閥體設(shè)計(jì)美國標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的差別
作者:陸寒冰
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在閥門設(shè)計(jì)方面,國際公認(rèn)的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)有ASME (美國機(jī)械工程師學(xué)會)第VIII卷,ASMEB16.34, EN12516-1,EN12516-2[3]等。其中,ASME B16.34和EN12516-1在閥門設(shè)計(jì)強(qiáng)度方面的最具權(quán)威性,并被廣泛引用。本文通過對ASME B16.34 和EN12516-1這兩大設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的解讀和對比,指出由此帶來的設(shè)計(jì)上的差別和對新產(chǎn)品開發(fā)的影響。希望本文能有助于解答設(shè)計(jì)人員的疑慮,提供一條經(jīng)濟(jì)實(shí)用的閥體設(shè)計(jì)思路。
本文采用了對比冷(常溫)工作壓的方法來近似推算出與ASME標(biāo)準(zhǔn)Class壓力等級最鄰近的EN標(biāo)準(zhǔn)PN壓力等級。EN12516-1標(biāo)準(zhǔn)中列出的所有材料的冷工作壓都是相同的。而ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)中列出的冷工作壓和材料相關(guān),故選取了其中一種較強(qiáng)材料(C12A)的冷工作壓用于對比。 通過對比得到每個(gè)ASME標(biāo)準(zhǔn) Class壓力等級對應(yīng)的最鄰近的EN標(biāo)準(zhǔn) PN壓力等級,見表1。同時(shí),這樣的對應(yīng)關(guān)系也和閥門設(shè)計(jì)的通用做法一致。本文的管道內(nèi)徑,最小壁厚,材料承壓能力的對比都是依照表1中的對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行的。 1.2 材質(zhì)承壓能力的對比 無論是ASME標(biāo)準(zhǔn)還是EN標(biāo)準(zhǔn)都列出了一些ASTM標(biāo)準(zhǔn)材料的壓力溫度等級,即材料在不同溫度下的承壓能力。本文選取了常見的閥體材料:碳鋼WCC,合金鋼 WC9和C12A進(jìn)行研究,來對比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中相同材料在標(biāo)準(zhǔn)壓力等級下的承壓能力的差別。 圖1和圖 2顯示了WCC材料的溫度壓力曲線和Class與PN的對比,可以看出: (1)對于ASME的 Class 150和EN12516-1 的PN16,當(dāng)溫度低于150攝氏度時(shí),EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料承壓能力低于ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料承壓能力,且隨著溫度升高,差距逐漸縮小。當(dāng)溫度高于150攝氏度時(shí),兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對相同材料的承壓能力的規(guī)定近乎相同。 (2)對于ASME的 Class 300和EN12516-1 的PN40,在整個(gè)溫度的范圍內(nèi),EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料承壓能力均低于ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料承壓能力。當(dāng)溫度低于300攝氏度時(shí),隨著溫度升高,差距逐漸縮小。當(dāng)溫度高于300攝氏度時(shí),兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對相同材料的承壓能力的規(guī)定差別趨于一致,約為-7%。 (3)對于ASME的 Class 900和EN12516-1 的PN160, 在整個(gè)溫度的范圍內(nèi),EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料承壓能力均高于ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料承壓能力。當(dāng)溫度低于300攝氏度時(shí),隨著溫度升高,差距越來越大。當(dāng)溫度高于300攝氏度時(shí),兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對相同材料的承壓能力的規(guī)定差別趨于一致,約為24%。 (4)還有一點(diǎn)值得注意的,除了PN16,其他PN壓力等級對應(yīng)的工作壓力在低于300攝氏度以下都是一樣的,而ASME等級對應(yīng)的工作壓力是隨著溫度升高持續(xù)下降的。 1.3 對閥體設(shè)計(jì)的指導(dǎo) 在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,無論是為了縮短新產(chǎn)品推向市場的時(shí)間,還是從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、成本優(yōu)化的角度去考慮,盡可能多地將已有的設(shè)計(jì)或者零部件(尤其是需要開發(fā)鑄造模具的閥體)應(yīng)用到新的產(chǎn)品中,都是設(shè)計(jì)師不可避免要考慮的問題,可以采用同一個(gè)閥體鑄件的設(shè)計(jì)來滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)和EN標(biāo)準(zhǔn)的要求呢?為了解答這個(gè)問題,本文選取了三個(gè)不同壓力等級-低、中、高的十二個(gè)具體實(shí)例,各項(xiàng)參數(shù)的對比結(jié)果如表3 所示。 (1)低壓ASME Class 300與 EN PN40 從表3中差別的百分?jǐn)?shù)可以看出,在兩個(gè)尺寸下,滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)和EN 標(biāo)準(zhǔn)的管道內(nèi)徑和最小壁厚的差別,均小于5%。就是說,用同一個(gè)閥體設(shè)計(jì)來滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求是可以接受的。同時(shí)從圖2中可以看出,閥體常見材料在這兩個(gè)等級的承壓能力差別也較小,10%以內(nèi)。因此,兩個(gè)設(shè)計(jì)可以在類似的實(shí)際工況中應(yīng)用。 (2)中壓ASME Class 900與 EN PN160 對于中壓下尺寸為DN100和DN200的兩組設(shè)計(jì),從差別的百分?jǐn)?shù)可以看出,雖然每組中要對比的兩個(gè)設(shè)計(jì)的管道內(nèi)徑非常接近,但是所要求的最小壁厚卻相差較多,超過了20%。在這種情況下,實(shí)踐中也是可以用同一個(gè)閥體設(shè)計(jì)來滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求的,但是需要評估由此帶來的對最小壁厚要求較小的閥體的成本的影響。另一方面,從圖2中可以看出,閥體常見材料在這兩個(gè)等級的承壓能力差別較大,在有些溫度下差別達(dá)到20%。這種材料承壓能力上的差別和最小壁厚的差別是一致的。 (3)高壓ASME Class 2500與EN PN400 對于高壓下尺寸為DN100和DN200,閥門的管道內(nèi)徑和最小壁厚存在著巨大差別,30%-50%,故采用同一個(gè)閥體設(shè)計(jì)來滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求是不合理的。 還有另外一個(gè)因素需要在閥體設(shè)計(jì)時(shí)考慮,那就是閥體兩個(gè)端口之間的長度。ASME B16.34中指出可以按照ASME B16.10來確定端口對端口尺寸。EN12516-1 并未提及端口對端口尺寸,但歐標(biāo)體系中EN558規(guī)定了端口對端口的尺寸。考慮到端口對端口尺寸并非標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求,故本文未提供ASME B16.10和EN558的區(qū)別。 (1)管道內(nèi)徑 ASME標(biāo)準(zhǔn)和EN標(biāo)準(zhǔn)在管道內(nèi)徑的主要差別在于管道內(nèi)徑是否隨著壓力等級的變化而變化。閥體設(shè)計(jì)時(shí),管道內(nèi)徑的差異會進(jìn)一步放大閥門最小壁厚的差異。 (2)最小壁厚 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在閥門最小壁厚上的差異與壓力等級有關(guān),差別大致在6%到 26%之間。 (3)材料承壓能力 本文所研究的五種材料在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相鄰壓力等級間的對比趨勢類似。當(dāng)溫度高于一定值時(shí),兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對相同材料的承壓能力的規(guī)定的差別趨于一致,但不同的壓力等級的差別大小不一。 (4)通過十二個(gè)實(shí)例驗(yàn)算,發(fā)現(xiàn)對于DN100和DN200, 同類設(shè)計(jì)壓力下,ASME標(biāo)準(zhǔn)和EN標(biāo)準(zhǔn)對管道內(nèi)徑和最小壁厚要求的差別非常接近。并解釋了在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中,需要根據(jù)具體的閥門尺寸,壓力等級一一比較管道內(nèi)徑和最小壁厚等設(shè)計(jì)參數(shù),并考慮到時(shí)間和成本的平衡,才能做出合理的決定。