GB/T 16507.3-2022 英文版 水管鍋爐 第3部分：結構設計

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《標準化工作導則 第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。
本文件是GB／T16507《水管鍋爐》的第3部分。GB／T 16507已經發布了以下部分：
——第1部分：總則；
——第2部分：材料；
——第3部分：結構設計；
——第4部分：受壓元件強度計算；
——第5部分：制造；
——第6部分：檢驗、試驗和驗收；
——第7部分：安全附件和儀表；
——第8部分：安裝與運行。
本文件代替GB／T 16507.3-2013《水管鍋爐 第3部分：結構設計》，與GB／T 16507.3-2013相比，除結構調整和編輯性改動外，主要技術變化如下：
——更改了適用范圍，增加了儲水箱、水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器等(見第1章，2013年版的第1章)；
——增加了膜片扁鋼的要求(見4.7)；
——更改了設置膨脹指示器的要求(見4.11，2013年版的4.9)；
——刪除了管子的異種鋼接頭對接焊縫中心線的相關距離要求(見5.4，2013年版的5.4)；
——更改了“過熱器及再熱器管道”為“管道”，增加了儲水箱及管子的焊縫要求(見5.5，2013年版的5.5)；
——刪除了管子、管道對接外側邊緣偏差要求，增加了不同直徑或壁厚的兩零件對接時過渡斜面的要求(見5.10，2013年版的5.10和表1)；
——更改了底部加強的管接頭的示意圖(見圖2，2013年版的圖2)；
——增加了吊耳焊縫的結構尺寸要求(見圖3，2013年版的圖3)；
——增加了8型平端蓋“焊接坡口未做規定”的說明，增加了部分型式的制造方式(見表2)；
——更改了集中下降管管孔的開孔要求(見6.2.2，2013年版的9.2.2)；
——增加了凸形封頭開孔要求的配圖(見圖6、圖7和圖8)；
——更改了開設射線照相檢查孔的要求(見6.3.11，2013年版的9.3.11)；
——增加了脹接連接時的管子壁厚要求(見7.2)；
——增加了鍋筒最高安全水位的要求(見7.7)；
——增加了“啟動(汽水)分離器和儲水箱”和“集箱和管道”兩章(見第8章和第9章)；
——更改了噴水減溫器的減溫水管加裝套管的適用鍋爐范圍要求(見10.1，2013年版的7.1)；
——增加了“爐膛(水冷壁)”“過熱器和再熱器”“省煤器”和“剛性梁”四章(見第11章、第12章、第13章和第15章)；
——增加了平臺和扶梯要求(見16.3和16.4)。
請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。
本文件由全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會(SAC／TC262)提出并歸口。
本文件及其所代替文件的歷次版本發布情況為：
——1996年首次發布為GB／T 16507-1996；
——2013年第一次修訂時，將水管鍋爐和鍋殼鍋爐內容分開，各由8個部分組成，水管鍋爐為GB／T 16507.1-2013～GB／T 16507.8-2013《水管鍋爐》，鍋殼鍋爐為GB／T 16508.1-2013～GB／T 16508.8-2013《鍋殼鍋爐》，本文件為GB／T 16507.3-2013《水管鍋爐
第3部分：結構設計》，同時部分代替GB／T 9222-2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》(GB／T 9222-2008的歷次版本發布情況為：GB／T 9222-1988)；
——本次為第二次修訂。
引言
GB／T 16507《水管鍋爐》是全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會(以下簡稱“委員會”)負責制修訂和歸口的鍋爐通用建造標準之一。其制定遵循了國家頒布的鍋爐安全法規所規定的安全基本要求，設計準則、材料要求、制造檢驗技術要求、驗收標準和安裝要求均符合TSG 11《鍋爐安全技術規程》的相應規定。GB／T 16507為協調標準，滿足TSG 11《鍋爐安全技術規程》的基本要求，同時也符合TSG 91《鍋爐節能環保技術規程》的要求。GB／T 16507旨在規范鍋爐的設計、制造、檢驗、驗收和安裝，由8個部分構成。
——第1部分：總則。目的在于確定水管鍋爐范圍界定、鍋爐參數、建造規范以及節能和環保等建造水管鍋爐的通用技術要求。
——第2部分：材料。目的在于確定水管鍋爐受壓元件和非受壓元件、受力構件、鍋爐鋼結構和焊接材料等的選材和用材要求。
——第3部分：結構設計。目的在于確定水管鍋爐結構設計的基本要求、焊接連接要求、開孔和各元(部)件的具體設計要求。
——第4部分：受壓元件強度計算。目的在于確定水管鍋爐受壓元件的計算壁溫、計算壓力、設計許用應力取值及強度設計計算方法。
——第5部分：制造。目的在于確定水管鍋爐在制造過程中的標記、冷熱加工成形、脹接、焊接和熱處理要求。
——第6部分：檢驗、試驗和驗收。目的在于確定水管鍋爐受壓元件和與其直接連接的承受載荷的非受壓元件的檢驗、試驗和驗收要求。
——第7部分：安全附件和儀表。目的在于確定水管鍋爐安全附件和儀表的設置和選用要求。
——第8部分：安裝與運行。目的在于確定水管鍋爐本體和鍋爐范圍內管道的安裝、調試、質量驗收以及運行要求。
由于GB／T 16507沒有必要、也不可能囊括適用范圍內鍋爐建造和安裝中的所有技術細節，因此，在滿足TSG 11《鍋爐安全技術規程》所規定的基本安全要求的前提下，不禁止GB／T 16507中沒有特別提及的技術內容。
GB／T 16507不限制實際工程設計和建造中采用能夠滿足安全要求的先進技術方法。
對于未經委員會書面授權或認可的其他機構對標準的宣貫或解釋所產生的理解歧義和由此產生的任何后果，本委員會將不承擔任何責任。
水管鍋爐
第3部分：結構設計
1 范圍
本文件規定了水管鍋爐鍋筒、啟動(汽水)分離器、儲水箱、集箱、減溫器、管道、水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器、管接頭、吊桿、開孔、門孔、剛性梁、鋼結構、扶梯及平臺等結構設計的要求。
本文件適用于GB／T 16507.1界定的水管鍋爐的結構設計。
2 規范性引用文件
下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。
GB／T 985.1 氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口
GB／T 985.2 埋弧焊的推薦坡口
GB／T 2900.48 電工名詞術語 鍋爐
GB 4053(所有部分) 固定式鋼梯及平臺安全要求
GB／T 16507.1 水管鍋爐 第1部分：總則
GB／T 16507.2 水管鍋爐 第2部分：材料
GB／T 16507.4 水管鍋爐 第4部分：受壓元件強度計算
GB／T 22395 鍋爐鋼結構設計規范
JB／T 6734 鍋爐角焊縫強度計算方法
JB／T 6735 鍋爐吊桿強度計算方法
3 術語和定義
GB／T 2900.48和GB／T1 6507.1界定的術語和定義適用于本文件。
4 基本要求
4.1 鍋爐設計的基本原則應符合GB／T 16507.1的規定。
4.2 設計時應按本文件的規定和GB／T 16507.1及GB／T 16507.4專門要求確定所需考慮的計算荷載及所需進行的荷載計算。
4.3 設計時應保證元件壁溫不超過所用材料的許用溫度，此外還需考慮受熱面管子內外壁溫差及內壁抗蒸汽氧化等因素，材料的選用應符合GB／T 16507.2的要求。
4.4 設計時應按GB／T 16507.4中有關強度計算公式或應力分析計算公式和規定，確定受壓元件的最小需要厚度。對于承受荷載的非受壓元件應按有關規定確定其計算尺寸。
4.5 設計時應保證在預期的運行工況下蒸發受熱面、過熱器、再熱器和省煤器系統工作可靠，保證水動力特性穩定，防止傳熱惡化。
4.6 爐膛、包墻及尾部煙道的結構應有足夠的承載能力，防止出現永久變形和爐墻垮塌，并應有良好的密封性。
4.7 膜式壁結構中的扁鋼的膨脹系數應和管子相近，扁鋼寬度的確定應保證在鍋爐運行中不超過其材料許用溫度，焊縫結構應保證扁鋼有效冷卻。
4.8 承重結構在承受設計載荷時應具有足夠的強度、剛度、穩定性及防腐蝕性。
4.9 爐墻應具有良好的絕熱和密封性。
4.10 各部件的設計應保證其運行時能按設計預定方向自由膨脹，懸吊式鍋爐本體設計確定的膨脹中心應予固定，應設置膨脹導向裝置保證爐體沿預定方向膨脹。額定壓力不小于9.8 MPa的鍋爐，當設備及固定結構不能承受安全閥排放反力、地震力等瞬時荷載時，應在適當位置設置阻尼裝置以減小所受沖擊力，防止設備損壞。
4.11 額定壓力不小于3.8 MPa的鍋爐的以下部位應設置膨脹指示器：
——鍋筒／儲水箱，
——過熱器出口，
——再熱器進出口，
——燃燒器附近，
——下降管下部，
——水冷壁下集箱，
——尾部包墻下集箱，
——省煤器進口集箱，
——省煤器灰斗等。
4.12 爐膛和燃燒設備的結構以及布置、燃燒方式應與所設計的燃料相適應，防止火焰直接沖刷受熱面，并且防止爐膛結渣或結焦。
4.13 對于受壓元、部件的結構形式、開孔和焊縫的布置，設計時盡量避免或減少應力疊加及應力集中。
4.14 啟停頻繁等參數波動較大的鍋爐的鍋筒或啟動(汽水)分離器，應按照GB／T16507.4的規定進行疲勞強度校核。
4.15 燃煤鍋爐(特別是循環流化床鍋爐)應有防止受熱面磨損的措施。
4.16 液態排渣鍋爐和可能產生高溫腐蝕的固態排渣鍋爐，應采取防止高溫腐蝕的措施。
4.17 直流鍋爐蒸發受熱面內不應發生膜態沸騰和水平管圈的汽、水分層流動。
4.18 直流鍋爐應設置啟動系統，容量應與鍋爐最低直流負荷相適應。
4.19 直流鍋爐啟動系統的疏水排放能力應滿足鍋爐在各種啟動方式下發生汽水膨脹時的最大疏水流量。
4.20 直流電站鍋爐采用外置式啟動(汽水)分離器啟動系統時，隔離閥的工作壓力應按照最大連續負荷下的設計壓力確定，啟動(汽水)分離器的強度按照鍋爐最低直流負荷的設計參數設計計算；采用內置式啟動(汽水)分離器啟動系統時，各部件的強度應按照鍋爐最大連續負荷的設計參數計算。
4.21 對于控制循環鍋爐、低循環倍率鍋爐及超臨界壓力復合循環鍋爐，其鍋水循環泵(啟動循環泵)及其進水管的布置應能防止管內及泵入口處工質發生汽化。
4.22 受熱面的管夾、吊掛、夾持管等應設置合理可靠，防止超溫、燒損、拉傷和引起管子相互碰撞及摩擦。
4.23 鍋爐結構應便于安裝、運行操作、檢修和內外部清洗。
5 焊接連接要求
5.1 鍋爐角焊縫的強度計算應符合JB／T 6734的規定。
5.2 受壓元件主要焊縫及其鄰近區域盡量避免焊接附件。如果無法避免，則焊接附件的焊縫可穿過主要焊縫，而不應在主要焊縫及其鄰近區域終止。
5.3 鍋爐受熱面管子(異種鋼接頭除外)以及管道直段上，對接焊縫中心線間的距離(L)應滿足下列要求：
a) 外徑小于159 mm，L≥2倍外徑；
b) 外徑不小于159 mm，L≥300 mm。
當鍋爐結構難以滿足上述要求時，對接焊縫的熱影響區不應重合，并且L≥50 mm。
5.4 受熱面管子(盤管及成型管件除外)對接焊縫應位于管子直段上。受熱面管子的對接焊縫中心線至鍋筒及集箱外壁、管子彎曲起點、管子支吊件邊緣的距離至少為50 mm，對于額定工作壓力不小于3.8 MPa的鍋爐，該距離至少為70 mm(受結構限制的異種鋼接頭除外)。
5.5 鍋筒、啟動(汽水)分離器、儲水箱、集箱、管道及管子的縱向和環向對接焊縫，封頭的拼接焊縫等應采用全焊透型結構。
5.6 鍋筒(筒體壁厚不相等的除外)上相鄰兩筒節的縱向焊縫，以及封頭的拼接焊縫與相鄰筒節的縱向焊縫，都不應彼此相連。其焊縫中心線間距離(外圓弧長)至少應為較厚鋼板厚度的3倍，且不小于100 mm。
5.7 由兩片不等壁厚鋼板壓制后焊成的鍋筒，相鄰兩筒節的縱縫允許相連，但焊縫的交叉部位應經射線檢測合格。
5.8 鍋筒縱、環縫兩邊的鋼板中心線一般宜對齊，鍋筒環縫兩側的鋼板不等厚時，也允許一側的邊緣對齊。名義厚度不同的兩元件或鋼板對接時，兩側中任何一側的名義邊緣厚度差值若超過5.9規定的邊緣偏差值，則厚板的邊緣應削至與薄板邊緣平齊，削出的斜面應平滑，并且斜率不大于1：3，必要時，焊縫的寬度可計算在斜面內，如圖1所示。

最小的L＝3δ(必要時可包含焊縫寬度)
最小的L＝3δ
板的中心線
環縫
標引序號說明：
δ——名義邊緣偏差； t1——薄板的厚度；
t2——厚板的厚度； L——削薄的長度。
圖1 筒體削薄示意圖
5.9 鍋筒對接焊縫邊緣偏差規定如下。
a) 縱縫或封頭拼接焊縫兩邊鋼板的實際邊緣偏差值不大于名義板厚的10%，并且不超過3 mm；當板厚大于100 mm時，不超過6 mm。
b) 環縫兩邊鋼板的實際邊緣偏差值(包括板厚差在內)不大于名義板厚的15%加1 mm，且不超過6 mm；當板厚大于100 mm時，不超過10 mm。
c) 不同厚度的兩元件或鋼板對接并且邊緣已削薄的，按鋼板厚度相同對待，上述的名義板厚指薄板；不同厚度的鋼板對接但不進行削薄的，則上述的名義板厚指厚板。
5.10 管子、管道、集箱對接時，內表面應對齊，不同直徑或壁厚的兩元件對接時，外側直徑較大處至直徑較小處過渡的斜度不大于30°，內側的過渡斜率不大于1：3，焊縫可包括在過渡斜面之內。
5.11 除了球形封頭以外，扳邊的元件(如封頭等)與圓筒形元件對接焊接時，扳邊彎曲起點至焊縫中心線的距離(L)應符合表1中的要求。
表1 扳邊彎曲起點至焊縫中心線距離
單位為毫米
扳邊元件內徑 距離(L)
≤600 ≥25
>600 ≥38
5.12 額定工作壓力不小于3.8 MPa的鍋爐，外徑小于32 mm的排氣、疏水、排污和取樣管等管接頭與鍋筒、集箱、管道相連接時，應采用底部加強的管接頭，如圖2所示。

圖2 底部加強的管接頭示意圖
5.13 支管或管接頭與鍋筒、集箱、管道連接時，不應采用奧氏體鋼和鐵素體鋼的異種鋼焊接。
5.14 承受主要荷載的吊耳與受壓元件之間可采用全焊透型焊縫連接、坡口焊縫與角焊縫的組合焊縫連接，或沿周界或接觸面全長連續分布的角焊縫連接，如圖3所示。

a) 全焊透型焊縫連接 b) 坡口焊縫與角焊縫的組合焊縫連接 c) 角焊縫連接
標引序號說明：
t——吊耳厚度； δ——焊縫厚度。
注：t<20 mm時，δ＝0.7t，但不小于6 mm；
t≥20 mm時，δ＝14 mm。
圖3 吊耳連接型式示意圖
5.15 對接焊接接頭型式，可按GB／T 985.1、GB／T 985.2的規定。
5.16 管子或管接頭與筒體或封頭的焊接連接可采用的型式如圖4和圖5所示。

A) 部分焊透型

B) 全焊透型
標引序號說明：
t——筒體或封頭厚度； Dn——管子或管接頭外徑；
tn——管子或管接頭厚度； δ——焊縫厚度。
注1：分圖d)中，A＝tn，但不小于6 mm。
注2：分圖e)中，用于公稱管徑不大于76 mm的內管螺紋附件，坡口焊縫的h不小于連接管的厚度。
注3：δ不小于0.7tn和6 mm兩者中的較小值。
圖4 外置式焊接連接示意圖