船用高温蒸汽管路设计标准研究学位论文

武汉理工大学毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ） 毕业设计（论文） 船用高温蒸汽管路设计标准研究 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 摘 要 船舶动力系统的高温蒸汽管路是汽轮动力装置能量传递的重要纽带，由于蒸汽管道输送高温的蒸汽，管道一旦发生破坏就会对船只造成严重的灾难性后果，因此研究管路的受力状态和设计标准非常重要，并且由于我国目前还没有出台对应于船用高温蒸汽管道的设计规范，所以对这方面进行研究有着十分重要的意义和深远的影响。 本文主要研究船用高温蒸汽管道的设计标准，由于核电的高温蒸汽管道设计与船用高温蒸汽管道类似，所以可以参考法国核电RCCM中管道的相应设计规范，包括对管道材料的相应试验，管道材料的许用值的选取，管道，螺栓，法兰和垫片的相关设计及其应力分析，管道支撑的设计，结合舰船等相关的船舶方面的知识背景，给出船舶高温蒸汽管道的规范设计建议。 关键词：管材实验；材料许用值选择；零部件设计方法；船舶蒸汽管道；设计标准 Abstract The high temperature piping is an important link of the marine power system. Due to the pipe transfer high-temperature steam, once destroyed, disastrous consequences would bring to the ship, so that the research of the piping stress condition and design standard is very important. Besides, there is no design standard corresponding to the high temperature steam pipe of ship in China, so this research will have great significant and far-reaching influences. This paper mainly studies the design criteria for the high temperature pipe of the ship. Due to the many similarities between the piping design of the nuclear power station and the piping design of the ship, so we can refer to the French nuclear power design standard RCCM, including the corresponding material tests, the standard of the allowable stress, the design of the piping, bolt, flange and the piping support. Combined with the ship-related backgrounds, we can make proposals to the high-temperature steam piping of the ship. Key Words：material tests；allowable stress value；components design critirial；steam piping; design criteria; 目 录 第1章 绪论………………………………………………………………………..1 1.1船用高温蒸汽管道的设计背景…………………………………………….1 1.1.1船舶蒸汽管道系统……………………………………………………1 1.1.2蒸汽管道的设计………………………………………………………2 1.2国内外研究现状…………………………………………………………….3 第2章核电高温管道的设计规范介绍…………………………………………...4 2.1材料许用值标准选择…………………………………………………….…4 2.1.1基本应力限制的定义………………………………………………….4 2.1.2一类组件的应力准则………………………………………………….5 2.1.3二三类组件的应力准则……………………………………………….5 2.2材料试验…………………………………………………………………….6 2.2.1非循环测试的类型…………………………………………………….6 2.2.2实验 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 ……………………………………………………………….7 2.2.3材料的拉伸试验……………………………………………………….7 2.2.4泊松比的测量试验…………………………………………………….8 2.2.5剪切试验……………………………………………………………….8 2.2.6疲劳试验……………………………………………………………….8 2.2.7疲劳强度折减系数的确定…………………………………………….12 2.2.8开口实验的应力分析………………………………………………….12 2.3各个部件的设计方法……………………………………………………….13 2.3.1圆柱壳和管状部件的设计…………………………………………….13 2.3.2法兰…………………………………………………………………….15 2.3.3垫圈………………………………………………………………….....15 2.3.4螺栓……………………………………………………………………..16 2.3.5螺栓部分尺寸的计算…………………………………………………..17 2.3.6法兰应力的计算………………………………………………………..29 2.3.7法兰应力的分析………………………………………………………..21 2.4管道支撑的设计……………………………………………………………..24 2.4.1决定管道支撑位置……………………………………………………..24 2.4.2管道的支撑型式………………………………………………………..24 第3章关于舰船高温蒸汽管道的设计规范的建议……………………………...25 第4章结论………………………………………………………………………...26 参考文献…………………………………………………………………………...26 致谢………………………………………………………………………………...27 第1章 绪论 本章主要介绍船用高温蒸汽管道对应的设计背景和蒸汽管道的国内外研究的现状。 1.1船用高温蒸汽管道的设计背景 船用高温蒸汽管道的设计背景包括船舶蒸汽管道系统的简要介绍和蒸汽管道设计中面临的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 和常规解决办法。 1.1.1船舶蒸汽管道系统 蒸汽动力装置被用作舰船动力已有百余年的历史。它曾经统治了大功率舰船推进装置领域近半个世纪。 蒸汽动力装置的安装布置以俄罗斯“现代”级（SOVERMENNY）驱逐舰具有普遍的代表性，主锅炉、蒸汽轮机及齿轮箱通常设置在同一个水密舱中，组成完整的一套蒸汽动力装置。 蒸汽动力装置系统较多，并且高温蒸汽管路多，特别是包覆绝热材料后管径较大，因此设备安装和管系布置要充分考虑与周围任一船体构件。 蒸汽管路系统包括主过热蒸汽系统，辅过热蒸汽管路系统，饱和蒸汽管路系统，废气管路系统。 主过热蒸汽系统：将主锅炉产生的主过热蒸汽，输送至主汽轮机组；在停泊和应急情况下，通过连通桥管，使前后主机炉舱的主过热蒸汽能相互转驳。 从主锅炉产生的蒸汽通过主蒸汽截止止回阀和主蒸汽管，输送到调车装置。根据车钟命令，操纵正、倒车手轮（或在集控室操纵计算机和主机操作手柄），从而开启正车速关法或倒车调车阀，把主蒸汽通过桥管的闸阀，可将主蒸汽从调车装置输送至另一机炉舱的调车装置或辅过热蒸汽总管。主过热蒸汽管路和福建必须根据输送介质的温度和压力选用合适的材料，一般应选择合金钢。对于高温高压的主过热蒸汽管应设置蠕变测量装置。 主蒸汽管路应根据输送介质的温度和压力，进行预应力计算，以便决定各安装点的冷紧值。 辅过热蒸汽管路系统：辅过热蒸汽管路系统用来从主锅炉辅过热蒸汽阀引出的过热蒸汽，经隔离阀和管系输送给汽轮鼓风机、汽轮凝水一增压泵、汽轮给水泵和汽轮发电机作为这些设备的工作蒸汽。 每个主机炉舱从主锅炉的辅蒸汽阀引出过热蒸汽，分别经管子和截止阀引至总管，然后再由管系和阀件输送至用汽设备处。 饱和蒸汽管路系统：从主锅炉饱和蒸汽阀引出的饱和蒸汽分别经管子和截止阀送入饱和蒸汽总管，在该总管上装有饱和蒸汽压力调节阀，使主锅炉在各种工况下均能保持总管内为设定的饱和蒸汽压力，并设有安全保护装置（安全阀），当总管内压力超过lO%的设定饱和蒸汽压力时，自动将安全阀开启。 使用主机炉舱的连通桥管可使饱和蒸汽从一主机炉舱送至另一主机炉舱。 每个主机炉舱的饱和蒸汽通过饱和蒸汽总管和集管及各种阀件都输送给使用饱和蒸汽的设备。 某些使用饱和蒸汽的设备需要将饱和蒸汽压力降至某一数值，因此，在这设备的进汽管路上装有减压阀和安全阀；减压阀将蒸汽压力降低到该设备所规定的数值，安全阀用作当管路内蒸汽压力超过设备的允许值时保护之用。 废汽管路系统：除汽轮循环泵的废汽排至主冷凝器（凝汽式）；其余汽轮辅机的废汽排至废汽总管（背压式）；通过废汽息管将废汽供给除氧器，主机汽封平衡箱和炉水蒸发装置等设备，多余的废汽通过废汽压力调节器排汽阀排至主冷凝器；或经隔离阀、放汽阀排至炉水造水机；由废汽压力调节装置的排汽阀和补汽阀使废汽总管内压力保持在(0.1±0.01 MPa)。 汽轮循环泵的废汽通过管系直接排至主冷凝器。 来自各种汽轮辅机的废汽排人总管可供给除氧器、主机汽封平衡箱和炉水蒸发装置等设备。作为工作介质多余的废汽或经废汽压力调节器排汽阀排至主冷凝器；或经隔离阀，排至炉水蒸发装置作加热介质。 蒸汽系统还包括：安全阀排汽系统、高、低压吹洗系统、主辅汽轮机汽封和汽封抽气等管路系统。 1.1.2蒸汽管道的设计 对于设计从过热器向动力设备输送高温高压蒸汽的管道并不是一件容易的事情，由于管道工作时将会受到压力和膨胀所产生的应力，而这些应力必须由管道自身来自行补偿，所以管道的设计工作必须有自己的设计规范，在锅炉试验中适合的设计方法并不一定会同样适用于管道，比如说蒸汽管道和容器的铆接。或者比如，一个锅炉制造商对于抵抗压力的方法就是增加厚度，而管道的制造商一直都在尽力避免过度制造厚度大的管道。因为过度厚的管道并不一定是强度高的管道，它不易弯曲，因此会承受更大的膨胀应力。 管道工作必须从三个方面来考虑：首先，管道的材料，管道材料的组成将影响管道的工作；其次是管道的制作方法；然后是管道的布置。而蒸汽温度的高低主导以上这三个因素。当温度升高时，管内的膨胀也会加大，而管道的强度就会降低，这就迫使要增加管道的壁厚，而这样又会造成刚性增大。到目前为止，由于高温下材料的变形，管道的材料已经变的过于厚了。 在最近的几年，由于高温的出现，工程师们被迫注意到钢材的蠕变。由于对这方面不是很了解，工程师们采取的是非常保守的方法。蠕变是一种在稳定的荷载下钢材发生的缓慢连续的延伸。由于在大气温度下，它要不就不发生，要不就发生的很缓慢，因此很容易被忽视。然而，当温度升高时，蠕变就会加剧。应力，温度，时间三者形成决定蠕变的等式。对于工程师来说，许用应力是不知道的；他可以确定蠕变的允许值，蠕变发生的时间和在什么温度下蠕变才会应该发生，但是他必须引用冶金专家的许用应力值。如果管道最长的寿命是二十年，175200个小时，而在全部的温度载荷和压力载荷下管道的最大安全工作时间是100000小时。 至于管道的连接方法，在现代的条件下唯一满意的方法就是通过焊接。焊接是一种绝对的密封，一旦张紧，在那种情况下就会无限的继续下去。最好的连接是管道在对接处被焊接，并有一个重型的套筒套在连接处且和两端相焊，但是这样安装和焊接并不容易，在困难下很容易遭到破坏，并且不能用来连接阀门和铸造配件。对于反对只依靠焊接来进行连接的说法并不基于实践，正如这种连接已经证明了能够满足在长年的高温高压环境下的工作，但是为了满足这种连接已经提出了结合螺钉连接和焊接，卡口连接和焊接。 1.2国内外研究现状 蒸汽管道广泛应用在电力工业、船舶工业等各种领域中，且起着至关重要的作用。 例如在电力工业中，以我国为例，83%以上的电力是由火力发电厂提供的，火电机组是电厂的重要组成部分，它的使用寿命与电厂运行的经济性和安全性密切相关。我国火电机组同样面临超期服役，蒸汽管道老化等现象，对火电机组使用寿命的评估成为亟待解决的问题。蒸汽管道是发电中的重要高温部件，不仅因为它造价高，更重要的是，它若发生损伤，对整个机组，乃至整个电厂的威胁都十分严重。在高蒸汽参数的电厂、电站总，蒸汽管道一直是金属技术监督工作的主要对象。近年来，一些超期运行的老龄化蒸汽管道爆破事故接连发生，同样对老龄化蒸汽管道剩余使用寿命的研究提上日程。而对于核电站来说，高温高压蒸汽管道同样具有重要的作用，其面临着极强的工作应力环境，管道老龄化的危害，所以在电力工业方面，研究蒸汽管道是很有必要的。 蒸汽管道的应力分析和设计是非常重要的工作，几十年来世界各国对蒸汽管道的应力分析方法做出了仔细的研究并颁布了相应的技术规程。德国的蒸汽锅炉技术规程（TRD），压力容器协会规范（AD）以及工业标准(DIN)2413，这些规程或规范都对不同情况的管道计算作了规定。美国对常规发电厂管道的计算根据美国国家标准ANSI B31.1（动力管道规程）进行。针对核电机组，美国则依据机械工程师协会（ASME）规程中的锅炉和压力容器的第三部分进行分析；法国则根据RCCM的Z篇进行分析。 第二章核电高温蒸汽管道的设计规范介绍 核电高温蒸汽管道的设计主要包括以下五个方面，第一是材料许用值的选择，第二是材料的实验，第三是管道及相关零部件的设计和应力分析，第四是管道的支撑，以下作详细介绍。 2.1材料许用值选择标准 2.1.1基本应力限制的定义 通过在20摄氏度时减小最小力学性能的因素得到基本许用应力极限，温度下的力学性能如下： 1 表2.1标明了部分材料的管材屈曲强度,表2.2标明了部分材料的管材抗拉强度. 2 基于足够数量的样本的测试统计，有如下定义： a)20摄氏度时对应于屈曲强度的最小值 b)抗拉强度在以下条件下为最小值： i)在20摄氏度时最有可能是指定条件下的最小值 ii)统计数据中间值显示在20摄氏度时和指定最小抗拉强度 2.1铁素体钢屈服强度值 2.2铁素体钢抗拉强度值 2.1.2一类组件的应力准则 ①螺栓以外的零件 a) 除了b)列的情况，铁素体不锈钢，有色合金和金属的基本许用应力强度是下列温度下的最小值，对于每一种考虑内的温度情况 在室温下是最小抗拉强度的的1/3 在温度下是抗拉强度的1/3 在室温下是最小屈服强度的的2/3 在温度下是屈服强度 的2/3 b) 奥氏体钢, 镍铬铁合金的基本允许应力强度是以下值中最低的 在室温下是最小抗拉强度的1/3 在温度下是抗拉强度的1/3 在室温下是最小屈服强度的2/3 在温度下是屈服强度 的90% ②螺栓材料 对于螺栓材料，应力值对应于下列两者中较小的一个 1/3的室温下最小屈服强度 1/3的屈服强度 2.1.3二三类零件的应力准则 ①螺栓以外的零件 a) 对于铁素体刚基本许用应力S，应该为以下考虑温度下的值的最小值： 1/4的室温下最小抗拉强度 1/4的抗拉强度 2/3的室温下最小屈服强度 2/3的屈服强度 b) 对于奥氏体钢基本允许应力S，应为以下每个考虑温度下的值的最小值 1/4的室温下最小抗拉强度 1/4的抗拉强度 2/3的指定最小屈服强度在室温 90%的屈服强度 ②螺栓材料 对于螺栓材料，温度下的基本允许应力不应该比以下值大： 在室温下最小抗拉强度的1/5 在室温下最小屈服强度的1/4 2.2材料试验 材料试验包括材料的静力试验和动力试验。本节中静力试验包括材料的拉伸试验，剪切试验以及弹性模量和泊松比的测量试验，动力实验以疲劳试验为主，以便我们选取适当的材料进行蒸汽管道的设计。 2.2.1非循环测试的类型 确定应力的测试的类型是应变测量测量，变形测量测试或者光弹性测试。其中应变测量测试和变形测量测试都可以用来测量极限载荷。 应变测量的试验方法： 1 应变要求 我们可以使用相对应变到0.00005的应变计进行试验。并且在应变长度内的最大应变不超过平均应变的10%。在材料的弹性范围内的每个仪表决定所在面上的主应力。 在测试中使用的同样数量和方向的应变计应当大于材料的弹性范围。 其中在材料的形状和表面抛光的考虑方面应变计和水泥应该是可靠地，它们的应变值应该比预期高出至少50%。 2 应变或者变形测试的使用模型 a)除确定载荷的实验和破坏载荷的实验外，应变数据可以从实际的组件或者任何满足上述①中的计量长度的模型中测量得出。模型材料与组件材料不必相同，但应当有一个已知或在测试条件下已经测量的弹性模量。尺寸应当尽可能的符合要求。 b) 在极限的负载测试的情况下，除非实验者可以确定比例法则的有效性，否则只能使用全比例模型。 2.2.2实验规程 ① 测试仪表的位置： a)应该研究组件上关键的位置，并用保守的方法确定弯曲和峰值应力。关键位置的定位和应变计测试的最佳取向应该由脆性涂层实验确定。 b)在测试极限载荷的测量的实验中，必须采取足够的措施，使所有指示最低极限荷载的所有可能性的合理的区域都被充分的覆盖。如果应变计是用来确定极限载荷，要采取特别的措施保证应变(膜、弯曲或组合)确实能指示结构的承载能力。如果使用了变形测量设备，要采取措施保证测量到的主要的尺寸或变形的改变（比如直径或者长度的延伸，梁或者平面的偏移）表明了结构破坏的倾向。 ② 压力或负载的应用 a) 在确定应力的测试中，内部压力或机械负载应当在这种增量，应变随负载的变化可以绘制从而建立应力比在弹性范围内的负载。 如果第一个加载的结果应变与负载不是线性的成正比，可以允许卸载和重新加载直到建立了线性比例。 当使用光弹性方法，只有一个负载值可以应用，在这种情况下，负荷不应该过高导致检验结果无效的变形。 b) 在测量极限荷载的测试中，比例加载应该应用于足够小的增量变 化以至于对于每一个测量计的足够的数字或者数据在线性弹性范围的行为的数据分析都可行。 所有量规扭曲应该在增加负载超出此值之前评估。应使用最小二乘拟合分析，得到最佳拟合直线，和置信区间应预设接受或拒绝相比应变值或其它设备。不可接受的仪器将被替换，以同样的方式更换仪表测试。 c) 在所有仪表都被认为可以接受后，测试应该在应变、位移控制的基础上，对于所有金属流动完成荷载变化有足够的时间。 2.2.3材料的拉伸试验 拉伸试验是测定在静载荷作用下材料力学性能的一个最基本最重要的实验。通过拉伸试验可以得到材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率等力学指标。 通过对材料进行拉伸试验，测读出材料的必要特征数据。读出材料初试长度,断后标距部分长度,材料平均直径，断后最细部分截面直径。通过电脑绘制的屈服曲线，读出材料的屈服载荷，最大载荷。通过以下 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 可计算出： 屈服极限： 强度极限： 延伸率： 断面收缩率： 材料的弹性模量E也是重要的力学指标，由材料力学知识可知，弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即： 因为 , ,所以弹性模量E又可以表示为 式中： E-材料的弹性模量，-应力，-应变， P-实验时所施加的荷载，A-以试件直径的平均值计算的横截面面积， -引伸仪标距，-试件在载荷P作用下，标距段的伸长量 实验时，逐级平均增加载荷，每级增量均为。对应每级载荷，记录相应的伸长，与之差为变形增量，按平均法计算弹性模量，即： 其中，= ，为变形平均增量值。 2.2.4泊松比的测量实验 泊松比可以通过电测法来测量。通过半桥接法和全桥接法，测出材料的轴向应变以及横向应变。泊松比即可用下列等式计算得出： 2.2.5剪切试验 以剪切为主要破坏形式时，进行强度计算时，引用了受剪切面上工作剪应力均匀分布的假设，加载试件直到剪短，读取最大载荷，剪切强度极限为; 2.2.6疲劳试验 疲劳试验是用来测定材料或结构疲劳应力或应变循环数的过程。疲劳是循环加载条件下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程。经足够的应力或者应变循环后，损伤积累可使材料发生裂纹，或是裂纹进一步扩展至完全断裂。出现可见裂纹或完全断裂统称为疲劳破坏。一下详细介绍疲劳试验的方法。 ① 当需要使用循环测试的情况 a) 循环测试是评估组件能力以及附属物承受交变荷载的有效可靠的手段。此外，当需要使用比以上方法或者疲劳曲线更高的应力峰值时，一个组件，附属物或者其部分承受循环荷载的适应性可由疲劳实验来证实。然而，当超过初级或初级加的允许值的二次应力时，疲劳实验可以不被采用。 b) 当疲劳试验用于表明组件或部分承受循环载荷的适应性，应力报告中应该包括实验描述。描述中应包含足够的细节来表明符合上述要求。 c) 循环实验的次数应该满足②中要求。 ② 循环测试组件的要求 应该满足下述a)到g)的要求 a) 具有相同材料组成的实验测试的组件或者部分构件应该进行相同的机械加工和热处理，从而产生等同于那些在原型部件的材料的机械性能。 b) 在失效出现之前，测试的组件或者其部分应该承受如C)所示的循环次数。失效在这里定义为裂纹沿着整个厚度层的传播，例如在压力中产生一个可衡量的裂缝。 c) 在测试期间组件应该能承受最小的循环次数（在下文中会谈到循环测试），以及荷载的大小（在下文中会谈到试验荷载）应分别用乘以指定的服务周期和用乘以指定的服务载荷. 表2.3中给出了确定这些数值的大小的方法，以下进行举例 i)从表2.3上的横坐标的服务周期到的纵坐标值乘以.画一条垂线,标明点A。 ii)延长通过点D的水平线，直到其长度为乘以，标明点B。 iii)连接点A和B，AB线段中包括所有在加速测试中的允许的KTS和KTN组合。这条线段上任一点C可以成为方便的选择。其中和定义如下： =C点的纵坐标/D点的纵坐标 =C点的横坐标/D点的横坐标 此外： （测试载荷）=×指定的服务载荷 （最小的测试周期）=×指定的服务周期 iv)值得指出的是，如果测试物件不是一个完整大小的组件，而是几何相似模型，那么的大小应该通过结构相似原则的正确的范围因素进行确定，在没有失败的时候，当经受循环实验载荷，该组件在循环次数（不能少于）中能承受循环试验荷载（如果要求的话，调整，如果组件没有全尺寸，使用模型相似原则）。 v)在某些情况下，可能在执行测试时只加载或只增加循环次数，但不能同时，在e)和f)中描述了这两种例子 表2.3施工测试参数比例图 表2.4加速测试施工参数比例图 d) 加速疲劳试验（测试周期小于指定的周期）可以进行的条件是，当指定周期大于10000并且试验条件由表2.4的1到3步决定，在这个表中，ABD的标明方法与表2.3类似。 i)测试周期的最小数目,在和N的表中，通过横坐标画一条垂直的线通过，使它与疲劳设计曲线相交。 ii)通过点A构造一条曲线，和垂线相交，标记这条曲线和垂直投影的交点为。 iii)在A, ,B部分的任一点C决定和 e) 例一（仅适用于周期） 在此例中，=1，并且 测试中部件的周期不应该少于=×特定的服务周期，当在循环实验的荷载作用下，模型应按要求调整。 f) 例二（仅适用于荷载） 在此例中，=1，并且 部件的周期数应该至少和指定的周期相等，当服从于循环实验的荷载=×指定服务周期荷载时，模型按要求调整。 g) 和的值由尺寸，表面光洁度，温度和重复的测试次数得到，具体如下： 不允许小于1.25 不允许小于2.6 =大小对疲劳寿命的影响因素： LM/LP是线性模型和原型大小的比值 =表面光洁度因素的影响： SFM/SFP是模型表面光洁度和原型表面光洁度的比值，以微米为单位表示（RMA：算术平均粗糙度） =只有当疲劳曲线在不同温度下可用 如果测试温度小于最大温度的瞬态， 否则= 1. =在测试结果的统计变化因素 =1.470—（0.044重复试验的次数） 在计算时,,或者的值都不小于1.0 2.2.7疲劳强度折减系数的测定 疲劳强度折减系数的实验测定应按照程序根据以下步骤a)到f): a) 测试部分的材料应当是一个和实际的组件类似的材料并且应进行和实际组件相同的热处理。 b) 样品的应力水平不应超过极限的应力强度状态，以便在不到1000个周期，不发生故障。 c) 配置，表面光洁度和样品的应力状态应接近预期中的模拟组件。特别的注意，应力梯度不能比预期组件变化更加突然。 d) 循环率应保证试样加热的现象不会发生。 e) 关于该方法的有效性执行的测试的次数应当合理 f) 疲劳折减强度系数应该由缺口和无缺口式样的试验确定，并且应用无缺口式样的应力和有缺口式样的应力比来计算[ σnom (无缺口)/ σnom (有缺口) 疲劳寿命。 2.2.8开口实验的应力分析 ①d/D的影响 对于加固主要由均匀的增加部件壁厚而达到加固效果的开孔，开孔附近的应力由开孔的d/D的增加而增加（d=开孔的内径，D=开孔外径） 因此，对于小的d/D的有用的实验数据不能安全有效的应用在大的d/D上，但是可以应用在更小的d/D上，此实验给出的d/D小于0.3 ②D/T的影响 对于加固主要由均匀的增加部件壁厚而达到加固效果的开孔，开孔附近的应力由开孔的D/T的增加而增加（D=开孔的外径；T=名义壳厚度不包括加固） 因此，对于小的D/T的有用的实验数据不能安全有效的应用在大的d/D上，但是可以应用在更小的D/T上. ③圆角的要求 在外面的喷嘴和壳的应力很大程度上取决于圆角或过度的接合处。一般来说，特定圆角半径的应力数据可在文献中查找到。其他因素都没有变化，这些应力数据对于大于或者等于试验中的圆角半径是有效地，而对于小于的或者未定义的情况（如三角焊缝）不能适用。 2.3各个部件的设计方法 螺栓，法兰和垫片是管道的连接重要的零部件。本节介绍了管状部件，螺栓，法兰，垫片的设计方法和相应的应力分析。 2.3.1圆柱壳和管状部件的设计 对于圆柱壳和管材，假设壁厚是T，然后验证 /T： 1 如果 /T≥10 a) A值的确定 A值由表2.5确定 表2.5在轴向压缩载荷或者外部压力的作用下圆柱壳的几何特殊曲线 A的读法是：曲线/T在值L/ 与纵坐标平行线的交点 经分析，有效值L/ ≥ 0.1 b) B值的确定 图表法：从得到的A值处画纵坐标的平行线和最高温度下材料曲线的交点即为B 直接的说，B=1/2AE，其中E为材料的弹性模量 经分析，对于铁素体钢 如果 如果 其中， 如果 对于奧氏体钢 如果 如果 如果 其中 如果 c) 通过公式计算允许外部压力 d) 将和P相比较，如果比P小，那么重复该过程以获得更高的T值，直到和P相等。 ②/T＜10 a) 用①a)的方法计算A.B，对于大于0.1的A，应取A=0.1 b) 用以下公式计算 c) 用以下公式计算 d) 最大允许外部压力取,,中较小的一个。 e) 比较和P，如果比P小,那么重复该过程以更高的T值，直到至少和P相等。 2.3.2法兰 法兰材料的等级分类如表2.6中定义 表2.6RCCM中对于物理性能的不同等级的分类 否则还要考虑腐蚀的风险和机械热力学性能。 在压力和温度下的法兰的使用标准中没有排除需要验证连接强度的必要。 垫片接触面的表面条件应该与垫片的类型，流体和所需满足的密闭性相符。各接触面的表面条件应该是完全相同的，他们的粗糙等级按照NF E 05-051*的标准也至少应该为N10.加工线应该是同心圆，并且建议和垫片的供应商一起定义垫片坐垫的公差。 螺母和螺栓头的接触面应该被加工成和坐垫表面平行并且误差在1°内。 2.3.3垫圈 根据应用的类型（流体，温度，压力等）和密封性的要求程度选择垫片的类型 垫片形式是圆形的，它的直径(Dj)刻在螺栓圆周内，垫片的特征应该由生产厂家制定，它包括： 直径， 接触面的宽度和直径。 用来确定力（Fj）的元素用来确保垫圈预紧力。密封性用来表示泄漏率。 用来确定紧固力（FM）的元素用来确保在流体压力条件下的密封性。 此外，制造商不应该依靠标准表上的荷载值，因为这些值一般也不准确。制造商应该直接从供应商处得到垫圈的载荷，只要有可能，这些荷载值就会和泄漏率联系起来。 在垫圈荷载发生的大的变化的时候制造商应该验证泄露边缘的安全性，使用一个垫片可以解决这种问题。 2.3.4螺栓 1）表2.7给出了螺栓材料的最大允许应力图 表2.7螺栓材料的许用应力强度值 2）螺栓可能由碳素钢或者热处理合金钢构成。 3）对于热处理合金钢考虑以下两点： a) 室温下的最小抗拉强度大于750MPa: 解决螺头以下破坏的问题应避免使用两端都有螺母的螺杆或者双头螺栓（可以使用细长柄或棒） b) 室温下最小抗拉强度小于或者等于750MPa，可以使用普通螺栓和细长的柄。 4）螺纹应该被机械加工或者滚制。 应该使用螺栓螺纹，而不是加工螺纹的螺栓。 根据法国标准NF ISO 68-1螺纹应该有国际标准形式 5）螺栓的公称直径应该不小于12mm。 6）对于细长螺栓，根部的横截面区域应该至少是细长圆柱柄横截面积的1.1倍。 7）在螺母或者螺头下以及在螺纹部件之间的接触面应该选择正确的润滑油润滑。 8）如果使用非标准法兰，螺栓孔应符合法国标准协会标准NF EN 20273。 9）对称和装配的相关原因，最好螺栓数量是4的倍数。 10）由于螺栓数n和螺栓直径d的大小有选择范围，所以最小螺栓间距可调。 以公式得出了螺栓的最大间距：2 d +Ep. 扳手间距的最小空隙决定n的最大值 11）如果螺栓的所需数量和直径使得横截面积远大于最小横截面积，紧固力矩必须加以限制以便不超过垫片和法兰的允许载荷。否则，法兰设计中需要考虑实际紧固力矩比要求规定还要高的情况。 12）在评估组装元件的紧固扭矩时应该考虑由于紧固安排引起的不精确性。 2.3.5螺栓部分尺寸的计算 图2.8螺栓尺寸图 其中 A=法兰的外部直径 r=螺栓螺纹面半径 B=法兰的内部直径 Ep=法兰板厚度 C=螺栓圆周直径 h=轴套长度 d=螺栓的一般直径 Dj=垫片直径的平均值 =板壳厚度 1）由压力引起的力 其中FF是静轴向力，P为压强 2）由外部荷载引起的力的压强 是螺栓连接的轴向力 是螺栓连接的弯矩 3）初始紧固力的测量 初始紧固力比以下两个力都大 垫片座力, 室温下保证密封性的力FS， 且至少为 其中 在测试时受紧固力时保持封闭性的力 在横向载荷和扭转力矩的作用下克服相对滑移引起的紧固力FS'o至少为 其中 FS(P)=在压强P下确保密封性的法兰的载荷 FM(P)=在压强P下确保密封性的垫片的载荷 P=连接的内部设计压力 =设计压力 =相关条件下的内部压力 =测试压力 =外部荷载加载在连接上的等效压力 FT=克服横向载荷和扭转力矩的接触力 =20℃时螺栓材料的弹性模量 =在相关条件下的螺栓所用的材料的弹性模量 4）螺栓最小横截面积的确定 a)在设计条件下，如果SA是螺栓最小横截面积，则下列等式必须成立： 其中S是材料的许用应力，且FS (Pc) = FF (Pc) + FM (Pc) b)在操作条件下，如果SA是螺栓最小横截面积，则下列等式成立 其中 S=法兰或者螺栓材料的最大允许应力 =法兰或者螺栓材料的屈服强度 =室温下的初始紧固力 c)在测试条件下，螺栓应力应该满足下列等式 2.3.6法兰应力的计算 1）初始紧固力 法兰的初始紧固力应该考虑最小横截面和真实横截面，所以在这之后用到的FSi，均要乘以下列系数 2）与压力有关的力的计算 a)HD是法兰内部的静力，它等于 b) HT是施加在垫片和法兰开口之间的力，它等于 3）外部的力 由外部力矩引起的力的计算 =由于外部等效压强引起的假设的法兰内部静力 =由于外部等效压强引起的假设的施加在垫片和法兰开口之间的力 4）垫片相关的力 垫片荷载HD满足下列等式 5）力矩臂的计算 a)力HD和到螺栓轴线的距离 其中 b)力HG到螺栓轴线的距离 c)力HT和到螺栓轴线的距离 6)弯矩的计算 a)压力的影响 由HD引起的弯矩：MD = HD . hd 由HT引起的弯矩：MT = HT . ht b)外力的影响 由HD’引起的弯矩：MD' = HD' . hd 由HT’引起的弯矩：MT' = HT' . ht c) 垫片的影响：MG = HG . hg d) 在初始紧固力下，没有间隔板，则弯矩为：MA = FSi . hg e) 法兰最大弯矩应该等于：MO = MD + MD' + MT + MT' + MG 7）螺栓间距 以上用于确定弯矩的方法是基于螺栓是均匀分布的假设才成立的，只有当螺栓分布紧凑时才成立，当螺栓间距 超过2 d + Ep，其中d是螺栓直径，Ep是法兰厚度。当螺栓间距超过此值，最大弯矩将要增加一个修正系数 所以弯矩由以下因素决定： M' = max (MO . Co ; MA . Co) 2.3.7法兰应力的分析 1）应力介绍 图2.9法兰应力图 ST=剪应力 SR=径向应力 SH=轴向应力，它取SH’和SH’’中较大的值 2）应力的确定 其中P是设计压力或者操作压力 其中系数有如下计算方式： 如果: 如果：(） () 其中λ和法兰形状相关的系数V,F均可查表求得。 K=A/B=法兰外径/法兰内径 ν=泊松比=0.3 3）应力的极限 a)在设计条件下 在设计压强和设计温度下 其中S是法兰材料的设计许用应力 b)在操作条件下 i)A和B标准等级 - SH ≤ 1.5 S - SR ≤ 1.5 S - ST ≤ 1.5 S ii)C标准等级 - SH ≤ 1.8 S - SR ≤ 1.8 S - ST ≤ 1.8 S iii)D标准等级 - SH ≤ 2.4 S - SR ≤ 2.4 S - ST ≤ 2.4 S c)在测试条件下 i)如果在测试期所用的密闭荷载在今后的使用中保留，则不作要求 ii)如果没有保留，则有以下要求 - SH () ≤ 1.35 - SR () ≤ 0.9 - ST () ≤ 0.9 其中是测试温度下法兰材料的屈服强度 2.4管道支撑的设计 2.4.1决定管道支撑位置 对管道进行应力分析，包括弹性分析，疲劳分析，用来确定管道的支撑位置。管道的支撑位置可按照下列因素设计： 1 道的跨距 2 可提供支撑的土木结构或者设备平台 3 避免影响人缘通道或操作空间 4 避免干扰固定设施，如电缆架、楼梯、平台、管沟、仪表等。 2.4.2管道的支撑型式 管道的支撑型式设计应该考虑自重、压力、温度、地震等效应，选择适当的约束，管道支撑设计应该优先选用标准型支撑，但对部分标准型支撑无法达成所需功能，承受负载或不适应与该位置的情况采用特殊设计的支撑，通常包括弹簧支撑、拉杆支撑、滑动支撑等。其型式必须注意： 1 近转动设备的管道支撑必须为可调整式 2 为降低摩擦力对管道及其支撑构架造成不利的影响，必要时可考虑增加设计滑动钢板。 3 两相流体或有水锤现象等管道系统的支撑设计除应考虑热膨胀隐私外，也应该注意其可能产生的振动而加适当的约束支撑。 本章详细介绍了核电方面的高温蒸汽管道材料许用应力的选择方法，材料的静力试验和动力试验，管道的设计，螺栓和法兰等零部件的设计，支撑的设计，对于船用高温高汽管道有很大的启发和参考价值 三 关于舰船高温蒸汽管道的设计规范的建议 对于蒸汽管道的设计，我们参考法国核电站标准，对船用高温蒸汽管道的设计我们提出以下建议： 首先建议进行材料的基本特性试验，测量出材料的屈曲强度，拉伸强度以及材料的弹性模量和泊松比等材料重要性质指标的值。以便我们选取适合的材料设计蒸汽管道。 第二我们要进行疲劳试验，利用金属试样在各种环境下，经受交变载荷而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程。管道结构在运行的过程中会发生振动，可能引起管道严重泄漏或者使管路附件特别是管道连接部位发生松动或者破裂问题，管路振动会引起管道的疲劳损伤，降低设备的使用寿命。所以疲劳试验很有必要。 第三分析管道的结构噪声问题，管路结构振动会导致结构噪声辐射，还会将振动通过支撑传出，诱发声辐射，降低舰船的安静性，所以需要展开蒸汽管道振动与声辐射的理论分析。 第四要考虑管道的冲击。蒸汽管道材料一般选用碳钢或者不锈钢，阻尼系数较低，不能很好的吸收振动冲击的能量，从而导致管内因过大的变形而破坏。此外海浪与水下爆炸冲击会使管路系统收到较大的瞬态冲击破坏。所以管路的抗冲安全设计很重要。 第五，还要研究蒸汽管路的支撑问题。 此外还要对管道的布置进行规范设计，锅炉产生的蒸汽一般经蒸汽总管输出，接至蒸汽总管的各支管均应设截止阀。应避免蒸汽管穿过灯间和油漆间。有时需对货舱区域内的舱柜进行加热，蒸汽管有可能要经货舱布置。在机、炉舱内，蒸汽管路布置应避免布置在不易接近的地方，诸如花钢板的下面，但这种限制不包括那些设备的加热管路和海底阀箱蒸汽吹洗或其他蒸汽吹洗管路。当蒸汽管中蒸汽压力大于0.98MPa时，特别要注意管路布置与燃油舱壁间的距离，一般不小于250mm。为防止管子的凝水造成水击损坏，蒸汽管子应布置具有一定的斜度，并使得所设的放水阀或旋塞能有效地泄放任何管段的凝水。 由于核电的高温蒸汽管道和船舶的高温蒸汽管道设计相近，所以船用蒸汽管道的管道设计，法兰设计，螺栓设计，垫片设计都可以参考RCCM的相关设计规定设计。 四 结论 船舶蒸汽管道的质量是船舶制造过程中的重点之一，研究蒸汽管道的材料和设计方法对于船舶的安全可靠的航行有重要的意义。 本文参考法国核电规范RCCM中对管道的设计规范，从管道的材料试验，管道材料许用值的选取，管道及其零部件（垫片、螺栓、法兰等）的设计这三个方面进行了设计规范的考虑，最后结合船舶蒸汽管道的相关知识背景，提出了船舶高温高压蒸汽管道的设计规范建议,为今后解决船用高温蒸汽管道的相关设计问题提供了参考依据。 参考文献 [1]J. Arthur Aiton.HIGH-PRESSURE AND HIGH-TEMPERATURE STEAM PIPE WORK[J]. Naval Engineers Journal. 1935. Vol.47. No.3. 434-440 [2]张增赞.火力发电厂蒸汽管道的热应力研究[D].长沙市.中南大学.2003 [3]吴英富.水面舰艇设计新技术[M].哈尔滨市.哈尔冰工程大学.2004.145-150 [4]陈浩.蒸汽管路系统结构振动研究[D].哈尔滨市.哈尔冰工程大学.2011 [5]王秋颖.船用蒸汽管道系统振动及抗冲击特性有限元仿真分析[J].航海工程.2007.Vol.36.No.5.69-71 [6] 法国核岛设备设计和建造规则协会（AFCEN）.RCCM.压水堆核岛机械设备设计和建造规则.法国.2007 致 谢 这次论文能够顺利完成，首先要感谢我的毕业论文指导老师刘立胜老师，从最初的定题，到资料的收集，到写作、修改，到论文定稿，他都给了我耐心的指导和无私的帮助，无论我何时去找他询问我不懂的问题，他都耐心细致的帮我解答，给我建议，在此我向他表达我真挚的谢意。同时，还要感谢我大学四年所有的任课老师们，没有他们的辛勤教学，我不会学习到那么多知识，就更不能写出毕业论文，他们在教授知识的同时，更教会我做人的道理，我要感谢他们的教诲，端正自己的位置，以老师们为榜样，力争取得更大的进步。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 32