GB/T 16507.3-2022 英文版 水管锅炉 第3部分：结构设计

GB/T 16507.3-2022 英文版 水管锅炉 第3部分：结构设计

GB/T 16507.3-2022 英文版 Water-tube boilers—Part3：Structure design

1 Scope

This document specifies the structure design requirements for water-tube boiler drum, start-up (steam-water) separator, water storage tank, header, desuperheater, pipe, water wall, superheater, reheater, economizer, tube joint, hanger rod, opening, door hole, rigid beam, steel structure, escalator and platform, etc.

This document is applicable to the structure design of water-tube boilers as defined in GB/T 16507.1.

2 Normative references

The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute indispensable provisions of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

GB/T 985.1 Recommended joint preparation for gas welding, manual metal arc welding, gas-shield arc welding and beam welding

GB/T 985.2 Recommended joint preparation for submerged arc welding

GB/T 2900.48 Electrotechnical terminology of boilers

GB 4053 (All parts) Safety requirements for fixed steel ladders and platform

GB/T 16507.1 Water-tube boilers - Part 1: General requirements

GB/T 16507.2 Water-tube boilers - Part 2: Materials

GB/T 16507.4 Water-tube boilers - Part 4: Strength calculation of pressure parts

GB/T 22395 Specification for design of boiler steel structures

JB/T 6734 Calculation method of strength of boiler fillet welding seam

JB/T 6735 Calculation method of strength of boiler hanger rod

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in GB/T 2900.48 and GB/T1 6507.1 apply.

4 Basic requirements

4.1 The basic principles of boiler design shall meet the requirements of GB/T 16507.1.

4.2 The calculation load to be considered and the required load calculation shall be determined according to the requirements of this document and the special requirements of GB/T 16507.1 and GB/T 16507.4.

4.3 During design, the wall temperature of the element shall not exceed the allowable temperature of the materials used. In addition, the temperature difference between the inner and outer walls of the heating surface tube and the steam oxidation resistance of the inner wall shall be considered. The selection of materials shall meet the requirements of GB/T 16507.2.

4.4 During design, the minimum required thickness of pressure element shall be determined according to the relevant strength calculation equation or stress analysis calculation equation and requirements in GB/T 16507.4. For non-pressure elements under load, their calculation dimensions shall be determined according to relevant requirements.

4.5 During design, it shall be ensured that the evaporation heating surface, superheater, reheater and economizer system work reliably under the expected working conditions, and the hydrodynamic characteristics are stabilized to prevent the heat transfer from deteriorating.

4.6 The structure of furnace, enclosure and tail flue shall have sufficient bearing capacity to prevent permanent deformation and furnace wall collapse, and shall have good sealing performance.

4.7 The expansion coefficient of flat steel in membrane wall structure shall be similar to that of tubes. The width of flat steel shall be so determined to ensure that it does not exceed the allowable temperature of its material in boiler operation, and the weld structure shall ensure effective cooling of flat steel.

4.8 The load-bearing structure shall have sufficient strength, rigidity, stability and corrosion resistance when bearing the design load.

4.9 The boiler wall shall have good heat insulation and good sealing performance.

4.10 The design of each component shall ensure that it is able to freely expand in the predetermined direction during operation. The expansion center determined by the design of the suspended boiler proper shall be fixed, and an expansion guide device shall be set to ensure that the boiler proper expands in the predetermined direction. For boilers with rated pressure not less than 9.8MPa, when the equipment and fixed structure fail to bear the instantaneous load such as the reaction force discharged by the safety valve and the earthquake force, damping devices shall be arranged in appropriate positions to reduce the impact force and prevent the equipment from being damaged.

4.11 The following parts of the boiler with a rated pressure of not less than 3.8MPa shall be provided with expansion indicators:

——boiler drum/water storage tank,

——superheater outlet,

——reheater inlet/outlet,

——near the burner,

——lower part of downcomer,

——lower header of water wall,

——lower header of tail enclosure,

——economizer inlet header,

——ash hopper of economizer, etc.

4.12 The structure, arrangement and combustion mode of the furnace and combustion equipment shall be suitable for the designed fuel, so as to prevent the flame from directly burning the heating surface and prevent the furnace from slagging or coking.

4.13 During design, the structural type as well as opening and weld arrangement of pressure elements shall avoid or reduce compound stress and stress concentration as much as possible.

4.14 The boiler drum or start-up (steam-water) separator with frequent start-up and stop and other parameters with large fluctuation shall be subjected to fatigue strength check in accordance with GB/T 16507.4.

前言
本文件按照GB／T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件是GB／T16507《水管锅炉》的第3部分。GB／T 16507已经发布了以下部分：
——第1部分：总则；
——第2部分：材料；
——第3部分：结构设计；
——第4部分：受压元件强度计算；
——第5部分：制造；
——第6部分：检验、试验和验收；
——第7部分：安全附件和仪表；
——第8部分：安装与运行。
本文件代替GB／T 16507.3-2013《水管锅炉 第3部分：结构设计》，与GB／T 16507.3-2013相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：
——更改了适用范围，增加了储水箱、水冷壁、过热器、再热器、省煤器等(见第1章，2013年版的第1章)；
——增加了膜片扁钢的要求(见4.7)；
——更改了设置膨胀指示器的要求(见4.11，2013年版的4.9)；
——删除了管子的异种钢接头对接焊缝中心线的相关距离要求(见5.4，2013年版的5.4)；
——更改了“过热器及再热器管道”为“管道”，增加了储水箱及管子的焊缝要求(见5.5，2013年版的5.5)；
——删除了管子、管道对接外侧边缘偏差要求，增加了不同直径或壁厚的两零件对接时过渡斜面的要求(见5.10，2013年版的5.10和表1)；
——更改了底部加强的管接头的示意图(见图2，2013年版的图2)；
——增加了吊耳焊缝的结构尺寸要求(见图3，2013年版的图3)；
——增加了8型平端盖“焊接坡口未做规定”的说明，增加了部分型式的制造方式(见表2)；
——更改了集中下降管管孔的开孔要求(见6.2.2，2013年版的9.2.2)；
——增加了凸形封头开孔要求的配图(见图6、图7和图8)；
——更改了开设射线照相检查孔的要求(见6.3.11，2013年版的9.3.11)；
——增加了胀接连接时的管子壁厚要求(见7.2)；
——增加了锅筒最高安全水位的要求(见7.7)；
——增加了“启动(汽水)分离器和储水箱”和“集箱和管道”两章(见第8章和第9章)；
——更改了喷水减温器的减温水管加装套管的适用锅炉范围要求(见10.1，2013年版的7.1)；
——增加了“炉膛(水冷壁)”“过热器和再热器”“省煤器”和“刚性梁”四章(见第11章、第12章、第13章和第15章)；
——增加了平台和扶梯要求(见16.3和16.4)。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国锅炉压力容器标准化技术委员会(SAC／TC262)提出并归口。
本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为：
——1996年首次发布为GB／T 16507-1996；
——2013年第一次修订时，将水管锅炉和锅壳锅炉内容分开，各由8个部分组成，水管锅炉为GB／T 16507.1-2013～GB／T 16507.8-2013《水管锅炉》，锅壳锅炉为GB／T 16508.1-2013～GB／T 16508.8-2013《锅壳锅炉》，本文件为GB／T 16507.3-2013《水管锅炉
第3部分：结构设计》，同时部分代替GB／T 9222-2008《水管锅炉受压元件强度计算》(GB／T 9222-2008的历次版本发布情况为：GB／T 9222-1988)；
——本次为第二次修订。
引言
GB／T 16507《水管锅炉》是全国锅炉压力容器标准化技术委员会(以下简称“委员会”)负责制修订和归口的锅炉通用建造标准之一。其制定遵循了国家颁布的锅炉安全法规所规定的安全基本要求，设计准则、材料要求、制造检验技术要求、验收标准和安装要求均符合TSG 11《锅炉安全技术规程》的相应规定。GB／T 16507为协调标准，满足TSG 11《锅炉安全技术规程》的基本要求，同时也符合TSG 91《锅炉节能环保技术规程》的要求。GB／T 16507旨在规范锅炉的设计、制造、检验、验收和安装，由8个部分构成。
——第1部分：总则。目的在于确定水管锅炉范围界定、锅炉参数、建造规范以及节能和环保等建造水管锅炉的通用技术要求。
——第2部分：材料。目的在于确定水管锅炉受压元件和非受压元件、受力构件、锅炉钢结构和焊接材料等的选材和用材要求。
——第3部分：结构设计。目的在于确定水管锅炉结构设计的基本要求、焊接连接要求、开孔和各元(部)件的具体设计要求。
——第4部分：受压元件强度计算。目的在于确定水管锅炉受压元件的计算壁温、计算压力、设计许用应力取值及强度设计计算方法。
——第5部分：制造。目的在于确定水管锅炉在制造过程中的标记、冷热加工成形、胀接、焊接和热处理要求。
——第6部分：检验、试验和验收。目的在于确定水管锅炉受压元件和与其直接连接的承受载荷的非受压元件的检验、试验和验收要求。
——第7部分：安全附件和仪表。目的在于确定水管锅炉安全附件和仪表的设置和选用要求。
——第8部分：安装与运行。目的在于确定水管锅炉本体和锅炉范围内管道的安装、调试、质量验收以及运行要求。
由于GB／T 16507没有必要、也不可能囊括适用范围内锅炉建造和安装中的所有技术细节，因此，在满足TSG 11《锅炉安全技术规程》所规定的基本安全要求的前提下，不禁止GB／T 16507中没有特别提及的技术内容。
GB／T 16507不限制实际工程设计和建造中采用能够满足安全要求的先进技术方法。
对于未经委员会书面授权或认可的其他机构对标准的宣贯或解释所产生的理解歧义和由此产生的任何后果，本委员会将不承担任何责任。
水管锅炉
第3部分：结构设计
1 范围
本文件规定了水管锅炉锅筒、启动(汽水)分离器、储水箱、集箱、减温器、管道、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、管接头、吊杆、开孔、门孔、刚性梁、钢结构、扶梯及平台等结构设计的要求。
本文件适用于GB／T 16507.1界定的水管锅炉的结构设计。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB／T 985.1 气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口
GB／T 985.2 埋弧焊的推荐坡口
GB／T 2900.48 电工名词术语 锅炉
GB 4053(所有部分) 固定式钢梯及平台安全要求
GB／T 16507.1 水管锅炉 第1部分：总则
GB／T 16507.2 水管锅炉 第2部分：材料
GB／T 16507.4 水管锅炉 第4部分：受压元件强度计算
GB／T 22395 锅炉钢结构设计规范
JB／T 6734 锅炉角焊缝强度计算方法
JB／T 6735 锅炉吊杆强度计算方法
3 术语和定义
GB／T 2900.48和GB／T1 6507.1界定的术语和定义适用于本文件。
4 基本要求
4.1 锅炉设计的基本原则应符合GB／T 16507.1的规定。
4.2 设计时应按本文件的规定和GB／T 16507.1及GB／T 16507.4专门要求确定所需考虑的计算荷载及所需进行的荷载计算。
4.3 设计时应保证元件壁温不超过所用材料的许用温度，此外还需考虑受热面管子内外壁温差及内壁抗蒸汽氧化等因素，材料的选用应符合GB／T 16507.2的要求。
4.4 设计时应按GB／T 16507.4中有关强度计算公式或应力分析计算公式和规定，确定受压元件的最小需要厚度。对于承受荷载的非受压元件应按有关规定确定其计算尺寸。
4.5 设计时应保证在预期的运行工况下蒸发受热面、过热器、再热器和省煤器系统工作可靠，保证水动力特性稳定，防止传热恶化。
4.6 炉膛、包墙及尾部烟道的结构应有足够的承载能力，防止出现永久变形和炉墙垮塌，并应有良好的密封性。
4.7 膜式壁结构中的扁钢的膨胀系数应和管子相近，扁钢宽度的确定应保证在锅炉运行中不超过其材料许用温度，焊缝结构应保证扁钢有效冷却。
4.8 承重结构在承受设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性。
4.9 炉墙应具有良好的绝热和密封性。
4.10 各部件的设计应保证其运行时能按设计预定方向自由膨胀，悬吊式锅炉本体设计确定的膨胀中心应予固定，应设置膨胀导向装置保证炉体沿预定方向膨胀。额定压力不小于9.8 MPa的锅炉，当设备及固定结构不能承受安全阀排放反力、地震力等瞬时荷载时，应在适当位置设置阻尼装置以减小所受冲击力，防止设备损坏。
4.11 额定压力不小于3.8 MPa的锅炉的以下部位应设置膨胀指示器：
——锅筒／储水箱，
——过热器出口，
——再热器进出口，
——燃烧器附近，
——下降管下部，
——水冷壁下集箱，
——尾部包墙下集箱，
——省煤器进口集箱，
——省煤器灰斗等。
4.12 炉膛和燃烧设备的结构以及布置、燃烧方式应与所设计的燃料相适应，防止火焰直接冲刷受热面，并且防止炉膛结渣或结焦。
4.13 对于受压元、部件的结构形式、开孔和焊缝的布置，设计时尽量避免或减少应力叠加及应力集中。
4.14 启停频繁等参数波动较大的锅炉的锅筒或启动(汽水)分离器，应按照GB／T16507.4的规定进行疲劳强度校核。
4.15 燃煤锅炉(特别是循环流化床锅炉)应有防止受热面磨损的措施。
4.16 液态排渣锅炉和可能产生高温腐蚀的固态排渣锅炉，应采取防止高温腐蚀的措施。
4.17 直流锅炉蒸发受热面内不应发生膜态沸腾和水平管圈的汽、水分层流动。
4.18 直流锅炉应设置启动系统，容量应与锅炉最低直流负荷相适应。
4.19 直流锅炉启动系统的疏水排放能力应满足锅炉在各种启动方式下发生汽水膨胀时的最大疏水流量。
4.20 直流电站锅炉采用外置式启动(汽水)分离器启动系统时，隔离阀的工作压力应按照最大连续负荷下的设计压力确定，启动(汽水)分离器的强度按照锅炉最低直流负荷的设计参数设计计算；采用内置式启动(汽水)分离器启动系统时，各部件的强度应按照锅炉最大连续负荷的设计参数计算。
4.21 对于控制循环锅炉、低循环倍率锅炉及超临界压力复合循环锅炉，其锅水循环泵(启动循环泵)及其进水管的布置应能防止管内及泵入口处工质发生汽化。
4.22 受热面的管夹、吊挂、夹持管等应设置合理可靠，防止超温、烧损、拉伤和引起管子相互碰撞及摩擦。
4.23 锅炉结构应便于安装、运行操作、检修和内外部清洗。
5 焊接连接要求
5.1 锅炉角焊缝的强度计算应符合JB／T 6734的规定。
5.2 受压元件主要焊缝及其邻近区域尽量避免焊接附件。如果无法避免，则焊接附件的焊缝可穿过主要焊缝，而不应在主要焊缝及其邻近区域终止。
5.3 锅炉受热面管子(异种钢接头除外)以及管道直段上，对接焊缝中心线间的距离(L)应满足下列要求：
a) 外径小于159 mm，L≥2倍外径；
b) 外径不小于159 mm，L≥300 mm。
当锅炉结构难以满足上述要求时，对接焊缝的热影响区不应重合，并且L≥50 mm。
5.4 受热面管子(盘管及成型管件除外)对接焊缝应位于管子直段上。受热面管子的对接焊缝中心线至锅筒及集箱外壁、管子弯曲起点、管子支吊件边缘的距离至少为50 mm，对于额定工作压力不小于3.8 MPa的锅炉，该距离至少为70 mm(受结构限制的异种钢接头除外)。
5.5 锅筒、启动(汽水)分离器、储水箱、集箱、管道及管子的纵向和环向对接焊缝，封头的拼接焊缝等应采用全焊透型结构。
5.6 锅筒(筒体壁厚不相等的除外)上相邻两筒节的纵向焊缝，以及封头的拼接焊缝与相邻筒节的纵向焊缝，都不应彼此相连。其焊缝中心线间距离(外圆弧长)至少应为较厚钢板厚度的3倍，且不小于100 mm。
5.7 由两片不等壁厚钢板压制后焊成的锅筒，相邻两筒节的纵缝允许相连，但焊缝的交叉部位应经射线检测合格。
5.8 锅筒纵、环缝两边的钢板中心线一般宜对齐，锅筒环缝两侧的钢板不等厚时，也允许一侧的边缘对齐。名义厚度不同的两元件或钢板对接时，两侧中任何一侧的名义边缘厚度差值若超过5.9规定的边缘偏差值，则厚板的边缘应削至与薄板边缘平齐，削出的斜面应平滑，并且斜率不大于1：3，必要时，焊缝的宽度可计算在斜面内，如图1所示。

最小的L＝3δ(必要时可包含焊缝宽度)
最小的L＝3δ
板的中心线
环缝
标引序号说明：
δ——名义边缘偏差； t1——薄板的厚度；
t2——厚板的厚度； L——削薄的长度。
图1 筒体削薄示意图
5.9 锅筒对接焊缝边缘偏差规定如下。
a) 纵缝或封头拼接焊缝两边钢板的实际边缘偏差值不大于名义板厚的10%，并且不超过3 mm；当板厚大于100 mm时，不超过6 mm。
b) 环缝两边钢板的实际边缘偏差值(包括板厚差在内)不大于名义板厚的15%加1 mm，且不超过6 mm；当板厚大于100 mm时，不超过10 mm。
c) 不同厚度的两元件或钢板对接并且边缘已削薄的，按钢板厚度相同对待，上述的名义板厚指薄板；不同厚度的钢板对接但不进行削薄的，则上述的名义板厚指厚板。
5.10 管子、管道、集箱对接时，内表面应对齐，不同直径或壁厚的两元件对接时，外侧直径较大处至直径较小处过渡的斜度不大于30°，内侧的过渡斜率不大于1：3，焊缝可包括在过渡斜面之内。
5.11 除了球形封头以外，扳边的元件(如封头等)与圆筒形元件对接焊接时，扳边弯曲起点至焊缝中心线的距离(L)应符合表1中的要求。
表1 扳边弯曲起点至焊缝中心线距离
单位为毫米
扳边元件内径 距离(L)
≤600 ≥25
>600 ≥38
5.12 额定工作压力不小于3.8 MPa的锅炉，外径小于32 mm的排气、疏水、排污和取样管等管接头与锅筒、集箱、管道相连接时，应采用底部加强的管接头，如图2所示。

图2 底部加强的管接头示意图
5.13 支管或管接头与锅筒、集箱、管道连接时，不应采用奥氏体钢和铁素体钢的异种钢焊接。
5.14 承受主要荷载的吊耳与受压元件之间可采用全焊透型焊缝连接、坡口焊缝与角焊缝的组合焊缝连接，或沿周界或接触面全长连续分布的角焊缝连接，如图3所示。

a) 全焊透型焊缝连接 b) 坡口焊缝与角焊缝的组合焊缝连接 c) 角焊缝连接
标引序号说明：
t——吊耳厚度； δ——焊缝厚度。
注：t<20 mm时，δ＝0.7t，但不小于6 mm；
t≥20 mm时，δ＝14 mm。
图3 吊耳连接型式示意图
5.15 对接焊接接头型式，可按GB／T 985.1、GB／T 985.2的规定。
5.16 管子或管接头与筒体或封头的焊接连接可采用的型式如图4和图5所示。

A) 部分焊透型

B) 全焊透型
标引序号说明：
t——筒体或封头厚度； Dn——管子或管接头外径；
tn——管子或管接头厚度； δ——焊缝厚度。
注1：分图d)中，A＝tn，但不小于6 mm。
注2：分图e)中，用于公称管径不大于76 mm的内管螺纹附件，坡口焊缝的h不小于连接管的厚度。
注3：δ不小于0.7tn和6 mm两者中的较小值。
图4 外置式焊接连接示意图