定轧制碳素钢许用应力所采用的安全系数详见本附录A说明表1。
根据美国管道规范 ASME B31.3(原名“Chemical plant and petroleum refinery piping”新版改名“Process piping”)中提出的确定金属材料许用应力值的准则如下∶
1. 在设计温度下的螺栓材料设计应力值不应超过下列的最小值∶
①. 除了下列③的规定外,取1/4的常温下规定的最小抗拉强度(SMTS)和1/4的设计温度下的抗拉强度的较小者;
②. 除了下列③的规定外,取2/3的常温下规定的最小屈服强度(SMYS)和2/3的设计温度下的屈服强度的较小者;
③. 在蠕变范围以下的温度时,对于已经热处理或应变硬化而使强度有所提高的螺栓材料,取1/5的常温下规定的最小抗拉强度(SMTS)和1/4的常温下规定的最小屈服强度(SMYS)的较小者(除非这些数值小于退火材料的相应值,则此时应取退火的数值)
④. 取在设计温度下屈服强度的2/3;
⑤. 取每1000h具有0.01%蠕变率的平均应力的100%;⑥取10000h终了的平均断裂应力的67%;⑦取100000h终了的最小断裂应力的80%;
2. 铸铁∶在设计温度下的铸铁的基本许用应力不应超过下列的较小者∶
①. 常温下规定的最小抗拉强度(SMTS)的1/10;
②. 在设计温度下抗拉强度的1/10。
3. 可锻铸铁∶其基本许用应力在设计温度下不应超过下列的较小值∶
①. 常温下规定的最小抗拉强度的1/5;
②. 在设计温度下抗拉强度的1/5。
4. 其他材料∶上述以外的材料的许用应力不应超过下列的最小者
①. 1/3的常温下规定的最小抗拉强度(SMTS)和1/3的设计温度下的抗拉强度中的较小者;
②. 除了下列③的规定外,取2/3的常温下规定的最小屈服强度(SMYS)和2/3的设计温度下的屈服强度中的较小者;
③. 对于奥氏体不锈钢和镍合金钢具有相似的应力一应变情况者,取2/3的常温下规定的最小屈服强度(SMYS)和90%的设计温度下的屈服强度中的较小者;
④. 对于蠕变率为每1000h0.01%者,取100%的平均应力值;
⑤. 对于在10000h终了断裂者,取其67%的平均应力值;
⑥. 对于在10000h终了断裂者,取其最小应力的80%;
⑦. 对于构造等级的材料,其基本许用应力应为0.92倍的按上述的①至⑥确定的最小值。
5. 应用限制
按照上述4)③确定的应力值不推荐用于法兰接点和其他组成件,因在这些部位只要有少许变形就会导致漏泄和失效,见本规范附录A表A.0.2及表A.0.4的注中所解释的。
上述 ASME B31.3中确定的金属材料设计应力的准则和本附录A说明表3中的规定相同,而且在大多数情况下,在本规范附录A中列出的蠕变范围以下的应力值是和该规范中所公布的相应值相同的。
根据ASMEB31.1中提出的管道用的铁基和非铁基材料许用应力值的准则是与本附录A说明表2相同。其中抗拉强度的安全系数为4。
除此之外,铸铁的许用应力是根据《ASME 锅炉及压力容器规范第八卷第1册压力容器》中的表UCI-23中的规则所确定的安全系数10求定的。
根据美国《冷冻管道规范ASME B31.5》中提出的求定铁基和非铁基材料许用应力的准则如下∶
1. 铁基材料
在100F(37.8℃)及以下,许用应力是取用25%的常温下规定的最小抗拉强度(SMTS)和62.5%常温下规定的最小屈服强度(SMYS)或0.2变形时的较小值。
在100F(37.8℃)以上,但低于400F(204℃)时,许用应力不超过在设计温度下,变形0.2%时的预期平均屈服强度的62.5%,或者不超过设计温度下的预期平均抗拉强度的25%。
对于构造用材,应采用0.92的质量系数。
2. 非铁基材料
在温度超过100°F(37.8℃)时,材料的基本许用应力值取决于下列的最小值,而且还要在抗拉强度和屈服强度都是取自设计温度下的标准短时试验时∶
①. 最小的抗拉强度的1/4;
②. 最小的屈服强度的2/3;
③. 在1000h末产生0.01%蠕变率的应力值;
④. 在10000h产生断裂的应力值。
在100F(37.8℃)及以下时,许用应力取用下列的最小值,即取1/4的常温下规定的最小抗拉强度(SMTS)或2/3的常温下规定的最小屈服强度(SMYS)中的最小值。
抗拉强度和屈服强度是通过取用试验结果,乘以最小指定的或预期的抗拉强度或屈服强度和实际的常温下的抗拉或屈服强度的比值,来把它们调整到最小值的。
蠕变和断裂应力强度是按 Francis B.Foley 在 Metal Pro-gress,June 1947,P.P.951-958所指出的“蠕变和断裂应力数据的说明"中所描述的方法画出的蠕变和断裂应力曲线来加以确定的。
求定剪切应力和支承的许用应力时,亦应在抗拉许用应力的基础上分别顺次乘以0.8和1.6的系数。
现行国家标准《钢制压力容器》GB150与本规范中所规定的钢材安全系数相同,详见本规范第3章表3.2.3-1 及表3.2.3-2.
国家现行标准《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》SDGJ6中规定,钢材的许用应力,应根据钢材的有关强度特性取下列三项中的最小值∶q30/3,q/1.5或qq.2%/1.5,c6/1.5.
从上述提供的国内外有关的标准和规范看,美国的ASME规范是目前国际上公认的先进压力容器中最广泛使用的规范。管道的性能和工作情况虽不完全等同于压力容器,但有许多相似之处,因此在确定材料的安全系数方面所采取的准则基本上也是一致的。我国的现行国家标准《钢制压力容器》GB150所取用的金属安全系数,除了热处理的螺栓外,与本附录A说明表3和ASME B31.3的主要规定也基本上是一致的。
再则,我国现行国家标准《钢制压力容器》GB150是在原石油、化工和机械三部标准实施20多年的基础上,总结大量的工程实践经验,以理论和实验研究为指导,并吸收了国外同类先进标准的有关内容编制而成的。应该说是切合我国实际的。因此,本规范基本上用现行国家标准《钢制压力容器》GB150的数据。
1. 关于经热处理的螺栓的许用应力问题,在本附录A说明表2及表3中以及ASME B31.3中有以下规定∶“按常温下抗拉强度的安全系数为5,按常温下屈服点的安全系数为4”。
2. ASME B31.3中是考虑经热处理的螺栓其力学性能在使用中有可能降低,故采用较高的安全系数。这对于避免法兰泄漏应是有利的。但由于现行法兰标准大多参照欧美法兰体系编制的,法兰设计计算还有基准温度不同的问题,条件比较复杂,今后有必要进一步研究,合理解决调质螺栓的许用应力的问题。目前,仍按现行国家标准《钢制压力容器》GB150规定的许用应力。
3. 关于铸铁的力学性能。本规范附录A中表A.0.6、A.0.7 系按国家标准列出了灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁的常温力学性能及许用应力,已计入铸件的质量系数0.8。在表 A.0.6 及A.0.7中暂缺提高温度下的许用应力。选用阀门时,可按本规范条文说明第5.6.1条中所列的标准,按公称压力及温度决定最大工作压力。
4. 关于有色金属材料的力学性能。考虑到铝是工业管道工程中可能使用的材料,目前铝材标准正处于修订阶段,本规范仅编了附录A的表A.0.8“铝和铝合金管的许用应力”。其它铝材的许用应力数据,可按《铝制焊接容器》标准的规定。
5. 在现行国家标准《钢制压力容器》GB150的许用应力表中钢管的标准还不全,故本规范补充了碳钢、不锈钢焊管及锅炉用钢管等的许用应力。
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