閥體設計美國標準和歐洲標準的差別
作者:陸寒冰
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在閥門(mén)設計方面,國際公認的設計規范或標準有ASME (美國機械工程師學(xué)會(huì ))第VIII卷,ASMEB16.34, EN12516-1,EN12516-2[3]等。其中,ASME B16.34和EN12516-1在閥門(mén)設計強度方面的最具權威性,并被廣泛引用。本文通過(guò)對ASME B16.34 和EN12516-1這兩大設計標準的解讀和對比,指出由此帶來(lái)的設計上的差別和對新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的影響。希望本文能有助于解答設計人員的疑慮,提供一條經(jīng)濟實(shí)用的閥體設計思路。
本文采用了對比冷(常溫)工作壓的方法來(lái)近似推算出與ASME標準Class壓力等級最鄰近的EN標準PN壓力等級。EN12516-1標準中列出的所有材料的冷工作壓都是相同的。而ASME B16.34標準中列出的冷工作壓和材料相關(guān),故選取了其中一種較強材料(C12A)的冷工作壓用于對比。 通過(guò)對比得到每個(gè)ASME標準 Class壓力等級對應的最鄰近的EN標準 PN壓力等級,見(jiàn)表1。同時(shí),這樣的對應關(guān)系也和閥門(mén)設計的通用做法一致。本文的管道內徑,最小壁厚,材料承壓能力的對比都是依照表1中的對應關(guān)系來(lái)進(jìn)行的。 1.2 材質(zhì)承壓能力的對比 無(wú)論是ASME標準還是EN標準都列出了一些ASTM標準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(jiàn)的閥體材料:碳鋼WCC,合金鋼 WC9和C12A進(jìn)行研究,來(lái)對比兩個(gè)標準中相同材料在標準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(xiàn)和Class與PN的對比,可以看出: (1)對于A(yíng)SME的 Class 150和EN12516-1 的PN16,當溫度低于150攝氏度時(shí),EN標準規定的材料承壓能力低于A(yíng)SME標準規定的材料承壓能力,且隨著(zhù)溫度升高,差距逐漸縮小。當溫度高于150攝氏度時(shí),兩個(gè)標準對相同材料的承壓能力的規定近乎相同。 (2)對于A(yíng)SME的 Class 300和EN12516-1 的PN40,在整個(gè)溫度的范圍內,EN標準規定的材料承壓能力均低于A(yíng)SME標準規定的材料承壓能力。當溫度低于300攝氏度時(shí),隨著(zhù)溫度升高,差距逐漸縮小。當溫度高于300攝氏度時(shí),兩個(gè)標準對相同材料的承壓能力的規定差別趨于一致,約為-7%。 (3)對于A(yíng)SME的 Class 900和EN12516-1 的PN160, 在整個(gè)溫度的范圍內,EN標準規定的材料承壓能力均高于A(yíng)SME標準規定的材料承壓能力。當溫度低于300攝氏度時(shí),隨著(zhù)溫度升高,差距越來(lái)越大。當溫度高于300攝氏度時(shí),兩個(gè)標準對相同材料的承壓能力的規定差別趨于一致,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等級對應的工作壓力是隨著(zhù)溫度升高持續下降的。 1.3 對閥體設計的指導 在實(shí)際設計過(guò)程中,無(wú)論是為了縮短新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間,還是從產(chǎn)品標準化、成本優(yōu)化的角度去考慮,盡可能多地將已有的設計或者零部件(尤其是需要開(kāi)發(fā)鑄造模具的閥體)應用到新的產(chǎn)品中,都是設計師不可避免要考慮的問(wèn)題,可以采用同一個(gè)閥體鑄件的設計來(lái)滿(mǎn)足ASME 標準和EN標準的要求呢?為了解答這個(gè)問(wèn)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,各項參數的對比結果如表3 所示。 (1)低壓ASME Class 300與 EN PN40 從表3中差別的百分數可以看出,在兩個(gè)尺寸下,滿(mǎn)足ASME標準和EN 標準的管道內徑和最小壁厚的差別,均小于5%。就是說(shuō),用同一個(gè)閥體設計來(lái)滿(mǎn)足兩個(gè)標準的設計要求是可以接受的。同時(shí)從圖2中可以看出,閥體常見(jiàn)材料在這兩個(gè)等級的承壓能力差別也較小,10%以?xún)?。因此,兩個(gè)設計可以在類(lèi)似的實(shí)際工況中應用。 (2)中壓ASME Class 900與 EN PN160 對于中壓下尺寸為DN100和DN200的兩組設計,從差別的百分數可以看出,雖然每組中要對比的兩個(gè)設計的管道內徑非常接近,但是所要求的最小壁厚卻相差較多,超過(guò)了20%。在這種情況下,實(shí)踐中也是可以用同一個(gè)閥體設計來(lái)滿(mǎn)足兩個(gè)標準的設計要求的,但是需要評估由此帶來(lái)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(jiàn)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(mén)的管道內徑和最小壁厚存在著(zhù)巨大差別,30%-50%,故采用同一個(gè)閥體設計來(lái)滿(mǎn)足兩個(gè)標準的設計要求是不合理的。 還有另外一個(gè)因素需要在閥體設計時(shí)考慮,那就是閥體兩個(gè)端口之間的長(cháng)度。ASME B16.34中指出可以按照ASME B16.10來(lái)確定端口對端口尺寸。EN12516-1 并未提及端口對端口尺寸,但歐標體系中EN558規定了端口對端口的尺寸??紤]到端口對端口尺寸并非標準強制要求,故本文未提供ASME B16.10和EN558的區別。 (1)管道內徑 ASME標準和EN標準在管道內徑的主要差別在于管道內徑是否隨著(zhù)壓力等級的變化而變化。閥體設計時(shí),管道內徑的差異會(huì )進(jìn)一步放大閥門(mén)最小壁厚的差異。 (2)最小壁厚 兩個(gè)標準在閥門(mén)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)標準相鄰壓力等級間的對比趨勢類(lèi)似。當溫度高于一定值時(shí),兩個(gè)標準對相同材料的承壓能力的規定的差別趨于一致,但不同的壓力等級的差別大小不一。 (4)通過(guò)十二個(gè)實(shí)例驗算,發(fā)現對于DN100和DN200, 同類(lèi)設計壓力下,ASME標準和EN標準對管道內徑和最小壁厚要求的差別非常接近。并解釋了在實(shí)際設計工作中,需要根據具體的閥門(mén)尺寸,壓力等級一一比較管道內徑和最小壁厚等設計參數,并考慮到時(shí)間和成本的平衡,才能做出合理的決定。